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Wie schnell beeinflusst Aktivität die Synaptogenese?

Wie schnell beeinflusst Aktivität die Synaptogenese?


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Wie lange dauert es, bis die erhöhte Aktivität durch einen neuartigen Stimulus eine Steigerung der Synapsenbildung bewirkt?

Es gibt viele Studien, die zeigen, dass die Anzahl der Synapsen im Gehirn innerhalb von 24 Stunden nach einer neuartigen Aufgabe zunimmt, daher weiß ich, dass die Zahl weniger als 24 Stunden beträgt. Ich interessiere mich für Fragen wie "Wenn ich eine Stunde Yoga mache, wird dann der spätere Teil der Stunde von der Synapsenbildung profitieren, die früher in der Stunde verursacht wird?" Ich weiß natürlich nicht, ob gerade Yoga von diesen Synapsen profitieren würde, aber wenn die Synaptogenese nicht in weniger als einer Stunde hochreguliert wird, kann ich einen solchen Effekt durchaus ausschließen.


Die Synaptogenese mit einer so feinen zeitlichen Auflösung wird derzeit noch am besten in Tiermodellen und reduzierten Präparaten untersucht, bei denen die Aktivitätsniveaus genauer kontrolliert werden können und fortschrittliche bildgebende Verfahren zur Überwachung morphologischer Veränderungen verwendet werden können. Es wurden eine Reihe von Studien mit relativ hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung durchgeführt in vitro und in vivo mit Zwei-Photonen-Mikroskopie an dendritischen Dornen, die als Proxy für die Existenz von Synapsen angesehen werden, da ~98% von ihnen eine enthalten.

Der schnellste Effekt nach der Stimulation ist die Vergrößerung bereits bestehender oder neu gebildeter Dornen und ihrer Synapsen, bereits nach ~2 min (Matsuzaki et al. 2004, Harvey et al. 2007, Hill und Zito 2013). Als nächstes beginnen sich innerhalb der ersten ~15 min unreife Strukturen (oft als Filopodien bezeichnet) zu bilden (Maletic-Savatic et al. 1999). Es ist noch nicht klar, wie viel Prozent dieser Strukturen eine tatsächliche Synapse tragen, aber sie haben sicherlich das Potenzial, eine solche zu erhalten. Eine allmählichere Zunahme der Anzahl der Dornen, die mehrere Stunden andauern und sehr wahrscheinlich eine Synapse enthalten, tritt in späteren Stadien, ~30 Minuten nach der Stimulation, auf (Engert und Bonhoeffer, 1999; Nägerl et al., 2004, 2007). Beachten Sie jedoch, dass die gesamte Wirbelsäulendichte fast nie beeinflusst wird in vivo (Holtmaat und Svoboda 2009), was darauf hinweist, dass kompensierende Mechanismen jegliche Synaptogenese ausgleichen, so dass Sie nicht mit einer insgesamt erhöhten Anzahl von Synapsen rechnen sollten.

Verweise
- Matsuzaki, M., Honkura, N., Ellis-Davies, G.C.R., & Kasai, H. (2004). Strukturelle Grundlagen der Langzeitpotenzierung in einzelnen dendritischen Dornen. Natur, 429(6993), 761-766. https://doi.org/10.1038/nature02617
- Harvey, C. D. & Svoboda, K. (2007). Lokal dynamische synaptische Lernregeln in pyramidalen Neuronen-Dendriten. Natur, 450(7173), 1195-1200. https://doi.org/10.1038/nature06416
- Hill, T.C. & Zito, K. (2013). LTP-induzierte Langzeitstabilisierung einzelner entstehender dendritischer Dornen. Journal of Neuroscience, 33 (2), 678-686. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.1404-12.2013
- Maletic-Savatic, M., Malinow, R. & Svoboda, K. (1999). Schnelle dendritische Morphogenese in CA1-Hippocampus-Dendriten, die durch synaptische Aktivität induziert wird. Wissenschaft (New York, N.Y.), 283(5409), 1923-1927. https://doi.org/10.1126/science.283.5409.1923
- Engert, F. & Bonhoeffer, T. (1999). Dendritische Wirbelsäulenveränderungen im Zusammenhang mit langfristiger synaptischer Plastizität des Hippocampus. Natur, 399(6731), 66-70. https://doi.org/10.1038/19978
- Nägerl, U. V., Eberhorn, N., Cambridge, S. B. & Bonhoeffer, T. (2004). Bidirektionale aktivitätsabhängige morphologische Plastizität in Hippocampus-Neuronen. Neuron, 44(5), 759-767. https://doi.org/10.1016/j.neuron.2004.11.016
- Nagerl, U. V., Kostinger, G., Anderson, J. C., Martin, K. A. C., & Bonhoeffer, T. (2007). Protrahierte Synaptogenese nach aktivitätsabhängiger Spinogenese in Hippocampus-Neuronen. Journal of Neuroscience, 27(30), 8149-8156. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.0511-07.2007
- Holtmaat, A., & Svoboda, K. (2009). Erfahrungsabhängige strukturelle synaptische Plastizität im Gehirn von Säugetieren. Nature Reviews Neuroscience, 10(9), 647-658. https://doi.org/10.1038/nrn2699


Synaptische Plastizität, reguliert durch Protein-Protein-Wechselwirkungen und posttranslationale Modifikationen

4.1.2 Proteine, die mit extrazellulären Domänen von AMPARs interagieren

Neuronale Aktivität reguliertes Pentaxin (Narp) wurde ursprünglich durch differentielle Klonierungstechniken aus Hippocampus isoliert, der mit einem maximalen Elektrokrampfanfall stimuliert wurde (Tsui et al., 1996). Narp ist ein sezerniertes IEG, das durch synaptische Aktivität im Gehirn reguliert wird, ist insofern einzigartig, als es an die extrazelluläre Domäne (NTD) von AMPARs bindet und die Coclustering von AMPARs als extrazelluläres Gerüstprotein induziert (Oɻrien et al., 1999 Sia et al ., 2007). Eine kürzlich erschienene Veröffentlichung zeigte elegant eine physiologische Rolle von Narp bei der AMPAR-Regulierung (Chang et al., 2010). Präsynaptisch sezerniertes Narp akkumuliert prominent an exzitatorischen Synapsen auf Parvalbumin (PV)-exprimierenden Interneuronen (INs) und reguliert die „homöostatische synaptische Skalierung“. Eine zunehmende Netzwerkaktivität induziert die Narp-Expression und die nachfolgende Narp-Sekretion. Narp rekrutiert extrazellulär GluA4 an der exzitatorischen Synapse an den PV-INs und erhöht dadurch die exzitatorische synaptische Stärke an den PV-INs, die einen inhibitorischen Antrieb vermitteln, um wiederum die Gesamtnetzwerkaktivität zu senken. In Übereinstimmung mit diesem Modell fehlt in den PV-INs von Narp KO-Mäusen eine homöostatische Reaktion, weder auf Tetrodotoxin (TTX) (normalerweise sind EPSCs auf den PV-INs reduziert) noch auf Bicucullin (normalerweise sind EPSCs auf den PV erhöht) –INs) (Chang et al., 2010).


Bildung von Wirbeltieren

29.5 Schlussfolgerungen und Perspektiven

Studien der klassischen Embryologie und Molekulargenetik an Modellorganismen haben zur Identifizierung von molekularen Signalwegen geführt, die die koordinierte, dreidimensionale Entwicklung der Gliedmaßen steuern. Diese Studien haben auch Einblicke in das Verständnis der molekularen und pathologischen Mechanismen von angeborenen menschlichen Gliedmaßendefekten geliefert. Die allgemeinen Prinzipien werden für die Entwicklung neuer Ansätze für die Gewebereparatur relevant sein. Darüber hinaus bietet die sich entwickelnde Extremität aufgrund der pleiotrophen Effekte der Entwicklungswege der Gliedmaßen in anderen Entwicklungsprozessen, wie sie in genetischen Studien an Maus und Human gezeigt wurden, ein hervorragendes Modellsystem zum Verständnis der Funktionsweise und der Interaktion verschiedener Signalwege in der Embryonalentwicklung. Obwohl viele Gene und Signalwege identifiziert wurden, die bei der Entwicklung der Gliedmaßen eine Rolle spielen, sind wir noch weit von einem vollständigen Bild davon entfernt, wie die Entwicklung der Gliedmaßen auf molekularer Ebene gesteuert wird. Unser derzeitiges Verständnis weist erhebliche Lücken auf. Um ein tieferes Verständnis der zellulären Grundlagen der Gliedmaßenentwicklung zu erlangen, müssen wir auch kreative neue Wege finden, um das Verhalten extrazellulärer Signalmoleküle zu visualisieren und ihre Konzentrationen und die von ihnen ausgelösten zellulären Reaktionen zu messen. Darüber hinaus ist noch nicht klar, wie die dreidimensionalen Positionsinformationen, die durch unterschiedliche Signalwege gesteuert werden, in jede Zelle der sich entwickelnden Extremität integriert werden. Nachdem sowohl das Maus- als auch das menschliche Genom sequenziert wurden, werden jüngste Entwicklungen in funktionellen Genomstudien an Mäusen, wie chemische und Insertionsmutagenese und Gen-Targeting im großen Maßstab, eine enorme Menge neuer Informationen zum Verständnis der Entwicklung von Gliedmaßen liefern. Diese Studien, kombiniert mit den ständig verbesserten, leistungsfähigen Techniken der genetischen Kartierung menschlicher Krankheiten, haben unser Verständnis der Entwicklung von Gliedmaßen in beispielloser Geschwindigkeit vorangetrieben.


Reaktionszeitwissenschaft: Wie schnell sind Sie?

Denkt Ihr Kind, dass es gute Reflexe hat? Jetzt ist seine Chance, es zu beweisen! Hier ist ein schnelles und einfaches Experiment, das die Reaktionszeit Ihres Kindes misst. Alles, was Sie brauchen, ist ein Maßstab, ein Freund und etwas Papier. Ihr Kind wird nicht nur einige persönliche Enthüllungen über die Funktionsweise seines Körpers machen, sondern es wird auch Mathematik und die wissenschaftlichen Methoden anwenden, während es dabei ist!

Was du brauchst:

  • Maßstab
  • Mindestens zwei willige Teilnehmer
  • Papier und Stift zum Aufzeichnen der Ergebnisse
  • Marker und Millimeterpapier (optional)

Was tust du:

  1. Bevor Sie beginnen, vergewissern Sie sich, dass Ihr Kind den Zweck dieses Experiments kennt, zu messen, wie lange sein Gehirn braucht, um einen verbalen Befehl zu verarbeiten und darauf zu reagieren.
  2. Beginnen Sie damit, den Maßstab einige Meter über dem Boden aufrecht zu halten.
  3. Lassen Sie Ihr Kind seine Finger und Daumen um die Seiten des Maßstabs legen. Bitten Sie ihn, die Augen zu schließen, damit er sich rein auf Befehl und nicht auf visuelle Hinweise verlässt.
  4. Sagen Sie "Los!", während Sie den Meterstab fallen lassen. Ihr Kind sollte reagieren, indem es gleichzeitig die Finger um den Maßstab schließt, um ihn zu fangen. Um eine genaue Messung zu erhalten, stellen Sie sicher, dass seine Finger immer am unteren Rand des Maßstabs beginnen.
  5. Nachdem er den Meterstab gefangen hat, ermutigen Sie ihn zu messen, wie viele Zoll er gefallen ist, bevor er ihn fängt. Verwenden Sie die folgende Umrechnungstabelle, um seine Reaktionszeit zu erhalten. Denken Sie daran, die Ergebnisse aufzuzeichnen.
  6. Um die Genauigkeit Ihrer wissenschaftlichen Studie sicherzustellen, sollten Sie diesen Test mehr als einmal durchführen. Sehen Sie sich anschließend die Ergebnisse an und besprechen Sie mit Ihrem Kind, warum seine Reaktionszeiten von Versuch zu Versuch variieren können.

Sie können diese Aktivität erweitern, indem Sie verschiedene Variablen ändern. Beispiel: Ist die Reaktionszeit Ihres Kindes besser, wenn seine Augen geöffnet sind? Warum oder warum nicht? Sie können auch Millimeterpapier und Marker verwenden, um die Reaktionszeiten anderer Familienmitglieder und Freunde aufzuzeichnen. Machen Sie einen Wettbewerb und vergleichen Sie, wer die besten Reflexe hat!


Enzymkatalyse

Einführung:
Im Allgemeinen sind Enzyme Proteine, die von lebenden Zellen produziert werden, sie wirken als Katalysatoren bei biochemischen Reaktionen. EIN Katalysator beeinflusst die Geschwindigkeit einer chemischen Reaktion. Eine Folge der Enzymaktivität ist, dass Zellen bei relativ niedrigen Temperaturen komplexe chemische Aktivitäten ausführen können. Bei einer enzymkatalysierten Reaktion wird der einzuwirkende Stoff (der Substrat = S ) bindet reversibel an die aktive Seite des Enzyms (E). Ein Ergebnis dieser vorübergehenden Vereinigung ist eine Verringerung der Energie, die erforderlich ist, um die Reaktion des Substratmoleküls zu aktivieren, so dass die Produkte (P) der Reaktion gebildet werden.

Zusammengefasst: E+S —> ES –> E+P

Beachten Sie, dass das Enzym bei der Reaktion nicht verändert wird und sogar recycelt werden kann, um zusätzliche Substratmoleküle abzubauen. Jedes Enzym ist spezifisch für eine bestimmte Reaktion, da seine Aminosäuresequenz einzigartig ist und ihm eine einzigartige dreidimensionale Struktur verleiht. Die aktive Seite ist der Teil des Enzyms, der mit dem Substrat interagiert, sodass jede Substanz, die das aktive Zentrum blockiert oder die Form verändert, die Aktivität des Enzyms beeinflusst. Es folgt eine Beschreibung verschiedener Möglichkeiten, wie die Enzymwirkung beeinflusst werden kann:

1. Salzkonzentration. Wenn die Salzkonzentration nahe Null ist, ziehen sich die geladenen Aminosäureseitenketten der Enzymmoleküle an. Das Enzym denaturiert und bildet einen inaktiven Niederschlag. Wenn andererseits die Salzkonzentration zu hoch ist, wird die normale Wechselwirkung geladener Gruppen blockiert, es treten neue Wechselwirkungen auf und das Enzym fällt erneut aus. Eine mittlere Salzkonzentration wie die des menschlichen Blutes (0,9%) oder des Zytoplasmas ist für viele Enzyme das Optimum.

2. pH. Aminosäureseitenketten enthalten Gruppen wie – COOH und NH2, die leicht H+-Ionen aufnehmen oder abgeben. Wenn der pH-Wert gesenkt wird, neigt ein Enzym dazu, H+-Ionen aufzunehmen, und schließlich werden genügend Seitenketten beeinflusst, so dass die Form des Enzyms gestört wird. Ebenso verlieren die Enzyme bei steigendem pH-Wert H+-Ionen und verlieren schließlich ihre aktive Form. Viele der Enzyme funktionieren im neutralen pH-Bereich richtig und werden entweder bei einem extrem hohen oder niedrigen pH-Wert denaturiert. Einige Enzyme wie Pepsin, das im menschlichen Magen wirkt, wo der pH-Wert sehr niedrig ist, haben ein niedriges pH-Optimum.

3. Temperatur. Im Allgemeinen beschleunigen sich chemische Reaktionen, wenn die Temperatur erhöht wird. Wenn die Temperatur steigt, haben mehr der reagierenden Moleküle genug kinetische Energie, um die Reaktion zu durchlaufen. Da Enzyme Katalysatoren für chemische Reaktionen sind, neigen Enzymreaktionen auch dazu, mit steigender Temperatur schneller zu laufen. Wird die Temperatur einer enzymkatalysierten Reaktion jedoch noch weiter erhöht, a Temperaturoptimum oberhalb dieses Wertes erreicht wird, ist die kinetische Energie der Enzym- und Wassermoleküle so groß, dass die Konformation der Enzymmoleküle gestört wird. Der positive Effekt der Reaktionsbeschleunigung wird nun durch den negativen Effekt der Konformationsänderung von immer mehr Enzymmolekülen mehr als ausgeglichen. Viele Proteine ​​werden bei Temperaturen um 40-50 °C denaturiert, aber einige sind bei 70-80 °C noch aktiv und einige halten sogar dem Kochen stand.

4. Aktivierungs’s und Inhibitoren. Viele andere Moleküle als das Substrat können mit einem Enzym interagieren. Wenn ein solches Molekül die Reaktionsgeschwindigkeit erhöht, ist es ein Aktivator, oder wenn es die Reaktionsgeschwindigkeit verringert, ist es ein Hemmstoff. Diese Moleküle können regulieren, wie schnell die Enzyme wirken. Jede Substanz, die dazu neigt, das Enzym zu entfalten, wie ein organisches Lösungsmittel oder Detergens, wirkt als Inhibitor. Einige Inhibitoren wirken, indem sie die -S-S-Brücken reduzieren, die die Struktur des Enzyms stabilisieren. Viele Inhibitoren wirken, indem sie mit den Seitenketten in oder in der Nähe des aktiven Zentrums reagieren, um seine Form zu ändern oder es zu blockieren. Viele bekannte Gifte wie Kaliumcyanid und Curare sind Enzymhemmer, die in das aktive Zentrum kritischer Enzyme eingreifen.

Das in diesem Labor verwendete Enzym Katalase hat vier Polypeptidketten, die jeweils aus mehr als 500 Aminosäuren bestehen. Dieses Enzym ist in aeroben Organismen allgegenwärtig. Eine Funktion der Katalase in Zellen besteht darin, die Ansammlung toxischer Mengen von Wasserstoffperoxid zu verhindern, die als Nebenprodukt von Stoffwechselprozessen gebildet werden. Katalase könnte auch an einigen der vielen Oxidationsreaktionen teilnehmen, die in der Zelle ablaufen.

In Abwesenheit von Katalase erfolgt diese Reaktion spontan, aber sehr langsam. Katalase beschleunigt die Reaktion erheblich. In diesem Experiment wird eine Geschwindigkeit für diese Reaktion bestimmt. Man kann viel über Enzyme lernen, indem man die Kinetik enzymkatalysierter Reaktionen untersucht. So ist es beispielsweise möglich, die gebildete Produktmenge bzw. die eingesetzte Substratmenge vom Zusammenbringen der Reaktanden bis zum Abbruch der Reaktion zu messen. Wird in regelmäßigen Abständen die gebildete Produktmenge gemessen und diese Menge grafisch aufgetragen, erhält man eine Kurve wie die folgende.


Verfahren

Dieses Experiment wird in zwei Phasen unterteilt. Der erste Test verwendet ein Lineal, während der zweite Test zwei verwendet.

Experiment 1: In dieser Phase testen Sie und Ihr Partner die visuellen, auditiven und taktilen Reaktionszeiten mit einem Lineal.

  1. Lass deinen Freund mit seiner dominanten Hand über die Kante an einem Tisch sitzen.
  2. Zuerst testen wir die visuelle Reaktion. Halten Sie das Lineal an der 30-cm-Marke so, dass sich das 0-cm-Ende gerade am Zeigefinger Ihres Freundes befindet.
  3. Sagen Sie Ihrem Freund, dass er es so schnell wie möglich greifen soll, wenn Sie das Lineal loslassen. Machen Sie keine Geräusche oder Gesten, wenn Sie das Lineal loslassen. Sie müssen auf den visuellen Reiz reagieren, wenn sie das Loslassen des Herrschers sehen. Zeichne die Zentimetermarke auf.
  4. Wiederholen Sie das Experiment noch dreimal. Tauschen Sie dann mit Ihrem Partner die Plätze und wiederholen Sie es.
  5. Jetzt zeichnen Sie Hörreaktionen auf. Lassen Sie Ihren Partner wie zuvor am Tisch sitzen, achten Sie auch darauf, dass Ihr Partner die Augenschirme aufsetzt.
  6. Testen Sie erneut die dominante Hand und sagen Sie Ihrem Partner, dass Sie das Wort "Loslassen" sagen werden, wenn Sie das Lineal loslassen. Sobald sie es greifen, notieren Sie die Zentimetermarke und wiederholen Sie es dreimal. Wechseln Sie wieder mit Ihrem Partner.
  7. Lassen Sie Ihren Partner für den letzten Test wieder am Tisch sitzen und die Augenbrille tragen. Diesmal testen Sie die taktile Reaktion. Sagen Sie Ihrem Partner, dass Sie die Schulter seines nicht dominanten Arms berühren, wenn Sie das Lineal loslassen.
  8. Geben Sie Ihrem Partner kein akustisches Signal, das Sie loslassen, nur eine einfache Berührung. Die Messung aufzeichnen und wie zuvor dreimal wiederholen, dann die Orte wechseln und wiederholen.
Hier ist die Tabelle für das erste Experiment:

Experiment 2: In dieser Phase testen Sie und Ihr Partner die visuellen und auditiven Reaktionszeiten mit zwei Linealen.

  1. Für den visuellen Teil dieses Experiments lassen Sie Ihren Partner wie zuvor als Tisch sitzen, aber halten Sie beide Hände über der Kante.
  2. Sie werden diesmal beide Lineale halten, anstatt nur eines.
  3. Sagen Sie Ihrem Partner, dass Sie nur ein Lineal loslassen werden, und er muss das richtige auswählen und so schnell wie möglich greifen ... Sagen Sie ihm, dass er nicht beide Hände drücken darf, nur eine.
  4. Wenn Sie bereit sind, zu beginnen, entscheiden Sie sich zufällig für ein Lineal, das Sie fallen lassen möchten. Egal welches, Sie führen diesen Test noch 3 Mal durch, aber sagen Sie Ihrem Partner niemals, welches Lineal Sie fallen lassen werden.
  5. Wieder wie zuvor Rollen wechseln und wiederholen.
  6. Abschließend testen wir noch einmal die Hörreaktion. Diesmal mit beiden Linealen.
  7. Bringen Sie sich mit beiden Linealen in die gleiche Position wie zuvor. Stellen Sie sicher, dass Ihr Partner die Augenschatten trägt.
  8. Sie werden dann fortfahren, "links" oder "rechts" zu sagen. Während Sie es sagen, lassen Sie das entsprechende linke oder rechte Lineal fallen. Ihr Partner muss entscheiden, welches Lineal er greifen soll, basierend auf dem akustischen Hinweis, den Sie geben: "links" oder "rechts". Ihr Partner muss nach wie vor nur eine Hand drücken.
  9. Zeichnen Sie die Messung auf und wiederholen Sie sie noch 3 Mal. Denken Sie daran, zufällig zu entscheiden, welches Lineal Sie fallen lassen möchten. Rollen wechseln und wiederholen.
Hier ist die Tabelle für das zweite Experiment:

In Ihrem Diagramm oben nehmen Sie alle Zentimetermaße, die Sie gesammelt haben, und rechnen die Maße in Zentimetern in Sekunden um. Dies zeigt Ihnen in Sekunden an, wie lange ein Objekt (das Lineal) braucht, um eine bestimmte Entfernung zu fallen. Die folgende Formel besteht aus drei Variablen.

Hier ist ein Beispiel für die verwendete Gleichung:

Es mag mühsam erscheinen, jede von Ihnen aufgezeichnete Zahl von Hand umzurechnen. Stattdessen erhalten Sie eine schnelle Tabelle, mit der Sie Ihre Zentimetermaße in Sekunden umrechnen können. In der Tabelle fehlen jedoch einige Werte. Sie müssen sie ausfüllen, um die Tabelle zu vervollständigen. Verwenden Sie die obige Gleichung, um den Rest des Diagramms auszufüllen. Wenn Sie versiert sind, können Sie dafür auch ein Computerprogramm entwerfen.

Nachdem Sie die Tabelle verwendet und Ihre Zentimetermaße in Sekunden umgerechnet haben, haben Sie die Reaktionszeit Ihres Lineals in Sekunden. Wenn Sie sich Ihre Daten ansehen, denken Sie vielleicht, wie Sie im Vergleich zur durchschnittlichen menschlichen Reaktionszeit stehen. Hier ist es! Die durchschnittliche Reaktionszeit für Menschen beträgt 0,25 Sekunden auf einen visuellen Reiz, 0,17 Sekunden auf einen Audioreiz und 0,15 Sekunden auf einen Berührungsreiz.


Bildungsniveau

Gegenstand

Einführung

Temperaturänderungen haben tiefgreifende Auswirkungen auf Lebewesen. Enzymkatalysierte Reaktionen reagieren besonders empfindlich auf kleine Temperaturänderungen. Aus diesem Grund wird der Stoffwechsel von Poikilothermen, Organismen, deren innere Körpertemperatur von ihrer Umgebung bestimmt wird, werden oft von der Umgebungstemperatur bestimmt. Bäcker, die beim Brotbacken Hefe verwenden, sind sich dessen sehr bewusst. Hefe wird verwendet, um Brot zu säuern (aufgehen lassen). Hefe säuert Brot durch Vergärung von Zucker, wobei Kohlendioxid, CO . entsteht2, als Abfallprodukt. Ein Teil der Kohlensäure wird vom Teig eingeschlossen und bildet kleine „Lufteinschlüsse“, die das Brot hell machen. Wenn die Hefe nicht richtig erwärmt wird, nützt sie nicht viel als Treibmittel, die Hefezellen verbrennen den Zucker viel zu langsam. In diesem Experiment werden Sie sehen, wie Hefezellen bei verschiedenen Temperaturen fermentieren (Zucker in Abwesenheit von Sauerstoff verbrennen) und ihre Fermentationsrate messen. Jedem Team wird eine Temperatur zugewiesen und ihre Ergebnisse werden mit anderen Klassenmitgliedern geteilt.

Sie beobachten die Hefe unter anaeroben Bedingungen und überwachen die Luftdruckänderung durch CO2 von der Hefe freigesetzt. Wenn Hefe Zucker unter anaeroben Bedingungen verbrennt, werden Ethanol (Ethylalkohol) und CO2 werden wie durch die folgende Gleichung gezeigt freigegeben:

Somit kann die metabolische Aktivität von Hefe gemessen werden, indem der Gasdruck im Reagenzglas überwacht wird. Wenn die Hefe aerob atmen würde, würde sich der Gasdruck im Reagenzglas nicht ändern, da Sauerstoffgas genauso schnell verbraucht würde wie CO2 ist hergestellt.

Ziele

In diesem Experiment wirst du

  • Verwenden Sie einen Gasdrucksensor, um die Druckänderung aufgrund des während der Atmung freigesetzten Kohlendioxids zu messen.
  • Bestimmen Sie die Fermentationsgeschwindigkeit von Hefe bei verschiedenen Temperaturen.

Sensoren und Ausrüstung

Dieses Experiment umfasst die folgenden Sensoren und Geräte. Zusätzliche Ausrüstung kann erforderlich sein.

Option 1

Option 2

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Praktische Aktivität Bakterien sind überall!

Abbildung 1. Diese bunten Bakterienkolonien wurden aus Bakterien auf menschlichen Händen gezüchtet.

Technische Verbindung

Das Wort Bakterien bringt oft negative Konnotationen im Zusammenhang mit Krankheit und Krankheit hervor. Viele Bakterien sind jedoch für den Menschen nützlich und auch nützlich (sogar essentiell). Bio-, Umwelt- und Biochemieingenieure müssen ein gründliches Verständnis der Bakterien haben, um diese Organismen bei der Entwicklung neuer Behandlungsmethoden für Krankheiten, einer besseren Beseitigung von Ölverschmutzungen und der Produktion alternativer Energieformen zu verwenden. Biochemie-Ingenieure modifizieren genetisch die DNA von Bakterien, um "Designerproteine" und Proteine ​​​​zu produzieren, die Krankheiten wie Krebs behandeln oder als neue Materialien dienen, die die Umwandlung von Sonnenenergie in nutzbaren Strom ermöglichen. Bakterien werden auch von Umweltingenieuren als umweltfreundliche Methode zur Verdauung verwendet (wörtlich: Essen) die Kohlenhydrate im Öl aus Offshore-Ölunfällen. Die Kenntnis der Wachstumsraten von Bakterien ist für diese Art von Ingenieuren unabdingbar, um die Mikroorganismen für den Menschen wertvoll zu nutzen und ökologisches Leben.

Lernziele

Nach dieser Aktivität sollten die Schüler in der Lage sein:

  • Beschreiben Sie die potenziell positiven und negativen Rollen, die Bakterien in unserem Leben spielen.
  • Bestimmen Sie anhand von Datenanalysen, wie wir Bakterien am besten von unseren Händen fernhalten können.
  • Plotten Sie Daten und bestimmen Sie ihre Bedeutung.
  • Erklären Sie allgemein, wo Bakterien zu finden sind.
  • