Biologie für Mediziner für Dummies E-Book

Ralph Lucius

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Serie: Für Dummies
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 433

Veröffentlichungsjahr: 2025

Beschreibung

Was die Menschenwelt im Innersten zusammenhält – und darüber hinaus

Die Biologieveranstaltung steht an und Sie sind noch auf der Suche nach begleitender Lektüre? Dann ist dieses Buch das richtige für Sie. Der Autor beginnt im Kleinen und erklärt Ihnen den Aufbau einer eukaryotischen Zelle, den Zellzyklus, den Zelltod und die Zellkommunikation. Danach erläutert er die Grundlagen von Genetik und Humangenetik und führt Sie in die medizinische Mikrobiologie sowie die Parasitologie ein. Dabei orientiert er sich am Gegenstandskatalog des IMPP, ohne sich in ein starres Korsett zwängen zu lassen. So ist dieses Buch Ihr freundlicher, lehrreicher Begleiter durch ein spannendes Fach.

Sie erfahren

• Wie Struktur und Funktion von Zellen zusammenhängen
• Was es mit den Organellen auf sich hat
• Was hinter Mutationen steckt
• Was es über Bakterien, Viren, Pilze und Parasiten zu wissen gibt

Leseprobe

Biologie für Mediziner für Dummies

Schummelseite

AUFBAU DER ZELLE

Zellorganell/Zellstruktur

Aufbau

Aufgaben

Spezielles

Zellkern

Doppelmembran mit Kernporen und Kernlamina,

Erbsubstanz DNA in Form des Chromatins/der Chromosomen

Nukleolus

Träger der Erbsubstanz,

»Kommandozentrale«

Aufbau der Ribosomen,

»Ribosomenfabrik«

Kernim- und -export (»Importine, Exportine«)

Endoplasmatisches Retikulum (ER)

Raues ER

Glattes ER

Netzförmiges System membranumhüllter Schläuche, Röhren und Säckchen

An der Außenseite mit Ribosomen

Keine Ribosomen

Transportsystem für Proteine und andere Stoffe in der Zelle, Bildungsort neuer Membranteile

Proteinbiosynthese und -faltung, überwiegend Proteine für die »Exportindustrie«

Lipid-, Steroidsynthese

Sonderform: sarkoplasmatisches Retikulum in der Muskulatur (Kalziumspeicher)

Golgi-Apparat

Stapel flacher, membranumgrenzter Reaktionsräume (Dictyosomen), in der Peripherie Golgi-Vesikel

Zentrale Verteilerstation (Sortierung, Verpackung und Modifizierung von Proteinen), Abgabe in Golgi-Vesikeln

Aufnahme (Cis-)Seite und Abgabe (Trans-)Seite,

Mannose-6-Phosphat-Markierung für lysosomale Proteine

Mitochondrien

Doppelmembran:

Innere und äußere Membran, dazwischen intermembranöser Raum, innen Matrixraum

»Kraftwerke« der Zelle, u. a. ATP-Synthese

Endosymbionten-theorie,

Porine in der äußeren Membran, eigene DNA (mtDNA)!, teilungsfähig

Lysosomen

Membranumgrenzte, unregelmäßig geformte Vesikel mit Verdauungsenzymen (»Saure Hydrolasen«)

Abbau von aufgenommenen Biomolekülen, Abbau von zelleigenen Bestandteilen (Autophagie)

pH von 4,5 - 5 im Inneren, Lysosomale Speichererkrankungen bei Enzymdefekten, Telolysosomen

Peroxisomen

Meist rundlich-kugelige, membranumgrenzte kleine Organellen

Abbau zellulärer Metabolite (z.B. Fettsäuren, Ethanol) durch Oxidasen und Katalasen

Leitenzym: Katalase

Besonders zahlreich in Leberzellen

Zytoskelett:

Mikrofilamente

Intermediärfila-mente

Mikrotubuli

Dreidimensionales Netzwerk aus Proteinfilamenten oder Röhren

Stabilisierung der Zellform,

Zellbewegung (Aktin),

Transportschienen für Organellen und Aufbau der Mitosespindel (Mikrotubuli)

Tumordiagnostik (Intermediärfilamente)

Zellteilungsgifte

Ribosomen

Ohne Membran, aus zwei Untereinheiten aus RNA und Proteinen,

an das rER perlschnurartig gebunden als Polyribosomen

Als freie Ribosomen in kleinen Gruppen im Zytoplasma

Proteinbiosynthese am rER überwiegend für den Export

Synthese zelleigener Proteine

Eukaryoten: 80S-Ribobomen (aus 60S + 40S Untereinheiten)

Prokaryoten: 70S-Ribosomen (aus 50S + 30S Untereinheiten)

Plasma-, Zellmembran

Phospholipid-Doppelschicht, darin eingelagert Proteine mit unterschiedlichen Funktionen, Cholesterin

