Biologie für Einsteiger Prinzipien des Lebens verstehen
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| Format: | Buch |
| Sprache: | German |
| Veröffentlicht: |
Berlin [u.a.]
Springer Spektrum
2015
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| Ausgabe: | 2., neu bearb. Aufl. |
| Schriftenreihe: | Lehrbuch
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Eine neue Sicht auf das Phänomen Leben................................................. xi
1 Leben - was ist das?..................................................................... 1
Wir kennen nur ein Beispiel für Leben.................................................. 1
Eine Checkliste soll helfen, Leben zu erkennen......................................... 3
Gratwanderungen und Grenzfälle stellen die Regeln auf die Probe........................ 15
Tiere können das Leben vorübergehend anhalten........................................ 15
Bakterien überstehen schlechte Zeiten in einer Rettungskapsel........................ 16
Manche Viren stehen an der Grenze zum Leben.......................................... 17
2 Leben ist konzentriert und verpackt.................................................. 21
Leben muss konzentriert und beweglich sein............................................. 21
Wasser hat besondere Eigenschaften...................................................... 22
Zufallsbewegungen verteilen Biomoleküle................................................. 26
Lebewesen müssen verpackt sein............................................................ 26
Lipide haben zwei Gesichter.......................................................... 26
Lipide bilden spontan Schichten......................................................... 29
Fettsäuren bestimmen die Beweglichkeit von Membranen ................................ 32
Membranen schaffen Funktionsräume....................................................... 33
3 Leben ist geformt und geschützt.................................................... 41
Proteine sind die Universalwerkzeuge der Zelle......................................... 41
Seitenketten geben Aminosäuren Vielfalt................................................. 41
Trotz starrer Bindungen sind Peptidketten flexibel................................... 47
Proteine sind auf vier Ebenen strukturiert........................................... 48
Zellen werden von inneren Skeletten gestützt........................................... 52
Mikrofilamente machen die Membran zäher................................................. 53
Intermediärfilamente sorgen für Zugfestigkeit........................................... 56
Mikrotubuli fangen Druck auf und sind Transportwege.................................. 56
Ein erhöhter Innendruck gibt Zellen Form............................................... 58
Membranen lassen selektiv Wasser durch.................................................. 58
Eingeströmtes Wasser drückt von innen auf die Membran................................ 59
Das Baumaterial für Zellwände sind Kohlenhydrate....................................... 62
Die räumliche Anordnung macht Monosaccharide vielfältig.............................. 63
Zwei Monosaccharide können unterschiedliche Disaccharide ergeben . .................. 65
VI
Inhalt
Polysaccharide können geradlinig oder verzweigt sein.................................. 66
Saccharide sind oft mit anderen Verbindungen verknüpft................................ 67
Cellulose ist der Hauptbestandteil pflanzlicher Zellwände................................ 68
Kapseln und Schleime schaffen eine kontrollierte Umgebung................................ 70
4 Leben tauscht aus....................................................................... 75
Zellen transportieren selektiv Stoffe durch ihre Membranen............................... 76
Konzentrationsgefälle sorgen für einen Nettofluss........................................ 77
Kleine neutrale Moleküle diffundieren ohne Hilfe durch Membranen...................... 78
Hilfsproteine in der Membran erleichtern die Diffusion................................ 79
Kanäle bieten Schlupflöcher für passende Teilchen..................................... 81
Transportproteine binden ihre Passagiere.............................................. 86
Aktiver Transport wirkt gegen Konzentrationsgradienten................................... 86
Primärer Transport baut Gradienten auf................................................ 88
Sekundärer Transport trickst einen Gradienten aus..................................... 91
Transportvesikel und Membranen gehen ineinander über..................................... 92
Die Endocytose schluckt wahllos oder sehr gezielt..................................... 92
Exocytose räumt auf, kippt aus und liefert nach....................................... 94
Transcytose ist zellulärer Durchgangsverkehr.......................................... 95
Zellen tauschen sich mit ihren Nachbarn im Gewebe aus.................................... 96
