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DRUCKVERSION des Wikibooks Biologie für Mediziner

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Inhaltsverzeichnis

• Die Zelle
• Zellkompartimente
• Zellstoffwechsel
• Biologische Membranen und Membranproteine
• Zellkern
• Endoplasmatisches Retikulum und Ribosomen
• Golgi-Apparat
• Lysosomen
• Peroxisomen
• Mitochondrien
• Zytoskelett
• Zell-Zell-Kontakte
• Leben und Sterben der Zelle
• Einführung in die Humangenetik
• Einführung in die Mikrobiologie
• Entstehung des Lebens und Evolution
• Glossar
• Literatur und Weblinks

Die Zelle

Biologie für Mediziner: Die Zelle

Zellkompartimente

Biologie für Mediziner: Zellkompartimente

Zellstoffwechsel

Überblick über wichtige Stoffwechselwege. (Näheres zum Intermediärstoffwechsel, also zum Stoffwechsel der kleinen Moleküle, finden Sie in den Büchern der Biochemie, z.B. im Wikibook Biochemie und Pathobiochemie.)

Nucleinsäurenstoffwechsel

Replikation

Die DNA ist ein Biopolymer, das der Zelle über Generationen hinweg als weitgehend stabiler und dauerhafter Informationsspeicher der genetischen Information dient. Sie enthält die Baupläne für sämtliche Proteine, abgespeichert in Form eines 4-Buchstaben-Codes. Die DNA wird in der Interphase des Zellzyklus im Zellkern von DNA-Polymerasen repliziert. Die Replikation ist semikonservativ, d.h. jeder Tochterdoppelstrang besteht nach der Replikation aus einem mütterlichen Strang und einem dazu komplementären neusynthetisierten DNA-Strang. Die Neusynthese der DNA erfolgt immer in 5'3'-Richtung (vom 5'-OH-Ende zum 3'-OH-Ende).

Transkription

Die Transkription ist die Umschreibung der DNA in RNA durch RNA-Polymerasen. Die Synthese der RNA erfolgt wie bei der DNA in 5'3'-Richtung. Die RNA erfüllt verschiedene Aufgaben:

• mRNA - Die messenger-RNA dient als mobiler temporärer Informationsträger für die Proteinbiosynthese an den Ribosomen im Zytoplasma bzw. am rauhen ER. Die Information für jede Aminosäure im zukünftigen Protein wird durch je ein Basentriplett codiert. Bevor die mRNA den Kern verlässt wird sie noch verschiedentlich modifiziert und zugeschnitten.
• rRNA - Die ribosomale RNA ist ein strukturelles und funktionstragenes („Ribozym“) Bauteil in den Ribosomen.
• tRNA - Die kleeblattförmigen transfer-RNAs besitzen eine Aminosäurenbindungsstelle, mit der sie jeweils spezifisch eine der 20 Aminosäuren binden, und sie besitzen eine mRNA-Bindungsstelle, die sich komplementär zum codierenden Basentriplett der mRNA verhält. Die tRNAs tranportieren die Aminosäuren zum Ribosom und übersetzen dort den Nukleinsäurencode der mRNA in den Aminosäurencode der wachsenden Peptidkette.
• snRNA - small nuclear RNAs

Proteinstoffwechsel

Translation

Die Translation ist die Umschreibung der Nucleinsäurenkette in die Aminosäurenkette (Polypeptid) am Ribosom. Plasmaproteine werden an freien Ribosomen synthetisiert, zukünftige Membran- und Exoproteine werden während der Synthese vom Ribosom in das rauhe ER eingefädelt. Die Synthese der Polypeptide erfolgt immer vom N-Terminus zum C-Terminus.

Prozessierung

Die Aminosäurenkette wird noch weiter modifiziert, in dem z.B. Teile der Kette abgeschnitten werden. Peptidketten im rauhen ER werden dort und im Golgi-Apparat weiter modifiziert, bevor sie in Vesikeln zur Plasmamembran transportiert werden.

Faltung

Für die 3-dimensionale Faltung eines Proteins gibt es meist verschiedene Möglichkeiten, die energetisch unterschiedlich günstig sind. Damit die Proteine rasch zu ihrer bevorzugten Faltung finden, wird der Faltungsprozess enzymatisch und unter Energieverbrauch von sog. Chaperoninen (ED 3.6.4.9) (von franz.: Anstandsdamen) katalysiert. Zu den Chaperoninen gehören der GroEL-GroES-Komplex von E. coli und die klassischen Hitzeschockproteine (HSP).

Abbau der Proteine

Proteine werden im Proteasom (ED 3.4.25.1) abgebaut, nachdem sie mit Ubiquitin markiert wurden.

Energiestoffwechsel

Glycolyse und Citratzyklus

Glucose wird im Zytoplasma v.a. über die Glycolyse zu Pyruvat und dann zu Acetyl-CoA abgebaut. Acetyl-CoA wird im Mitochondrium in den Citratzyklus eingeschleust, wo daraus Reduktionsäquivalente (NADH + H⁺, FADH₂) generiert werden. Letztere übertragen ihre aufgenommen, energiereichen Elektronen auf die mitochondriale Atmungskette.

Atmungskette

Die auf die Proteine der Atmungskette übertragenen Elektronen geben ihre Energie schrittweise frei, bevor sie auf Sauerstoff als terminalen Elektronenakzeptor übertragen werden. Die chemische Reaktion entspricht in der Summe der Knallgasreaktion 2 H⁺ + 2 e^- + 1/2 O₂ ( = H₂ + 1/2 O₂) -> H₂O. Durch die schrittweise Reaktion wird die Energie erst für die Zelle nutzbar. Sie betreibt damit Protonenpumpen, die einen Protonengradienten an der inneren Mitochondrienmembran aufbauen. Dieser liefert dann ähnlich wie das Wasser in einer Wassermühle die Energie, mit der die turbinenartig gebaute ATP-Synthase die fundamentale Energiewährung aller Zellen, das Adenosintriphosphat (ATP) aus ADP und P_i (anorganisches Phosphat) „presst“.

β-Oxidation

Im Stoffwechselweg der β-Oxidation setzt die Zelle Acetyl-CoA aus Fettsäuren frei, das sie dann ebenfalls in den Citratzyklus einschleusen kann.

Biologische Membranen und Membranproteine

Biologie für Mediziner: Biologische Membranen und Signaltransduktion

Zellkern

Biologie für Mediziner: Zellkern

Endoplasmatisches Retikulum und Ribosomen

Biologie für Mediziner: Endoplasmatisches Retikulum und Ribosomen

Golgi-Apparat

Biologie für Mediziner: Golgi-Apparat

Lysosomen

Biologie für Mediziner: Lysosomen

Peroxisomen

Peroxisomen kommen prinzipiell in allen kernhaltigen Körperzellen vor, besonders häufig (dann mit Zahlen > 1.000) in Leber- und Nierenzellen. Sie entstehen durch Abschnürung aus dem rER oder durch Wachstum und Selbstteilung.

Aufgabe: Abbau von Peroxiden (H₂O₂) und anderen Radikalen (ROS), die im Rahmen der Immunabwehr anfallen, sowie in der mitochondrialen Atmungskette und bei der Synthese von Gallensäuren. Dazu besitzen sie u.a. Peroxidasen und Katalasen. Außerdem sind sie am Abbau langkettiger Fettsäuren beteiligt (Kettenverkürzung).

