Springer-Lehrbuch Werner Buselmaier Biologie für Mediziner 11., völlig neubearbeitete Auflage Mit 203 Abbildungen und 106 Übersichten 123 Professor Dr. Werner Buselmaier Universität Heidelberg Institut für Humangenetik Im Neuenheimer Feld 366 69120 Heidelberg ISBN-13 978-3-642-00451-3 Springer Medizin Verlag Heidelberg 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. Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen, der Funksendung, der Mikroverfil- mung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. 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Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne beson- dere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz- gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürfen. Planung: Christine Trotta, Heidelberg Projektmanagement: Rose-Marie Doyon, Heidelberg Umschlaggestaltung & Design: deblik Berlin Titelbild: Elektronenmikroskopische Aufnahme humaner Papillom-Viren (mit freundlicher Genehmigung von H. Zentgraf, Deutsches Krebsforschungszentrum Heidelberg) Satz und Digitalisierung der Abbildungen: Fotosatz-Service Köhler GmbH – Reinhold Schöberl, Würzburg SPIN: 12268887 Gedruckt auf säurefreiem Papier. 15/2117 – 5 4 3 2 1 0 V Vorwort zur elften Auflage Der »Begleittext zum Gegenstandskatalog für das Fach Biologie für Mediziner« fand bereits 1974 guten Anklang bei den Studenten der Humanmedizin, also kurz nach der grundlegenden Revi- sion des Medizinstudiums in Deutschland, der damit verbundenen Gründung des Instituts für medizinische und pharmazeutische Prüfungsfragen und der Einführung von Gegenstandskata- logen. Fünfunddreißig Jahre danach liegt nun die 11. Auflage vor. Dabei war das Anliegen des Autors schon seit der 1. Auflage eine enge Orientierung an das im Gegenstandskatalog geforder- te Wissen, ein Konzept, das sich durch ca. 150.000 verkaufte Bücher in 10 Auflagen bewährte. Diese Intension wurde ebenso wie die einer kurz gefassten Lernhilfe auch in der aktuellen Auf- lage beibehalten. In den letzten dreißig Jahren (also nach der Erstauflage und während der Folgeauflagen), fand in der Biomedizin eine bisher in den Naturwissenschaften und ihren Anwendungsgebieten nie dagewesene, geradezu als revolutionär zu bezeichnende Expansion unseres Wissens statt, und dieser Prozess gewinnt immer noch an Fahrt. Ein bisheriger Höhepunkt stellt die komplette Sequenzierung des Humangenoms und der Genome vieler anderer Organismen dar. Genetische Methoden erwiesen sich bei der Ursachenforschung von Krankheiten als außerordentlich erfolg- reich, wie die Aufklärung mehrerer tausend monogen erblicher Erkrankungen eindrucksvoll zeigt. Gentechnische Methoden erlauben die Herstellung von Pharmaka, die so vorher gar nicht synthetisiert werden konnten oder aufwändig aus biologischem Material gewonnen werden mussten, und sie eröffnen nie dagewesene Möglichkeiten bei der Herstellung von Impfstoffen. Man hat begonnen, die molekularen Ursachen von genetisch komplexen Krankheiten zu ent- schlüsseln, und ist dabei, ein Profil ursächlicher Genotypen zu erarbeiten. Dies hat, wie bereits diese wenigen Beispiele zeigen, die Humanmedizin in ihren Möglich- keiten der Grundlagenforschung, aber auch in Diagnostik und Therapie grundlegend verändert. Damit verbunden ist aber auch eine immer wiederkehrende gesellschaftlich politische Diskus- sion um das, was wir künftig tun können, aber auch was wir tun sollten und dürfen. Aktuelle Beispiele hierfür sind die Stammzellenforschung, die Präimplantationsdiagnostik und die teil- weise zu pervertieren drohenden Konsequenzen, die sich aus den Möglichkeiten des animal cloning ergeben. Die Gesellschaft als Ganzes und in einer überstaatlichen Betrachtungsweise ist hier gefordert, bereits jetzt ethische Antworten auf zukünftige Möglichkeiten zu geben, deren Konsequenzen wir kaum oder nur ansatzweise überblicken. Umso wichtiger ist aber gerade für Studentinnen und Studenten der Medizin, möglichst früh die Grundlagen dieser modernen biologischen Entwicklung und ihre neuen Technologien ken- nen zu lernen. Insofern sieht sich dieser Text auch als Einführung, die, weit über die Vermittlung von Prüfungswissen hinaus, Grundlagen schaffen soll zum Verständnis von Fragen, die uns alle betreffen. In der aktuellen Auflage wurden daher, der Geschwindigkeit der Entwicklung Rech- nung tragend und über den Gegenstandskatalog hinausgehend, moderne