Tight Junctions und Desmosomen halten Zellen zusammen................................. 97
Gap Junctions und Plasmodesmen sind Kanäle zwischen den Zellen........................ 98
5 Leben transportiert..................................................................... 103
Diffusion reicht nur für kleine Moleküle................................................. 103
Das Cytoskelett dient als Schienensystem für Motorproteine............................... 104
Kinesin und Dynein laufen in entgegengesetzte Richtungen.............................. 105
Myosin und Actin stellen ein zweites System........................................... 107
Signalsequenzen wirken als Adressaufkleber............................................... 108
Vesikel übernehmen den Massentransport von Proteinen..................................... 111
Tiere und Pflanzen setzen auf Druck und Sog.............................................. 112
Herzen sind der zentrale Antrieb beim Kreislauf....................................... 112
Pflanzen haben zwei getrennte Leitungssysteme......................................... 112
6 Leben wandelt um........................................................................ 117
Der Metabolismus ist ein Netz zahlreicher Abbau- und Aufbauvorgänge...................... 117
Enzyme erleichtern biochemische Reaktionen................................................. 119
Reaktionen werden durch die Aktivierungsenergie gehemmt............................... 119
Enzyme wirken doppelt................................................................... 120
Die Namen der Enzyme verraten ihre Funktionen......................................... 123
Manche Enzyme nutzen Hilfsmoleküle...................................................... 124
Im Katabolismus gibt es vier Typen von Reaktionen........................................ 125
Glucose wird in drei Reaktionsblöcken abgebaut........................................... 125
Die Glykolyse knackt Glucose auf...................................................... 127
Pyruvat wird in Mitochondrien oxidiert.................................................. 130
Der Citratzyklus oxidiert Kohlenstoffverbindungen bis zum Kohlendioxid................ 131
Beim Glucoseabbau entsteht ein Überschuss an Redoxäquivalenten ....................... 133
Andere Abbauwege fließen in den Glucosestoffwechsel ein.................................. 134
Der Anabolismus baut komplexe Moleküle auf............................................... 135
Die Gluconeogenese startet mit Pyruvat................................................ 135
Pflanzen und Mikroorganismen fixieren Kohlenstoff aus der Luft........................ 138
Der Citratzyklus ist eine zentrale Drehscheibe des Stoffwechsels...................... 140
VII
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226
Inhalt
Die Aktivität von Enzymen ist streng reguliert............................................
Es gibt langsam und schnell arbeitende Enzyme...................................... . ,
Enzyme können gehemmt und aktiviert werden..............................................
Der Glucosekatabolismus wird an mehreren Stellen reguliert..............................
Leben ist energiegeladen..................................................................
Uchtenergie treibt die gesamte Photosynthese an...........................................
Die Komplexe der Photosynthese befinden sich in den internen Membranen der Chloroplasten . .
Chlorophyll fängt das Sonnenlicht ein...................................................
Farbmoleküle reichen die Energie weiter, und das Reaktionszentrum gibt ein Elektron ab..
Elektronen wandern vom Wasser zum NADP+.................................................
Der Fluss von Elektronen und Protonen baut einen elektrochemischen Gradienten auf.......
Bei der Photophosphorylierung treiben Protonen die Synthese von ATP an..................
Der zyklische Elektronentransport sorgt für ausgeglichene Verhältnisse..................
Der chemische Abbau von Nährstoffen liefert Energie.......................................
Die oxidative Phosphorylierung ähnelt der Elektronentransportkette der Photosynthese ...
Die Atmungskette hat zwei Einstiegspunkte für Elektronen................................
Die Atmungskette liefert beim Glucoseabbau am meisten ATP...............................
Leben sammelt Informationen...............................................................
Informationen werden in drei Schritten verarbeitet........................................
Chemische Signale lösen in Zellen Reaktionskaskaden aus...................................
Zellen besitzen im Wesentlichen vier Typen von Signalrezeptoren.........................
Verschiedene Wege geben das Signal in der Zelle weiter..................................
Die Zellantwort auf ein Signal kann unterschiedlich schnell und dauerhaft sein..........
Nerven reagieren schnell und bilden komplexe Verarbeitungszentralen.......................
