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Biologie Lernzettel – Abi

Inhalt 1.

2.

3.

4.

Zellbiologie 1.1. Zwei Grundtypen der Zelle 1.2. Organellen der Eukaryotenzelle 1.3. Pflanzenzelle 1.4. Stofftransport durch Biomembran Genetik (Molekulargenetik und Gentechnik) 2.1. Klärung von Begriffen 2.2. DNA-Aufbau 2.3. Mitose Meiose 2.4. Replikation 2.5. Proteinbiosynthese (Transkription und Translation) 2.6. Mutation und Mutationstypen 2.7. Bau und Funktion von Proteinen 2.8. Verfahrensschritte zur DNA‐Analyse (Gelelektrophorese, genetischer Fingerabdruck) 2.9. Chancen und Risiken der Gentechnik Evolution 3.1. Evolutionstheorien (Darwin, Lamarck, synthetische Theorie) 3.2. Änderungen der Allelfrequenzen im Genpool (Mutation, Rekombination, Selektion, Isolation, Gendrift, Migration) 3.3. Biologischer Artbegriff 3.4. Allopatrische Artenbildung 3.5. Adaptive Radiation 3.6. Belege für die Evolution (Fossilien, Altersbestimmung) 3.7. Konvergente und divergente Entwicklung 3.8. Unterschied zwischen Homologie und Analogie Ökologie (Ökologie und Nachhaltigkeit) 4.1. Klärung von Begriffen 4.2. Umweltfaktoren 4.3. Ökologische Nische 4.4. Energiefluss und Trophieebenen 4.5. Nahrungsbeziehungen 4.6. Vorratsspeicher 4.7. Nachhaltigkeit und das Prinzip der Rückführung 4.8. Wachstum und Regulation von Populationen

1. Zellbiologie Die Zelle ist ein membranumhülltes System mit Informationsträgern und Funktionsträgern. Alle Organismen sind aus Zellen aufgebaut bzw. bestehen aus einer Zelle. Die Zelle ist die kleinste lebensfähige Einheit und können nur durch Teilung oder Verschmelzung aus ihresgleichen entstehen. Bei der Reproduktion wird die Erbinformation der Zellen an die Nachkommen weitergegeben. 1.1 Zwei Grundtypen der Zelle Man unterscheidet eukaryotische Zellen mit vielen Kompartimenten (Pflanzen- und Tierzelle) und einfachere prokaryotische Zellen (Bakterien). Struktur Beispiele Zellkern Ort des Erbguts Zellwand Kernmembran, Mitochondrien, ER, Golgi-Apparat Chromosomen Teilung

Eukaryoten Menschen, Tiere, Algen, Einzeller Vorhanden Im Zellkern Bei Pflanzenzellen vor allem Cellulose; bei Tierzellen nicht vorhanden Vorhanden

Prokaryoten Bakterien Nicht vorhanden Freischwimmend im Cytoplasma Aus Aminozuckern, Aminosäure u.a.

Mehrere Chromosomen aus DNA und Proteinen Mitose

Ein Ring aus DMA; Plasmide

Nicht vorhanden

Einfache Querteilung

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1.2. Organellen der Eukaryotenzelle Der Zellkern als Steuerzentrale

