Biologie kompakt für Dummies

Rene Fester Kratz

• Verlag: Wiley-VCH
• Jahr: 2021
• ISBN:
  9783527832309
• Auflage: 2
• Thema: Biowissenschaften
• Thema: Biologie

Biologie

Ihr Speed-Date mit der Biologie

Sie benötigen einen schnellen Überblick ins Thema Biologie? Dann sind Sie hier richtig, denn dieses Buch bietet Ihnen einen kompakten, leicht verständlichen Einstieg in die interessante Welt der Lebewesen. Die Autorin erklärt schlüssig, was Sie über Zellen, Mikroorganismen, Biodiversität, Genetik sowie Evolution und Co. wissen sollten. Damit ist dieses Buch Ihr perfekter Wegweiser durch den Dschungel der Biologie: kompakt, kompetent, günstig!

Sie erfahren

• Wie Zellen aufgebaut sind und welche Funktion die einzelnen Organellen erfüllen
• Wer Gregor Mendel war und wie Meiose und Mitose ablaufen
• Wie Arten in Ökosystemen zusammenleben und was natürliche Selektion ist.

Teil II

Zellvermehrung und Genetik – das Thema Sex aus Sicht des Biologen

IN DIESEM TEIL …

Lebewesen wachsen und vermehren sich geschlechtlich (durch Meiose) und ungeschlechtlich (durch Mitose). Lebewesen zeichnen sich auch dadurch aus, dass sie gewisse Merkmale an ihre Nachkommen weitergeben. Die Vorlagen für diese Merkmale sind in der Struktur des wahrscheinlich berühmtesten und faszinierendsten Molekül überhaupt verschlüsselt: Desoxyribonukleinsäure oder kurz DNA. Wissenschaftler wissen heute mehr über die DNA als je zuvor. Sie haben sogar Wege gefunden, sich ihre Macht in der Medizin, der Landwirtschaft und der Technologie zunutze zu machen.

In diesem Teil werden wir Ihnen die verschiedenen Formen und einzelnen Schritte der Zellteilung erklären und beschreiben, wie die DNA die Eigenschaften von Organismen bestimmt.

Kapitel 5

Teilen, um zu erobern: Die Zellteilung

IN DIESEM KAPITEL

• Warum Zellen sich vermehren und wie sich DNA vervielfältigt
• Mitose zur Erzeugung von Zellkopien
• Meiose zur Erzeugung von Eizellen und Samenzellen
• Die Vorzüge der genetischen Vielfalt

Bei alle Lebewesen bildet die Zellvermehrung die Grundlage für Wachstum, Heilung und Fortpflanzung. Die ungeschlechtliche Vermehrung durch Mitose erzeugt Zellen, die genetisch identisch sind mit den Zellen, aus denen sie hervorgegangen sind. Bei der geschlechtlichen Vermehrung findet dagegen eine besondere Form der Zellteilung statt, die Meiose, bei der Zellen erzeugt werden, die nur die Hälfte des genetischen Materials der Zellen enthalten, aus denen sie hervorgegangen sind. Meiose und geschlechtliche Vermehrung führen zu einer größeren genetischen Vielfalt der Nachkommen und damit auch zu größeren genetischen Unterschieden in der gesamten Population. In diesem Kapitel werden Sie erfahren, warum Zellen sich überhaupt teilen. Anschließend werden wir Ihnen die einzelnen Schritte der verschiedenen Arten der Zellteilung erklären. Schließlich werden Sie erfahren, wie die geschlechtliche Vermehrung in der belebten Umwelt für Vielfalt sorgt.

Vermehrung: Sicherung des Fortbestandes

Biologie handelt vom Leben, und im Leben dreht sich alles um den Fortbestand. Lebewesen sorgen für ihren Fortbestand, indem sie ihre genetischen Informationen von Generation zu Generation weitergeben. Damit haben wir den Hauptunterschied zwischen belebter und unbelebter Natur vor uns. Haben Sie jemals gesehen, dass sich ein Stuhl oder ein Tisch fortpflanzt? Wohl kaum, denn es ist das Kennzeichen aller lebenden Dinge, dass sie ihre genetischen Informationen weitergeben und sich vermehren können.

Wenn eine Zelle sich vermehrt, vervielfältigt sie alle ihre Bestandteile, einschließlich ihrer DNA. Anschließend teilt sie sich, wodurch neue Zellen entstehen. Erzeugt eine Zelle auf diese Weise exakte Kopien von sich selbst, so handelt es sich um ungeschlechtliche Vermehrung. Einzellige Prokaryoten, beispielsweise Bakterien, vermehren sich durch einfache Teilung in zwei Zellen, was sehr schnell geht. Unter entsprechenden Umgebungsbedingungen können sie sich innerhalb von zehn bis 20 Minuten vermehren (ihre Zahl verdoppeln). Einige einzellige Eukaryoten und einzelne Zellen vielzelliger Eukaryoten vermehren sich ebenfalls ungeschlechtlich. Allerdings geschieht die Erzeugung einer neuen Zellgeneration hier durch einen Vorgang, der Mitose genannt wird. Der Mitose werden wir uns später in einem eigenen Abschnitt widmen.

Wenn eine Zelle bei ihrer Vermehrung nur die Hälfte ihrer genetischen Informationen an die neue Zelle weitergibt, handelt es sich um geschlechtliche Vermehrung. Eine besondere Art der Zellteilung, Meiose genannt, ist für alle Formen der geschlechtlichen Vermehrung verantwortlich. Die Meiose werden wir Ihnen später in einem eigenen Abschnitt erklären.

Zellen haben die folgenden wichtigen Gründe, sich zu teilen:

• Lebewesen brauchen Zellkopien, um zu wachsen: Nachdem sich eine Eizelle Ihrer Mutter und eine Samenzelle Ihres Vaters vereinigt hatten, haben Sie Ihr Leben als eine einzige Zelle begonnen. Heute besteht Ihr Körper aus etwa 100 Billionen Zellen. All diese Zellen sind aus dieser einen Zelle und ihren Abkömmlingen durch Mitose hervorgegangen. Und wenn Sie sehen, wie eine Pflanze in die Höhe wächst oder wie ein Jungtier zu einem erwachsenen Tier heranreift, haben Sie Beispiele für Leistungen der Mitose vor sich.
• Sie brauchen Zellkopien für Instandhaltungs- und Ausbesserungsprozesse: Das Leben bringt es mit sich, dass Zellen verschlissen werden und ersetzt werden müssen. Beispielsweise schuppen von Ihrer Körperoberfläche ständig Hautzellen ab. Wenn Ihr Körper diese nicht durch neue Hautzellen ersetzen könnte, hätten Sie innerhalb kürzester Zeit keine Haut mehr. Und auch wenn ein Lebewesen sich verletzt, nutzt sein Körper die Mitose, um neue Zellen zu erzeugen, die den Schaden ausbessern.
• Sie brauchen Zellen, um für den Fortbestand der Art zu sorgen: Bei der ungeschlechtlichen Vermehrung stellen Organismen exakte Kopien von sich selbst her, um so Nachkommen zu erzeugen. Bei der geschlechtlichen Vermehrung werden spezielle Zellen erzeugt, die Gameten (Eizelle und Samenzelle), die nur die Hälfte der genetischen Informationen der Eltern enthalten und sich zu einem neuen Organismus vereinigen können. Durch die Vereinigung der Gameten verbinden sich auch die genetischen Informationen aus Eizelle und Samenzelle, sodass der Nachkomme wieder dieselbe Menge an DNA hat wie seine Eltern.

Willkommen bei der DNA-Vervielfältigung

Damit zwei Tochterzellen nach der Teilung der Elternzelle weiterleben können, muss diese zuvor alle ihre Teile vervielfältigen. Also wächst die Zelle zunächst, stellt mehr Organellen her (Einzelheiten zu Organellen finden Sie in Kapitel 3) und kopiert ihre genetischen Informationen (die DNA). So kann jede neue Zelle eine Ausfertigung von allen lebensnotwendigen Zellbestandteilen erhalten. Das genetische Material wird von der Zelle in einem Vorgang vervielfältigt, der DNA-Replikation genannt wird. Hierbei dienen die alten DNA-Stränge als Vorlagen für die Herstellung neuer DNA-Stränge. Es ist sehr wichtig, dass die neue Zelle eine wirklich exakte Kopie der genetischen Informationen der Elternzelle erhält (unabhängig davon, ob diese fehlerfrei ist oder nicht), da diese über Struktur und Funktion der neuen Zelle entscheiden.

Die grundlegenden Schritte der DNA-Replikation laufen wie folgt ab:

• Zunächst trennen sich die beiden elterlichen DNA-Stränge. Die Leitersprossen der Doppelhelix brechen auseinander, sodass ein Nukleotid auf der einen Seite und das andere Nukleotid auf der anderen Seite zu liegen kommt (in Kapitel 2 finden Sie die Darstellung eines DNA-Moleküls). Allerdings trennt sich der DNA-Doppelstrang nicht gleichzeitig auf ganzer Länge auf; dies geschieht jeweils nur abschnittsweise. Dieser teils offene, teils geschlossene DNA-Abschnitt ist der Ort, an dem die DNA-Replikation stattfindet, und wird Replikationsgabel genannt (dieser Y-förmige Bereich ist in Abbildung 5.1 zu sehen).
• Das Enzym DNA-Polymerase liest die Basenreihenfolge, also den DNA-Code, am elterlichen Strang ab und bildet einen neuen Partnerstrang, der das genaue Gegenstück zu dem Originalstrang darstellt. Um diesen Gegenstrang oder komplementären Strang herzustellen, folgt die DNA-Polymerase den Regeln zur Basenpaarung für DNA-Nukleotide: A paart sich immer mit einem T, und C paart sich immer mit G (Einzelheiten zu den Nukleotiden finden Sie in Kapitel 2). Wenn im elterlichen Strang beispielsweise an einer bestimmten Position ein A steht, baut die DNA-Polymerase in den neuen, komplementären Strang an dieser Position ein T ein. Nachdem die DNA-Polymerase ihre Arbeit abgeschlossen und zu jeder Base ein passendes Gegenstück erzeugt hat, verfügt jeder der beiden elterlichen Stränge über einen neuen Partnerstrang.

Die Arbeitsweise der DNA-Polymerase wird semikonservativ genannt, was so viel wie »zur Hälfte erhaltend« bedeutet. Jedes neue DNA-Molekül besteht nämlich zur Hälfte aus alter DNA (aus dem elterlichen Strang) und zur Hälfte aus neuer DNA (aus dem komplementären Strang).

Eine Reihe von Enzymen unterstützt die DNA-Polymerase beim Vorgang der DNA-Replikation (die harte Arbeit der DNA-Polymerase und ihrer Gehilfen ist in Abbildung 5.1 dargestellt):

• Die Helikase entwindet die Doppelhelix, trennt die elterlichen Stränge voneinander und macht die DNA somit der Replikation zugänglich.
• Die Primase sorgt für die Anlagerung kurzer Stücke von RNA, Primer genannt, an die elterliche DNA. Die Primer sind komplementär zur DNA und werden von der DNA-Polymerase als Startpunkte für die DNA-Vervielfältigung benötigt.
• Die DNA-Polymerase I entfernt die RNA-Primer und ersetzt sie durch DNA. Sie unterscheidet sich in ihrer Arbeit daher geringfügig von der DNA-Polymerase, die den überwiegenden Teil der neuen DNA herstellt. (Der Einfachheit halber werden wir dieses Enzym hier DNA-Polymerase nennen, die genaue Bezeichnung ist eigentlich DNA-Polymerase III.)
• Die DNA-Ligase erzeugt Kovalenzbindungen im Rückgrat des neuen DNA-Moleküls und schließt auf diese Weise die kleinen Brüche, die am Anfang und Ende des neuen Stranges entstanden sind. (Der Enzymname leitet sich vom lateinischen Begriff ligare ab, was so viel wie »binden« bedeutet.)

Die elterlichen Stränge sind in der Doppelhelix gegenläufig ausgerichtet: Die Enden der beiden DNA-Stränge unterscheiden sich chemisch. Sie werden als 3’-Ende (»3-Strich-Ende«) und 5’-Ende (»5-Strich-Ende«) bezeichnet; diese Bezeichnungen finden Sie auch in Abbildung 5.1 wieder. Die Zahlen leiten sich...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Titelblatt
• Impressum
• Inhaltsverzeichnis
• Über die Autorinnen
• Einführung
• Teil I: Grundlagen der Biologie
• Teil II: Zellvermehrung und Genetik – das Thema Sex aus Sicht des Biologen
• Teil III: Die Welt ist klein und vernetzt
• Teil IV: Struktur und Funktion des tierischen Lebens – zwei der wichtigsten Organsysteme
• Teil V: Der Top-Ten-Teil
• Stichwortverzeichnis
• End User License Agreement