Pathologie: Ein X-chromosomal erblicher Defekt des ABCD1-Gens, das einen ABC-Transporter kodiert, ist verantwortlich für das Krankheitsbild der Adrenoleukodystrophie (OMIM), bei dem die β-Oxidation langkettiger Fettsäuren im Peroxisom gestört ist. Diese akkumulieren und schädigen besonders die Myelinscheiden des ZNS, die Nebennierenrinde (mit der Folge einer Unterfunktion, dem Morbus Addison) und die Leydig-Zellen des Hodens.

Beim Zellweger-Syndrom (OMIM) ist die Bildung der Peroxisomen gestört.

Mitochondrien

Biologie für Mediziner: Mitochondrien

Zytoskelett

Biologie für Mediziner: Zytoskelett

Zell-Zell-Kontakte und Verankerung an der Basallamina

Die verschiedenen Arten der Zellverbindungen.

Tight junctions der Blut-Hirn-Schranke, Gefrierbruch.

Tight junctions, Zonula adhaerens und Punktdesmosomen im embryonalen Mäusegehirn, TEM.

Ein Desmosom, Lungenepithel, TEM.

Zwei Desmosomen, TEM.

Kollagen Typ I, TEM.

Idem.

Zellkontakte

Okklusionsverbindungen

Zonula occludens - Tight junctions: Sie verschweißen benachbarte Zellmembranen und dichten damit z.B. Epithelzellverbände gegen ein Lumen ab. Die Naht schränkt einerseits die laterale Beweglichkeit von Membranproteinen ein als auch die unkontrollierte Diffusion von Stoffen zwischen den Zellen hindurch.

Weblinks: KEGG: Tight junction - Homo sapiens (human)

Haftverbindungen

Haftverbindungen dienen in erster Linie der mechanischen Stabilisierung von Geweben und dem Formerhalt der Einzelzelle.

Desmosomen verbinden Zellen untereinander.

• Zonula adhaerens - Gürteldesmosomen. Sie liegen in Epithelgeweben basal der tight junctions. Von innen inserieren hier die Aktinfilamente des Zelle.

Weblinks: KEGG: Adherens junction - Homo sapiens (human)

• Macula adhaerens - Punktdesmosomen (Desmosomen i.e.S.). Sie ähneln Druckknöpfen und verbinden die Zellen punktuell. Es handelt sich dabei um Proteinplaques an der inneren Zellmembran. Sie bestehen u.a. aus Desmoplakin I und II, BPAG1, Envoplakin, Periplakin und Plectin. Desmoglein I und II überbrücken den Intrazellularspalt und verbinden zwei gegenüberliegende Desmosomen benachbarter Zellen miteinander.

• Hemidesmosomen verbinden Zellen mit der Basallamina (Basalmembran), die aus einer Lamina lucida und einer darunterliegenden Lamina densa besteht. Intrazellulär sind die Hemidesmosomen mit den Tonofilamenten, bzw. dem Zytoskelett verbunden.

Fokale Adäsionspunkte

Weblinks: KEGG: Focal adhesion - Homo sapiens (human)

Kommunikationsverbindungen

• Gap junctions (Nexus) - Ein Nexus setzt sich aus 2 Connexonen (Hemikanäle) zusammen, die jeweils aus 6 Connexin-Proteinen bestehen. Der gebildete Kanal ist etwa 1,5 nm breit und lässt kleinmolekulare Substanzen durch wie anorganische Ionen, Nucleotide, Aminosäuren, Wasser, Glucose und überträgt damit auch elektrische Erregungen, z.B. im Herzmuskel. Ein tiefer pH-Wert oder eine hohe Ca²⁺-Konzentration bewirken eine Schließung des Kanals, so dass beschädigte Zellen vom Zellverband abgekoppelt werden.

Weblinks: KEGG: Gap junction - Homo sapiens (human)

Extrazellulärraum

Kollagen

Kollagen ist für die mechanische Stabilität der Gewebe zuständig und v.a. im Binde- und Stützgewebe zu finden. Im Knochen liefert es die Matrize für die Mineralisierung mit Calciumhydroxylapatit (Calciumphosphat). Ebenso stabilisiert es die Basalmembran, die sämtlichen Epithelien als Unterlage dient.

Die Kollagentripelhelix setzt sich aus 3 Peptidketten zusammen, die jeweils eine Länge von über 1.000 Aminosäuren aufweisen. Diese bestehen hauptsächlich aus den 3 Aminosäuren Glycin, Prolin und Hydroxyprolin, die repetitiv angeordnet sind. Zum Teil findet sich auch Hydroxylysin.

Hydroxyprolin und -lysin entstehen durch posttranslationale Modifikation, d.h. nach der Bildung des Propeptids, aus Prolin und Lysin. Die Hydroxylierung ist Vitamin C-abhängig. Die so gebildeten Hydroxylysin-Reste werden dann glykosyliert. Nach Abspaltung der Propeptide werden außerdem Lysinreste oxidiert, als Voraussetzung für die Quervernetzung.

Man unterscheidet verschiedene Kollagentypen, die sich in ihrer Struktur, ihren Eigenschaften und ihrem Verwendungsort unterscheiden:

• Kollagen I - Knochen, Sehnen, Muskel, Gefäße
• Kollagen II - Knorpel
• Kollagen III - Retikulin
• Kollagen IV - Basalmembran

Pathologie: Bei einem extremen Vitamin C-Mangel kann kein Hydroxyprolin mehr gebildet werden und das Kollagen wird brüchig. Folge ist die Erkrankung Skorbut, die durch Kapillarfragilität, Zahnausfall, Knochenerweichung usw. gekennzeichnet ist.

Proteoglykane

Proteoglycane (Glycosaminoglycane) bestehen aus einem Protein-Kern und langen Ketten von repetitiven Disaccharideinheiten, die aufgrund der zahlreichen Hydroxyl-Gruppen gut Wasser binden. Wichtige Proteoglykane sind Keratansulfat, Chondroitinsulfat und Heparansulfat. (Zur Synthese und chemischen Struktur siehe im Buch Biochemie und Pathobiochemie).

Aufg.:

• Organisation der Interzellularsubstanz des Bindegewebes
• Regulation der Gefäßpermeabilität
• Mechanischer Schutz der Zelle vor Zerquetschung
• Elastizität durch Wasserbindung z.B. im Knorpelgewebe.

Weblinks

• http://www.unifr.ch/histologie/elearningfree/allemand/epithel/epithel05.html
• KEGG: Cell Communication - Homo sapiens (human)

Leben und Sterben der Zelle

Das Tumorsuppressorgen P53 registriert DNA-Schäden und arretiert bei Bedarf den Zellzyklus. Irreparable Schäden führen zur Apoptose.

P53, ungebunden.

3 Caspasen.

Die Caspase-aktivierte Deoxyribonuclease.

Über das NHEJ werden gefährliche Dopppelstrangbrüche repariert.

Die DNA-Ligase.

Ein Thymin-Dimer.