Mitochondrien

Endoplasmatisches Retikulum (ER) und Ribosomen

Golgi-Apparat Peroxismen und Lysosomen

Zytoskelett und Zentriolen

Hier befindet sich die DNA. Der Zellkern ist von einer Doppelmembran, Kernmembran, umschlossen. Die Kernmembran enthält Kernporen, die einen Stoffaustausch zwischen Kern und Cytoplasma ermöglichen. Die Kernplasma enthält ein oder mehrere Kernkörperchen, die ribosomale RNA und Proteine synthetisieren. Sind die Kraftwerke einer Zelle; in ihnen wird ATP (Energieträger der Zelle) gebildet. Innerhalb der Mitochondrien läuft die Zellatmung ab. Hier befinden sich Ribosomen und die Mitochondrien-DNA ER: An den Membranen der ER finden viele Stoffwechselvorgänge statt. ER kommt in zwei Zuständen vor: Die Grundsubstanz ist das glatte endoplasmatische Retikulum, das maßgeblich am Auf- und Abbau von Lipiden beteiligt ist. Durch Anlagerung von Ribosomen entsteht das raue ER. Diese transportiert die an den Ribosomen synthetisierten Proteine durch sein Kanalsystem. Hauptfunktion des ERs ist die Synthese. Vom Ort der Synthese werden die synthetisierten Stoffe in Form von Vesikeln zum Golgi-Apparat transportiert. Ribosomen: entweder am ER oder frei im Cytoplasma vorliegen. Die Ribosomen sind Orte der Proteinbiosynthese. Dient der Sekretion, Modifikation und dem Transport von Proteinen. Die Peroxisomen sind Entgiftungsorganellen die in allen Zellen, v.a. in Leber und Niere, vorhanden sind. Sie werden vom glatten ER hergestellt und enthalten Oxydasen und Katalasen zur Zerstörung aggressiver Verbindungen wie Alkohol und Fettsäuren. Lysosomen enthalten Enzyme für den Abbau vieler Substanzen. Das Zytoskelett ist ein System aus Proteinen und bildet ein intrazelluläres Gerüst und ist damit essentiell für die Form und Organisation der Zelle. Seine wichtigsten Bestandteile sind drei Arten von Proteinfasern: - Mikrotubuli sind für die Transportvorgänge und Bewegung bzw. Befestigung der Organelle im Cytoplasma zuständig. Sie bilden die Mitosespindel aus, mit deren Hilfe Chromosomen während der Zellteilung an die Kernpole gezogen werden. - Aktinfilamente liegen unter der Plasmamembran und geben den der Zelle ihre Form. - Intermediär Filamente dienen hauptsächlich der mechanischen Stabilisierung der Zelle. Zentriolen kommen paarig in der Zelle vor und spielen eine wichtige Rolle bei der Zellteilung und bilden die Basis für den Aufbau von Geiseln (Bewegungsorganellen z.B. bei Spermazellen).

1.3. Pflanzenzelle Pflanzenzellen enthalten im Gegensatz zu den tierischen Zellen zusätzlich eine Zellwand, Plastiden und Zentralvakuole.

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Zellwand Vakuole Plastiden

Verleiht der Zelle ihre feste Form, ermöglicht den Turgor und schützt sie vor mechanischer Beschädigung. Sind flüssigkeitsgefüllte Räume, die der Speicherung und Lyse (der Zerfall organischen Materials) verschiedener Substanzen dienen. Man unterscheidet zwischen Chloroplasten, Chromoplasten und Leukoplasten. Chloroplasten sind fotosynthetisch aktive Plastiden. Die innere Membran umschließt das Stroma in dem die Thylakoide vorliegen, welche für die Fotosynthese wichtige grüne Pigment enthält. (Chlorophyll in der Thylakoidmembran) Chromoplasten enthalten Carotinoide und sind für viele Blütenfarben sowie die Farbe mancher Früchte und Wurzeln verantwortlich. Leukoplasten dienen zur Speicherung von Stärke.

1.4. Stofftransport durch Biomembran Diffusion (Gleichmäßige Verteilung – Passiver Transportvorgang) Sind zwei Stoffe unterschiedlich konzentriert, führt das Prinzip der Diffusion zu einem Konzentrationsausgleich. Die Teilchen können durch die semipermeable Membran passieren, so kommt es zu einem Ausgleich auf beiden Seiten.

Osmose (Einseitige Verteilung – Passiver Transportvorgang) Je nach Teilchen, Größe und Ladung können Stoffe durch die selektivpermeable Membran durch oder nicht. Die Membran ist durchlässig für Wasser und andere Gelöste Stoffe durch und führt so zum Konzentrationsausgleich.

