Vom Molek

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Vom Molekül zum Ökosystem Organisationsstufen
der belebten Materie
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Ziele

• Ziel dieser Unterrichtseinheit ist,
• Ihnen den modularen Aufbau biologischer Systeme
  vorzustellen,
• den Mensch in das biologische System einzuordnen
• Als Teil des stufenförmig aufgebauten
  biologischen Systems,
• Als Teil seiner Ökosysteme,
• Als Teil des weltumspannenden planetaren
  Biosystems.
• Die Einheit wird ergänzt durch die
  Unterrichtseinheit Biologie IV
• (Evolution), die den Menschen in die zeitliche
  Dimension der
• Biologie einordnet.

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Zur Vorlesung finden Sie ein Skript im
Internet-Angebot zum Vorkurs, das Sie dort als
PDF-Datei herunterladen können.
Außerdem können Sie sich dort die
POWERPOINT-Datei der Vorlesung ansehen.
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Biologische Organisationsstufen
Moleküle Viren Bakterien (Prokaryonten) Zellen
(Eukaryonten) Gewebe Organe Organsysteme Organisme
n Ökosystem Planetares System
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Biomoleküle
Nukleinsäuren
Proteine
RNA
DNA
Gemeinsamkeiten Heteropolymer mit einheitlichem
Backbone und variablen Seitenketten
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Moleküle in der Biologie
Proteine Strukturproteine
Proteine Enzyme
Proteine Funktionsproteine
Nukleinsäuren DNA
Nukleinsäuren RNA
Kohlenhydrate Einzelzucker
Kohlenhydrate Polymere Zucker
Lipide Fettsäuren
Lipide Triglyceride
Zusätzlich Vitamine Coenzyme Ionen ...
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Molekülgrößen
Protein DNA Lipide (Zellmembran) Polysaccharid
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Moleküle untersuchen
Molekülbetrachter (Molekülviewer)
CHIME
RASMOL
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Proteinkaskade
Biomoleküle wirken zusammen, vornehmlich über
schwache chemische Wechselwirkungen
Antikörper binden an Bakterienstrukturen, Proteine
des Blutes (Komplementsystem) lagern sich an
die Antikörper an und lösen gezielt die
Bakterienmembran auf
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Größenverhältnisse
Die Untersuchung biologischer Systeme erstreckt
sich über mehrere Größenordnungen (vom Planeten
Erde bis auf die Ebene einzelner Atome). Dabei
muss man die Größenverhältnisse insbesondere im
mikroskopischen Bereich im Gedächtnis behalten.
10-fache Vergrößerung
100-fache Vergrößerung
10-fache Vergrößerung
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Viren

• Biologische Strukturen, die
• nur 1 Nukleinsäurenart (DNA oder RNA) enthalten
• nicht über Stoffwechselenzyme verfügen, sondern
  zur Vermehrung Enzyme von Tier-, Pflanzen- oder
  Bakterienzellen nutzen

• Sehr klein, bestehen aus
• Nukleinsäure
• Proteinmantel (Kapsid)
• evtl. lipidhaltige Hülle (Envelope)

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HIV - Vermehrung
Anheften an die Zellmembran einer
Immunzelle Aufnahme ("coated vesicle") Injektion
von RNA und reverser Transkriptase Produktion von
DNA Integration der DNA in das Erbgut der
Zelle Synthese von RNA, reverser Transkriptase
und Kapsidproteinen Zusammenbau der
Tochterviren Freisetzung der Tochterviren

1. Adsorption
2. Penetration
3. Replikation
4. Maturation und Liberation

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Viren Folgen der Virusinfektion

1. Zelltod durch Blockade der Synthesevorgänge der
   Zelle
2. Integration des Genoms führt zu ungehemmter
   Zellteilung
3. Integration des Virusgenoms ohne zunächst
   feststellbare Folgen

• Pocken
• Hepatitis
• Polio
• Schnupfen
• Influenza
• Tollwut
• Marburgvirus
• Lassa

Virostatika Medikamente gegen
Virusinfektion Verhinderung von Adsorption und
Penetration Verhinderung der Replikation (von
Nukleinsäure oder Capsidprotein) Verhinderung der
Virusreifung und Ausschleusung
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Marburg-Virus
1967 erkrankten in Marburg und Belgrad 31
Personen an einer bis dahin unbekannten, für
einige der Infizierten tödlichen,
Viruserkrankung, dessen Erreger seitdem in der
Literatur als Marburg-Virus bezeichnet wird.
Aufklärung der Erkrankung am Hygieneinstitut des
Marburger Fachbereichs
2005 Ausbruch der Erkrankung in Afrika (Angola)
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Bakterien, Definition, Bau
Einzellige Kleinlebewesen ohne echten Zellkern
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Bakt. Erkrankungen