Der Zellzyklus

• M-Phase: Zellteilung
• G1-Phase: Erste Wachstumsphase
• S-Synthese-Phase: DNA-Replikation (Verdopplung der Chromatiden)
• G2-Phase: Zweite Wachstumsphase

• G0-Phase - Ruhephase

Zwischen den einzelnen Phasen liegen Checkpoints (Restriktionspunkte), in denen die Zelle ihre genetische Integrität überprüft. Bei irreparablen Schäden geht die Zelle in die Apoptose, da die Gefahr der malignen Transformation besteht.

Beteiligte Proteine: Cyclin-abhängige Kinasen (CDK), p53 (Das Tumorsupressorgen hat viele Funktionen. Unter anderem arretiert es bei Bedarf den Zellzyklus und schickt die Zelle bei nicht-reparablen DNA-Schäden in die Apoptose.)

Weblinks: KEGG: Cell cycle - Homo sapiens (human)

Mechanismus der Proliferation

Mitose

Normale Körperzellen haben meist einen diploiden Chromosomensatz. D.h. jedes Chromosom besteht aus zwei identischen Chromatiden und hat ein homologes Partner-Chromosom mit den gleichen Genen, aber anderen Allelen, also etwas abweichenden Nukleotidsequenzen. Mitose ist die normale ungeschlechtliche Querteilung.

• Interphase
• Prophase
• Metaphase
• Anaphase
• Telophase
• Interphase

Weblinks: Animation Mitose, Mitose (Video), Mitose und Meiose, YouTube - Mitose (Animation), YouTube - Animal Cell division (DIC), YouTube - Plant Cell Division, YouTube - Mitosis

Meiose

Da bei der Verschmelzung von Samenzelle und Eizelle beide einen Chromosomensatz mitbringen, muss dieser vorher auf die Hälfte reduziert werden, damit die Gendosis gleich bleibt. Daher vermehren sich die Keimzellen auf eine besondere Art, die sog. geschlechtliche Teilung oder Meiose. In der 1. Reifeteilung (Reduktionsteilung) werden die homologen Chromosomen des diploiden Chromosomensatzes (46 XX oder 46 XY) auf zwei Zellen verteilt, die dann anschließend nur noch einen haploiden Chromosomensatz haben (Frauen: 23 X, Männer: 23 X oder Y). In dieser Phase findet auch das Crossing-over statt zur Rekombination der mütterlichen und väterlichen Gene. Die 2. Reifeteilung entspricht der Mitose, hier werden die Schwesterchromatiden voneinander getrennt.

Bei Männern beginnt die Meiose der Samenzellen mit Eintritt der Pubertät. Bei Frauen findet die 1. Reifeteilung der Eizellen bereits embryonal oder kurz nach der Geburt statt (Primärfollikel). Die 2. Reifeteilung erfolgt mit der Reifung der Eizelle in der 1. Zyklushälfte.

1. Reifeteilung:

• Prophase I
  • Leptotän (von gr. leptos, dünn und lat. taenia, das Band)
  • Zygotän (von gr. zygon, das Joch)
  • Pachytän (von gr. pachys, derb)
  • Diplotän (von gr. diploos, doppelt)
  • Diakinese (von gr. diakinein, auseinander bewegen)
• Metaphase I
• Anaphase I
• Telophase I

2. Reifeteilung:

• Prophase II
• Metaphase II
• Anaphase II
• Telophase II

Weblinks: Animation Meiose, YouTube - Meiose (Animation), YouTube - Sexy Meiosis (Fun)

Mechanismen des Zelltodes

Apoptose

Apoptose ist ein aktiver, energieverbrauchender Prozess, bei dem die Zelle sozusagen Suizid begeht. Über die Apoptose werden gezielt überflüssig gewordene (Embryonalentwicklung), autoaggressive, virusinfizierte und maligne transformierte Zellen ausgeschaltet. Proapoptotische Signale können von innen oder von außen kommen. Die Auslösung des „programmierten Zelltodes“ erfolgt z.B. über den Fas-Ligand-Rezeptor-Weg mit Aktivierung von Caspasen und der Freisetzung von Cytochrom c aus den Mitochondrien oder über p53 (DNA-Schäden).

Die Zelle fragmentiert ihre DNA mit Hilfe von Desoxyribonucleasen und zerfällt in Apoptosekörperchen. Es wird keine Entzündungsreaktion induziert.

Weblinks: KEGG: Apoptosis - Homo sapiens (human)

Nekrose

Nekrose ist der traumatisch-toxische Zelltod aufgrund äußerer Schädigung. Er verbraucht keine Energie und löst eine Entzündungsreaktion aus.

DNA-Schäden

Die DNA ist für mutagene Schäden das kritische Target in der Zelle. Sonstige Schäden können meist problemlos kompensiert werden.

Auslöser:

• Fehler bei der Replikation, z.B. durch Basenfehlpaarung. Seltene Tautomere der Basen können dazu beitragen.
• Strahlung: UV-Licht (bes. UV-B), natürliche (kosmische, terrestrische und interne Strahlung) und baubedingte (Radon) Hintergrundstrahlung, medizinisch-technische Strahlenbelastung.
• Radikale Sauerstoffspezies (ROS)
• Chemikalien: Arsen, Benzol, Benzpyren.
• Viren: HPV (Zervixkarzinom), Herpes-Viren wie EBV (Burkitt-Lymphom, Nasopharynxkarzinom in Asien) und HHV-8 (Kaposi-Sarkom bei AIDS-Kranken).

DNA-Schäden

• Basenveränderungen. Bsp.: Cytosin kann leicht zu Uracil desaminiert werden. Damit diese Form der Mutation von den Reparaturmechanismen leichter erkannt werden kann, wird in der DNA anstelle von Uracil (welches in der RNA verwendet wird) die Base Thymin (Methyluracil) benutzt. So kann das Auftauchen von Uracil in der DNA eindeutig als Mutation interpretiert werden.
• Pyrimidin-Dimere - Sie entstehen durch die kovalente Verbindung zweier benachbarter Thymine oder Cytosine in der Epidermis durch UV-Licht. Thymidin-Dimere sind häufiger, aber unkomplizierter, da sie bei der Replikation meist korrekt mit Adenin gepaart werden. Cytosin-Dimere sind gefährlich, da sie oft mit Adenin statt mit Guanin gepaart werden, was eine Mutation bedeutet. Die Reparatur beim Menschen erfolgt durch die Nucleotidexzisionsreparatur.
• Einzelstrangbruch (SSB)
• Doppelstrangbruch (DSB) - DSBs sind seltener, aber am gefährlichsten.
• Quervernetzung von DNA-Strängen - Ablesen nicht mehr möglich

DNA-Reparatur

• Nucleotidexzisionsreparatur - am wichtigsten
• Doppelstrangbruchreparatur:
  • Homologous end-joining (HEJ)
  • Non-homologous end-joining (NHEJ) - Beteiligte Proteine sind Ku, Xrcc4 und die DNA-Ligase

Pathologie: Xeroderma pigmentosum (XP): Ein Defekt der Nucleotidexzisionsreparatur führt dazu, dass DNA-Schäden, die besonders durch UV-Licht in der Haut entstehen, nicht repariert werden können. Die Kinder kommen äußerlich gesund zur Welt, entwickeln aber bereits im Kindesalter multiple Hauttumoren. Beim Li-Fraumeni-Syndrom liegt eine Keimbahnmutation des Tumorsuppressorgens p53 vor. Die Betroffenen entwickeln bereits in jungem Alter verschiedenartige Tumoren.

