Reinhard Pharmazeutische Biologie E-Book

• Herausgeber: Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch

Veröffentlichungsjahr: 2016

Beschreibung

Die biologischen Grundlagen der Pharmazie

Der „Reinhard“ bietet als didaktisch ausgereiftes Standardwerk alles, was Studierende von einem hervorragenden Lehrbuch erwarten

• die überzeugende Kompetenz von vier Hochschullehrern
• eine vorbildliche Ausstattung
• viele überarbeitete und neue Abbildungen und Fotos

Neu: Jetzt mit den Inhalten der Humanbiologie.

Da das Werk auch benachbarte Wissensgebiete erschließt, eignet es sich ebenso als Nachschlagewerk für alle praktisch tätigen Apotheker.

Leseprobe

Dingermann / Kreis / Nieber / Rimpler / Zündorf

Reinhard Pharmazeutische Biologie

Dingermann / Kreis / Nieber / Rimpler / Zündorf

ReinhardPharmazeutische Biologie

Grundlagen und Humanbiologie

Begründet vonErnst Reinhard, Tübingen

Fortgeführt vonTheodor Dingermann, Frankfurt/MainWolfgang Kreis, ErlangenKaren Nieber, GommernHorst Rimpler, Freiburg/BreisgauIlse Zündorf, Frankfurt/Main

Mit 15 Fotos von Bettina Rahfeld, Halle/Saale

8., völlig neu bearbeitete und erweiterte Auflage

Mit 690 Abbildungen und 98 Tabellen

Zuschriften an

[email protected]

Anschrift der Autoren

Prof. Dr. Theodor Dingermann

Johann Wolfgang Goethe-UniversitätInstitut für Pharmazeutische BiologieMax-von-Laue-Str. 960438 Frankfurt

Prof. Dr. Wolfgang Kreis

Friedrich-Alexander-UniversitätLehrstuhl für Pharmazeutische BiologieStaudtstr. 591058 Erlangen

Prof. Dr. Karen Nieber (em.)

Bahnhofstr. 839245 Gommern

Prof. Dr. Horst Rimpler (em.)

Burgunder Str. 3279104 Freiburg

Dr. Ilse Zündorf

Johann Wolfgang Goethe-UniversitätInstitut für Pharmazeutische BiologieMax-von-Laue-Str. 960438 Frankfurt

Alle Angaben in diesem Buch wurden sorgfältig geprüft. Dennoch können die Autoren und der Verlag keine Gewähr für deren Richtigkeit übernehmen.

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Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet unter https://portal.dnb.de abrufbar.

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8., völlig neu bearbeitete und erweiterte Auflage

ISBN 978-3-8047-3261-2 (Print)ISBN 978-3-8047-3533-0 (E-Book, PDF)ISBN 978-3-8047-3546-0 (E-Book, EPUB)

© 2016 Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft StuttgartBirkenwaldstraße 44, 70191 Stuttgartwww.wissenschaftliche-verlagsgesellschaft.de

Printed in Germany

Satz: primustype Hurler GmbH, Notzingen Druck und Bindung: Druckerei Appl, WemdingUmschlagabbildung: Virus, Sebastian Kaulitzki/fotoliaUmschlaggestaltung: deblik, BerlinIndexer: Frauke Bahle, Karin Dembowsky, verantwortlich: Walter Greulich, Publishing and moreGrafiken: Bearbeitet von Dr. Ilse Zündorf

Vorwort

Die 8. Auflage des „Reinhard“ präsentiert sich zum einen im bewährten Format. Darüber hinaus enthält diese Auflage aber auch ganz neue und wichtige Inhalte.

Die auffälligste Neuerung ist der neue große Abschnitt „Humanbiologie“, der von Frau Prof. Karen Nieber geschrieben wurde. Im Vorwort zur letzten Auflage hatten wir noch versucht, das Fehlen dieses Kapitels zu rechtfertigen. Wir hatten aber auch angekündigt, dass sich unsere damalige Einschätzung bei der Vorbereitung zu einer neuen Auflage sehr wohl ändern könnte. Denn bei allen Rechtfertigungsversuchen zum Fehlen dieses großen Kapitels mussten wir dann doch selbstkritisch feststellen, dass der „Reinhard“ ohne ein Kapitel zur Humanbiologie seinem ursprünglichen Anspruch, die biologischen Inhalte im pharmazeutischen Grundstudium umfassend darzustellen, tatsächlich nicht erfüllt.