2. Genetik 2.1. Klärung von Begriffen 2.2. DNA-Aufbau (Desoxyribonukleinsäure) Die DNA ist aus Nukleotiden aufgebaut. Jedes Nukleotid besteht aus drei Teilen.  Einer Phosphatgruppe (P)  Dem Zucker Desoxyribose  Und einer von den vier organischen Basen: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C)

Vereinfachte Darstellung eines Nukleotids

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Bei der DNA ist es so, dass sich jeweils Adenin (A) und Thymin (T) sowie Cytosin (C) und Guanin (G) gegenüberstehen. In der DNA sind Adenin und Thymin immer gleich oft vorhanden. Auch Cytosin und Guanin sind gleich oft vorhanden. Die DNA hat zwei Seiten, man bezeichnet dies als Doppelstrang. D.h. wenn auf der einen Seite Adenin ist, dann ist damit auch sofort klar, dass gegenüber nur ein Thymin "andocken" kann. Verbunden werden diese durch Wasserstoffbrücken. Auf der jeweiligen Seite wiederum werden die "Verbindungen" durch den Zucker (Desoxyribose) und Phosphorsäurereste hergestellt.

2.3. Mitose und Meiose Die Mitose und Meiose sind zwei Arten der Kernteilung bei eukaryotischen Zellen.

Ablauf* Chromosomensatz der Tochterzellen Unterschied Erbgut Mutter/Tochterzelle Funktion Ort Erbgut ErbgutRekombination Verteilung Erbgut

Mitose Das Ziel der Mitose ist dabei die Vermehrung von Zellen. Deshalb müssen auch die bei der Mitose entstandenen Tochterzellen genetisch identisch mit der Mutterzelle sein. Aus einer (Mutter)Zelle entstehen zwei (Tochter)Zellen 2n (diploid)

Meiose Die Meiose erzeugt dagegen sogenannte Keimzellen oder Geschlechtszellen. Diese Zellen spielen eine wichtige Rolle bei der Befruchtung während der sexuellen Fortpflanzung. Aus einer (Mutter)Zelle entstehen vier (Tochter)Zellen mit haploidem Chromosomensatz. 1n (haploid)

Erbgut von Mutter- und Tochterzellen ist identisch

Erbgut von Ausgangszelle- und Tochterzelle ist nicht identisch, es kommt zu einer Neukombination

Vermehrung von Körperzellen In allen Körperzellen Das Erbgut der Tochterzellen ist mit der Ausgangszelle identisch Keine Rekombination durch Crossing-Over

Bildung von Geschlechtszellen In den Keimzellen Das Erbgut der Tochterzellen unterscheidet sich mit denen der Ausgangszelle Intrachromosomale Rekombination (Crossing-Over)

Genaue Verteilung der Chromosomen

Zufällige Verteilung der Chromosomen

Ablauf der Mitose Der Ablauf der Mitose findet in verschiedenen Schritten statt. In der Regel unterscheidet man bei der Mitose die Folgenden Phasen: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase. Prophase: Zu Beginn der Kernteilung verkürzen sich die Chromosomen durch Schraubung und Faltung und werden lichtmikroskopisch sichtbar. Jedes Chromosom ist jetzt in zwei identische Hälften (Chromatiden) gespalten, die nur noch vom Centromer zusammengehalten werden. Zwischen den Polen der Zelle bildet sich eine Kernspaltungsspindel. Sie bestehen aus Eiweißsfäden (Mikrotubuli), die an den Zentriolen ansetzen. Kernmembran und Nukleolus lösen sich auf. Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene An: Die Spindelfasern heften sich an das Centromer der Chromosomen. Anaphase: Bei allen Chromosomen löst sich die Verbindung der Chromatiden am Centromer. Die beiden Chromatiden jedes Chromosoms werden getrennt und zu den gegenüberliegenden Zellpolen gezogen. Jeder Zellpol bekommt nun einen vollständigen Chromatidensatz. Telophase: Der Spindelapparat löst sich auf. Die Chromatiden gehen wieder in die lang gestreckte Form über. Nukleolus und Kernhülle werden neu gebildet. Zwei Zellkerne