Krebsentstehung

• Inaktivierung von Tumorsuppressorgenen
• Aktivierung von Onkogenen
• Mehrschritthypothese

Weblinks: KEGG: Colorectal cancer - Homo sapiens (human), KEGG: Melanoma - Homo sapiens (human)

Einführung in die Humangenetik

Grundlagen der Humangenetik

Begriffe und Symbole

Begriffe

• Genotyp = Gesamtheit aller Erbanlagen eines Organismus; Phänotyp = Summe der äußeren Merkmale eines Organismus (begründet durch Genotyp in Wechselwirkung mit Umwelt)
• Gen = vererbbare Einheit eines Merkmals
• Allele = alternative Formen von Genen, nehmen denselben Lokus auf den Schwesterchromatiden und auf homologen Chromosomen ein --> Mutationen eines Gens
  • Homozygotie = an gleichen Loki in homologen Chromosomensegmenten liegen identische Allele vor; Heterozygotie = unterschiedliche Allele an gleichen Loki
• Dominantes Allel = bei Heterozygotie ist die Wirkung nur dieses Allels phänotypisch erkennbar; rezessives Allel = bei Heterozygotie ist die Wirkung dieses Allels phänotypisch nicht erkennbar (nur bei Homozygotie bemerkbar); Kodominanz = bei Heterozygotie kommen beide Genprodukte unabhängig voneinander vor und manifestieren sich im Phänotyp
• Penetranz = Häufigkeit, mit dem sich ein Gen oder eine Genkombination im Phänotyp manifestiert; Expressivität = Stärke, mit der ein Gen manifest wird

Symbole

(Abbildung)

Mendels Vererbungsgesetze

Mendelsche Gesetze (Wiederentdeckung der Leistungen Mendels durch Correns, Tschermak, De Vries; "Chromosomentheorie der Vererbung" von Sutton und Boveri)

• Uniformitätsgesetz (1. Mendelsches Gesetz): homozygoten Individuen, die sich in mindestens einem Merkmal unterscheiden, bringen in der Filialgeneration1 heterozygote Nachkommen hervor, die hinsichtlich der Merkmale phänotypisch einheitlich sind --> Aa, Aa, Aa, Aa
• Spaltungsgesetz (2. Mendelsches Gesetz): Die Nachkommen der heterozygoten Filial1-Individuen spaltet sich phänotypisch in bestimmten Zahlenverhältnissen auf ("herausmendeln"; 1:2:1 im Genotyp, bei intermediärem Erbgang wie Genotyp, bei dominant-rezessivem Erbgang 3:1) --> AA, Aa, Aa, aa; Analyse des Genotyps durch Rückkreuzung mit dem rezessiven Partner
• Unabhängigkeitsregel (3. Mendelsches Gesetz): Die einzelnen Allele werden unabhängig voneinander vererbt (d. h. nach dem Spaltungsgesetz auf Tochterzellen verteilt); dies gilt nur bei den Allelen, die auf verschiedenen Chromosomen liegen; verschiedene Allele, die sich auf demselben Chromosom befinden, bilden eine Kopplungsgruppe (aber: Crossing-over)

Erbgänge

Intermediärer Ebgang

bei Heterozygotie wird eine Mischform exprimiert, bei der beider Allele mitwirken

Codominanter Erbgang

Heterozygotie ist von Homozygotie unterscheidbar, beide Allele werden gleichberechtigt exprimiert (z. B. AB0-Blutgruppen)

Dominante und rezessive Erbgänge

Grundlagen

• Definition "dominant": die Anwesenheit der genetischen Information reicht bereits in einfacher Dosis aus, um das entsprechende Merkmal voll auszuprägen (Einstufung eines Gens als dominant oder rezessiv abhängig von der Genauigkeit der Untersuchung; aufgrund des Fortpflanzungsnachteils und der Schwere der Krankheiten homozygoter Allelträger kann man Homozygotie oftmals nicht mit Heterozygotie vergleichen)
• Definition "rezessiv":
• Begriffe bei Heterozygoten: Haploinsuffizienz (gesundes Allel kann das mutierte nicht kompensieren), dominant-negative Genwirkung (= Aktivierungswirkung: das mutierte Allel beeinträchtigt das gesunde, d. h. es stört es, hebt seine Wirkung auf oder hat eine völlig andere Wirkung)

Autosomale Erbgänge

Autosomal-dominanter Erbgang

• Merkmale:
  • Der Phänotyp von Heterozygoten entspricht ungefähr dem Phänotyp Homozygoter; der betreffende Genlokus liegt auf einem Autosom;
    • Der übertragende Elternteil ist meist heterozygot (--> Erkrankungswahrscheinlichkeit für die Kinder: 50 %)
  • Meist morphologische Fehlbildungen, ausgedehnte Störungen in der Gewebsstruktur,; meist äußerlich sichtbar (--> es sind nicht Stoffwechselprozesse, sondern Prozesse zum Aufbau von Zell- und Gewebsstrukturen betroffen); oftmals Pleiotropie (d. h. Veränderung mehrerer phänotypischer Merkmale);
• Häufigkeit: 1/10.000 (vgl. alle Erkrankungen: 7/1000)
• Viele dominante Mutationen korrelieren mit dem Alter des Vaters (erhöhte Genmutationsrate aufgrund vieler Zellteilungen in der Spermatogenese)
• Auftreten: Eigentlich sollte sich das Gen aus dem Genpool eliminieren (Fortpflanzungsnachteil!); es tritt dennoch auf, aufgrund
  • Neumutation: oftmals treten Leiden, für die ein autosomal-dominanter Erbgang erwiesen ist, sporadisch auf
  • Unvollständiger Penetranz: beim Elternteil, das das mutierte Allel trägt, kam die Erkrankung aus irgendwelchen Gründen nicht voll zur Ausprägung, s** dass es das Allel weitergeben konnte
• Beispiel: AB0-Blutgruppensystem (3 Allele --> genetischer Polymorphismus = multiple Allelie) als Mischform zwischen codominantem (AB) und autosomal-dominantem (A0, B0) Erbgang
  • Biochemische Eigenschaften:

Blutgruppe 0 (in Europa 40 %): H-Substanz besteht aus GlcNAc + D-Galactose + L-Fucose; kein Anti-H vorhanden

Blutgruppe A (40 %): Anheftung von GalNAc an die D-Galactose durch Transferase --> Tetrasaccharid; Anit-A

Blutgruppe B (16 %): Anheftung von D-Galactose an die D-Galactose durch Transferase --> Tetrasaccharid; Anti-B

Blutgruppe AB (4 %): die Erythrocyten tragen beide Sorten der Tetrasaccharide; Anti-A und Anti-B

• Klinische Bedeutung: Bluttransfusionen, Vaterschaftsgutachten
• Klinik: Achondroplasie (entsteht durch Neumutation)