Forschungsergebnisse eingearbeitet, die unser Grundlagenwissen entscheidend vertiefen und sozusagen aus dem Labor direkt in Lehrbuchwissen eingegangen sind. Da unsere digitalisierte Welt auch unsere didaktischen Bedürfnisse beeinflusst, wurden bei der Vermittlung des Stoffes natürlich moderne Gesichtspunkte der Lernerleichterung berück- sichtigt, u. a. auch durch eine neue Gliederung und die Einführung von »In Kürze-Boxen« nach jedem Kapitel. Des Weiteren wurden viele Abbildungen modernisiert und ergänzt sowie das Glossar erweitert. Neu ist auch unter www.lehrbuch-medizin.de eine eigene Webseite zum Buch. VI Vorwort Beibehalten wurde die Konzeption, den Text nicht unnötig mit sowieso kaum noch überschau- barem Datenmaterial zu überfrachten, mit dem Ziel, die Balance zwischen notwendiger moderner Wissensvermittlung und Reduktion auf das Wesentliche zu halten. Ich wünsche mir, dass die elfte Auflage ähnlich gute Aufnahme findet wie die vorhergegangenen, die nun einer Generation von Medizinstudenten das biologische Grundwissen angeboten haben und weite Verbreitung fanden. Gleichzeitig erhoffen sich Autor und Verlag auch für diese Auflage Hinweise, Empfehlungen und kritische Beurteilung des Textes von studentischer Seite und von Seiten der Fachkollegen. Beide haben bisher wesentlich zur Gestaltung der Neuauflagen beigetra- gen. Ausdrücklich bedanken möchte ich mich für die zahlreichen freundlichen, ja teilweise herz- lichen Schreiben und Emails, die ich in den vergangenen Jahren von den Benutzern erhalten habe. Herzlich danken möchte ich Herrn Prof. Dr. med. Dr. h.c. mult. Harald zur Hausen, Herrn Prof. Dr. Lutz Gissmann und Herrn Prof. Dr. Hanswalter Zentgraf sowie der Abteilung für Presse und Öffentlichkeitsarbeit des Deutschen Krebsforschungszentrums Heidelberg für ihre Unterstüt- zung bei der Darstellung des medizinischen Durchbruchs bei humanen Papillom-Viren. Mein besonderer Dank gilt auch dem Verlag mit Frau Rose-Marie Doyon und Frau Christine Trotta im Lektorat. Ohne eine enge Zusammenarbeit mit dem Verlag wäre das vorliegende Konzept über die verschiedenen Auflagen nicht zu verwirklichen gewesen. Hervorheben möchte ich besonders die Unterstützung und Hilfe auf allen Ebenen der Manuskripterstellung sowie die Übernahme der mühevollen Schreibarbeiten durch meine Frau Sigrid Göhner-Buselmaier und mich an dieser Stelle hierfür bei ihr herzlich bedanken. Heidelberg im Sommer 2009 Werner Buselmaier VII Der Autor geboren 1946, studierte Biologie in Heidelberg. Nach der Promotion Tätigkeit als Wissenschaftler, Heisenberg-Stipendiat, verschiedene Wissenschafts- preise und öffentliche Ehrungen. Habilitation 1978 und 1981 Ernennung zum Univer- sitätsprofessor für allgemeine Humangenetik und Anthropologie in Heidelberg. 2001 Berufung zum Visiting Professor für Human- biologie und Genetik der Universität Mostar. Leitete u.a. Projekte zur Modernisierung der Medizinischen Fakultäten in der Nachkriegssituation Bosnien Her- zegowinas und zur Verbesserung der medizinischen Versorgung in der Südtürkei. Er ist Autor zahlreicher wissenschaftlicher Publika- tionen und mehrerer bekannter Lehrbücher aus den Bereichen Biologie und Humangenetik. Werner Buselmaier Biologie für Mediziner Merke: Das Wichtigste auf den Punkt gebracht Einleitung: Worum geht es in diesem Kapitel? Inhaltliche Struktur: Klare Gliederung durch alle Kapitel Klinik-Boxen: Biologische Grund- lagen am klinischen Beispiel Leitsystem: Schneller Überblick über die Kapitel und den Anhang. Wo finde ich was? Über 200 Abbildungen: Exkurs: Interessante Zusatzinfos Veranschaulichen komplizierte und zu ausgewählten Themen komplexe Sachverhalte Navigation: Seitenzahl und Kapitelnummer für die schnelle Orientierung Übersichten: Die wichtigsten Fakten zum schnellen Lernen In Kürze: Das Kapitel kurz zusammengefasst zum schnellen Wieder- holen Schlüsselbegriffe: Fett hervorgehoben, was besonders wich- tig ist Verweise auf Abbildungen und Übersichten: Deutlich herausgestellt und leicht zu finden Sagen Sie uns Ihre Meinung! ⇒ www.lehrbuch-medizin.de XI Inhaltsverzeichnis 3 Zellkommunikation und I Allgemeine Zellbiologie, Signaltransduktion . . . . . . . . . . . . 52 Zellteilung und Zelltod 3.1 Allgemeine Prinzipien . . . . . . . . . . . 52 3.1.1 Formen der Signalübertragung . . . . . . 52 1 Zellbegriff und Zelltypen . . . . . . . . 3 3.1.2 Signalverstärkung . . . . . . . . . . . . . . 