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2.4. Replikation Die Replikation lässt sich in 3 Phasen unterteilen: 1. Initiation 2. Elongation 3. Termination Initiation: DNA wird entwunden und Helicase (Enzym) trennt die Wasserstoffbrückenbindungen Primer (kurzes RNA-Stück) bindet sich am 3`Ende

Elongation: DNA-Polymerase fügt neue Nukleotide an den Primer an DNA-Polymerase arbeitet immer von 5`zu 3` (siehe Bild)

Der obere Strang (Leitstrang) wird kontinuierlich, der untere Strang (Folgestrang) wird diskontinuierlich gebildet (OkazakiFragmente). Danach Entfernt ein Enzym die Primer und eine andere DNA-Polymerase ersetzt die fehlenden Stücke die durch die wegfallenden Primer entstanden sind. Zuletzt „klebt“ Ligase (Enzym) die Okazaki-Fragmente zusammen.

Termination: Beendet die Replikation. 2.5. Proteinbiosynthese (Transkription und Translation) Proteinbiosynthese bedeutet nichts anderes als die Synthese von Proteinen. Als Synthese wird die chemische Herstellung und als Protein Eiweiße bezeichnet. Das bedeutet folglich, dass bei der Proteinbiosynthese Eiweiß hergestellt wird. Proteine herzustellen ist für jede Zelle essentiell. Damit das reibungslos funktioniert, gibt es, wie in jeder Fabrik, einen genauen Plan wann welcher Schritt auf welche Weise abläuft. Mit Hilfe von den Ribosomen können diese Proteine hergestellt werden. Der ganze Vorgang der Proteinbiosynthese wird in zwei Phasen eingeteilt. Die Transkription ist die erste Phase und ist wichtig für die Entstehung und den Transport der mRNA. Bei der zweiten Phase, der Translation, bildet das Ribosom aus der mRNA eine Aminosäurekette (=Protein).

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Phasen der Transkription: Initiation: Zu Beginn der Transkription bindet die RNA-Polymerase an den Promotor eines Gens. Auf die Promotorsequenz folgt entlang des codogenen Stranges in 3`-> 5`-Richtung der zu transkribierende DNA-Bereich. Unmittelbar vor dem zu transkribierenden Bereich wird der DNA-Doppelstrang von der RNAPolymerase aufgetrennt. RNA-Nucleotide lagern sich komplementär an den codogenen Strang an und werden durch die RNA-Polymerase verknüpft. Elongation: Die RNA-Polymerase bewegt sich an der DNA entlang und bewirkt das weitere Auftrennen der Doppelhelix. Komplementär zum codogenen Strang werden weitere Nucleotide mit dem 3´-Ende der wachsenden mRNA verknüpft. Termination: Die Transkription der Stopp-Sequenz ist ein Signal für die RNAPolymerase, die Verlängerung des mRNAStranges einzustellen. Die mRNA löst sich schließlich vom codogenen Strang ab und die Transkriptionsblase schließt sich wieder. Transkription: Bei der Transkription werden die zur Proteinherstellung benötigten Informationen von der DNA in eine mRNA umgeschrieben. Dies geschieht durch ein speziell dafür zuständiges Enzym, die RNA-Polymerase. Die mRNA wird dazu benötigt, die Information aus dem Zellkern im Cytoplasma zu verwenden, weil dort der Ort der Proteinherstellung (=Translation) ist. Zudem können die Enzyme die notwendigen Herstellungsschritte nicht an der DNA ausführen, weshalb auch bei Prokaryoten (ohne Zellkern) eine RNA produziert wird. Der Ablauf der Transkription lässt sich in 3 Schritte unterteilen: Initiation: Die DNA besteht aus zwei Strängen, dem Sense-Strang und dem Antisense-Strang. Transkribiert wird nur der AntisenseStrang(=codogener Strang). Um diesen zu erhalten, muss die DNA aufgetrennt werden. Die RNA-Polymerase öffnet den DNA-Doppelstrang an einem Promotor (DNA-Sequenz mit spezifische Basenabfolge an einem Genanfang) Elongation: Die RNA-Polymerase bewegt sich in 5‘-3‘-Richtung an der DNA entlang. Am Matrizenstrang (=codogener Strang) lagern sich in 5‘-3‘-Richtung die komplementären RNA-Nukleotide mit den passenden Basen an und bilden eine mRNA. Die Nukleotide befinden sich bereits in der Nähe des Enzyms und werden nicht von diesem produziert. Termination: Die RNA-Polymerase stößt auf eine Terminatorsequenz (spezifische Basenabfolge). Sie hält an und löst sich von der DNA. Die fertige mRNA verlässt den Kern durch eine Kernpore. Unterschiede zwischen DNA und RNA: DNA