Autosomal-rezessiver Erbgang

Nur Homozygote weisen das entsprechende Merkmal auf

• Bei den Eltern ist das Merkmal meist nicht ausgeprägt, d. h. sie sind für das Merkmal heterozygot --> Aufspaltung 1:2:1 (Genotyp) bzw. 3:1 (Phänotyp); Pseudodominanz bei Homozygoter x Heterozygoter (Ausprägung 1:1)
• Meist Stoffwechselstörungen, v. a. Enzymdefekte (--> nur 50 % der normalen Enzymaktivität; genügt zum Leben): Beispiele (alle im Phenylalanin-Tyrosin-Stoffwechsel --> komplementäre Polygenie):
  • Phenylketonurie (Phenylalanin-Hydroxylase fehlt, Phenylalanin staut sich an und wird zu Phenylketonen umgewandelt): Gehirnschädigungen; Therapie durch strenge phenylalaninarme Diät
  • Alkaptonurie: kein Abbau der Homogentisinsäure möglich --> sich dunkel färbender Urin (Homogentisat oxidiert zu p-Chinon, das dann polymerisiert)
  • Albinismus: aus Tyrosin kann kein Melanin gebildet werden
• Häufigkeit der rezessiven Gene: 1/100 bis 1/1000

Gonosomale Erbänge: X-chromosomale Erbgänge

X-chromosomal-rezessiver Erbgang

phänotypisch fast nur Männer betroffen;

3 Szenarien:

• Mutter normal, Vater hemizygot krank (hemizygot: Gen kommt nur einmal im gesamten Genotyp vor (X!)) --> Alle Söhne normal, alle Töchter Konduktorinnen
• Mutter heterozygot, Vater normal --> die Hälfte der Söhne krank, die Hälfte der Töchter Konduktorinnen
• Mutter homozygot, Vater normal --> Alle Söhne krank, alle Töchter Konduktorinnen

Krankheiten:

• • Hämophilie: A (Faktor VIII mutiert), B (Faktor IX mutiert); Therapie: Zuführen des fehlenden Faktors
  • Muskeldystrophie Typ Duchenne: 1:3000 Jungen; zunächst unauffällig, dann zunehmende Schwächung (z. B. Gower-Zeichen), schließlich Ateminsuffizienz mit Infekten der Atmungsorgane; molekulare Ursache: Mutation im Dystrophingen quergestreifter Muskelfasern

X-chromosomal-dominanter Erbgang

phänotypisch sowohl Männer als auch Frauen betroffen;

2 Szenarien:

• Mutter krank, Vater gesund --> die Hälfte der Söhne krank, die Hälfte der Töchter krank (1:1-Aufspaltung wie beim autosomal-dominanten Erbgang)
• Mutter gesund, Vater krank --> alle Söhne gesund, alle Töchter krank

Besondere Aspekte der Vererbung

Genomische Prägung (genomic imprinting)

Expression bestimmter Merkmale sind abhängig von der elterlichen Herkunft (d. h. sie mendeln nicht)

• Eigenschaften
  • Prägung kommt durch Methylierungsunterschiede der DNA während der Keimzellentwicklung zustande!
  • Prägungen können in den folgenden Generationen hergestellt oder ausgelöscht werden (der geprägte Lokus mendelt, die Expression ist aber von der elterlichen Herkunft abhängig)
  • Prägung bewirkt meist Verlust oder Verminderung der Aktivität ==> unterschiedliche Aktivität der beiden Allele (austarierte Gendosis ist oftmals Voraussetzung für einen normalen Phänotyp)
• Auswirkungen
  • Klinische Auswirkungen von Deletionen etc. sind oft von der elterlichen Herkunft abhängig (z. B. myotone Dystrophie)
  • Gestörte elterliche Herkunft der Chromosomen: uniparentale Disomie, Isodisomie, Heterodisomie
  • Blasenförmige Mole, Teratome

Mitochondriale Vererbung

maternale Vererbung; damit sich mutierte mtDNA phänotypisch manifestiert, muss ihr Anteil einen bestimmten Schwellenwert überschreiten

• Genprodukte der mtDNA: 13 Komponenten der Atmungskette (Rest (ca. 70): nucleäre Produkten), 22 tRNAs, 2 rRNAs
• Mitochondriale Erkrankungen: können basieren auf
  • Mutationen der mtDNA (hohe Mutationsrate!), Störungen der Transkription oder Translation
  • Veränderungen in der nucleären DNA, Störungen von Transkription, Translation oder Processing

Multifaktorielle Vererbung

Kontinuierliche Variabilität bestimmter Merkmale in einer gewissen Bandbreite beruht auf (1) Zusammenspiel vieler Gene (= polygene Vererbung; die einzelnen Gene werden natürlich nach den mendelschen Gesetzen vererbt) + (2) Gen-Umwelt-Interaktion ==> multifaktorielle Vererbung (Anteil von genetischen Faktoren und Umweltfaktoren ist je nach Merkmal unterschiedlich; Prädisposition), d. h. jedes Gen hat je nach Umwelteinfluss Anteil an der Gesamtexpression eines Merkmals/einer Erkrankung (oftmals Bevorzugung eines Geschlechts)

Mutationen

Arten von Genmutationen

• Arten
  • Substitution und Folgen
    • Substitution (Austausch einer einzigen Base): Transversion (Purinbase ? Pyrimidinbase), Transition (Purinbase ? Purinbase; Pyrimidinbase ? Pyrimidinbase)
    • Mehrere Folgen aufgrund Wobbel-Hypothese: (1) Keine Veränderung in der AS-Sequenz (same-sense-Mutation) (2) Austausch einer AS in der AS-Sequenz; Klinik: Sichelzellanämie, (3) Veränderungen in der Promotorregion (--> Pseudogene) und in Stoppcodons (Neubildung oder Entfernung von Stoppcodons)
  • Deletion
    • Verlust mindestens eines Tripletts --> Ausfall von AS aus der Polypeptidkette
    • Verlust eines oder zweier Basenpaare --> Leserasterverschiebung (frame-shift-Mutation), z. B. Becker (leichter) oder Duchenne-Muskeldystrophie (gravierender)
  • Insertion: Einfügen eines Tripletts oder eines oder zweier Basenpaare
  • Duplikation: Aufgrund illegitimem oder nicht homologem Crossing-over, wobei das duplizierte Segment ein Gen(-Teil) ist; Motor der Evolution (Duplikation + Veränderung durch Punktmutationen)!
  • Trinukleotidwiederholungen: Fortschreitende Vermehrung eines Tripletts; Antizipation (immer frühere Manifestation in späteren Generationen), Korrelation zwischen Lebensalter und Krankheitsschwere; Klinik: fragiles X-Syndrom, myotone Dystrophie, Chorea Huntington
    • Entstehung: Fehlpaarung gegeneinander verschobener DNA-Stränge --> kurze Repetitionen; ungleiches Crossing-over --> lange Wiederholungen; Stammschleifestrukturen
    • Arten der repetitiven Sequenzen: meist (CAG)n
    • Folgen: Störung der Chromatinstruktur, Entstehung fragiler Chromosmenbereiche
  • Andere Genmutationen:
    • Neubildung eines Stoppcodons (--> vorzeitiger Kettenabbruch)
    • Verlust des Stoppcodons (--> Nonsense-Mutation)
    • Mutation in Promotorregionen (--> Bildung von Pseudogenen)
    • Punktmutationen in Introns (--> Fehler im Splicing)
    • Mutation durch nicht-homologes Crossing-over
    • Integration eines Retrotransposons
    • Auftreten:
  • Spontane Neumutation (verschiedene Mutationsraten in verschiedenen Loci), die den Reparatursystemen entgangen sind
  • Induzierte Mutationen wegen (1) Strahlen (physikalische Einwirkungen), (2) chemischen Mutagenen (chemische Einwirkungen) --> Überlastung von Reparaturmechanismen ==> Spontanaborte, Fehlbildungen; Tumore, Entartungen