1. Entzündungsreaktion des Körpers
2. Abgabe von Giften
3. Freisetzung von Endotoxinen (Zellwandbestandteile
   beim Zerfall)

Antibiotika Medikamente gegen bakterielle
Infektionen Antibiotika Substanzen gegen
Bakterien Bakteriostatisch Hemmung der
Bakt.-vermehrung, bis Bekämpfung durch
Immunsystem Bakterizid Töten der Bakterien (z.B.
durch Verhinderung der Zellwandsyn-these
Penicillin)
Bakterienruhr Lungenentzündung Tuberkulose Syphili
s Salmonellenvergiftung Cholera
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Eukaryonte Zellen
Biologische Struktureinheit mit Zellkern und
Organellen
Organell Membranabgegrenztes Kompartiment
bestimmten Baus und bestimmter Funktion
ER Verteilung, Transport zum Golgi-App.
Mitochondrium Energiegewinnung, Atmung
Golgi-Apparat Ausschleusung von Sekreten
Centriol Zellteilung
Kern Trennung Vererbung / Steuerung
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Chromosomenbau
Jedes Chromosom enthält 1 DNA-Molekül
DNA bildet mit speziellen Proteinen (Histonen)
eine Nucleosomenstruktur
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Beispiel Spezialisierte Zelle
Muskelproteine (Actin Myosin)
Endothelzelle
Erythrozyt
Zellmembran der Muskelzelle
Mitochondrium
Sauerstoff- und Nährstoffversorgung einer
Muskelzelle
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Gewebe
Zellverband, der aus Zellen mit gemeinsamer
Funktion besteht
Grundgewebe
Deck- oder Epithelgewebe (Epithel- und
Drüsenzellen) Bindegewebe Stützgewebe (Knochen-,
Knorpelgewebe) Muskelgewebe Nervengewebe
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Gewebe, Beispiel Blutgefäß
Deckgewebe
Blut (Flüssiges Gewebe)
Muskelgewebe
Pathologische Veränderungen
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Organ
Aus Zellen u. Geweben zusammengesetzter Teil des
Organismus, der eine Einheit mit bestimmten
Funktionen bildet.
Nebenniere
Niere
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Organ, Beispiel Nebenniere
Funktion Hormonproduzierende Drüse
Drüsenzellen für verschiedene Hormone
Blutgefäß
Bindegewebe
Nerv
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Organsystem
Zusammenfassung der Organe, die eine
Grundfunktion des Körpers erfüllen

• Haut
• Stützsystem
• Skelett
• Muskeln
• Atemorgane
• Kreislaufsystem
• Verdauungsorgane
• Exkretionssystem
• Genitalsystem
• Steuerungssystem
• Nervensystem
• Endokrines System

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Organsystem, Beispiel
Organsystem Stütz- und Bewegungsorgane
Organe Muskeln Knochen Gelenke Nerven
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Oberschenkel, Biomechanik
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Organismus
Gesamtheit aufeinander wirkender Organe,
einzelnes Lebewesen
Definition der biologischen Art Gruppe von
Populationen biologisch ähnlicher Organismen, die
sich frei kreuzen, d.h. fruchtbare Nachkommen
haben. Genbedingte physiologische und
morphologische Ursachen verhindern eine
Vermischung mit anderen Gruppen. Die Art ist die
niedrigste, nicht weiter zu untergliedernde
systematische Einheit.
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Organismus Grundfunktionen eines Lebewesens

• offenes System
• Aufbau von Ordnung
• dynamisches Fließgleichgewicht
• Stoffwechsel (Energie- und Baustoffwechsel)
• Selbstorganisation (Membranbildung,
  Nucleinsäuren, Proteine)
• Reproduktion (genetischer Code - Enzyme)
• Fähigkeit zur Evolution
• Individualität