52 1.1 Die Zelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.2 Signalmoleküle . . . . . . . . . . . . . . . 53 1.2 Zelltypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.2.1 Hormone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 1.2.1 Protozyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.2.2 Stickstoffmonoxid . . . . . . . . . . . . . . 53 1.2.2 Euzyten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 3.3 Signalrezeptoren . . . . . . . . . . . . . . 54 1.3 Endosymbiontentheorie . . . . . . . . . . 6 3.3.1 Ionenkanalgekoppelte Rezeptoren . . . 54 3.3.2 G-Proteingekoppelte Rezeptoren . . . . . 55 2 Zelluläre Strukturelemente . . . . . . . 9 3.3.3 Enzymgekoppelte Rezeptoren . . . . . . 55 2.1 Plasmamembran . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.1 Funktion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 4 Zellzyklus und Zellteilung . . . . . . . 57 2.1.2 Aufbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 4.1 Intermitosezyklus . . . . . . . . . . . . . . 57 2.1.3 Biosynthese von Membranbestandteilen 12 4.1.1 G -Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 1 2.1.4 Stofftransport durch die Zellmembran . 13 4.1.2 S-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2.1.5 Glykokalix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 4.1.3 G -Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 2 2.1.6 Zellverbindungen . . . . . . . . . . . . . . 17 4.1.4 G -Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 0 2.2 Zellkern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.1.5 Kontrollmechanismen im Zellzyklus . . . 59 2.2.1 Kerngestalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 4.2 Mitose und ihre Stadien . . . . . . . . . . 61 2.2.2 Kernanzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.2.1 Prophase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.2.3 Kernbestandteile . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.2.2 Prometaphase . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 2.2.4 Transkription und Replikation 4.2.3 Metaphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 im Lichtmikroskop . . . . . . . . . . . . . . 24 4.2.4 Anaphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 2.3 Zytoplasma und Zytosol . . . . . . . . . . 25 4.2.5 Telophase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.4 Ribosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.2.6 Zytokinese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.4.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 4.2.7 Mitoseindex . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 2.4.2 Funktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2.8 Chromosomenanalyse . . . . . . . . . . . 64 2.5 Endoplasmatisches Retikulum . . . . . . 27 4.2.9 Zytostatika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.5.1 Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.3 Amitotische Veränderung des 2.5.2 Formen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 Chromosomensatzes . . . . . . . . . . . . 66 2.6 Golgi-Apparat . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.3.1 Endomitose . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.6.1 Cis-trans-Golgi-Netzwerk . . . . . . . . . . 30 4.3.2 Zellfusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.6.2 Membranvermittelte Transportvorgänge 32 4.3.3 Amitose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 2.7 Lysosomen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4.4 Regeneration und funktionelle 2.7.1 Intrazelluläre Verdauung . . . . . . . . . . 36 Veränderungen . . . . . . . . . . . . . . . . 67 2.8 Peroxisomen . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.4.1 Vermehrung von Stammzellen . . . . . . 67 2.9 Mitochondrien . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4.4.2 Adaption von Zellen . . . . . . . . . . . . . 68 2.9.1 Aufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.10 Zytoskelett . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 5 Meiose (Keimzellbildung) . . . . . . . . 70 2.10.1 Mikrotubuli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 5.1 Entwicklung der Geschlechtszellen . . 70 2.10.2 Intermediärfilamente . . . . . . . . . . . . 44 5.2 Ablauf der Meiose . . . . . . . . . . . . . . 70 2.10.3 Aktinfilamentsystem . . . . . . . . . . . . . 45 5.2.1 S-Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70