Strukturelle Mutationen

• Deletion: ein Teil des Chromosoms geht verloren
  • Terminale Deletion: 1 Bruchereignis; bei Verlust des Telomerbereichs wird das Chromosom instabil und geht verloren
  • Interstitielle Deletion: 2 Bruchereignisse; die Bruchenden können verschmelzen --> Ringchromosom (gehen verloren)
    • Zentromerbereich nicht eingeschlossen
    • Zentromerbereich mit eingeschlossen: --> zentrisches Chromosom + azentrisches Chromosom (geht verloren)
• Translokation: Chromosomensegment wird verlagert
  • Innerhalb desselben Chromosoms
  • Übertrag auf ein anderes Chromosom;
    • Nicht-reziproke Translokation
    • Reziproke Translokation: gegenseitiger Austausch zwischen zwei Chromosomen
      • Stabilität
        • Stabil
        • Instabil: es entstehen 1 azentrisches Chromosom (--> geht verloren) + 1 dizentrisches Chromosom (--> zerreißt bei der Mitose/Meiose) ==> Zelle ist nicht stabil; meist letal
      • Sonderform: zentrische Fusion, d. h. aus zwei akrozentrischen Chromosomen entstehen 1 Chromosom mit zwei kurzen Armen (nicht mehr auffindbar) + 1 Chromosom mit zwei langen Armen (Translokationschromosom) --> phänotypisch normal (Informationsgehalt der kurzen Arme ist gering); bei der Meiose lagert sich das Translokationschromsom mit 2 Homologen zusammen (--> Trivalente) ==> balancierter Chromosomensatz oder nichtbalancierter Chromosomensatz (Monosomien, Trisomien)
• Duplikation: zweimaliges Auftreten desselben Chromosomensegments im haploiden Chromosomensatz; Ursache: u. a. illegitimes Crossing-over; ==> unbalancierter Chromosomensatz
• Inversion: 2 Bruchereignisse im Chromosom, dann Drehung des herausgebrochenen Fragments um 180°, Wiedereinbau; bei parazentrischen Inversionen keine klinischen Folgen, bei perizentrischen Inversionen verschiedene Anomalien

Numerische Mutationen (Genommutationen)

• Ursachen: Hohes Alter der Mutter (Risik** steigt von 1:2000 (20-jährige) auf 1:30 (45-jährige Frau)): Lockerung der Chiasmata (hohes Alter des Vaters vernachlässigbar)
• Auswirkungen: unbalancierte Chromosomenverteilungen, Strukturveränderungen --> Störungen des Gesamtgleichgewichts ==> gleichartige morphologische Veränderungen trotz verschiedener Ursachen
• Arten von Fehlverteilungen
  • Polyploidie: Vervielfachung des gesamten Chromosomensatzes
  • Aneuploidie: Non-disjunction --> aneuploide Keimzellen (==> Trisomie bzw. Monosomie)
    • Fehlverteilung gonosomaler Chromosomen: keine schwerwiegenden Erkrankungen
      • Ullrich-Turner-Syndrom (45,X oder 46,X,anomales X): Häufigkeit 1:10000; Symptome: Lymphödeme, Flügelbildung am Hals, Nackenfalte, leichte Fehlbildungen innerer Organe; verursacht wahrscheinlich u. a. durch ribosomales Proteingen; vgl. Noonan-Syndrom, Neurofibromatose Typ 1 (Morbus Recklinghausen)
      • Triple-X-Syndrom (47,XXX oder mehr X): Häufigkeit 1:1000; Symptome: sekundäre Amenorrhoe, leichte geistige Störungen; je mehr X-Chromosomen, dest** größer die klinischen Auffälligkeiten
      • Klinefelter-Syndrom (47,XXY oder mehr X): Häufigkeit 1:1000; Symptome: Ausbleiben der sekundären Geschlechtsmerkmale, Fertilitätsstörung, Hypogonadismus, unproportionierter Hochwuchs; je mehr X-Chromosomen, dest** schwerer die klinischen Symptome
      • XYY-Syndrom (47,XYY) : Häufigkeit 1:1000; Symptome: v.a. Kontaktschwäche und Anpassungsschwierigkeiten;
      • Andere Fehlverteilungen
    • Fehlverteilung autosomaler Chromosomen
      • Monosomie: freie Monosomie, partielle Monosomie (Chromosomenabschnitt fehlt)
      • Trisomie: freie Trisomie, partielle Trisomie (Chromosomenabschnitt zusätzlich vorhanden)
        • Trisomie 21 (meist freie Trisomie (v.a. wegen Non-disjunction (Alter der Mutter!), seltener Translationstrisomie oder Mosaikbefund), selten partielle Trisomie)
          • Häufigkeit 1:700, häufigste Ursache geistiger Retardierung;
          • Symptome: äußerlich: brachyzephaler Kopf, kurzer Hals, überflüssige Nackenhaut; "Sandalenlücke"; innere Organfehlbildungen: v. a. angeborener Herzfehler; geistige Retardierung: selten IQ über 50; außerdem: infektanfällig, anfällig für Leukämien; männliche Patienten infertil
          • Molekulare Ursachen: Erhöhung der Superoxiddismutase-Konzentration, vermehrte Expression des Amyloid-Prekursor-Protein-Gens (Alzheimer!)
        • Trisomie 13 (Pätau-Syndrom)
        • Trisomie 18 (Edwards-Syndrom)
        • Andere Trisomien: embryonal letal
    • Andere Fehlverteilungen

Mosaikbildung: Bildung aneuploider Zellen bei der Mitose von Somazellen (z. B. in der Blastocyste) --> Problemfälle in der vorgeburtlichen Diagnostik Chimären: i. e. S. Individuen, die aus Mischpopulationen zweier Verschiedener Individuen hervorgehen (--> 2 Väter und 2 Mütter); i. w. S. Lebewesen oder Gewebe verschiedenen Genotyps; Aggregationschimären, Blutgruppenchimären (bei der Entwicklung von zweieiigen Zwillingen) Mutationen in Somazellen, somatische Mutationen:

• Zelltod
• Vermehrung der bereffenden Zelle --> Tumor, Dysplasien; z. B. Retinoblastom, Burkitt-Lymphom

Mutationsraten:

• Genmutationen: zwischen 1:10.000 und 1:100.000 und geringer; bei dominanten Erbleiden natürlich häufiger
• strukturelle und numerische Mutationen: bei ca. jedem 200. geborenen Kind

Berechnung der Häufigkeits-Verteilung von Allelen

Hardy-Weinberg-Gesetz:

p und q sind die relativen Häufigkeiten der entsprechenden Allele A(p) und a(q). Es gilt:

1. p + q = 1
2. p² + 2 pq + q² = 1 (leitet sich aus 1. ab, da auch (p + q)² = 1 x 1 = 1. Binomische Formel!)