So sind wir sehr froh, mit Frau Prof. Nieber eine neue Autorin in unser Team aufgenommen zu haben, die diese beachtliche Lücke geschlossen hat. Im Kapitel 13 „Grundlagen der Humanbiologie“ werden die prüfungsrelevanten Inhalte dieses Teilgebiets auf fast 100 Seiten übersichtlich und reich illustriert dargestellt. Folglich fällt auch die neue Auflage bezogen auf die Seitenzahl umfangreicher aus, wobei eine gewisse Handlichkeit, die jedem Lehrbuch gut zu Gesicht steht, nicht verloren gegangen ist.

Treu geblieben sind wir Autoren der ganz eindeutigen Intention des Initiators dieses mittlerweile als Standardwerk etablierten Lehrbuchs, Prof. Dr. Ernst Reinhard, das erforderliche biologische Wissen im pharmazeutischen Grundstudium aktuell aber „prüfungsnah“ für die Studierenden aufzuarbeiten.

Treu geblieben sind wir in der neuen Auflage auch dem didaktischen Konzept. Wieder imponiert das Buch durch Illustration und Farbe, didaktische Accessoires, deren sich zeitgemäße Lehrbücher gerade auch in den Biowissenschaften längst wie selbstverständlich bedienen. Denn Biologie muss man nicht nur lernen. Man kann und sollte Biologie „erleben“ – sowohl auf organistischer als auch auf molekularer Ebene. Dies ermöglicht der neue „Reinhard“, der reichlich und farbig bebildert das Lernen und Verstehen biologischer Strukturen und biochemischer Reaktionswege anschaulich macht. Und immer wurde darauf geachtet, den umfangreichen Lehrstoff „prüfungsnah“ zu halten. Dabei wird hin und wieder durchaus auch ein Blick über das Grundstudium hinaus gewagt, um die pharmazeutische Relevanz des umfangreichen Basiswissens deutlich zu machen. Durch diese Einschübe weitergehender Inhalte eignet sich das Lehrbuch als ein Referenzwerk, das sehr wohl auch einen Platz im Handapparat der Apothekenliteratur finden könnte.

Natürlich wurde das Lehrbuch inhaltlich wieder gründlich überarbeitet. Aus heutiger Sicht überflüssige oder überholte Textstellen und Abbildungen wurden gestrichen. Wo immer notwendig wurden Text und Abbildungen aktualisiert. Wichtige neue pharmazeutische Erkenntnisse aus der jüngsten molekularbiologischen Forschung, sowie Anpassungen bei der Systematik der Arzneipflanzen wurden berücksichtigt. Alle Änderungen aufzuzählen, würde den Rahmen dieses Vorworts deutlich sprengen. Wir Autoren sind jedenfalls zuversichtlich, mit dem „Reinhard“ in seiner 8. Auflage das Angebot an zeitgemäßer Lehrbuchliteratur vor allem (aber durchaus nicht nur) für die Studierenden der Pharmazie signifikant bereichert zu haben.

Erlangen, Frankfurt/M., Freiburg/Br., Gommernim Frühjahr 2016

Die Verfasser

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

1Zytologie

1.1Morphologische Grundlagen der Zelle

1.1.1Zellen der Bakterien, Samenpflanzen und Säugetiere

1.1.2Stoffliche Zusammensetzung der Zelle

1.2Chemie, Struktur, Funktion von Zellwänden, Interzellularsubstanz und Glykocalyx