RNA

Basen

A,T,C,G

A,C,G,U

Zucker

Desoxyribose

Ribose

Stränge

Doppelstrang

Einzelstrang

Biologie Lernzettel – Abi Unterschied zwischen Prokaryoten und Eukaryoten: Die Proteinbiosynthese bei Eukaryoten und bei Prokaryoten ist im Prinzip gleich. Doch die synthetisierte mRNA fällt kürzer aus als der entsprechende DNA-Abschnitt. Generell setzen sich die Gene der Eukaryoten aus Exons und Introns zusammen, weshalb diese als Mosaikgene bezeichnet werden. Die Exons enthalten die genetische Information für die mRNA, wobei die Introns keine solche Information liefern. Bei der Transkription wird das ganze Mosaikgen abgelesen, wodurch die prä-mRNA entsteht. In der Prozessierung entsteht dann die mRNA: Ein spezieller Nukleotid (Kappe) wird an das 5'-Ende der prä-mRNA als Schutz vor enzymatischen Abbau angefügt. Spleißen: Die Intronabschnitte werden herausgeschnitten und die Exonabschnitte werden enzymatisch zusammengefügt. Der Poly-A-Schwanz (100-200 Adenin-Nukleotide) wird an das 3'-Ende der mRNA gehängt, damit sich nicht mehrere RNAs aneinanderhängen.

Translation Die Translation ist der zweite Schritt der Proteinbiosynthese. Hierbei wird die bei der Transkription produzierte Basensequenz der mRNA in ein Protein übersetzt. Immer drei Basen in bestimmter Anordnung (Basentriplett) codieren für eine Aminosäure. Die Basen können aus allen Kombinationen der vier Basen Adenin, Guanin, Cytosin und Uracil (in der DNA: Thymin) bestehen. Der in der DNA gespeicherte Bauplan wird verwendet um ein Protein zu bauen. Ablauf: Anlagerung der Ribosomen an die mRNA: Die eigentliche Übersetzung einer mRNA in ein Protein findet in einem Ribosom statt. Dieses setzt mit seinen beiden Teilen an der mRNA an und beginnt diese vom 5´zum 3´Ende auszulesen, bis es das Startcodon (welches nicht zwingend am Anfang der mRNA liegt) AUG erreicht. Dort beginnt es mit der Translation. tRNA mit komplementärem Basentriplett bindet am Ribosom: Ein Ribosom hat drei Stellen für Codons. Erreicht die erste Stelle des Ribosoms nun das Startcodon, beginnt es mit der Translation, indem es das eine tRNA mit der passenden Aminosäure und den Gegenbasen zum Startcodon mit der mRNA verbindet.

Aminosäuren werden verknüpft und genutzten tRNAs fallen ab: Bei der nächsten Bewegung verbindet sich die Aminosäure, die sich auf der dritten Stelle befindet mit der, auf der zweiten Stelle. Die tRNA auf der dritten Stelle verlässt das Ribosom ohne Aminosäure.

