Begegnungen mit der Natur 8, Schulbuch

4 Basiskonzepte Auf den Seiten 6–13 werden dir die Basiskonzepte der Biologie vorgestellt. Wie du mit Begegnungen mit der Natur arbeitest 7 ZellenundOrgane sind inHinblickauf ihre Funktionabgewandelt (Abwandlungsprinzip) SämtlicheZelleneines IndividuumsgehenauseinereinzigenZellehervor – derbefruchtetenEizelle (Zygote).Nach vielenTeilungsschritten spezialisieren sichdie Folgezellen,umunterschiedliche Funktionenerfüllen zu können.Die verschiedenen Funktionenbedingen auchunterschiedlicheZellformen.Bei­ spielsweise sindNervenzellen (Neurone),die fürdie Informationsweiter­ leitung sorgen,komplettandersaufgebautalsweißeBlutkörperchen (Leuko­ zyten),dieeinewichteRolle im Immunsystem spielen.BeideZelltypenwirst du indiesem Jahr kennenlernenunderfahren,dasses jeweils verschieden abgewandelteTypengibt,mitunterschiedlichen Funktionen. Strukturenpassenhäufigexakt zusammen (Schlüssel-Schloss-Prinzip) DasSchlüsselSchlossPrinzip istwahrscheinlichausdem vorigenSchuljahr nocheinBegriff.Es spielt zBeineRollebeiderStrukturderEnzyme,welche aufdieStrukturdes zu verarbeitendenSubstratespassgenauabgestimmt ist (Substratspezifität). EineähnlichepassgenaueAbstimmung findenwiru.a.auchbeiderSignal­ übertragung zwischenNervenzellen.DasSignalwirddurchBotenstoffe (Transmitter)übertragen,dieexakt zuderStrukturderEmpfängerzelle (Rezeptoren)passen.EinausgeklügeltesSystem,dasderMensch imAlltag vor allemdannwahrnimmt,wennesgestörtwird:DieWirkung vielerDrogen beruht zBdarauf,dassdiesesexaktabgestimmteZusammenspielgestört wird. DasSchlüsselSchlossPrinzipbegegnetunsauchbeim Immunsystem.Das Immunsystemerkennt schädigende (Mikro)Organismenbzw.Fremdstoffe durchMolekülgruppenanderOberfläche (Antigene),dieeine Immunreaktion auslösen.DieseAntigenewerdendurch spezifischeRezeptoren von körper­ eigenenAntikörpernerkannt,welche sichan siebindenund verschiedene Abwehrprozesseauslösen können.Das Immunsystem isthochkomplexund arbeitet sehreffizient.Wennesgestörtwird,merkenwiresmeist sehr rasch. JegrößerdieOberfläche,desto stärkerderStoffaustausch AuchdasPrinzipderOberflächenvergrößerung istausdem vorigenSchuljahr wahrscheinlichnochbekannt (zBbeimStoffaustauschanden Lungen­ bläschenoderandenDarmzotten). Esbegegnetuns im 3.Semesteru.a.beimBaudesmenschlichenGehirns,des­ senäußersterBereich,dieGroßhirnrinde, starkgefurcht ist.Durchdiese Furchung istdieOberflächeumeinVielfachesgrößer. Wüstenfüchsehaben imVergleich zuPolarfüchsengrößereOhrenund dadurcheine verhältnismäßiggroßeKörperoberfläche.Siegebendadurch mehrKörperwärmeandieUmweltab,währendPolarfüchse in kaltenGebie­ tenKörperwärme zurückhaltenmüssen.ÄhnlicheZusammenhänge zwischen Klimades LebensraumesunddemVerhältnis vonKörpervolumen zuKörper­ oberfläche lassen sichbei vielenanderenTierarten feststellen.Dieswird in denökogeografischenRegelnbeschrieben.Fast immer lassen sichdiese RegelnaufdasPrinzipderOberflächenvergrößerung zurückführen. Aufbauund Form vonKörpermerkmalen (Struktur)pas- sen zu ihrerAufgabeundBedeutung (Funktion).Diesen Zusammenhang zwischenStrukturundFunktiongibtes nurbei Lebewesen.Wir können ihnauf verschiedenen Ebenendes Lebens (Zellbestandteile,Zellen,Gewebe, Organe,Organsysteme,…)beobachten. Struktur und Funktion Erstelle im Laufedes Jahresdeine eigene „Datensammlung“ fürdas BasiskonzeptStrukturund Funk­ tion.Wo istesdirüberallbegeg­ net? Selbstaktiv! Abwandlungsprinzip • Zelldifferenzierung S.45 • Nervenzellen S.59 • Leukozyten S. 131 Schlüssel-Schloss-Prinzip • Transmitter (Nervensystem) S.62 • Antigen-Antikörper (Immunsystem) S. 135 Oberflächenvergrößerung • FurchungderGroßhirnrinde S.81 • ÖkogeografischeRegeln S. 126 14 Die Grundlagen der Genetik IndiesemKapitel lernstdudiemolekulareStrukturderErbsubstanzkennen. DuwirstdirauchWissenüberdenVorgang ihrerVervielfältigung,derRepli- kation,aneignenundderenBedeutung fürdieZellteilung verstehen.Du wirstdichaußerdemderStruktur vonProteinenauseinandersetzenund ihre Bedeutung fürdenOrganismusbegreifenkönnen. Du lernstweiters vonderBedeutungderGeneals „Bauanleitung“ fürdie AusbildungeinesMerkmals,genauer vondenVorgängenderTranskription undderTranslation.DuwirstMechanismenkennenlernen,mitdenenGene an-undausgeschaltetwerdenunderfährst vonEpigenetik,einer zusätzli- chenumweltbedingtenEinflussnahmeaufdieAusbildung vonMerkmalen. Du lernstweitersdieUnterschiede inderWeitergabe vonErbmaterialbei Eukaryonten,ProkaryontenundViren zu verdeutlichen. ZytologischeundmolekulareGrundlagenderVererbung BiochemischeVorgängebeiderProteinsynthese (Transkription,Trans­ lation,RegulationderGenaktivität,Epigenetik) L Seite 16 Semestereinstieg Kompetenzmodul 7, Semester 7 Vererbung und Humangenetik IndiesemKapitelwirstdu verschiedeneVererbungstheorienkennenlernen unddann imstande sein,einenwissenschaftshistorischenVergleich zu zie- hen.DuwirstdieErkenntnisse JohannGregorMendelsalsgültigePrinzipien derVererbungbegreifenunddieBedeutungder inter-undder intrachromo- somaleRekombination fürdieNeuordnungdesErbmaterials verstehen.Du wirst lernen,unterschiedlicheArten vonMutationenund ihreUrsachen zu benennenund ihreFolgenalsproblematischbzw.unproblematischeinzu- ordnen. ImAbschnittHumangenetikwirstdu lernen,dasmenschlicheGenom zu beschreibenunddieMendelschenGesetzeaufdiemenschlicheVererbung anzuwenden.Duwirst vondenMechanismenerfahren,die zurAusprägung desGeschlechts führen.AuchwirstdudiegenetischenKomponentenbeider Entstehung vonKrebs verstehenundauslösendeFaktorenbenennenkön- nen.Schließlichwirstdu lernen,dieZieleundMethodenderGendiagnostik innerhalbderpränatalenFrüherkennung zubenennenundRisiken sowie Chancen zu reflektieren.DuwirstethischeAspektehinsichtlichdermensch- lichenVererbungunterdem LichtderEugenikdesNationalsozialismuskri- tischhinterfragenkönnen. VererbungsregelnundHumangenetik L Seite 40 16 M Arbeitsheft Seite 8 Duerarbeitestdi Wissenüber zytologischeundmolekulareGrundlagender Vererbung . D lernst… dieChemiesowiediemolekulareStrukturderErbsubstanz zubeschreiben (S. 16–20) denVorgangderReplikationwiederzugebenundderenBedeutung fürdie Zellteilung zuerfassen (S.21) StrukturundAufbau vonProteinen zubeschreiben sowiederenBedeu- tung fürdenOrganismus zu verstehen (S.22) Kompetenzcheck S.23 Die Grundlagen der Genetik DieGrundlagen derGenetik 7n78wy DuerarbeitestdirWissenüber