1.2.1Bakterien

1.2.2Pflanzen

1.2.3Säugetiere

1.2.4Pilze

1.3Biomembranen

1.3.1Chemie und Aufbau

1.3.2Endozytose, Exozytose, Pinozytose, Membranfluss

1.3.3Semipermeabilität, Osmose, Membranpotenzial

1.3.4Zellkontakte

1.3.5Spezifischer Stofftransport durch Biomembranen

1.3.6Signaltransduktion und Informationsverarbeitung

1.3.7Plasmamembran der Bakterien

1.3.8Andere Aufgaben von Membranen

1.4Zellstrukturen und ihre Funktion

1.4.1Zusammensetzung und Funktion des Cytosols

1.4.2Zellkern

1.4.3Vakuolen

1.4.4Endoplasmatisches Retikulum

1.4.5Dictyosomen, Golgi-Apparat

1.4.6Speichervesikel

1.4.7Mitochondrien

1.4.8Plastiden

1.4.9Ribosomen

1.4.10Peroxisomen und Glyoxysomen

1.4.11Lysosomen

1.4.12Zytoskelett und Geißeln

2Morphologie, Histologie und Anatomie der Samenpflanzen

2.1Allgemeines

2.1.1Zellen, Form und Struktur

2.1.2Bildungsgewebe

2.1.3Grundgewebe

2.1.4Abschlussgewebe und Absorptionsgewebe

2.1.5Leitgewebe und Leitbündel

2.1.6Festigungsgewebe

2.1.7Exkretionsgewebe und Exkretzellen

2.2Wurzel

2.2.1Struktur und Funktion

2.2.2Definition von Radix-Drogen

2.3Sprossachse

2.3.1Struktur und Funktion

2.3.2Definition von Herba-, Rhizom-, Cortex-, Lignum- und Stipites­Drogen

2.4Blatt

2.4.1Struktur und Funktion

2.4.2Anatomie, taxonspezifische Merkmale

2.4.3Definition von Folium-Drogen

2.5Blüte

2.5.1Struktur und Funktion

2.5.2Blütenstände, taxonspezifische Merkmale

2.5.3Definition von Flos- und Stigma-Drogen

2.6Frucht

2.6.1Struktur und Funktion

2.6.2Fruchttypen, taxonspezifische Merkmale

2.6.3Definition von Fructus-Drogen

2.7Samen

2.7.1Struktur und Funktion

2.7.2Anatomie, taxonspezifische Merkmale

2.7.3Definition von Semen-Drogen

3Genetik

3.1Nukleinsäuren

3.1.1Desoxyribonukleinsäure (DNA)

3.1.2Ribonukleinsäuren (RNA)

3.1.3Genetischer Code

3.2Umsetzung der genetischen Information (Transkription)