Genotypfrequenzen F sind dann:

• F(AA) = p² -> homozygot A, Phänotyp A
• F(Aa) = 2 pq -> heterozygot Aa, Phänotyp a bei rez. Erbgang, Phänotyp A bei dom. Erbgang (bei 100% Pentranz)
• F(aa) = q² -> homozygot a, Phänotyp a

Beispiel: Die Erkrankung Mukoviszidose (Phänotyp A) ist autosomal-rezessiv (Erkrankung nur bei Genotyp AA) und betrifft in Deutschland eins von 2500 Kindern. Die Häufigkeit des Genotyps AA beträgt daher F(AA)= 1:2500 = 0,0004. Daraus lässt sich nun die Häufigkeit des defekten Allels in der Bevölkerung (p) und die Häufigkeit der gesunden Träger des defekten Gens (Heterozygote Aa) berechnen:

• Berechnung von p: p² = F(AA) = 0,0004 <=> Wurzel aus p² = p = 0,02 (d.h. 2 % der Allele in der Bevölkerung sind defekt)
• Berechnung von q: q = 1 - p = 1 - 0,02 = 0,98 (d.h. 98 % der Allele sind gesund)
• Berechnung der Heterozygotenfequenz: F(Aa) = 2 pq = 2 x 0,02 x 0,98 = 0,0392 (d.h. ca. 4 % der Bevölkerung sind gesunde Träger des defekten Gens).
• Häufigkeit homozygot Gesunder F(aa): F(aa) = q² = 0,98² = 0,9604

Einführung in die Mikrobiologie

Prionen

Prionen sind sehr kleine (10-15 nm) Nukleinsäure-freie infektiöse Proteinpartikel. Der Begriff Prionen leitet sich von der englischen Bezeichnung „proteinaceous infectious agents“ ab. Prionen stellen fehlgefaltete (beta-Faltblattstruktur-reiche) wasserunlösliche Proteine dar, die ähnlich wie Chaperone andere Proteine umfalten können, hier jedoch in die pathologische Form. Dadurch kann es zu einer tödlichen Kettenreaktion kommen, die z.B. im ZNS zu Protein-Ablagerungen führt und dadurch den Zellstoffwechsel beeinträchtigt und das Nervengewebe zerstört. Als große Besonderheit können Prionenerkrankungen gleich auf 3 Wegen enstehen. Sie können übertragen werden, sie können vererbt werden (Neigung des physiologischen Proteins zur Umfaltung) und sie können spontan entstehen. Meist befallen sie das ZNS. Beispiele für familiäre Prionenerkrankungen sind die (familiäre) Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJD), das Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom (GSS) und die Tödliche Familiäre Insomnie (FFI). Transmissible Prionenerkrankungen sind z.B. Kuru und die Bovine Spongiforme Enzephalopathie (BSE), die auf die Scrapie der Schafe zurückgeht und in jüngerer Zeit über nicht ausreichend erhitztes Tiermehl auf Rinder übertragen wurde. Zahlreiche Menschen haben sich in der Folge über die Nahrung mit BSE infiziert und eine ebenfalls tödliche neue Variante der CJD (nvCJD) entwickelt. Prionen widerstehen allen herkömmlichen Desinfektionsverfahren und sind extrem widerstandsfähig gegenüber Hitze, UV- und Gamma-Bestrahlung.

Viren

Viren sind unbelebt und besitzen keinen eigenen Stoffwechsel, daher können sich nur in lebenden Zellen (Prokaryonten oder Eukaryonten) vermehren. Tierische Viren sind rund, ikosaedrisch (20-flächig), geschoßförmig oder helikal. Sie bestehen aus Proteinen und dem Erbmaterial in Form der Ribonukleinsäure (RNA-Viren) oder Desoxyribonukleinsäure (DNA-Viren). Behüllte Viren besitzen zusätzliche zu ihrem Nukleokapsid (der Nukleinsäure-Protein-Partikel) eine Lipidmembran, die von der Wirtszelle abstammt. Teilweise integrieren sie ihr Genom in die Wirts-DNA und können damit auch als reine genetische Information lange Zeit latent (ruhend) im Organismus verbringen, ohne das Virusproteine oder -partikel im Gewebe nachweisbar sein müssen. Viren zeigen in ihrem reduktionistischen Aufbau eine beeindruckende Synthese aus Einfachheit und Funktionalität. Evolutionär gesehen handelt es sich um Zellbestandteile, die ein Eigenleben entwickelt haben und nun als „vagabundierende Gene“ zwischen Wirts-Individuen und sogar -Arten umherreisen.

Die Schädigung des Organismus durch die Zellparasiten erfolgt je nach Virus durch die Interferenz mit dem Zellstoffwechsel, durch Ablagerung von Virusprotein in der Zelle, durch Zerstörung der infizierten Zelle im Rahmen der Virusfreisetzung, durch die Abwehrreaktion des Organismus und durch die Induktion von Tumoren durch die in das Wirtsgenom integrierte virale DNA (virale Onkogene).

Bakterien

Bakterien sind Prokaryonten. Von den Millionen Spezies sind vergleichsweise wenig humanpathogen. Bakterien bestimmen das Leben auf der Erde. Hinsichtlich des Aufbaus ihrer Zellwand und der damit zusammenhängenden Färbe-Eigenschaft in der Gram-Färbung unterscheidet man Gram-positive von Gram-negativen Bakterien. Bei ersteren besteht die Zellwand aus einer dicken Schicht Murein (Peptidoglycan), bei letzteren aus einer dünnen Murein-Schicht gefolgt von einer zusätzlichen zweiten mit Lipopolysacchariden (LPS) angereicherten Membran.

Seit wenigen Jahrzehnten ist der Mensch in der Lage bakterielle Infektionen mit Antibiotika zu behandeln. Erfunden wurden sie jedoch nicht vom Menschen, sondern von anderen Ein- und Mehrzellern wie z.B. Schimmelpilzen, die sich im Überlebenskampf gegenüber prokaryontischen Konkurrenten und Fressfeinden zur Wehr setzen müssen. Im Folgenden exemplarisch einige Antibiotika mit ihren Ansatzpunkten:

• Störung der Zellwandsynthese (Murein-Bildung) durch Hemmung der D-Alanyl-D-Alanin-Transpeptidase (EC 3.4.16.4):
  • β-Lactam-Antibiotika wie z.B. Penicilline und Cephalosporine
• Störung der Translation:
  • Tetrazykline wie z.B. Doxycyclin
  • Aminoglykoside wie z.B. Gentamicin und Streptomycin
  • Makrolide wie z.B. Erythromycin
  • Chloramphenicol
• Störung der DNA- und RNA-Synthese:
  • Rifampicin hemmt die RNA-Polymerase
  • Fluorchinolone wie z.B. Ciprofloxacin hemmen die bakterielle Gyrase (Topoisomerase)
  • Trimethoprim und Sulfamethoxazol (Kombipräparat: Cotrimoxazol) hemmen die Synthese von Nukleotiden durch die Störung des Folat-Stoffwechsels. Trimetoprim hemmt dabei die Dihydrofolat-Reduktase (DHFR), die die biologisch aktive Tetrahydrofolsäure (THF) zur Verfügung stellt. Sulfamethoxazol ist ein Analogon der para-Aminobenzoesäure, einem Folsäure-Baustein, und hemmt als Hemmstoff am bakteriellen Folatsyntheseenzym die Folsäure-Synthese.
  • Metronidazol bewirkt DNA-Strangbrüche

Parasiten

Gliederfüßer wirken oft als Überträger von Infektionserkrankungen, selten führen sie selbst zur Erkrankung. Parasitische Protozoen und Würmer zeigen oft einen komplexen Lebenszyklus über einen oder mehrere Wirte und können den Menschen als Zwischenwirt, Endwirt oder Fehlwirt befallen. Taxonomische Einteilung:

• Eukaryonten
  • Einzeller (Protozoen) - Bsp.: Plasmodium falciparum (Malaria tropica), Entamoeba histolytica (Amöbenruhr), Giardia lamblia (Giardiasis).
  • Mehrzeller
    • Arthropoden (Gliederfüsser) - Bsp.: Ixodes ricinus (Zecke, Überträger der Borreliose und FSME), Anopheles-Mücke (Überträger der Malaria), Aedes-Mücke (Überträger von Dengue und Gelbfieber).
    • Würmer - Bsp.: Taenia solium (Schweinebandwurm), Schistosoma spp. (Schistosomiasis).