biochemischeVorgängebeiderProteinsynthe- se (Transkription,Translation,RegulationderGenaktivität,Epigenetik) Du lernst… dieBedeutungderGeneals „Bauanleitung“ fürdieAusbildungeines Merkmals zuerfassen (Proteinsynthese,S.24–32),genauerdenVorgang derTranskription zurH llu gderm-RNA (S.26–27) sowiedenVorgang derTra slation zurHerstellungeinesPolypeptidsbzw.Proteins zuerklä- ren (S.28–29) dieMechani men,mit enenGenean-undausgeschaltenwerden, zu erläutern (Genregulation,S.29–31) dieEpigenetikals zusätzlicheumweltbedingteEinflussnahmeaufdie Ausbildung vonMerkmalen zubegreifenund ihreMechanismen zuerklä- ren (S.32–33) dieUnterschiede inderWeitergabe vonErbmaterialbeiEukaryonten, Prokaryont undVire zu verdeutlichen (S.34–37) Kompetenzcheck S.38 Genetik – die Lehre von der Vererbung Kindergleichenmeist ihrenElternoderGroßeltern,Geschwister sindeinander meistähnlicherals fremdeMenschen. DieseBeobachtung veranlasstebereitsMenschen inderAntikedazu, sich GedankenüberdieUrsachen verwandtschaftlicherÄhnlichkeiten zumachen ( S.41 ff).DenGrundstein fürdieWissenschaft,die sichmitdiesen Fragestel­ lungen konkretauseinandersetzt,die Genetik , lieferte jedocherst im 19. Jahr­ hundert JohannGregorMendel ( S.43). DieGenetikbeschäftigt sichmit verschiedenen Fragen:NachwelchenGesetz­ mäßigkeiten läuftdie Vererbung ab? ( S.43 ff).WelchemolekularenStruktu­ renenthaltendie Erbinformation ? ( S. 18).Wie könnendieseStrukturen vervielfältigtwerden (Replikation, S.21).Wie läuftdieRealisierungderErb­ information,alsodieVorgänge,die vonderErbinformationbis zurMerkmals­ ausbildung führen (Proteinsynthese; S.24)ab?WasbedeutenVeränderun­ genderErbinformation (Mutationen, S.49)?WelcheBesonderheitenweist dasmenschlicheErbgutauf (Humangenetik, S.55)?Wie verhältes sichmit derGenetik vonBakterienundViren ( S.34)?Ein relativ junger Forschungs­ bereichbeschäftigt sichmit Fragen rundumÄnderungenhinsichtlichderGen­ funktion,dienichtaufMutationoderRekombinationberuhenunddennochan Tochterzellenweitergegebenwerden (Epigenetik, S.32).Molekulargeneti­ scheErkenntnisse finden inderBiotechnologie ( S. 140)Anwendung. Genetik Vererbungslehre;Wissenschaft von derVererbung;genea (griech.)=Abstam- mung,genesis (griech.) =Ursprung Vererbung WeitergabederErbinformation (siehe unten) voneinerGeneration zur nächsten Erbinformation inderDesoxiribonukleinsäure (DNA, S. 17) verschlüsseltesProgramm,das zurAusbildungarttypischerund indivi- duellerMerkmale führt. Morphologische,alsomakro-undmikro- skopischerkennbareMerkmale sind zB dasAussehenundderBauderOrgane. PhysiologischeMerkmalebetreffendie physikalischeundbiochemischeEbene (zBStoffwechselvorgänge).Psychologi- scheMerkmale (beiMenschundTier) sinddiePersönlichkeitseigenschaften. 38 Kompetenzcheck Proteinsynthese DuhastdirWissenüberdiebiochemischenVorgängebeiderProteinsyntheseerarbeitet. FolgendeKompetenzenhastduerworben… DukannstdenVorgangderTranskription zurHerstellungderm-RNA sowiedenVorgangderTranslation zurHerstellungeinesPolypeptidsbzw.Proteinserklären. ÜberprüfedeinWissen… 1. Es istderCode inunserenGenen,derdieChemie inunseremKörperbestimmt.ErkläredieseAussageanhand eines kurzenÜberblicksüberdieeinzelnenSchrittederProteinsynthese. 