3.2.1Genbegriff

3.2.2Ablauf der Transkription

3.2.3Prozessieren der RNA

3.2.4Translation – Proteinbiosynthese

3.2.5Regulation der Proteinbiosynthese

3.3Weitergabe und Verteilung der genetischen Information

3.3.1Replikation der Nukleinsäuren

3.3.2Zellzyklus, Mitose und Meiose

3.3.3Meiotische Systeme

3.3.4Plasmatische Vererbung

3.3.5Parasexuelle (parameiotische) Systeme, Phagen und Plasmide

3.3.6Hemmung von Replikation, Transkription und Translation

3.4Veränderungen des Erbguts

3.4.1Mutation

3.4.2Mutationstypen

3.4.3Mutagene Faktoren und transponierbare genetische Elemente

3.4.4Umordnung von Genen: Antikörperbildung

3.5Grundlagen der Molekularbiologie

3.5.1Gentechnologie bei Bakterien

3.5.2Gentechnologie bei höheren Pflanzen

3.5.3Somatische Hybridisierung

3.5.4Pflanzenzucht mit Protoplasten

4Stoffwechsel- und Entwicklungsphysiologie

4.1Grundlagen biochemischer Reaktionen – Enzyme

4.1.1Einteilung der Enzyme

4.1.2Kinetik von Enzymreaktionen – Reaktionsprinzip

4.1.3Ribozyme

4.2Grundzüge des Kohlenhydratstoffwechsels

4.2.1Mono-, Di-, Oligo- und Polysaccharide

4.3Grundzüge des Stickstoffstoffwechsels

4.3.1Aminosäuren

4.3.2Proteine

4.3.3Abbau von Proteinen zu Aminosäuren

4.3.4Abbau von Aminosäuren

4.4Grundzüge des Fettstoffwechsels

4.4.1Fettsäuren und Fette

4.4.2Biosynthese von Fettsäuren

4.4.3Bildung von Lipiden

4.4.4Abbau von Lipiden zu Fettsäuren

4.4.5Abbau der Fettsäuren durch β-Oxidation

4.5Grundzüge des Energiestoffwechsels

4.5.1Energetische Kopplung: abbauende und aufbauende Stoffwechselwege

4.5.2Glykolyse

4.5.3Pyruvatdecarboxylierung

4.5.4Citratzyklus

4.5.5Glyoxylsäurezyklus

4.5.6Anabole Stoffwechselwege

4.5.7Atmung, Endoxidation

4.5.8Anaplerotische Reaktionen

4.5.9Energiegewinnung durch Gärung

4.6Pflanzliche und bakterielle Stoffwechselprozesse

4.6.1Photosynthese – die Assimilation des Kohlenstoffs

4.6.2Chemosynthese

4.6.3Calvinzyklus

4.6.4Einfluss ökologischer Faktoren auf die Photosynthese

4.6.5Aufnahme und Verwertung von Stickstoff, Schwefel und Phosphor

4.6.6Sekundärstoffwechsel

4.7Entwicklungsphysiologie der Pflanzen

4.7.1Totipotenz, Polarität

4.7.2Wirkung ökologischer Faktoren (Licht, Wasser, Temperatur, Nährstoffe)

4.7.3Wasserhaushalt, Elektrolythaushalt und Stofftransport

5Grundlagen der Systematik und Taxonomie

5.1Domäne: Archaea

6Viren

6.1Aufbau und Merkmale

6.1.1Größenordnung

6.1.2Stoffliche Zusammensetzung

6.1.3Struktur

6.2Vermehrung von Viren

6.2.1Bakteriophagen

6.2.2Entwicklungszyklen humanpathogener Viren

6.3Medizinisch wichtige Viren

6.3.1Herpesviridae

6.3.2Orthomyxoviridae

6.3.3Paramyxoviridae

6.3.4Picornaviridae

6.3.5Retroviridae

6.4Viroide und Prionen

6.4.1Viroide

6.4.2Prionen

6.5Interferone

6.5.1Allgemeine Eigenschaften

6.5.2Interferonarten

6.5.3Wirkungsmechanismus der Interferone

6.5.4Weitere Interferonwirkungen

7Bakterien (Bacteria)

7.1Morphologie und Zytologie

7.1.1Morphologische und biochemische Einteilung der Bacteria

7.1.2Gram-Färbung

7.1.3Pathogenität und Pathogenitätsfaktoren von Bakterien

7.2Wachstum und Entwicklung der Bacteria

7.2.1Wachstum

7.2.2Ernährungstypen

7.3Pharmazeutisch, technisch und medizinisch wichtige Prokaryonten

7.3.1Proteobacteria

7.3.2Cyanobacteria

7.3.3Spirochaetes

7.3.4Chlamydiae

7.3.5Firmicutes

8Einführung in die Systematik der Eukaryonten (Eucarya, Eukaryota)

8.1Reich: Amoebozoa

8.2Reich: Opisthokonta

8.3Reich: Excavata

8.4Reich: Chromalveolata (SAR)

8.4.1Unterreich: Rhizaria

8.4.2Unterreich: Alveolata

8.4.3Abteilung: Heterokonta

8.5Reich: Plantae (Archaeplastida)

8.5.1Unterreich: Viridiplantae

9Fungi (Pilze)

9.1„Zygomycota“

9.1.1Unterabteilung: Mucoromycotina

9.2Abteilung (Stamm): Ascomycota

9.2.1Unterabteilung: Saccharomycotina

9.2.2Unterabteilung: Pezizomycotina

9.3Abteilung (Stamm): Basidiomycota

9.3.1Unterabteilung: Agaricomycotina

10Klasse: Phaeophyceae (Braunalgen)

10.1Ordnung: Laminariales

10.2Ordnung: Fucales

11Abteilung: Rhodophyta (Rotalgen)