Das Auge ist ein optisches Meisterwerk mit Konstruktionsmängeln.........................
Die Moleküle des Sehens heißen Rhodopsin und Photopsin..................................
Nervenzellen stehen unter Spannung......................................................
Axone sind die ausgehenden Kommunikationskanäle von Nervenzellen........................
Neurotransmitter übertragen das Signal zur nächsten Zelle...............................
Nervenzellen entscheiden rechnerisch über ihre Reaktion auf eingehende Signale..........
Das periphere Nervensystem übernimmt eine Vorverarbeitung der Signale...................
Der Thalamus kontrolliert, was wir zu sehen bekommen....................................
Die Sinne sammeln eine Vielzahl unterschiedlicher Informationen...........................
Mechanorezeptoren reagieren auf Verformungen............................................
Temperatursensoren schützen vor Überhitzung.............................................
Elektrische Sinne verraten die Beute....................................................
Magnetsinne helfen bei der Orientierung.................................................
Leben schreitet voran.....................................................................
Bakterien haben einen rotierenden Flagellenmotor..........................................
Eukaryoten schlagen mit aktiven Geißeln und Cilien........................................
Actin und Myosin sind die Akteure vieler Bewegungen.......................................
Zellen ohne feste Form gleiten amöboid..................................................
Muskeln sorgen für kräftige Bewegungen..................................................
Skelette sind der Ansatzpunkt für die Kraft.............................................
Quallen und Kopffüßer schießen mit dem Rückstoßprinzip durchs Wasser....................
Regenwürmer ändern gezielt ihren Durchmesser............................................
Wer auf Beinen geht, vermindert den Reibungswiderstand..................................
Tiere verzichten (fast) auf rollende Räder..............................................
Fliegen und Schwimmen sind Spiele mit Strömung und Auftrieb.............................
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Inhalt
Leben greift an und verteidigt sich...............................................
Die Dramen auf Leben und Tod haben meist drei Akte................................
Krankheitserreger gehen im Körper ihrer Wirte auf Jagd............................
Viren erkennen Oberflächenproteine der Zielzelle................................
Viren, Bakterien, Einzeller und kleine Vielzeller infizieren Wirtsorganismen....
Die Immunabwehr kämpft auf vielfältige Weise gegen Infektionen....................
Mechanische und chemische Barrieren verwehren den Zugang........................
Oberflächen machen den Unterschied zwischen „selbst“ und „fremd“ aus............
Nur Immunzellen, die den eigenen Körper schonen, überstehen die Auswahl.........
Wer den Eindringling entdeckt, schlägt Alarm....................................
Mit Zellen und Molekülen geht das Immunsystem zum Gegenangriff über.............
Das Immunsystem kann außer Kontrolle geraten....................................
Pflanzen wehren sich mechanisch und chemisch......................................
Pflanzen begrenzen Infektionen..................................................
Signalmoleküle warnen entfernte Pflanzenteile und Nachbarn......................
Herbivoren werden mit den gleichen Prinzipien abgewehrt wie Pathogene . . ......
Beutetiere kämpfen mit raffinierten Tricks ums Überleben..........................
Sinne lassen sich täuschen......................................................
Eine Beute zu sehen, ist leichter, als sie zu erlegen...........................
Die Populationen von Räuber und Beute hängen voneinander ab.......................
Leben speichert Wissen............................................................
Nucleinsäuren bilden Ketten, Helices und Chromosomen..............................
DNA ist ein doppelter Molekülstrang.............................................
Die DNA ist in der Zelle dicht gepackt..........................................
Gene bestimmen den Bau von Proteinen..............................................
Die Zelle erstellt Arbeitskopien der Baupläne.....................................
Bakterien achten bei der Transkription auf Effizienz............................
Unterschiedliche Zelltypen und deren Entwicklung verlangen bei Eukaryoten eine genaue
Kontrolle der Gene..............................................................
Dichte Packungen schalten große Abschnitte von Chromosomen ab...................
Methylierte DNA unterdrückt die Transkription...................................
