Bioelemente, Zellstruktur und Immunreaktion: Biologische Grundlagen

Juni: Biologische Grundlagen (B1OA, B2OA, B3OA, BE0B)

B1OA: Bioelemente und Salzfunktionen

1. Bioelemente und ihre Klassifizierung

Bioelemente sind die chemischen Bestandteile, die Teil lebender Organismen sind. Sie werden hauptsächlich in Mengenelemente (S, P, Mg, K, Na, Ca, Cl) und Spurenelemente klassifiziert. Spurenelemente sind chemische Elemente, die in sehr geringen Mengen vorkommen. Sie machen nur etwa 0,5% der lebenden Materie nach Gewicht aus, doch ihr Fehlen kann bei Lebewesen schwere Erkrankungen verursachen.

2. Biologische Funktionen von Salzen

Die Funktionen von Salzen hängen von ihrem physikalischen Zustand ab. Man unterscheidet:

1. Ausgefällte oder kristallisierte Salze: Ihre Aufgabe ist die Bildung von Exo- und Endoskeletten vieler Lebewesen, wobei sie eine strukturelle und schützende Rolle spielen.
2. Gelöste oder ionisierte Salze: Aufgrund ihrer elektrochemischen Natur dissoziieren Salze sehr leicht in Ionen. Diese Ionen sind Bestandteile der extra- und intrazellulären Flüssigkeiten (z. B. als dissoziierte Anionen wie Cl^-, HCO₃^- oder Kationen wie Na⁺, Ca²⁺). Dissoziierte Salze spielen eine wichtige Rolle bei der Homöostase, d. h. der Aufrechterhaltung einer konstanten inneren Umgebung durch Regulierung des pH-Wertes und des osmotischen Drucks:
   • pH-Regulierung: Erfolgt durch Puffersysteme (bestehend aus einem Paar von Substanzen: schwache Säure und ihr Salz), die als H⁺-Donoren und -Akzeptoren fungieren. Dies sichert den kolloidalen Zustand der lebenden Materie und ermöglicht die reibungslose Aktivität von Enzymen, die den Stoffwechsel kontrollieren.
   • Regulierung des osmotischen Drucks (P_os): Biologische Membranen (semipermeabel) erlauben die passive Diffusion von Wasser von verdünnten (weniger konzentrierten) zu stärker konzentrierten Bereichen.

3. Pufferlösungen

Da abrupte pH-Wert-Änderungen in Organismen die Struktur von Biomolekülen oder chemische Reaktionen verändern könnten, dienen wässrige Lösungen von Lebewesen als Puffer. Dies sind Lösungen aus schwachen Säuren und ihren entsprechenden konjugierten Basen. Zu den häufigsten Puffern in Lebewesen zählen der Bikarbonatpuffer und der Phosphatpuffer.

B2OA: Die Plasmamembran

1. Aufbau und Funktionen der Plasmamembran

Die Plasmamembran besteht aus einer Lipid-Doppelschicht, die Kohlenhydrate und Proteine enthält. Die Hauptlipide sind Phospholipide, Sphingolipide und Cholesterin. Funktionen der Membran:

• Bildung der Individualität und Schutz der Zelle.
• Regulierung des Stoffaustauschs zwischen Innen- und Außenbereich, wodurch die Zusammensetzung des inneren Milieus kontrolliert wird.
• Verantwortlich für die Erkennung und Weiterleitung von Signalen (SMS) auf interne und externe Reize.

2. Funktionale Unterschiede

Aufgrund der unterschiedlichen Lipid- und Proteinzusammensetzung auf jeder Seite der Membran werden verschiedene Funktionen ausgeführt.

3. Hydrophobe Eigenschaften

Die hydrophoben Eigenschaften resultieren aus der Zusammensetzung von Fettsäuren (a.grasos) und Cholesterin (c. colesterol) im Inneren der Doppelschicht.

B3OA: Zellteilung (Mitose und Meiose)

1. Phasen des Zellzyklus

Der Zellzyklus umfasst:

• Interphase: Die Zelle verdoppelt ihre Komponenten. Es findet die Synthese von Histonen, Proteinen und DNA statt.
  • G1-Phase: Allgemeine Wachstumsphase und Verdoppelung der zytoplasmatischen Organellen.
  • G2-Phase: Transkription und Translation von Genen, die für die Zellteilung benötigt werden.
• Mitose: Ein Prozess, bei dem die duplizierten Chromosomen gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt werden.