Pilze

Mehrzellige Eukaryonten, heterotroph (keine Photosynthese!).

Bsp.: Candida albicans (Hefepilz), Aspergillus flavus (gelber Gießkannenschimmel), Dermatophyten (Hautpilze, versch. Spezies)

Humanpathogene Pilze können z.B. folgende Erkrankungen hervorrufen:

• Pilzvergiftung durch Verzehr giftiger Pilze (α-Amanitin im Knollenblätterpilz) oder verschimmelter Lebensmittel (Aflatoxine).
• Allergische Reaktionen (Asthma bronchiale) z.B. durch Aspergillus-Sporen.
• Oberflächliche oder invasive Mykosen. Letzteres tritt besonders bei Immunschwäche auf (AIDS, Chemotherapie).

Entstehung des Lebens und Evolution

Provisorisch ein paar Lesetips:

Das Universum:

• Universum
• Urknall

Die Erde:

• Erde
• Erdzeitalter - Geologische Zeitskala - Paläo/Geologische Zeitskala

Das Leben:

• Lebewesen
• Chemische Evolution
• Biologische Evolution

Der Mensch:

• Hominisation

Weblinks:

• YouTube - Carl Sagan - speaks about 4 billion years of evolution
• From The Big Bang to Today: timeline of evolution; a chronicle of the universe, the solar system, and the development of life on Earth.
• A Review of the Universe - Structures, Evolutions, Observations, and Theories - Anatomy of Animals
• EVOLUTION, ECOLOGY AND BIODIVERSITY - Chordates

Physik, Informationstheorie:

• Telepolis: Das Universum - ein Automat? Herbert W. Franke, 14.05.2007
• FAZ.net: Entropie - Zeit, Tod und schmutziges Geschirr. Ulf von Rauchhaupt, 06.09.2006

Glossar

A · B · C · D · E · F · G · H · I · J · K · L · M · N · O · P · Q · R · S · T · U · V · W · X · Y · Z

A

• Alveole - (Lungen-)Bläschen
• Anabolismus - Strukturaufbau
• Apoptose - programmierter Zelltod
• -ase - Wortendung von Enzymen
• auto - selbst
• Axon - Langer Ausläufer einer Nervenzelle (Signalausgangsseite)
• Azinus - lat: Traube. Beerenförmiges sekretbildendes Drüsenendstück

B

• Bio- - Leben

C

• Cellula - Kämmerchen
• Chrom(o) - Farb-
• Crista - Kamm

D

• di - zwei

E

• endo - innen
• Endothel - Gefäßinnenwand
• Endozytose - Aufnahme von Material in die Zelle über Einstülpung der Zellmembran und Bildung eines Vesikels (Endosom).
• ery(thro)- - rot
• Ester - chemische Verbindung zwischen einer COOH- und einer OH-Gruppe z.B. in Fetten.
• eu- - gut, richtig, echt
• exo- - außen
• Exozytose - Auschleusung von Material aus der Zelle über einen Vesikel, der mit der Zellmembran fusioniert
• extra - außerhalb

F

• Filum - Faden

G

• Genese - Entstehung
• gER - glattes endoplasmatisches Retikulum
• Glyko- - Zucker-
• Granula - Körnchen

H

• hetero - unterschiedlich
• homo - gleich

I

• inter - zwischen etw.
• Interstitium - Zellzwischenraum
• intra - innerhalb von etw.

K

• Karyon - Kern
• Katabolismus - Strukturabbau z.B. zur Energiegewinnung
• Kollagen - Bindegewebsprotein
• Kortex - Rinde

M

• Mammalia - Säugetiere
• Myo- - Muskel-

N

• Nukleinsäure - ein Polynukleotid
• Nukleus - Kern
• Nukleoid - Kernartiges
• Nukleosid - Verbindung aus einer Pentose (Zucker) und einer Nukleinbase
• Nukleotid - Verbindung aus einer Pentose (Zucker), einer Nukleinbase und 1 bis 3 Phosphatresten.

L

• -lemm - Hülle, Haut, Membran
• Leuk(o)- - weiß
• Lipid - Fett
• Lyse - Auflösung, Zerlegung

O

• -oid - -artig, -ähnlich
• oligo - wenig
• Ontogenese - Individualentwicklung
• Organell - Funktionseinheit in der Zelle

P

• Pankreas - Bauchspeicheldrüse
• peri - bei
• Phag(o)- - Fress(en)-
• Phylogenese - Stammesentwicklung
• poly - viel
• Polymer - Aus identischen Molekülen zusammengesetztes Makromolekül
• prä- - Vor-
• pro- - Vor-

R

• rER - rauhes endoplasmatisches Retikulum
• Retikulum - Netz

S

• sarko- - fleisch-
• SEM - scanning electron microscopy - Rasterelektronenmikroskopie
• semi- - halb-
• Som(a) - Körper
• Sym- - Zusammen-

T

• TEM - Transmissionselektronenmikroskopie
• Thromb(us) - Blutgerinnsel

V

• Vesikel - Bläschen

Z

• Zo(o)- - Tier-
• Zyt(o)- - Zell-

Literatur und Weblinks

Literatur

• Hirsch-Kauffmann, Schweiger: Biologie für Mediziner und Naturwissenschaftler, Thieme, Stuttgart, 6. Aufl., 2006. ISBN 3137065062
• Buselmaier: Biologie für Mediziner, Springer, Berlin, 10. Aufl., 2006. ISBN 3540293744

Hinweis: Möglicherweise ist die hier aufgeführte Auflage (ISBN) nicht die aktuellste!

Weblinks

• ExPASy - Biochemical Pathways - Cellular and Molecular Processes
• Dr. Jastrows EM-Atlas der Zelle
• Protein Data Bank (PDB)
• Orientations of Proteins in Membranes (OPM) database
• DNA interactive
• Animationen zur Zellbiologie
• Animationen und mehr
• Skript Zellbiologie
• Texte zur Zellbiologie
• Inside the cell National Institute of General Medical Sciences
• Zell-Quiz
• Dartmouth Electron Microscope Facility

Online-Bücher:

• Cooper: The Cell
• Lodish: Molecular Cell Biology
• Albert: Molecular Biology of the Cell

Video:

• YouTube - The Inner Life of the Cell

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