Regulationssequenzen steuern die Aktivität der Gene aus der Ferne...............
RNA-Interferenz schaltet Gene nach der Transkription ab.........................
Eukaryoten gestalten die RNA nach der Transkription um..........................
Proteine wachsen genau nach Plan..................................................
Der genetische Code hat vier Buchstaben.........................................
Transfer-RNAs sind das Bindeglied zwischen Nucleotiden und Aminosäuren..........
Ribosomen sind universelle Proteinfabriken......................................
Proteine wachsen schrittweise heran.............................................
Nach der Translation erhalten Proteine den Feinschliff..........................
Der Genotyp bestimmt weitgehend den Phänotyp......................................
Die DNA wird in der Replikation verdoppelt........................................
DNA-Polymerasen verdoppeln beide DNA-Stränge ...................................
Die Zelle korrigiert Fehler.....................................................
Mutationen verändern Gene und Proteine............................................
Gentechnik greift gezielt ins Erbgut ein .........................................
Zielsequenzen werden aus dem DNA-Strang geschnitten.............................
Vektoren bringen Fremd-DNA in die Zelle.........................................
Marker verraten den Erfolg......................................................
Gentechnik ist in vielen Bereichen zu finden....................................
Inhalt
IX
2 Leben pflanzt sich fort................................................................... 315
Aus eins werden zwei.................................................................. 316
Teilungsbereite Zellen durchlaufen einen Zyklus...................................... 316
In der Mitose werden die Chromatiden voneinander getrennt............................ 318
Während der Cytokinese teilt sich die Zelle.......................................... 320
Bakterien haben zaghafte Vorformen von Sex............................................. 320
Transformation ist eine Art von zellulärer Leichenfledderei.......................... 321
Bei der Transduktion sind Viren unfreiwillige Helfer................................. 322
Die Konjugation kennt fast schon bakterielle Geschlechter............................ 323
Geschlechtliche Fortpflanzung bringt doppelte Erbschaft................................ 325
Die Meiose mischt und halbiert das Erbgut............................................ 325
Begattung und Befruchtung spiegeln sich im Verhalten wider........................... 327
Mit der Befruchtung beginnt das Individuum........................................... 331
Es geht auch ohne Partner.............................................................. 333
Gene oder Umwelt legen das Geschlecht fest............................................. 337
Oft haben die Chromosomen das Sagen.................................................. 337
Manchmal entscheiden die Umstände.................................................... 338
13 Leben entwickelt sich.................................................................. 343
Entwicklung ist ein zeitlich abgestimmtes Aktivieren von Genen......................... 343
Zellen vermehren sich durch Mitosen.................................................. 343
Für die Differenzierung schalten chemische Signalstoffe Gene an und ab............... 344
Bei der Morphogenese werden mit Signalgradienten Positionen und Achsen festgelegt.... 348
Tiere bilden Haufen mit wandernden Zellen.............................................. 350
Die Eizelle bringt fast alles für den Start mit...................................... 351
Furchungen machen aus der Eizelle kugelige Zellhaufen................................ 352
Drei Keimblätter sind Ursprung aller Gewebe.......................................... 354
Die Organe separieren sich von ihrer Umgebung........................................ 355
Bei Pflanzen müssen die Zellwände mitwachsen........................................... 356
Pflanzen legen eine Pause ein........................................................ 359
Keimung bricht die Samenruhe............................................................ 360
Phytohormone steuern das Wachstum der Pflanze........................................ 361
14 Leben breitet sich aus................................................................. 365
Lebewesen passen sich an.................................................................. 365
Die ökologischen Potenzen bestimmen die Größe der Nische............................. 365
Umweltfaktoren gestalten sehr unterschiedliche Lebensräume........................... 367
Neue Umgebungen fordern neue Lösungen.................................................. 372
Variabilität bietet Auswahl für neue Herausforderungen.................................. 373
Mit der Population verändert sich der Genpool........................................ 375
Trennung schafft neue Arten............................................................. 376
Stammbäume zeigen Verwandtschaftsverhältnisse an ....................................... 378
Abbildungsnachweis........................................................................ 383
Index
387
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