Barriere (selektive Permeabilität, Abgrenzung zum Extrazellularraum),

Ionenpumpen,

Kanal- und Transportproteine,

Rezeptorfunktion

»fluid mosaic model«

Fusionsmöglichkeiten (Endo-, Exozytose)

Zytoplasma

Besteht zu 80 – 85 % aus Wasser, zu 10 – 15 % aus Proteinen, zu 2 – 4 % aus Lipiden, wenig Kohlenhydraten (ca. 1 %), etwas DNA (0,4 %), RNA 0,7 % sowie kleinen organischen und anorganischen Molekülen

Grundsubstanz der Zelle, Reaktionsraum für verschiedene Stoffwechselprozesse, Transportfunktion

pH-Wert ca. 7,4

Konsistenz wechselnd zwischen Gel- und Sol-Zustand

MIKROBIOLOGIE

Tabellarische Zusammenfassung der wichtigsten Unterscheidungsmerkmale von Mikroorganismen (ohne Parasiten)

Merkmal/Eigenschaft

Viren

Bakterien

Pilze

Spezielles

Größe

20 – 150, selten bis 400 nm

Meist 1 – 10 μm

Einzellige Hefen 5 – 10 μm, Schimmelpilze u. a. bis zu einigen Zentimetern

Viren lichtmikroskopisch nicht erkennbar

Genom

DNA oder RNA

DNA (meist zirkulär), Plasmide

DNA

Besitz von Zellorganellen

nein

nein

Ja (Eukaryoten!)

Vermehrung

Innerhalb einer Wirtszelle (obligat intrazellulär)

Durch Zweiteilung

Überwiegend ungeschlechtlich über Sporen, durch Sprossung, selten geschlechtlich

Zellhülle/Abgrenzung

Manchmal Lipidhülle, Proteinhülle als Kapsid

Zellwand

(Mureinsacculus aus Proteoglycanen)

Zellwand aus Cellulose, Chitin, Glucanen u. a.

Bakterien ohne Zellwand: Mykoplasmen, Ureoplasmen

Zellkern

nein

Kernäquivalent Nukleoid

Ja

Ribosomen

nein

70S

80S (Eukaryoten)

Organisationsform

subzellulär

Einzeller

Ein- und Vielzeller

EINTEILUNG NACH DEM GRAM-FÄRBEVERHALTEN UND DER BAKTERIENFORM

Gram +

Gram –

Kokken

Stäbchen

Diplokokken

Stäbchen

Staphylokokken, Katalase +

Clostridien

Neisseria

Enterobakterien (E. coli, Klebsiellen, Salmonellen, Shigellen, Yersinien u. a.)

Streptokokken, Katalase -

Listerien

Kokkoide Stäbchen (Pasteurellen, Haemophilus, Brucellen, Bordetellen)

Corynebakterien

Weitere Stäbchen (Vibrionen, Helicobacter, Pseudomonaden, Campylobacter u. a.)

Bacillus

Actinomyces

Nocardia

ATYPISCHES GRAM-FÄRBEVERHALTEN:

Intrazellulär: Rickettsien, Chlamydien

Spirochäten: Treponema, Borrelien, Leptospira

Zellwandlose Bakterien: Mykoplasmen

PARASITOLOGIE

Parasitische Protozoen (einzellige Parasiten)

Merkmal

Besonderheiten

Größe

1 – 150 μm

Genom

DNA, weil Eukaryota

Organellen

Vorhanden

Teilweise spezielle Organellen, die anderen Eukaryoten fehlen, aber auch sekundärer Verlust von Organellen

Ernährung

Heterotroph (Aufnahme von Nährstoffen durch die Zellmembran)

Lebensform

Frei lebend, im Blut, im Gewebe, intrazellulär

Dauerstadien (Zysten, Oozysten)

Infektionswege

Vielfältig: über kontaminierte Nahrung/Wasser, Insektenstiche, Geschlechtsverkehr

Circa 40 Arten sind humanpathogen (z. B. Malaria, Chagas-Krankheit, Toxoplasmose, Schlafkrankheit, Amöbenruhr)

Diagnose

Mikroskopisch durch Blut-, Stuhl-, Vaginalsekret oder Gewebeuntersuchung (Giemsa-Färbung)

Immunologische und molekulargenetische Untersuchungen

Schnell, günstig

Aufwendig und teuer

Therapie

Prävention

Häufig Metronidazol oder Tinidazol

Hygiene, Moskitonetze

Bei Malaria aufgrund von Resistenzen gegen Chloroquin Artemisinin-Kombitherapie

Vermehrung

Einige Formen mit Generationswechsel, manche durch Zwei- oder Vielteilung

PARASITISCHE WÜRMER (HELMINTHEN)

Zur Erinnerung: Man unterscheidet Saugwürmer (Trematoden), Bandwürmer (Cestoden), Rund-, Fadenwürmer (Nematoden)

Merkmal

Besonderheiten

Größe

2 – 3 mm bis 10 m (oder mehr)

Zwergfadenwurm, Fuchsbandwurm wenige Millimeter, Rinder-, Schweine-, Fischbandwurm mehrere Meter groß

Ernährung

Aufnahme von Nährstoffen durch die Körperoberfläche

Aufnahme von Nährstoffen über den Darm

Bandwürmer

Saug- und Rundwürmer

Lebensform

im Blut, im Darm (intestinal) und anderen Organen, im Gewebe

Dauerstadien (Zysten, Oozysten)

Infektionswege

Vielfältig: Aufnahme von Eiern oder Larven über kontaminierte Nahrung/Wasser (fäkal-oral)

Insektenstiche

Aktive Penetration der Haut

Etwa 150 Arten sind humanpathogen

Filarien

Hakenwürmer, Zerkarien von Saugwürmern

Diagnose

Mikroskopisch durch Blut-, Stuhl-, Urin-, Sputum- oder Gewebeuntersuchung

Großes Blutbild

Immunologische und (selten) molekulargenetische Untersuchungen

Adulte Würmer oder Proglottiden von Bandwürmern

Hohe Variabilität des richtigen Diagnose-Zeitpunkts

Sehr oft Eosinophilie!

Nachweis von spezifischen Antikörpern, DNA

z. B. Madenwurm

Therapie

Prävention

Band- und Saugwürmer: häufig Praziquantel

Rundwürmer: Mebendazol, Albendazol, Ivermectin

Hygiene, Abkochen/Erhitzen von Nahrung/Getränken

Manchmal selbstlimitierend

Fleischbeschau (Rinder-, Schweinebandwurm, Trichinen)

Vermehrung

Produktion von Eiern oder Larven, häufig über Zwischenwirte, getrennt geschlechtlich oder Zwitter

Saugwürmer (Ausnahme Pärchenegel) und Bandwürmer zwittrig, Rundwürmer getrennt geschlechtlich

Biologie für Mediziner für Dummies

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

1. Auflage 2025

© 2025 Wiley-VCH GmbH, Boschstraße 12, 69469 Weinheim, Germany

All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form. This book is published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.

Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Dieses Buch wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.

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Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley & Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Coverfoto: Christoph Burgstedt - stock.adobe.comKorrektur: Petra Heubach-Erdmann

Print ISBN: 978-3-527-71912-9ePub ISBN: 978-3-527-83624-6

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelblatt

Impressum

Inhaltsverzeichnis

Über dieses Buch

Törichte Annahmen über den Leser

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Konventionen in diesem Buch

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Danke

Teil I: Biologie der Zelle

Kapitel 1: Die Zelle – Mikroskopisch klein … und doch ein Riese

Der Zellbegriff – Ein Ausflug in die Geschichte

Prokaryoten und Eukaryoten

Kapitel 2: Expedition in den Mikrokosmos »Zelle«

Bleib mir vom Leibe – Die Zell- oder Plasmamembran

Austausch und Kommunikation – Die Rolle der Membranproteine

Innenansichten einer Zelle – Das Endomembransystem

Ordnung ist das halbe Leben – Die Organisation des Chromatins

Ein Schwimmbad für Organellen – Das Zytosol

Schläuche und kleine Netze – Das endoplasmatische Retikulum

Wo bitte geht es zur Hauptpost? – Der Golgi-Apparat

Energie ist alles – Die Mitochondrien

Zelluläre Fossilien – Die Peroxisomen

Sauer macht lustig – Die Lysosomen

Kapitel 3: Der Weg in die Zelle

Feed me – Die verschiedenen Arten der Endozytose

Das zelluläre Endlager – Lysosomale Speicherung

Nix wie raus hier – Die Exozytose

Lasst mich mal durch, bitte – Die Transzytose

Kapitel 4: Ein hochdynamisches System – Das Zytoskelett

Das Aktinfilamentsystem – Ein ständiger Wechsel von Umbau und Zerfall

Es geht dynamisch weiter – Mikrotubuli (MT) und ihre Motorproteine

Jetzt wird’s stressig – Intermediärfilamente und Septine

Kapitel 5: Live and let die – Der Lebenskreislauf einer Zelle

Farbige Körper im Zellkern – Die Chromosomen

Immer (?) im Kreis herum – Der Zellzyklus

Kapitel 6: Viele Arten zu sterben – Der Zelltod

Die Nekrose – Hilfe, ich zerfließe!

Die Apoptose – Es fällt ein Blatt vom Baum

Kapitel 7: Kommunikation ist (fast) alles – Wie Zellen sich verständigen

Signale senden und empfangen

Teil II: Vom Erbsenzählen zur quantitativen Genetik

Kapitel 8: »Mendeln« wir mal ein wenig …

Die Anfänge der Genetik

Formale Genetik

Jetzt wird vererbt … und berechnet

Von den Pflanzen zu den Menschen

Epigenetik und genomische Prägung/Genomic Imprinting

Kapitel 9: Ein Mikroskop bitte – Chromosomen unter der Lupe

Chromosomenfärbung – GTG-Bänderung

Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH)

Populationsgenetik – oder: Hardy plus Weinberg

Kapitel 10: Mutationen – Veränderungen als Motor der Evolution

Mechanismen der Mutationsentstehung

Kapitel 11: DNA und RNA

Modellbauer unter sich – Struktur und Funktion der DNA

Das doppelte Lottchen – Die DNA-Replikation

Kapitel 12: Abschreiben erlaubt – Die Transkription der DNA

Die Schritte der Transkription

Drei lang, drei kurz – Der genetische Code

Übersetzer*in gesucht – Die Translation

Regulation der Genexpression

Wo steckt es denn nur? – oder: Die Kartierung von Genen

Vorhanden, aber unnötig? – Nicht-codierende DNA

Erna hat auch Gene – Die RNA-Gene

Genome Editing

Der Prokaryot in uns – Das mitochondriale Genom

»Multi-Omiks« – oder: Die Erweiterung des Wissens

Teil III: Mikrobiologie

Kapitel 13: Bakteriologie

Unser Körper – Ein Bakterienmutterschiff

Zellen ohne Zellkern – Die Prokaryoten

Prinzipien der Bakteriengenetik

Pathogenität von bakteriellen Infektionserregern

Kapitel 14: Pilze (Fungi)

Lebensweise

Morphologie der Pilze

Pilzerkrankungen und Pilzgifte

Pilze als Heilmittel

Kapitel 15: Hier geht was viral – Einführung in die Virologie

Aufbau der Viren – Klein, aber fein

Aus wenigen viele machen – Grundzüge der viralen Replikation

Karzinogene Viren und virale Onkogenese

Einmal umschreiben bitte – Die Retroviren

Ein Haufen seltsamer Gestalten – Die Virusklassifikationen

Es geht noch kleiner – Die Viroide und Virusoide

The Dark Side of Proteins – Fehlgefaltete Proteine als Krankheitserreger

Früher oder später kriegen wir euch – Die Virusdiagnostik

In aller Munde: Das Mikrobiom – oder: Wir sind nicht allein

Teil IV: Parasitologie

Kapitel 16: Parasiten – Die heimliche Macht

Spannung ohne Ende – Das Phänomen Parasitismus

Kleine Ursache – meist große Wirkung: Protozoa

Zusammenfassende Betrachtung in der Diagnostik parasitischer Protozoa

Kapitel 17: Helminthen

Saugwürmer (Trematoden)

Bandwürmer (Zestoden)

Nematoden (Fadenwürmer)

Kapitel 18: Das große Krabbeln – Ektoparasiten

Arachnida (Spinnentiere) – Milben und Zecken

Insecta (Insekten) – Zwei Beine weniger

Teil V: Der Top-Ten-Teil

Kapitel 19: Zehn beeindruckende Entwicklungsschritte der Biowissenschaften (… und weil das nicht ausreicht, noch sehr viele Entdeckungen dazu)

Wo und wann Begriff und Denken entstanden

Früh übt sich …

Siesta in der Wissenschaft

Viva la Revolution!

Biologie in Zeiten der Aufklärung

Technik und Chemie – Hand in Hand

Da wäre dann noch diese Doppelhelix

Weiter, immer weiter … und ohne Siesta

Verrücktes und Seltsames – Ausgewählte Beispiele

Ein Ausblick zum Schluss

Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

Tabellenverzeichnis

Kapitel 1

Tabelle 1.1: Wichtige Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten

Kapitel 2

Tabelle 2.1: Richtwerte der intra- und extrazellulären Ionen-/Elektrolytkonzentra...

Kapitel 3

Tabelle 3.1: Erbliche lysosomale Speicherkrankheiten

Kapitel 4

Tabelle 4.1: Zytoskelettkomponenten einer Zelle

Kapitel 5

Tabelle 5.1: Hauptunterschiede zwischen Mitose und Meiose

Kapitel 11

Tabelle 11.1: Unterschiede der Replikation bei Pro- und Eukaryoten

Kapitel 12

Tabelle 12.1: Genomgrößen und Genanzahl einiger Pro- und Eukaryoten

Kapitel 13

Tabelle 13.1: Wichtige Unterschiede zwischen Pro- und Eukaryoten

Tabelle 13.2: Wichtige humanpathogene Bakterien und die durch sie verursachten E...

Kapitel 16

Tabelle 16.1: Die wichtigsten Protozoen und die Krankheiten, die sie beim Mensche...

Kapitel 17

Tabelle 17.1: Hauptinfektionswege und -quellen für den Befall mit Helminthen

Tabelle 17.2: Wohn-/Aufenthaltsorte einiger Helminthen oder Larven

Kapitel 18

Tabelle 18.1: Ektoparasiten und durch sie übertragene Erreger und Erkrankungen

Orientierungspunkte

Cover

Titelblatt

Impressum

Inhaltsverzeichnis

Über dieses Buch

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Abbildungsverzeichnis

Stichwortverzeichnis

End User License Agreement

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Über dieses Buch

Als mich der Verlag mit der Frage kontaktierte, ob ich ein Buch mit dem Titel »Biologie für Mediziner« verfassen und im inzwischen bewährten Dummies-System publizieren möchte, habe ich nicht lange überlegt – auch wenn es bereits einige Lehrbücher zum Thema gibt. Und natürlich hat mich auch die Frage beschäftigt, ob in Zeiten von Internet, 24/7 abrufbaren Videos, Apps und Co. der Bedarf und die Leserschaft für ein solches, gedrucktes Buch vorhanden sind. Letztlich habe ich die Frage für mich mit einem eindeutigen »Ja« beantwortet. Denn die Biologie ist so vielfältig und spannend (und täglich gibt es neue Entdeckungen), dass dieses Buch hoffentlich nicht nur die primäre Zielgruppe der Medizin- und Zahnmedizinstudierenden anspricht, sondern fächerübergreifend oder auch für interessierte Laien eine Einladung darstellt, sich mit diesem faszinierendsten Fach der Lebenswissenschaften zu befassen.

Die oben zunächst genannte potenzielle Leserschaft wird in den ersten Semestern ihres Studiums mit der Biologie Bekanntschaft machen (müssen) und im 1. Staatsexamen dazu geprüft. Prüfungsinhalte sind – wie auch in der geplanten Novellierung der Ärztlichen Approbationsordnung (Einführung geplant für Herbst 2027) vorgesehen und im Nationalen Kompetenzbasierten Lernzielkatalog Medizin (NKLM) hinterlegt – Verknüpfungen des biomedizinischen Grundlagenwissens mit klinischen Inhalten (Trennung von Vorklinik und Klinik soll aufgehoben werden, longitudinales Studium). Daher finden sich immer wieder klinische Hinweise im Buch. Ausgehend von einer sehr heterogenen Gruppe mit ebenso heterogenen Vorkenntnissen über die in diesem Buch behandelten Kapitel zur Zellbiologie, Genetik, Mikrobiologie und Parasitologie kann und will dieses Buch nicht allumfassend gestaltet sein, sondern legt den Schwerpunkt vor allen Dingen auf die Grundlagen und Kernthemen, aber immer – wenn auch nicht umfassend möglich – mit einem Blick auf die medizinisch relevanten Sachverhalte sowie die Anforderungen, die im aktuell gültigen Gegenstandskatalog für das Studium der Humanmedizin hinterlegt sind. Aber auch vor dem Hintergrund der geplanten neuen Approbationsordnung und einem überarbeiteten Gegenstandskatalog für Medizin sind einige mögliche Inhalte bereits integriert. Ein Hinweis sei dennoch erlaubt: Die Grundlagen bleiben meist konstant, aber kaum ein anderes Fach verändert sich so schnell durch täglichen Erkenntnis- und Wissensgewinn wie die Biologie.

Zielpublikum sind außer den oben genannten Lernenden alle Neugierigen, Interessierten und Wissbegierigen, die ein Grundverständnis in Biologie, aber kein tiefes biomedizinisches Vorwissen mitbringen sollten, wenn Sie sich auf dieses Buch einlassen möchten. Seien Sie einfach nur neugierig und lassen Sie sich nicht täuschen: Nach einem eher gemächlichen oder ruhigen Einstieg heißt es »Bitte anschnallen und das Rauchen einstellen« – der Zug nimmt Fahrt auf!

Es ist naheliegend und unumgänglich, dass Fachbegriffe eingesetzt werden. Aber diese werden bei der ersten Verwendung erklärt. Um Inhalte besonders hervorzuheben, finden Sie diese im Fettdruck oder kursiv gedruckt.

Unstrittig ist auch, dass den geneigten Lesenden auch ein gesundes Maß an Konzentration (und anfangs auch Frustrationstoleranz) hilfreich zur Seite stehen kann, um tiefer in die Materie einzutauchen.

Erleichtert wird der Zugang zu den teilweise sehr komplexen Inhalten durch Bilder und/oder teils aufwendige, teils simple grafische Darstellungen, sodass es in diesem Buch viele Abbildungen gibt.

Schlussendlich hoffe ich natürlich, dass durch dieses Buch ein nachhaltiges Interesse an biomedizinischen Fragestellungen geweckt werden kann.

Törichte Annahmen über den Leser

Warum haben Sie dieses Buch zur Hand genommen? Mit einer einigermaßen hohen Trefferquote (Irrtümer nicht ausgeschlossen) geht der Buchautor davon aus, dass Sie

Studierende der Medizin und/oder Zahnmedizin oder eines anderen lebenswissenschaftlichen Fachs sind

Neugierde Sie antreibt und Sie ein Interesse an biomedizinischen Fragestellungen mitbringen

Wissen erwerben wollen, das Sie unter Umständen in Ihrem Studium (Biologie braucht man immer …) oder auch für die Schule anwenden können

vor einer Klausur oder einer mündlichen Prüfung den Stoff noch einmal schnell wiederholen wollen

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Gegliedert in fünf Teile mit einer in Anlehnung an den Gegenstandskatalog vorgegebenen Asymmetrie in Seitenzahl und Gewichtung können Sie anhand der folgenden Kurzbeschreibung (oder auch mit dem Inhaltsverzeichnis) Ihre persönliche Studien- und Lernstrategie festlegen.

Teil I – Biologie der Zelle

In diesem Teil finden Sie nach einem kurzen Rückblick in die Historie eine umfangreiche Reiseroute in das Innere der Zelle und erfahren teilweise spezielle Details über ihren Aufbau und ihre Funktion und ihre Einrichtungen wie die Plasmamembran oder die Organellen. Es empfiehlt sich, mit der Lektüre dieses Abschnitts zu beginnen, da Sie die nachfolgenden Teile dann vermutlich besser verstehen werden.

Teil II – Genetik

In Teil II erfolgt eine ausführliche Beschäftigung mit den Grundlagen der Genetik. Sie erfahren etwas über die Mendel-Gesetze, lernen, die Grundlagen der Bewertung der Pathogenität von somatischen und die Keimbahn betreffenden genetischen Varianten zu benennen, Stammbäume zu erstellen und zu interpretieren und bei der Interpretation humangenetischer Befunde anzuwenden.

Teil III – Mikrobiologie

Dieser Teil handelt von Bakterien, Viren und Pilzen. Diese Mikroorganismen werden zunächst allgemein in den jeweiligen Kapiteln mit ihren biologischen Charakteristika vorgestellt, um nachfolgend die Erreger und von ihnen ausgelöste Infektionskrankheiten abzuhandeln. Außerdem erfahren Sie auch etwas über Nachweismethoden, um den Erreger zu identifizieren. Beachten Sie aber bitte, dass dieser Teil – wie die anderen Teile auch – kein spezielleres Lehrbuch zum Thema ersetzen kann.

Teil IV – Parasitologie

Dieser Abschnitt wurde bewusst aus dem Teil III herausgetrennt, um ihm mehr Raum aufgrund der zunehmenden medizinischen Bedeutung zu geben. Üblicherweise wird die Parasitologie in der Medizinischen Mikrobiologie zu finden sein, fristet dort aber eher ein Stiefmütterchen-Dasein. Außerdem verbindet dieser Teil wie kaum ein anderer Inhalt dieses Buches die Biologie (der Parasiten) mit medizinisch relevanten Sachverhalten – den durch Parasiten verursachten Erkrankungen des Menschen. Nach einer allgemeinen Einführung in die Parasitologie werden Ihnen die wichtigsten humanparasitologischen Vertreter – basierend auf ihrer Einordnung in die zoologische Systematik beginnend mit den einzelligen Erregern – in ihren Entwicklungszyklen und den durch sie verursachten Erkrankungen vorgestellt. Ergänzend finden Sie Tipps zur (teilweise simplen) Diagnostik und zur Therapie. (Bitte beachten: Diese kann sich eventuell sehr schnell ändern!)

Nicht unerwähnt sollte bleiben, dass diesem Teil auch durch die Spezialinteressen (man kann es auch Hobby nennen) und dem Berufsweg des Autors eine zusätzliche Bedeutung beigemessen wird.

Teil V – Der Top-Ten-Teil

Traditionell bildet dieser Teil den Schluss der Reihe. Hier finden Sie – rein subjektiv durch den Autor vorgegeben – ausgewählte oder faszinierende Themen der Biologie, die vielleicht eine Motivation liefern, sich über die in diesem Buch erwähnten Inhalte hinaus mit dem höchst abwechslungsreichen Stoff zu beschäftigen.

Konventionen in diesem Buch

Die Inhalte der Vorlesung oder auch des Praktikums »Biologie für Mediziner« variieren von Universität zu Universität und von Lehrperson zu Lehrperson. Der rote Faden in diesem Buch bildet daher weitestgehend die Themenabfolge im Gegenstandskatalog ab, ohne diesen sklavisch zu kopieren. Die eingesetzten Symbole helfen Ihnen, Wichtiges zügig zu erkennen, oder rufen Ihnen Kernaussagen in Erinnerung.

Aber bitte vergessen Sie nicht: Teilgebiete der Biologie haben sich in den letzten Jahren so rapide fortentwickelt, spezialisiert und eigene Studiengänge hervorgebracht (unter anderem Molekularbiologie, Biochemie, Zellbiologie, Molekulare Medizin), dass es deutlich mehr in die Tiefe gehende Fachlehrbücher zu diesen Themen gibt.

Symbole, die in diesem Buch verwendet werden

Wenn Sie schon einmal mit einem Buch der … für Dummies-Reihe in Berührung gekommen sind, werden Ihnen einige Symbole bekannt sein. Für Neulinge (aber nicht nur diese) folgt hier eine Erklärung dazu:

Hier finden Sie Erläuterungen/Ergänzungen zu vorab genannten Inhalten.

Dieses Symbol weist auf zentrale Kernaussagen hin, die man sich merken sollte.

Dieses Symbol kündigt Hintergrundinformationen zum Vertiefen eines Sachverhalts an.

Dieses Symbol weist auf einen potenziell lebensgefährlichen Aspekt hin. Unbedingt beachten!

Dieses Symbol steht bei kurzen, knappen Lernhilfen.

Hier finden Sie Historisches (und manchmal Amüsantes) zu ausgewählten Inhalten des Kapitels.

Hier geht es um Verwechslungsmöglichkeiten oder speziellere, wichtige Sachverhalte

Bei diesem Symbol finden Sie die Erklärung eines Begriffs in knapper Form.

Danke

An alle Lektorinnen, die mit wertvollen Hinweisen und Korrekturen an diesem Buch mitgearbeitet haben: Katharina Hemschemeier und Petra Heubach-Erdmann.

An Frau Irina Nünning aus dem Anatomischen Institut der CAU zu Kiel, die einige der Graphiken erstellt hat.

An Herrn Marcel Ferner von Wiley-VCH, der die Erstellung dieses Buches in allen Phasen begleitet, Tipps und Tricks vermittelt und viel Geduld bewiesen hat.

An Frau Prof. Dr. Renate Lüllmann-Rauch(†) für die Erlaubnis zur Nutzung der elektronenmikroskopischen Aufnahmen aus ihrem schier unermeßlichen Fundus.

Teil I

Biologie der Zelle

IN DIESEM TEIL …

Exkursion in die VergangenheitDer Begriff der ZelltheorieWichtige Meilensteinen der Zellforschung.Grundlegende Unterschiede zwischen pro- und eukaryotischen Zellen kennenStruktur und Funktion der eukaryotischen ZelleKommunikationsmöglichkeiten von ZellenDie Zellvermehrung und der unausweichliche Zelltod

Kapitel 2

Expedition in den Mikrokosmos »Zelle«

IN DIESEM KAPITEL

Plasmamembran: Barriere zur AußenweltMolekültransport durch die PlasmamembranMembranproteine: Pumpen, Rezeptoren, Kanäle, Carrier und mehrIntrazelluläre Kompartimentierung

Wenn Sie dieses Kapitel durcharbeiten, können Sie faszinierende Einblicke in den Mikrokosmos Zelle gewinnen und sind gut gerüstet für wichtige Fragen, die Ihnen – zu welcher Gelegenheit auch immer – gestellt werden können. Machen Sie sich aber trotzdem klar, dass unser Wissen nur den letzten – kaum aber den endgültigen – Stand erfassen kann.

Bleib mir vom Leibe – Die Zell- oder Plasmamembran

Die Zellmembran, auch Plasmamembran oder Zellplasmalemma genannt, ist eine lebenswichtige strukturelle Komponente jeder Zelle. Sie grenzt das Zytoplasma zum Extrazellularraum (der »Außenwelt« der Zelle) hin ab und erlaubt aufgrund ihres Aufbaus einen streng geregelten, selektiven Stoffaustausch. Außer der Regulation des Stoffaustauschs zwischen der Zelle und ihrer Außenwelt sind intrazelluläre Membranen an der Abgrenzung verschiedener intrazellulärer Reaktionsräume – den Zellorganellen – beteiligt. Die Plasmamembran passt sich sehr gut jeder Formveränderung der Zelle an und ist eine hochkomplexe, dynamische Struktur (Flüssig-Mosaik- oder Singer-Nicolson-Modell). Die Integrität der Plasmamembran ist essenziell für das Überleben einer Zelle. Somit hat sie viel mehr Aufgaben als nur die der Abgrenzung zur Außenwelt – sie reguliert praktisch alle Wechselbeziehungen zwischen einer Zelle und ihren Nachbarn sowie der zellulären Umgebung. Ermöglicht wird das durch die einzigartige Bauweise aus Phospholipiden, Cholesterin, Glykolipiden und Proteinen.

Grundstruktur der Zellmembran

Die Grundstruktur einer Zellmembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht, deren Hauptanteile Phospholipide sind. Lipidmoleküle machen etwa 50 Prozent der tierischen Zellmembranen aus; der Rest besteht fast ausschließlich aus Proteinen. Phospholipide zeigen folgenden Aufbau: Das hydrophile (wasserliebende) Köpfchen besteht aus einer negativ geladenen Phosphatgruppe (Phosphorsäure- Gruppe) und Cholin, an das zwei hydrophobe (wasserabweisende) Fettsäureketten/- reste verknüpft sind (Abbildung 2.1). Solche Moleküle werden amphiphil (»doppelliebend«) genannt. In wässrigem Milieu lagern sich die Phospholipide spontan zu einem Film zusammen, der Lipiddoppelschicht. Die hydrophoben Fettsäurereste sind im Inneren der Phospholipid-Doppelschicht zu finden, während die hydrophilen Phosphatköpfchen zur wässrigen Umgebung (Extrazellularraum und/oder Zytoplasma) gewandt sind.

Abbildung 2.1 Aufbau der Plasmamembran (zvitaliy79 - stock.adobe.com)

Die Dicke der Phospholipid-Doppelschicht lässt sich mittels der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) bestimmen und beträgt ca. 5 bis 10 nm (Abbildung 2.2).

Abbildung 2.2: Elektronenmikroskopische Aufnahme der Plasmamembran mit deutlich sichtbarer Lipiddoppelschicht (innere, helle Schicht: hydrophile Anteile, äußere, dunkel gefärbte Schichten: hydrophile Bereiche, Aufnahme: R. Lüllmann-Rauch, Kiel)

Detailstruktur der Zellmembran

Die Plasmamembran besitzt einen asymmetrischen Aufbau: Die dem Zellinneren (Zytosol) oder Zellorganell zugewandte Oberfläche unterscheidet sich stark von der nach außen (extrazellulär) orientierten Seite. Hier findet man mit Zuckermolekülen aufgebaute Seitenketten an Proteinen, die dann entsprechend als Glykoproteine bezeichnet werden. Auch findet man hier einige zuckerhaltige Lipidmoleküle, die sogenannten Glykolipide. Manche Glykolipide spielen eine Rolle als Eintrittspforten oder Erkennungsstrukturen für bakterielle Toxine (zum Beispiel das Choleratoxin) oder Viren. Da die meisten Plasmamembranproteine zur Außenseite hin glykolisiert sind, bildet sich eine filzartige Schutzschicht gegen mechanische oder chemische Schäden an der Außenseite der Zelle, die als Glykokalix (= Zuckermantel) bezeichnet wird (Abbildung 2.3).

Abbildung 2.3 Asymmetrischer Aufbau der Plasmamembran mit außen liegender Glykokalix (Glykoproteine, Glykolipide) (Quelle: designua - stock.adobe.com)

Die Glykokalix ist art- und zellspezifisch in ihrer Zusammensetzung und spielt auch eine wichtige Rolle in der Zelladhäsion sowie der Zell-Zell-Erkennung (zum Beispiel Blutgruppenantigene). Außerdem sorgt sie aufgrund zahlreicher anionischer Reste für eine negative Ladung der Zelloberfläche.

Zu den wichtigen Glykoproteinen gehören die Lektine, die bei verschiedenen biologischen Prozessen eine Rolle spielen, darunter Zell-Zell-Erkennung, Immunantworten und Entzündungsreaktionen.

Die Asymmetrie der Membran ist insbesondere wichtig für die Signalübertragung von außen in das Zellinnere, in dem dann Bindungsstellen an der Membraninnenseite für zytosolische (Signal-)Proteine dafür sorgen, dass die Signale in das Zellinnere weitergeleitet werden. Dazu erfahren Sie später mehr.

Aus dem oben geschilderten Grundbauplan kann man auf einige wichtige Eigenschaften der Plasmamembran schließen:

Durch die Lipidfilm-Struktur ergibt sich die hohe Flexibilität der Membran, da sich Moleküle darin seitlich frei bewegen können (laterale Diffusion, Fluidität der Biomembran). Diese Fähigkeit ist temperaturabhängig. Wenn Fette zu sehr abkühlen (denken Sie nur an kalte Butter!), erstarren die Ketten zu einer festen Struktur, sodass die Membran ihre Aufgaben nicht mehr erfüllen kann. Die sogenannte Umwandlungstemperatur ist aber innerhalb der verschiedenen Membranlipide variabel (es sind schätzungsweise 500 bis 2000 unterschiedliche Lipide), wodurch Zellen – bedingt durch die Fettsäurezusammensetzung der Membranlipide – an sehr unterschiedliche Temperaturbereiche in ihrer Umgebung spezifisch angepasst sind.Zusätzlich in die Membran eingelagerte Substanzen beeinflussen darüber hinaus die Flüssigkeitseigenschaft (Fluidität) der Membran. Bei Eukaryoten ist vor allem das Cholesterin, das zwischen den Phospholipiden steckt, als Schlüsselsubstanz der Plasmamembran zu betrachten. Cholesterin dient im Zellstoffwechsel als Ausgangspunkt für die Biosynthese der Steroidhormone, aber das Hauptvorkommen liegt in den Biomembranen. Es festigt über chemische Wechselwirkung die Packung der Phospholipide. Bei eher niedrigen Temperaturen erhöht das Cholesterin die Membranfluidität, bei höheren Temperaturen wird die Fluidität der Membran reduziert.Auch die Fähigkeit zum Selbstverschluss