2. Chromosomenstrukturen

• a. Chromatid: Einer der beiden Teile, in die ein Chromosom während der Mitose der Länge nach geteilt wird.
• b. Chromosom: Faserige Strukturen im Zellkern, die die Vererbungsinformationen tragen. Ihre Anzahl ist für jede Tier- oder Pflanzenart konstant.
• c. Zentromer: Die Region des Chromosoms, an der die beiden Chromatiden verbunden sind. Dieser Bereich interagiert mit Mikrotubuli während der Mitose und Meiose.

3. Die Meiose

Die Meiose besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Teilungen nach einer einzigen Verdoppelung der Chromosomen. Sie umfasst folgende Schritte:

• 1. Teilung (Reduktionsteilung):
  • Profase I: Längste und komplexeste Phase. Homologe Chromosomen paaren sich und tauschen genetisches Material aus (Crossing-over).
  • Metaphase I (MT1): Die Tetraden ordnen sich in der Äquatorialebene der Spindel an.
  • Anaphase I (AN1): Die Chromosomenpaare trennen sich und bewegen sich zu den entgegengesetzten Polen.
  • Telophase I (TL1): Die Kernmembran bildet sich um die beiden Tochterkerne, und die Zytoplasmateilung erfolgt.
• 2. Teilung (Äquationsteilung):
  • Profase II (Prof2): Die Kernhülle bricht auf und es bildet sich eine neue Spindel.
  • Metaphase II (MT2): Die Chromosomen ordnen sich in der Metaphasenplatte an.
  • Anaphase II (AN2): Die Schwesterchromatiden jedes Chromosoms trennen sich.
  • Telophase II (TL2): Um die 4 haploiden Kerne bilden sich neue Hüllen, und die Zytokinese tritt ein.

Ergebnis der Meiose: Es werden 4 haploide Zellen gebildet. Ihr biologischer Sinn ist die Produktion haploider Zellen und die Förderung der genetischen Variabilität.

BE0B: Immunreaktion

1. Abwehrmechanismen

Die Fähigkeit von Organismen, sich gegen potenziell gefährliche, fremde Elemente zu verteidigen, umfasst:

• Lokale Reaktionen: Dienen der Isolierung und Vernichtung von Keimen sowie der Reparatur von Schäden durch Verletzungen, Hitze oder Schwellungen (Ödeme).
• Allergische Reaktionen: Erscheinungen wie Atembeschwerden, Nervenreaktionen oder Hautausschlag, verursacht durch die Aufnahme bestimmter Substanzen, die dem Körper eine besondere Empfindlichkeit gegenüber diesen Stoffen selbst in minimalen Mengen verleihen.

2. Zelluläre Komponenten des Immunsystems

• Es gibt zwei Arten von Lymphozyten: Die B-Zellen (oder Plasmazellen), die Antikörper produzieren. Ein Antikörper ist ein Protein, das an einen bestimmten Teil des fremden Agens bindet und anderen Immunzellen signalisiert, dieses Agens anzugreifen.
• Makrophagen: Sind effiziente Phagozyten, die eine beträchtliche Anzahl von Bakterien, Zellen oder Mikroben phagozytieren können. Die Bindung des Bakteriums an Rezeptormoleküle auf der Oberfläche des Makrophagen löst dessen Aufnahme und Zerstörung durch die Erzeugung eines „Atem-Sturms“ aus, was zur Freisetzung von Mediatoren führt. Erreger regen Makrophagen auch zur Produktion von Chemokinen an, die weitere Zellen an den Infektionsort locken.

3. Transplantationsreaktion

Die Immunreaktion des Empfängerkörpers erkennt fremdes Gewebe des Spenders. Die T-Lymphozyten, die fremde MHC-Moleküle (CHT-Moleküle) erkennen, werden aktiviert und greifen das fremde Gewebe an. Die Reaktion des Organismus kann humoral, zellulär oder interzellulär sein.