Ende der Translation und fertige Aminosäurekette: Der ganze Vorgang wiederholt sich, bis das Ribosom ein Stoppcodon (UAA, UAG und UGA) erreicht. Diese müssen sich nicht am Ende der mRNA befinden. Ist die Translation beendet, lösen sich Ribosom, Protein und tRNA von der mRNA, das Ribosom zerfällt in seine Einzelteile. Nun bewegt sich das Ribosom ein Codon weiter, sodass das Startcodon sich nun auf der zweiten Stelle befindet. Das sich auf der ersten Stelle befindende Codon der mRNA wird wiederum mit einer tRNA und damit mit der zugehörigen Aminosäure verbunden.

Biologie Lernzettel – Abi Übersetzung der Basentripletts in Aminosäuren & Die Codesonne Woher wissen wir eigentlich welches Codon in welche Aminosäure übersetzt wird? Dazu gibt es die Codesonne: An dieser kann von innen nach außen Abgelesen werden, welches Codon welche Aminosäure ergibt. Möchten wir zum Beispiel herausfinden, zu welcher Aminosäure das Codon AUG gehört, so beginnen wir innen bei der Base Adenin und folgen dem Pfad über Uracil und Guanin und erhalten die Aminosäure Methionin.

2.6. Mutationen und Mutationstypen Mutationen Eine Genmutation ist eine dauerhafte Veränderung der DNA, die von der regulären Basensequenz abweicht. Mutationen treten zufällig und ungerichtet auf, d.h. sie verfolgen kein direktes Ziel. Verschiedene Stoffe, sogenannte Mutagene erhöhen die Wahrscheinlichkeit, das sind z.B.: Chemische Stoffe, Radioaktivität, UV-Strahlung und Röntgenstrahlung. Mutationstypen: Genmutation Bei der Gen- oder Punktmutation sind einzelne Nukleotide betroffen. Nukleotide sind die Bausteine der Nukleinsäuren DNA und RNA. Hierbei sind drei Mutationsvariationen möglich. 1. Substitution (Basenaustausch) Unter einer Substitution verstehst du den Austausch einer Base durch eine andere. Du unterteilst hier nochmal zwischen einer Transition und einer Transversion. a. Transition

b. Transversion

Bei der Transition wird eine Purinbase (Adenin, Guanin) durch die jeweils andere ausgetauscht.

Bei der Transversion wird eine Purinbase (Adenin, Guanin) durch eine Pyrimidinbase (Thymin, Cytosin) oder umgekehrt ausgetauscht.

Beispiel: A -> G

Beispiel A -> T Ein Beispiel für das Vorkommen der Transversion in der Umwelt ist die Sichelzellanämie. Hierbei wird die Base A gegen T ausgetauscht. Bei der Sichelzellanämie werden die Erythrozyten (= Sauerstoff transportierende rote Blutkörperchen) sichelzellartig verformt, sodass diese schlechter Sauerstoff binden können.

Stumme Mutation

Missense Mutation

Nonsense-Mutation

Bei einer stummen Mutation (stillen Mutation) verursacht die Basensubstitution keine Änderung der Aminosäuresequenz im Protein. Das kann auftreten, wenn der Austausch einen Abschnitt auf der DNA (=nichtcodierende DNA) betrifft, der keinen Bauplan für ein Protein trägt.

Wenn durch die veränderte Basensequenz ein Codewort (Codon) für eine andere Aminosäure entsteht, dann sprichst du von einer MissenseMutation. In unserem Beispiel wird hier statt der Aminosäure Asparaginsäure (GAU) die Aminosäure Valin (GUU) gebildet. Häufig kompensiert unser Körper diese Fehlbildung. Allerdings können auch Funktionsverluste (selten auch Funktionsgewinn) im gebildeten Protein entstehen, wie bei der Sichelzellanämie; eine vererbbare Blutkran...