2. EinAusschnittauseinem codierendenDNA-Strangweist folgendeBasensequenzauf: ATACTACTGCAATTCGTC a) WeisemithilfederCodesonne richtig zu,beiwelcherder folgenden Sequenzen,es sichumden komplementärenDNA-Strang,die entsprechendem-RNAoderdieAnticodonsderbeiderTranslation mitwirkenden t-RNAhandelt. UAUGAUGACGUUAAGCAG AUACUACUGCAAUUCGUC TATGATGACGTTAAGCAG b) BestimmemithilfederCodesonnedieAbfolgederAminosäuren. DukannstdieMechanismen,mitdenenGenean-undausgeschaltenwerden,erläutern. ÜberprüfedeinWissen… VergleicheAufgabeundWirkungdesRepressorsbeiderSubstratinduktionmitderbeiderEndproduktrepression. DukannstdieEpigenetikals zusätzlicheumweltbedingteEinflussnahmeaufdieAusbildung von Merkmalenbegreifenund ihreMechanismenerklären. ÜberprüfedeinWissen… 1. VeranschaulichedasPrinzipderepigenetischenGenregulationamBeispielderEntwicklungderHonigbiene. 2. ErläuteredieHauptunterschiede zwischenepigenetischenundgenetischen FaktorenderGenregulation. DukannstdieUnterschiede inderWeitergabe vonErbmaterialbeiEukaryonten,Prokaryontenund Viren verdeutlichen. ÜberprüfedeinWissen… 1. Beschreibedie LageundStrukturdesErbmaterialseinerBakterienzelleanhandeinerSkizzeunderläuterehier- beidieUnterschiede zueinerEukaryontenzelle. 2. Virengeltennichtals Lebewesen.DiskutieredieRichtigkeitdieserAussage.Tipp:WiederholedazudieKenn- zeichendes Lebens. 3. Erkläre folgendeBegriffe. a) Bakteriophage b) lytischerZyklus c) lysogenerZyklus d) Retrovirus d) Prionen Lösung 9s74p4 Überblick Grundlagen der Genetik DNA-Moleküle sind Riesenmoleküle ,die sichausTausenden von Nukleo- tiden zusammensetzen.DNA-Nukleotidebestehenaus Desoxiribose ,einer organischen Base (Guanin,Cytosin,Adenin,Thymin)undeiner Phosphatgrup- pe . Jeweils zw i solcher Polynukleotidketten verbinden sichüberdieBasen strickleiterartig zueinem Doppelstrang ,der spiraliggewunden ist.Damitdie sehr langenDNA-Moleküle imZellkernPlatzhaben, sind sieauf Eiweißmole- külen aufgewickelt.DieDNAenthältdie Erbinformation – verschlüsselte Infor- mationen fürdieSynthese vonProteinen,diedenStoffwechsel steuern,die Ausbildung vonMerkmalenbewirkenund teilweiseauchdasVerhalten bestimmen.Dieeinzelnen Informationsträger (AbschnittederDNA)werden alsGeneb zeichnet. RNA-Nukle tide ähneln in ihrer chemischenZusammen- setzungDNA-Nukleotiden,anstellederDesoxiribose kommtderZucker Ribose vorunddieBaseThymin istdurchdieBase Uracil ersetzt. Vor jederZellteilung kommtes zueiner TeilungdesZellkerns ,dereine VerdoppelungderDNA vorausgeht.Beider Replikation trennen sichdiebei- denPolynukleotidsträngederDNA reißverschlussartigauf.Andie freigewor- denenBasen lagern sichpassendeNukleotidean.Dadurchentstehen zwei identeDNA-Moleküle ( Schwesterchromatiden ),dieaneinerStelle,demCen- tromer, zunächstnoch zusammenhängen. Proteine sind lange Polypeptide ,diedurchVerknüpfung von 100bismeh- reren 1000 Aminosäuremolekülen entstehen. JedesProteinwirddurcheine bestimmteZahlundAbfolgederAminosäuren sowiedie räumlicheStruktur charakterisiert. Jeweils in Gen enthältdie Information (denBauplan) fürdieSynthese einesbestimmtenPolypeptids (bzw.Proteins).DieAbfolgederBasen inder DNAbestimmtdieReihenfolgederAminosäuren ineinemPolypeptidbzw. Protein.Nachder inderDNA codiertenBauanleitungfürein estimmtesPro- teinwird zunächsteineentsprechende m-RNA synthetisiert ( Transkription ). Mit ihrerHilfeerfolgtanden Ribosomen dieProteinsynthese ( Translation ). DieGenaktivitätwirdaufunterschiedlicheArtgesteuert ( Genregulation zBdurch Substratinduktion oder Endproduktrepression ). Die Epigenetik gehtder Fragenach,wieund inwieweitdieAktivitätder Gene vonderUmweltbeeinflusstwird. Der genetischeCode istuniversell,was vermuten lässt,dassalle Lebewe- sen voneinerAusgangsformabstammen.DieZellender Eukaryonten enthal- S mesterch ck Kompetenzmod l 7, Semester 7 Im vergangenenSemesterhastduetwasüber folgendeThemenerfahren.Bistdu fit fürsnächsteSemester?Checkdich selbst! Die Grundlag n der G netik Lerninhalte ZytologischeundmolekulareGrundlagenderVererbung Selbstcheck Liesnochmalsnach S. 16–22 Kompetenzcheck S.23 Arbeitsheft S.3–6 Gene StrukturderDNA Nukleotide Doppelhelix RNA Chromosomen Centromer Telomer Replikation DNA-Polymerase Primer Okazaki-Fragmente Leitstrang / Folgestrang Proteine BiochemischeVorgängebeiderProteinsynthese (Transkription,Translation, RegulationderGenaktivität,Epigenetik) Liesnochmalsnach S.24–37 Kompetenzcheck S.38 Arbeitsheft S.7–9 Proteinsynthese Ribosomen Polypeptid Transkription Promotor Codierender / codogenerStrang RNA-Polymerase m-RNA t-RNA Anticodon Basentriplett Genregulation Regulatorgene Operator DNA-Methylierung Plasmid Semestereinstieg Die Semestereinstiege für das 7. und 8. Semester bieten dir eine Übersicht über das kommende Halbjahr. Du findest diese Gliederung jeweils am Semesterende beim Semestercheck wieder. Kapiteleinstieg Ein neues Thema beginnt mit einem Kapiteleinstieg. Auf dieser Seite findest du eine Übersicht darüber, was dich in diesem Kapitel erwartet. Themenseite Hier erarbeitest du dir ein biologisches Thema mithilfe von Informationen, Abbildungen und passenden Aufgaben. Online-Codes: Einfach den Code im Suchfenster auf www.oebv.at eingeben und du wirst zu ergänzenden Informationen, Aufgaben und Lösungen weiter- geleitet. In der Randspalte findest du die wichtigsten Begriffserklärungen und Zusatz- informationen. Selbst aktiv! So sind Aufgaben gekennzeichnet, die dein selbstständiges Arbeiten fördern und dir helfen, deinen Wissensstand zu überprüfen. Die Sym- bole kennzeichnen die so genannten Kompetenzbereiche, die du mit dieser Aufgabe trainierst: Fachwissen aneignen und kommunizieren. Erkenntnisse gewinnen. Standpunkte begründen und reflektiert handeln. Die Aufgaben sind mit bestimmten Verben, so genanten Operatoren, gestellt, die sich bestimmten Kompetenzen zuordnen lassen. Mehr dazu findest du hier Ergänzungsstoff: Diese Inhalte gehen über den Kernstoff hinaus. Sie helfen aber, die Grundlagen besser zu verstehen. Kompetenzcheck Hier kannst du überprüfen, ob du die wichtigsten Inhalte noch weißt und ob du das Gelernte auch anwenden und interpretieren kannst. Überblick Am Ende jedes Kapitels werden die wichtigsten Inhalte noch einmal auf einer Seite zusammengefasst. Semestercheck Überprüfe dich selbst mit dem Semestercheck. Am