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Stoffwechsel
Grundtypen Grundtypen
Photosynthese Wasserspaltung, Festlegung von H in organischen Verbindungen
Atmung Übertragung von H auf O2 (Knallgasreaktion), katalytisch kontrollierte Übertragung der Energie auf chemische Verbindungen
Gärung Übertragung von H auf organische Verbindungen, Übertragung der Energie auf chemische Verbindungen
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Wachstum / Vermehrung / Vererbung
Wachstum Aufbau neuer Biosubstanz aus
anorganisch / organischen Grundstoffen Bildung
neuer Zellen Bildung eines Körpers nach
genetischem Bauplan
Vermehrung sexuell oder asexuell
Vererbung Herstellung identischer
Kopien Mutationsfehler führen nach Bewertung zu
Weiterentwicklung Durchmischung des Erbguts durch
sexuelle Vorgänge Fehlerreparatur,
Neukombination
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Interaktion mit der Umgebung
Austausch von Substanzen
Aufnahme von Informationen Reaktion auf die
Informationen
Individualität
Strukturell Abgrenzung durch Zellmembran Individu
elle Zellmembranmoleküle
Einmalige DNA
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Organismengruppen
Einzeller Einzeller Übergangsformen Tierreich - Pflanzenreich
Pflanzen Pflanzen Photosynthese, höhere Pflanzen sessil
Pilze Pilze Saprophyten,
Tiere Wirbellose Hydro- oder Außenskelett, Vermehrung häufig über Larvenformen
Tiere Wirbeltiere Säugetiere Endoskelett Entwicklung im Muttertier
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Ökosystem
Ökologische Partnerschaft zw. Organismus od.
Organismen-kollektiv und Umwelt
Wiese
Wald
See
Urwald
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Ökosystem eines Sees
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Ökosystem, abiotische Faktoren
Lichteinfall und Temperatur führen zu zonierten
Ökosystemen
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Organisation von Ökosystemen
Mitglieder
Produzenten Konsumenten 1. Ordnung Konsumenten 2.
Ordnung Destruenten
bilden ein Nahrungsnetz / eine Nahrungspyramide
Abiotische Faktoren
Boden Licht Temperatur
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Stoff- und Energiefluss in Ökosystemen
38
Ökosystem, Energiebilanzen
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Ökologische Gleichgewichte
Schneehase und Luchs in Nordamerika
Räuber und Beute stehen in mathematisch
beschreibbaren Zusammenhängen (Lottke-Voltera-Glei
chungen)
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Ökologisches Gleichgewicht, Modell
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Rückgekoppelte Systeme
Der Begriff der Rückkopplung (auch die
Rückkoppelung) stammt ursprünglich aus der
elektrischen Schaltungstechnik. Inzwischen wird
er aber, synonym auch das englische Feedback, in
einem größeren Zusammenhang zur Bezeichnung von
Vorgängen verwendet, die sich auf ihre eigenen
Ursachen oder Eingangsgrößen auswirken.
Hasenzahl abhängig von der Zahl der
Hasen Fuchszahl abhängig von der Zahl der
Füchse Hasenzahl abhängig von der Zahl der
Füchse Fuchszahl abhängig von der Zahl der Hasen
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Nichtlineare Abhängigkeiten

• Der indische König Scheram verlangte, dass Sessa,
  der Erfinder des Schachspiels, sich eine
  Belohnung erwählen solle. Dieser erbat sich die
  Summe der Weizenkörner, die sich ergibt, wenn für
  das erste Feld des Schachbretts 1 Korn, für das
  zweite 2 Körner, für dritte 4 Körner etc.
  gerechnet werden.
• Wie viele Körner sind dies im ganzen?
• Wie groß ist das Gewicht der Gesamtmenge,
• wenn 20 Körner eine Masse von 1 g haben?

Nichtlineare Abhängigkeiten entziehen sich häufig
der Vorstellung des Menschen.
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Untersuchung von Rückkopplungen
Rückgekoppelte Systeme und Systeme mit
nichtlinearen Abhängigkeiten sind schwierig zu
untersuchen und zu analysieren
Zu ihrer Analyse benötigt man eigene Hilfsmittel
Simulationsprogramme

• Auf der Internetseite des Vorkurses finden Sie
  ein kostenloses Programm (VENSIM) und Beispiele,
  mit denen Sie
• fertige Modelle selbst untersuchen können
• selbst Modelle aufstellen und untersuchen
  können.

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Planetares System
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Bericht des Club of Rome (1972)
Club of Rome Vereinigung von Industriellen und
Wissen-schaftlern Gab 1972 eine Studie zur
Abschätzung der Entwicklung der Menschheit in
Auftrag. Dazu wurde eine neue Simulationsmethode
System Dynamics entwickelt. Die Studie brachte
erstmals die Beschränkt-heit der Ressourcen und
die Vernetzung der Weltsysteme in das
öffentliche Bewusstsein.
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Weltmodell zur Selbst-Untersuchung
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Treibhauseffekt
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Treibhauseffekt, Modelle
Im Internetangebot des Vorkurses finden Sie drei
Modelle zur Simulation des Treihauseffekts, die
Sie selbst untersuchen können.
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(No Transcript)