Grundlagen der Physiologie und Grundlagen der Bioinformatik - Cheatsheet

Signaltransduktion und Zellkommunikation

Definition:

Signalübertragung innerhalb und zwischen Zellen, reguliert zelluläre Aktivitäten und Koordination.

Details:

• Signaltransduktion: Übertragung eines externen Signals durch die Zellmembran zur Auslösung einer spezifischen Antwort.
• Zellkommunikation: Prozess, bei dem Zellen Informationen austauschen, um koordinierte Reaktionen zu ermöglichen.
• Wichtige Komponenten: Rezeptoren, Sekundärbotenstoffe (z.B. cAMP, Ca\textsuperscript{2+}), Kinasen, Phosphatasen.
• Signalwege: G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR), Tyrosin-Kinasen, MAPK-Kaskaden, Jak-STAT-Pfade.
• Beispiel GPCR Signalweg: Ligand bindet an Rezeptor → Konformationsänderung → G-Protein-Aktivierung → Effektoraktivierung (z.B. Adenylatcyclase) → cAMP-Produktion → PKA-Aktivierung → Zellantwort.
• Signalverstärkung: Ein einzelnes Signal kann viele Moleküle in der Zelle beeinflussen, was zu einer verstärkten Antwort führt.
• Kreuzsprech: Interaktionen zwischen verschiedenen Signalwegen ermöglichen integrierte zelluläre Reaktionen.

Homöostase und Rückkopplungsschleifen

Definition:

Homöostase: Zustand des dynamischen Gleichgewichts im Körper. Rückkopplungsschleifen: Mechanismen, die Homöostase regulieren.

Details:

• Homöostase: Aufrechterhaltung eines stabilen inneren Milieus trotz äußerer Veränderungen.
• Regulierung durch negative Rückkopplung: Mechanismus, der Abweichungen vom Sollwert entgegenwirkt. Beispiel: Blutzuckerspiegel.
• Positive Rückkopplung: Verstärkt Abweichungen. Beispiel: Blutgerinnung.
• Wichtige Parameter: Körpertemperatur, pH-Wert, Blutdruck.
• Mathematische Beschreibung: \[\frac{dX}{dt} = k (S - X)\] (Negative Rückkopplung).

Transportmechanismen durch Zellmembranen

Definition:

Mechanismen, die den Transport von Molekülen und Ionen durch die Zellmembran regulieren.

Details:

• Passiver Transport: Diffusion, erleichterte Diffusion, Osmose
• Aktiver Transport: Primär (direkter ATP-Verbrauch), Sekundär (Kotransport)
• Endocytose: Aufnahme von Substanzen durch Einstülpung der Membran
• Exocytose: Abgabe von Substanzen durch Vesikelverschmelzung mit der Membran
• Formeln: Fick'sches Gesetz der Diffusion: \[ J = -D \frac{dC}{dx} \]
• Nernst-Gleichung: \[ E = \frac{RT}{zF} \, \ln \left( \frac{[C_{außen}]}{[C_{innen}]} \right) \]

Herz-Kreislauf-System: Funktion und Regulation

Definition:

Regulierung der Blutzirkulation zur Versorgung von Geweben mit Sauerstoff und Nährstoffen; Steuerung des Blutdrucks

Details:

• Herz als zentrale Pumpe: Systole (Kontraktion), Diastole (Entspannung)
• Blutgefäße: Arterien (O2-reich), Venen (O2-arm), Kapillaren (Stoffaustausch)
• Autonome Regulation: Sympathikus (Erhöhung Herzfrequenz), Parasympathikus (Senkung)
• Hormone: Adrenalin, Noradrenalin (Herzfrequenz und Kontraktilität)
• Blutdruckregulation durch Barorezeptoren
• Frank-Starling-Mechanismus: Anpassung an Füllungsvolumen

Neurale Plastizität und Lernmechanismen

Definition:

Neurale Plastizität ist die Fähigkeit des Gehirns, sich an neue Informationen oder Erfahrungen anzupassen. Lernmechanismen beschreiben, wie diese Anpassungsprozesse ablaufen.

Details:

• Neuronen und synaptische Verbindungen sind veränderbar.
• Langzeitpotenzierung (LTP) und Langzeitdepression (LTD) sind Schlüsselprozesse.
• Synaptische Plastizität: Stärke von Synapsen kann zunehmen (LTP) oder abnehmen (LTD).
• Hebb'sche Regel: 'Neurons that fire together, wire together.'
• Kalziumsignal spielt entscheidende Rolle bei der Signalübertragung.
• Strukturänderungen: Dendritische Dornen können sich entwickeln oder zurückbilden.
• Neurotransmitter: Glutamat zentral im Lernprozess.
• Erhöhte Kalziummenge \rightarrow LTP, niedrigere Kalziummenge \rightarrow LTD.

Molekulare Grundlagen der synaptischen Übertragung

Definition:

Molekulare Mechanismen der Signalübertragung an chemischen Synapsen.

Details:

• Axonterminale: Freisetzung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt.
• Vesikel und Exozytose: Synaptische Vesikel verschmelzen mit der präsynaptischen Membran durch Ca²⁺-abhängigen Prozess.
• Neurotransmitter-Rezeptoren: Bindung an postsynaptische Rezeptoren führt zur Öffnung oder Schließung von Ionenkanälen.
• Postsynaptische Potenziale: EPSP (exzitatorische postsynaptische Potenzial) vs. IPSP (inhibitorische postsynaptische Potenzial).
• Beendigung der Signalübertragung: Diffusion, Wiederaufnahme in präsynaptische Neuronen oder enzymatischer Abbau der Neurotransmitter (z. B. Acetylcholinesterase).
• Wichtige Moleküle: Glutamat, GABA, Dopamin, Serotonin.

Moderner Zellstoffwechsel und seine Regulation

Definition:

Moderne Erforschung des Zellstoffwechsels und dessen Regulation, essentiell für das Verständnis der zellulären Energieproduktion und Stoffwechselwege.

Details:

• Zentrale Metabolite: ATP, NADH, FADH₂
• Zelluläre Atmung: Glykolyse, Citratzyklus, oxidative Phosphorylierung
• Schlüsselenzyme: Hexokinase, Phosphofruktokinase, Pyruvatkinase, Isocitratdehydrogenase
• Regulationsmechanismen: allosterische Regulation, kovalente Modifikation, Genexpression
• Signalwege: Insulin- und Glucagon-Signalübertragung
• Metabolische Netzwerke: Integration und Koordination der Metabolismpfade
• Störungen: Diabetes, Krebs, mitochondriale Erkrankungen

Techniken der physiologischen und bioinformatischen Forschung

Definition:

Methoden zur Erfassung und Analyse biologischer Daten sowie zur Untersuchung physiologischer Prozesse; kombinieren experimentelle und computergestützte Ansätze

Details:

• Elektrophysiologie: Messung elektrischer Aktivitäten in Zellen/Geweben
• Genomsequenzierung: Bestimmung der DNA-Sequenz von Organismen
• Proteomik: Untersuchung von Proteinen und deren Funktionen
• Bildgebungstechniken: z.B. MRI, CT zur Visualisierung innerer Strukturen
• Computational Modeling: Simulation biologischer Systeme
• Bioinformatik-Werkzeuge: z.B. BLAST, für Sequenzanalyse
• Statistische Methoden: z.B. p-Wert-Berechnung in experimentellen Daten