Ende des Semesters soll- test du diese Begriffe kennen und richtig zuordnen können. Falls du dabei Schwierigkeiten hast: In der rechten Spalte findest du Seitenangaben, wo du weitere Informationen und Übungsaufgaben finden kannst. it596b 31 VomGen zumMerkmal–dieProteinsynthese M Arbeitsheft Seite 8 HomöotischeGene sind inderEmbryonalentwicklung regulatorisch tätig AuchgibtesRegulatorgene,die irreversibleDiff r nzieru gsprozesse inGang setzen,di währendderEmbry nalphase fürdieEntwicklungdesEmbryos entscheidend sind.Siewerdenals homöotischeGene bezeichnet. EntdecktwurdendiehomöotischenGene von ChistianeNüsslein-Volhard ,die dafür 1995denNobelpreis fürPhysiologieoderMedizinerhielt. DiehomöotischenGeneallerWirbeltiereund vielerWirbelloserweiseneinen gleichenoder sehrähnlichenAbschnittaus 180Nukleotidenauf,die so genannte Homöobox .Die von ihr codiertenProteinabschnitte vermittelndie AnbindungdesProteinsanden jeweiligenPromotorderZielgene. EinBeispiel fürhomöotischeGene istdiebeiTieren vorkommendeHox-Gen- Familie (abgeleitet vonHomöobox).BeiWirbeltierenwerden sieHox-Gene bezeichnet,beiGliedertieren,wieden Insekten,Hom-Gene.Sie steuerndie Aktivität vonGenen,die fürdieAusbildungderKörpergrundstrukturbeiTieren (Kopf,RumpfundExtremitäten) zuständig sind. DiesehomöotischenGenebilden ineinerbestimmtenAbfolgeGruppen (Clus- ter)aufeinbismehrerenChromosomen.Beider Fruchtfliege Drosophila bei- spielsweise findetmanaufnureinemChromosomeinenClusterausacht Hom-Genen ( Abb.27A).Siewerdenentsprechend ihrerReihenfolgenach- einanderaktiv,wodurchdieeinzelnenKörperregionen kopfabwärtsangelegt werden. Wirbeltiereweisen vierHox-Clusteraus insgesamt39Hox-Genenauf ( Abb.27B). Da ihreAbfolgeaufdenChromosomenweitgehendderbeianderenTiergrup- pen (soauchderbei Drosophila )entspricht,nimmtmanan,dassdieHox-Gene bzw. -cluster imZugederEvolutiondurchVerdopplungsereignisseausgehend voneinemgemeinsamenVorfahrenentstanden sind. homöotischeGene Regulatorgene,derenProduktedieDif- ferenzierungderZellenwährendder Embryonalentwicklung steuern, indem siediedafür verantwortlichenGeneakti- vierenoderhemmen. Ver leichbareRegulatorgene kommen sowohlbeiPro-alsauchEukaryonten vor.Das lässt vermuten,dassdiehomöo- tischenGene sehr früh inderEntwick- lungder Lebewesenentstanden sind (Beweis fürdieEvolution, S.86).Da sie sichalsnützlicherwiesenhaben, sind siebisheuteerhaltengeblieben. ChristianeNüsslein-Volhard (geb. 1942);deutscheGenetikerinund Entwicklungsbiologin Homöobox homoios (griech.)=gleich, box (engl.)=Schachtel AuchbeiderDifferenzierung vonGewebe sindRegulatorgeneentscheidend EinBeispiel fürweitereRegulatorgene,die irreversibleRegulierungsprozesse inGang setzen, sinddie sogenanntenPax-Gene (Abkürzung fürPaired-box- Gene). Sie sind im frühenEntwicklungsstadium vonTierenwichtig fürdieDifferen- zierungderGewebe. 26 ChristianeNüsslein-Volhard 1995 BerechnedieAnzahlderAmino- säuren,die vonderHomöobox codiertwerden. Selbstaktiv! 27 Hox-Cluster von Drosophila (A)undeinesMenschenembryosalsBeispiel füreinWirbeltier (B);dieFarbenentsprechenden jeweils ausgebildetenKörperstrukturen A B Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv