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Das nachfolgende E-Book wurden aus Skripten und Mitschriften mehrerer Vorlesungen der Ausbildungen zum Staatlich geprüften Technischen Assistenten für naturkundliche Museen und Forschungsinstitute am renommierten Forschungs-Institut Senckenberg und zum Staatlich geprüften biologisch-technischen Assistenten an der Landesgewerbeanstalt Nürnberg (TÜV Rheinland) erstellt und soll im Laufe meines Biologie-Studiums um weitere Kapitel vervollständigt werden. Es erhebt daher keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder Richtigkeit, sollte jedoch jedem Interessenten einen guten Einblick in den Umfang der Biologie und die in den (ersten) Studiensemestern vermittelten Themen geben.

Die Inhalte des E-Books stehen zur Lehre zur freien Verfügung, dürfen jedoch nicht kommerziell genutzt werden. Alle Rechte liegen bei Daniel Schütz, ggf. bei Dozenten, deren Vorlesungsmaterialien zur Verfügung gestellt wurden. Eine druckerfreundliche Version des E-Books wird in Zukunft zur Verfügung gestellt werden.

Inhaltsverzeichnis

• I. Einführung
  • 1.0 Definitionen der Biologie
  • 2.0 Aufgabengebiete der Biologie
  • 3.0 Gliederung des vorliegenden E-Books

• II. Molekularbiologie
  • 1.0 Grundlagen
    • 1.1 Materie, Elemente und subatomare Teilchen
    • 1.2 Atommodell
    • 1.3 Chemische Bindungen
      • 1.3.1 Die Ionenbindung
      • 1.3.2 Atom- oder Elektronenpaarbindung
        • 1.3.2.1 Unpolare Atombindung
        • 1.3.2.2 Polare Atombindung
        • 1.3.2.3 VAN DER WAALS-Kräfte
        • 1.3.2.4 Wasserstoffbrückenbindung
          • 1.3.2.4.1 Lösung von Salzen in Wasser
      • 1.3.3 Koordinative oder dative Bindung
        • 1.3.3.1 Metallkomplexe
        • 1.3.3.2 Chelatkomplexe
    • 1.4 Energetische Grundlagen
    • 1.5 Chemisches Gleichgewicht
    • 1.6 Säuren und Basen
      • 1.6.1 Definition nach BRØNSTED (1923)
      • 1.6.2 Der pH-Wert
      • 1.6.3 Neutralisation
      • 1.6.4 Puffer
  • 2.0 Wichtige chemische Gruppen (funktionelle Gruppen)
  • 3.0 Aminosäuren (α-Aminocarbonsäuren) und Proteine
    • 3.1 Allgemeines
    • 3.2 Einteilung
    • 3.3 Wichtige nichtproteinogene Aminosäuren
    • 3.4 Reaktionsverhalten und Eigenschaften von Aminosäuren
      • 3.4.1 Ladungsverhalten von Aminosäuren in Lösung
      • 3.4.2 Stereoisomerie
    • 3.5 Quantitativer und qualitativer Nachweis von Aminosäuren
    • 3.6 Peptide
    • 3.7 Proteinklassen
    • 3.8 Struktur von Proteinen
    • 3.9 Enzyme
      • 3.9.1 Wirkungsweise von Enzymen
      • 3.9.2 Klassifizierung von Enzymen
      • 3.9.3 Voraussetzungen für eine Enzymwirkung
      • 3.9.4 Aufgaben von Vitaminen, Coenzymen und Cofaktoren bei enzymatischer Wirkung
        • 3.9.4.1 Die Pyridinnukleotide NAD(P)⁺ und NAD(P)H/H⁺
        • 3.9.4.2 Die Flavinnukleotide FAD bzw. FMN und FADH₂ und FMNH₂
        • 3.9.4.3 Coenzym A (CoA)
        • 3.9.4.4 Tetrahydrofolsäure (THF, FH₄)
        • 3.9.4.5 Pyridoxalphosphat
      • 3.9.5 Enzymkinetik
        • 3.9.5.1 Enzymkinetik nach MICHAELIS und MENTEN (1913)
        • 3.9.5.2 Enzymkinetik nach LINEWEAVER und BURK (1913)
    • 3.10 Reinigung, Charakterisierung und Lagerung von Proteinen
      • 3.10.1 Reinigung
        • 3.10.1.1 Gelausschlußchromatographie
        • 3.10.1.2 Ionenaustauschchromatographie
        • 3.10.1.3 Affinitätschromatographie
      • 3.10.2 Charakterisierung
        • 3.10.2.1 Bestimmung der vorliegenden Proteinkonzentration
          • 3.10.2.1.1 Proteinbestimmung nach BRADFORD (1913)
          • 3.10.2.1.2 Absorption im UV bei 280 nm
        • 3.10.2.2 Bestimmung der relativen Molekülmasse von Proteinen und ihren Untereinheiten
          • 3.10.2.2.1 Gelausschlußchromatographie (Gelfiltration)
          • 3.10.2.2.2 SDS-Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-PAGE)
      • 3.10.3 Konzentrierung und Einfrierung der gereinigten Proteinlösung
  • 4.0 Kohlenhydrate
    • 4.1 Monosaccharide
      • 4.1.1 Entstehung von Ringformen
      • 4.1.2 Eigenschaften der Monosaccharide
      • 4.1.3 Nachweistests für Monosaccharide
        • 4.1.3.1 FEHLINGsche Probe
        • 4.1.3.2 Silberspiegel-Probe
      • 4.1.4 Wichtige Derivate der Monosaccharide
      • 4.1.5 Glykoside
    • 4.2 Disaccharide
      • 4.2.1 Maltose (Malzzucker)
      • 4.2.2 Cellobiose
      • 4.2.3 Lactose (Milchzucker)
      • 4.2.4 Saccharose (Sucrose)
    • 4.3 Polysaccharide
      • 4.3.1 Homopolysaccharide
      • 4.3.2 Heteropolysaccharide

• III. Cytologie
  • 1.0 Einführung
  • 2.0 Prokaryonten
    • 2.1 Einführung
    • 2.2 Zellaufbau
      • 2.2.1 Zellhülle (cell envelope)
      • 2.2.2 Die bakterielle Zellwand
        • 2.2.2.1 Aufbau des Mureins
        • 2.2.2.2 GRAM-Färbung
          • 2.2.2.2.1 Übersicht wichtiger grampositiver und gramnegativer Prokaryonten
          • 2.2.2.2.2 Zellwandaufbau gramnegativer Bakterien
          • 2.2.2.2.3 Antigene gramnegativer Bakterien
          • 2.2.2.2.4 R- und S-Formen
      • 2.2.3 Bakteriengeißeln
      • 2.2.4 Pili (Fimbrien)
        • 2.2.4.1 Konjugation bei E. coli und nahe verwandten Enterobakterien
        • 2.2.4.2 Experiment der unterbrochenen Paarung (interrupted mating)
    • 2.3 Antibiotika
      • 2.3.1 Allgemeines
      • 2.3.2 Penicillin
        • 2.3.2.1 Penicillintechnik
        • 2.3.2.2 Halbsynthetische Penicilline
      • 2.3.3 Weitere wichtige Antibiotika-Produzenten
        • 2.3.3.1 Wirkung von Streptomycin und Tetracyclin
        • 2.3.3.2 Wirkung von Chloramphenicol
      • 2.3.4 Problematik der Antibiotika-Resistenz
  • 3.0 Eukaryonten
    • 3.1 Einführung
    • 3.2 Zellorganellen und -bestandteile
      • 3.2.1 Zellkern (Nucleus)
      • 3.2.2 Endoplasmatisches Reticulum (ER)
      • 3.2.3 Mitochondrien
      • 3.2.4 GOLGI-Apparat (syn. Dictyosom)
      • 3.2.5 Ribosomen
      • 3.2.6 Peroxisomen
      • 3.2.7 Cytoplasma
      • 3.2.8 Cytoskelett
      • 3.2.9 Zellmembran
      • 3.2.10 Organellen tierischer Zellen
        • 3.2.10.1 Lysosomen
        • 3.2.10.2 Besonderheiten tierischer Zellmembranen
      • 3.2.11 Organellen pflanzlicher Zellen
        • 3.2.11.1 Plastiden
        • 3.2.11.2 Vakuolen
        • 3.2.11.3 Zellwand
        • 3.2.11.4 Besonderheiten pflanzlicher Zellmembranen
  • 4.0 Prinzipielle Arten des Energiegewinns
    • 4.1 Einführung
    • 4.2 Energiestoffwechsel bei chemoorganotrophen Organismen
      • 4.2.1 Wege der Brenztraubensäurebildung
        • 4.2.1.1 Glykolyse (Fructosediphosphatweg, FDP-Weg)
        • 4.2.1.2 Pentosephosphatweg
        • 4.2.1.3 ENTNER-DOUDOROFF-Weg (Ketosedesoxyphosphogluconsäure-Weg, KDPE-Weg)
      • 4.2.2 Zweite Phase des Glucoseabbaus (oxidative Decarboxylierung und Citronensäurezyklus)
      • 4.2.3 Endoxidation (aerobe Atmungskette)
      • 4.2.4 Gärung
    • 4.3 Energiestoffwechsel bei chemolithotrophen Organismen
      • 4.3.1 Pflanzlicher Stoffwechsel
        • 4.3.1.1 Besonderheiten des pflanzlichen Kohlenhydrat-Stoffwechsels
        • 4.3.1.2 Lichtreaktion der Photosynthese
        • 4.3.1.3 Lichtunabhängige Reaktion (CALVIN-Zyklus, Dunkelreaktion)
        • 4.3.1.4 Biosynthese von Stärke in den Chloroplasten
        • 4.3.1.5 Der Glyoxylsäurezyklus
      • 4.3.2 Nitratatmung (dissimilatorische Nitratreduktion)
      • 4.3.3 Sulfatatmung (dissimilatorische Sulfatreduktion)
  • 5.0 Zelluläre Transportvorgänge
    • 5.1 Einführung
    • 5.2 Passiver Transport
      • 5.2.1 Diffusion
      • 5.2.2 Osmose
    • 5.3 Aktiver Transport
      • 5.3.1 Aktive Tunnelproteine
        • 5.3.1.1 P-Klasse-Ionenpumpen (P-class)
          • 5.3.1.1.1 Na⁺/K⁺-Ionenpumpen (Na⁺/K⁺-ATPasen)
          • 5.3.1.1.2 H⁺/K⁺-Ionenpumpen (H⁺/K⁺-ATPasen)
          • 5.3.1.1.3 Ca²⁺-Ionenpumpen (Ca²⁺-ATPasen)
        • 5.3.1.2 V-Klasse- und F-Klasse-Ionenpumpen (V-class und F-class)
        • 5.3.1.3 ABC-Transporter (ATP-binding cassettes)
      • 5.3.2 Gekoppelter Transport
    • 5.4 Endo- und Exocytose (Membranfluß)
    • 5.5 Signalhypothese
  • 6.0 Lebensbedingungen und Kultivationsfaktoren
    • 6.1 O₂-Bedingungen
    • 6.2 Temperaturbedingungen
    • 6.3 pH-Bedingungen
    • 6.4 Osmotische Bedingungen
    • 6.5 Nährstoffbedingungen
  • 7.0 Der Zellzyklus
    • 7.1 Mitose
    • 7.2 Meiose

• IV. Genetik
  • 1.0 Klassische Genetik (MENDEL-Genetik)
    • 1.1 MENDELsche Regeln
      • 1.1.1 Uniformitätsregel
      • 1.1.2 Spaltungsregel
      • 1.1.3 Unabhängigkeitsregel (Neukombinationsregel)
    • 1.2 Erweiterung der MENDELschen Regeln
  • 2.0 Molekulargenetik
    • 2.1 Aufbau und Struktur der DNA
      • 2.1.1 Primärstruktur der DNA
      • 2.1.2 Sekundärstruktur der DNA
      • 2.1.3 Tertiärstruktur der DNA
      • 2.1.4 Übergeordnete DNA-Strukturen
    • 2.2 Grundlagen und Prokaryonten-Genetik
      • 2.2.1 Ablauf der Vererbung
        • 2.2.1.1 Übersicht
        • 2.2.1.2 Transkription der DNA
        • 2.2.1.3 Regulation der Genaktivität bei Bakterien
          • 2.2.1.3.1 Negative Kontrolle am Beispiel des lac-Operons von E. coli
      • 2.2.2 Der genetische Code
      • 2.2.3 Unterschiede zwischen DNA und RNA
      • 2.2.4 Die wichtigsten RNA-Sorten der Zelle
      • 2.2.5 Die Proteinbiosynthese (Translation)
        • 2.2.5.1 Allgemeines
        • 2.2.5.2 Initiation (Start) Der Proteinsynthese
          • 2.2.5.2.1 Aufbau der Ribosomenbindestelle
          • 2.2.5.2.2 Die Start-Aminosäure Methionin
        • 2.2.5.3 Elongation (Kettenverlängerung)
        • 2.2.5.4 Termination
        • 2.2.5.5 Posttranslationale Modifikationen
      • 2.2.6 Wobble im genetischen Code
      • 2.2.7 Regulierung der Genexpression bei Bakterien
        • 2.2.7.1 Regulation der Promotorstärke
        • 2.2.7.2 Regulation über den σ-Faktor
        • 2.2.7.3 Regulation des lac-Operons über den Operator
      • 2.2.8 Mutationen bei Bakterien
        • 2.2.8.1 Auswirkung von Mutationen
        • 2.2.8.2 Mutationsarten
        • 2.2.8.3 Mögliche Ursachen für Basenaustauschmutationen
          • 2.2.8.3.1 Tautomere Basen
          • 2.2.8.3.2 Spontane Desaminierungen
          • 2.2.8.3.3 Depurinierung und Depyrimidierung
        • 2.2.8.4 Auslösung von Mutationen durch Chemikalien
          • 2.2.8.4.1 Basenanaloge Verbindungen
          • 2.2.8.4.2 Desaminierende Chemikalien
          • 2.2.8.4.3 Alkylierende Verbindungen
          • 2.2.8.4.4 Nachweis mutagener Wirkung von Chemikalien mit dem AMES-Test (1975)
        • 2.2.8.5 Mutation von Bakterien durch UV-Strahlung
        • 2.2.8.6 Reversionen (Rückmutationen)
          • 2.2.8.6.1 Reversionen durch eine zweite Mutation im selben Gen
          • 2.2.8.6.2 Reversionen durch eine zweite Mutation in einem anderen Gen
      • 2.2.9 Replikation von Bakterien-DNA
        • 2.2.9.1 Die wichtigsten Replikationsproteine und ihre Besonderheiten
        • 2.2.9.2 Möglichkeiten der unidirektionalen Replikation
        • 2.2.9.3 Möglichkeiten der bidirektionalen Replikation
      • 2.2.10 Restriktions- und Modifikationssysteme (R/M-Systeme) bei Bakterien
        • 2.2.10.1 Mögliche Ursachen bei ausbleibender Restriktion der Fremd-DNA in Bakterien
        • 2.2.10.2 R/M-Systeme bei E. coli
        • 2.2.10.3 Die Typen der Restriktionsenzyme
    • 2.3 Grundlagen der Gentechnik
      • 2.3.1 PCR (Polymerase-Kettenreaktion, polymerase chain reaction)
        • 2.3.1.1 Anwendung und Durchführung
        • 2.3.1.2 Nachweis der stark erhöhten Zahl der Fragmente mit dem gesuchten Gen
        • 2.3.1.3 Amplifikation der gesamten DNA
          • 2.3.1.3.1 Der genetische Fingerabdruck
      • 2.3.2 Grundprinzip der Genklonierung
        • 2.3.2.1 Bedeutung überstehender Enden
        • 2.3.2.2 Restriktionsanalyse mit Hilfe der Agarosegelelektrophorese
          • 2.3.2.2.1 Theorie zur Gelelektrophorese von DNA
          • 2.3.2.2.2 Auswertung
        • 2.3.2.3 Genklonierung mit E. coli
          • 2.3.2.3.1 Gewünschte Eigenschaften von Plasmidvektoren
          • 2.3.2.3.2 Eigenschaften der verwendeten Wirtszellen
          • 2.3.2.3.3 Vorgehensweise zur Selektion und Identifikation rekombinanter Kolonien
        • 2.3.2.4 Klonierung mit pUC-Plasmiden
          • 2.3.2.4.1 Test auf Lactose-Abbau
          • 2.3.2.4.2 Prinzip der Koloniefärbung bei Klonierung mit pUC-Plasmiden zur Identifizierung rekombinanter Kolonien
      • 2.3.3 Tricks in der Gentechnik
        • 2.3.3.1 Transformation - Methode zum Einschleusen gentechnisch veränderter DNA in Bakterien
          • 2.3.3.1.1 Wichtige Faktoren für erfolgreiche Transformation
          • 2.3.3.1.2 Form der aufgenommenen DNA
          • 2.3.3.1.3 Transformationsrate bei E. coli
          • 2.3.3.1.4 Suche nach dem richtigen Klon
        • 2.3.3.2 Hybridisierung mit einer Gensonde
          • 2.3.3.2.1 Prinzip der Hybridisierung
          • 2.3.3.2.2 Herstellung radioaktiv markierter Gensonden
          • 2.3.3.2.3 Nichtradioaktive DNA-Markierung (non radioactive labelling)
          • 2.3.3.2.4 Koloniehybridisierung
          • 2.3.3.2.5 Plasmidisolierung aus E. coli
        • 2.3.3.3 Southern Hybridisierung (blotting, transfer)
        • 2.3.3.4 Nachweis von Genen mit Hilfe der PCR
      • 2.3.4 DNA-Sequenzierung
        • 2.3.4.1 Kettenabbruch nach SANGER et al. (1977)
          • 2.3.4.1.1 Gewinnung von Einzelstrang und Primer
          • 2.3.4.1.2 Kettenabbruch durch Dideoxy-Nukleotide
        • 2.3.4.2 Sequencer
          • 2.3.4.2.1 Monofluorophores System
          • 2.3.4.2.2 Multifluorophores System
        • 2.3.4.3 Taq-Cycle-Sequenzierung
    • 2.4 Eukaryonten-Genetik
      • 2.4.1 Aufbau und Funktion des eukaryontischen Operons
        • 2.4.1.1 Aufbau
        • 2.4.1.2 Gene
        • 2.4.1.3 RNA-Arten und RNA-Polymerasen
        • 2.4.1.4 Struktur der eukaryontischen Transkriptionseinheit (auf der DNA)
        • 2.4.1.5 Bedeutung der Introns
        • 2.4.1.6 mRNA-Reifung (Processing) im Zellkern
        • 2.4.1.7 Genregulation der Genaktivität bei Eukaryonten
      • 2.4.2 Klonierung von Eukaryontengenen in Bakterien
  • 3.0 Populationsgenetik

• V. Systematik, Nomenklatur und Taxonomie

• VI. Zoologie
  • 1.0 Systematik der Tiere

• VII. Botanik
  • 1.0 Systematik der Pflanzen

• Abbildungsverzeichnis

• Tabellenverzeichnis

• Quellenverzeichnis