11.1Klasse: Bangiophyceae

11.2Klasse: Florideophyceae

12Samenpflanzen

12.1Klasse: Pinopsida (Gymnospermae)

12.1.1Unterklasse: Cycadidae

12.1.2Unterklasse: Ginkgoidae

12.1.3Unterklasse: Cupressidae

12.1.4Unterklasse: Gnetidae

12.1.5Unterklasse: Pinidae

12.2Klasse: Magnoliopsida (Angiospermae)

12.2.1Basale Ordnungen der Angiospermae

12.2.2Mesangiospermae

12.2.3Unterklasse: Liliidae (Monocotyledoneae)

12.2.4Mesodicotyledoneae

12.2.5Unterklasse: Magnoliidae

12.2.6Chloranthales, Ceratophyllales

12.2.7Eudicotyledoneae

12.2.8Gunneridae

12.2.9Superrosidae

12.2.10Unterklasse: Rosidae

12.2.11Superasteridae

12.2.12Unterklasse: Asteridae

13Grundlagen der Humanbiologie

13.1Nervensystem

13.1.1Gehirn

13.1.2Blut-Hirn-Schranke

13.1.3Rückenmark

13.1.4Hirn- und Rückenmarkshäute, Liquor

13.1.5Peripheres vegetatives Nervensystem

13.1.6Somatisches (willkürliches) Nervensystem

13.1.7Reflexbogen

13.1.8Darmnervensystem

13.1.9Nervengewebe

13.2Erregungsleitung

13.2.1Ruhemembran- und Aktionspotenzial

13.2.2Mechanismen der synaptischen Übertragung

13.2.3Rezeptoren

13.2.4Neurotransmitter

13.3Sinnesorgane

13.3.1Auge

13.3.2Hör- und Gleichgewichtsorgan

13.4Muskulatur

13.4.1Struktur und Funktion der quergestreiften Muskulatur

13.4.2Glatte Muskulatur

13.5Kardiovaskuläres System

13.5.1Herz

13.5.2Erregungsprozesse im Herz

13.5.3Elektrokardiogramm

13.5.4Regulation der Herzaktion

13.5.5Gefäßsystem

13.5.6Blut

13.5.7Hämostase

13.5.8Lymphsystem

13.6Immunsystem

13.6.1Angeborenes Immunsystem

13.6.2Erworbenes Immunsystem

13.6.3Antigenerkennung

13.6.4Antikörper

13.7Elektrolyt- und Wasserhaushalt

13.7.1Säure-Basen-Haushalt

13.8Niere und ableitende Harnwege

13.8.1Niere

13.8.2Ableitende Harnwege

13.9Atmungsorgane

13.9.1Bau und Funktion der Lunge

13.9.2Atmung

13.10Haut

13.10.1Aufgaben der Haut

13.10.2Aufbau der Haut

13.11Verdauungsorgane

13.11.1Mundhöhle und Speiseröhre

13.11.2Magen

13.11.3Dünndarm

13.11.4Dickdarm

13.11.5Bauchspeicheldrüse

13.11.6Leber und Galle

13.12Fortpflanzungsorgane

13.12.1Männliche Geschlechtsorgane

13.12.2Weibliche Geschlechtsorgane

13.12.3Menstruationszyklus

13.12.4Embryonalentwicklung

13.12.5Schwangerschaft und Geburt

13.13Hormonsystem

13.13.1Einteilung der Hormone

13.13.2Hormonelle Regulation

13.13.3Endokrine Organe

Quellen, Literatur

Sachregister

Autoren

1

Zytologie

Wolfgang Kreis

1.1Morphologische Grundlagen der Zelle

Das Leben auf der Erde hat im Lauf der Evolution eine ungeheure Vielfalt von Organismen hervorgebracht. Die drei Domänen der Lebewesen (Bacteria, Archaea, Eukarya) haben vieles gemeinsam: Ablauf der Glykolyse (»Kap. 4.5.2), semikonservative Replikation der DNA (»Kap. 3.3), genetischer Code (»Kap. 3.1.3), Synthese von Proteinen durch Transkription und Translation (»Kap. 3.2.3), Besitz von Plasmamembranen (»Kap. 1.3), Ribosomen (»Kap. 1.4.9) und andere.

In Gestalt von Archaea, Bakterien, Protisten, Pilzen, niederen und höheren Pflanzen, den verschiedenartigsten Organismen im Tierreich begegnet uns das Leben in den unterschiedlichsten Organisations- und Differenzierungsstufen, in einer überwältigenden Formenfülle. Zudem begegnet man einer Vielfalt physiologischer Leistungen sowie der Anpassung an unterschiedliche Lebensbedingungen.

Alle Lebewesen sind aus Zellen aufgebaut, aus einer Zelle die Einzeller, z. B. Bakterien, aus vielen Zellen die Vielzeller. Die Zelle ist die kleinste, noch selbstständig lebensfähige morphologische Einheit. Auch im vielzelligen Organismus sind die einzelnen Zellen relativ selbstständig. Unter bestimmten Bedingungen können aus dem Verband herausgelöste Zellen in geeigneter Nährlösung lange weiterleben, sich teilen und vermehren. Viren, Viroide und Prionen zählen nicht zu den Lebewesen; sie nehmen eine Sonderstellung ein (»Kap. 6).

Einzelne Zellen eines vielfältig differenzierten Organismus können über die genetische Information des gesamten Organismus verfügen. Aus bestimmten, aus Pflanzen isolierten Zellen können wieder ganze Pflanzen regeneriert werden. Solche Zellen sind omnipotent.

Die Zelle steht mit ihrer Umgebung in einem stetigen Energie- und Stoffaustausch. Sie kann auf Änderungen ihrer Umgebung reagieren. Hierbei spielen vielfältige zelluläre Strukturen und Prozesse zusammen (Rezeptoren, Signaltransduktionskaskaden, Genexpressionskontrolle etc.). Zellen können sich durch Teilung oder Sprossung (Hefe) vermehren. Man kann die Zelle in Partikel aufteilen, welche außerhalb der Zelle in sogenannten zellfreien Systemen noch Teilfunktionen erfüllen können. Alle Funktionen, die einer lebendigen Substanz zugeordnet sind, können jedoch nur innerhalb der elementaren Funktionseinheit Zelle erfüllt werden.

Merke

Zellen können nur aus Zellen hervorgehen, entweder durch Teilung oder bei der Befruchtung durch Verschmelzung von Zellen. Stoffwechsel, Wachstum und Vermehrung sind charakteristische Eigenschaften der lebenden Zelle.

Zellen begegnen uns in den verschiedensten Differenzierungsformen. Bereits die einzelligen Lebewesen zeigen vielfältige, morphologische und physiologische Abwandlungen dieser Grundeinheit des Lebens. Noch vielfältiger abgewandelt ist die Zelle in den vielzelligen hochdifferenzierten Organismen. Hier begegnen uns Zellen als Leitelemente, als Nervenzellen, als Epidermiszellen, als Drüsenzellen, als Assimilationszellen, als Blutzellen usw.

Zellen können verschiedene Formen und Größen besitzen. Dies entspricht ihren unterschiedlichen Funktionen. Die kleinsten Zellen finden sich bei Bakterien. Mikrokokken haben einen Durchmesser von etwa 0,2 µm. Die Größe einer Tier- oder Pflanzenzelle liegt zwischen 10 und 200 µm. Jedoch gibt es von diesen Durchschnittsgrößen sehr starke Abweichungen (»Tab. 1.1, »Abb. 1.1).

Tab. 1.1 Zellgrößen

Zelle

Größe ca.

Lein (Fasern)

5 cm

Mark (Parenchymzelle)

0,4 mm

Epidermiszelle

0,05 mm (50 µm)

Escherichia coli

0,003 mm (3 µm)

Abb. 1.1 Größen­ordnungen von Zellen und Molekülen

Vereinfachend kann man sagen, dass die Größe von Viren im unteren Nanometer-, die von Bakterien im unteren Mikrometer- und die von Zellen höherer Lebewesen im oberen Mikrometer-Bereich liegt.