Umfassender Überblick über die Strukturen und Abläufe des Lebens, der sich als Zusatzlektüre für die Sekundarstufe II und für Studienanfänger eignet.
Inhalt:
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
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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 Giuconeogenese startet mit Pyruvat 135
Pflanzen und Mikroorganismen fixieren Kohlenstoff aus der Luft 138
Der Citratzyklus ist eine zentrale Drehscheibe des Stoffwechsels 140
Inhalt VII
Die Aktivität von Enzymen ist streng reguliert 141
Es gibt langsam und schnell arbeitende Enzyme 142
Enzyme können gehemmt und aktiviert werden 144
Der Glucosekatabolismus wird an mehreren Stellen reguliert 146
7 Leben ist energiegeladen 153
Lichtenergie treibt die gesamte Photosynthese an 154
Die Komplexe der Photosynthese befinden sich in den internen Membranen der Chloroplasten . . 155
Chlorophyll fängt das Sonnenlicht ein - 156
Farbmoleküle reichen die Energie weiter, und das Reaktionszentrum gibt ein Elektron ab 157
Elektronen wandern vom Wasser zum NADP+ 159
Der Fluss von Elektronen und Protonen baut einen elektrochemischen Gradienten auf 163
Bei der Photophosphorylierung treiben Protonen die Synthese von ATP an 163
Der zyklische Elektronentransport sorgt für ausgeglichene Verhältnisse 165
Der chemische Abbau von Nährstoffen liefert Energie 167
Die oxidative Phosphorylierung ähnelt der Elektronentransportkette der Photosynthese 167
Die Atmungskette hat zwei Einstiegspunkte für Elektronen 168
Die Atmungskette liefert beim Glucoseabbau am meisten ATP 170
8 Leben sammelt Informationen 175
Informationen werden in drei Schritten verarbeitet 175
Chemische Signale lösen in Zellen Reaktionskaskaden aus 176
Zellen besitzen im Wesentlichen vier Typen von Signalrezeptoren 178
Verschiedene Wege geben das Signal in der Zelle weiter 180
Die Zellantwort auf ein Signal kann unterschiedlich schnell und dauerhaft sein 184
Nerven reagieren schnell und bilden komplexe Verarbeitungszentralen 185
Das Auge ist ein optisches Meisterwerk mit Konstruktionsmängeln 185
Die Moleküle des Sehens heißen Rhodopsin und Photopsin 187
Nervenzellen stehen unter Spannung 189
Axone sind die ausgehenden Kommunikationskanäle von Nervenzellen 194
Neurotransmitter übertragen das Signal zur nächsten Zelle 196
Nervenzellen entscheiden rechnerisch über ihre Reaktion auf eingehende Signale 197
Das periphere Nervensystem übernimmt eine Vorverarbeitung der Signale 199
Der Thalamus kontrolliert, was wir zu sehen bekommen 200
Die Sinne sammeln eine Vielzahl unterschiedlicher Informationen 201
Mechanorezeptoren reagieren auf Verformungen 201
Temperatursensoren schützen vor Überhitzung 204
Elektrische Sinne verraten die Beute 204
Magnetsinne helfen bei der Orientierung 206
9 Leben schreitet voran 211
Bakterien haben einen rotierenden Flagellenmotor 211
Eukaryoten schlagen mit aktiven Geißeln und Cilien 214
Actin und Myosin sind die Akteure vieler Bewegungen 216
Zellen ohne feste Form gleiten amöboid 216
Muskeln sorgen für kräftige Bewegungen 217
Skelette sind der Ansatzpunkt für die Kraft 219
Quallen und Kopffüßer schießen mit dem Rückstoßprinzip durchs Wasser 220
Regenwürmer ändern gezielt ihren Durchmesser 221
Wer auf Beinen geht, vermindert den Reibungswiderstand 221
Tiere verzichten (fast) auf rollende Räder 226
Fliegen und Schwimmen sind Spiele mit Strömung und Auftrieb 226
VIII Inhalt
10 Leben greift an und verteidigt sich 231
Die Dramen auf Leben und Tod haben meist drei Akte 231
Krankheitserreger gehen im Körper ihrer Wirte auf Jagd 233
Viren erkennen Oberflächenproteine der Zielzelle 234
Viren, Bakterien, Einzeller und kleine Vielzeller infizieren Wirtsorganismen 235
Die Immunabwehr kämpft auf vielfältige Weise gegen Infektionen 238
Mechanische und chemische Barrieren verwehren den Zugang 241
Oberflächen machen den Unterschied zwischen ¿selbst" und ¿fremd" aus 241
Nur Immunzellen, die den eigenen Körper schonen, überstehen die Auswahl 244
Wer den Eindringling entdeckt, schlägt Alarm 247
Mit Zellen und Molekülen geht das Immunsystem zum Gegenangriff über 248
Das Immunsystem kann außer Kontrolle geraten 255
Pflanzen wehren sich mechanisch und chemisch 255
Pflanzen begrenzen Infektionen 256
Signalmoleküle warnen entfernte Pflanzenteile und Nachbarn 258
Herbivoren werden mit den gleichen Prinzipien abgewehrt wie Pathogene 258
Beutetiere kämpfen mit raffinierten Tricks ums Überleben 262
Sinne lassen sich täuschen 262
Eine Beute zu sehen, ist leichter, als sie zu erlegen 264
Die Populationen von Räuber und Beute hängen voneinander ab 266
11 Leben speichert Wissen 271
Nucleinsäuren bilden Ketten, Helices und Chromosomen 272
DNA ist ein doppelter Molekülstrang 273
Die DNA ist in der Zelle dicht gepackt 275
Gene bestimmen den Bau von Proteinen 277
Die Zelle erstellt Arbeitskopien der Baupläne 278
Bakterien achten bei der Transkription auf Effizienz 280
Unterschiedliche Zelltypen und deren Entwicklung verlangen bei Eukaryoten eine genaue
Kontrolle der Gene 281
Dichte Packungen schalten große Abschnitte von Chromosomen ab 282
Methylierte DNA unterdrückt die Transkription 283
Regulationssequenzen steuern die Aktivität der Gene aus der Ferne 284
RNA-Interferenz schaltet Gene nach der Transkription ab 285
Eukaryoten gestalten die RNA nach der Transkription um 287
Proteine wachsen genau nach Plan 289
Der genetische Code hat vier Buchstaben 289
Transfer-RNAs sind das Bindeglied zwischen Nucleotiden und Aminosäuren 290
Ribosomen sind universelle Proteinfabriken 291
Proteine wachsen schrittweise heran 292
Nach der Translation erhalten Proteine den Feinschliff 295
Der Genotyp bestimmt weitgehend den Phänotyp 296
Die DNA wird in der Replikation verdoppelt 298
DNA-Polymerasen verdoppeln beide DNA-Stränge 298
Die Zelle korrigiert Fehler 302
Mutationen verändern Gene und Proteine 303
Gentechnik greift gezielt ins Erbgut ein 307
Zielsequenzen werden aus dem DNA-Strang geschnitten 308
Vektoren bringen Fremd-DNA in die Zelle 309
Marker verraten den Erfolg 309
Gentechnik ist in vielen Bereichen zu finden 310
Inhalt IX
12 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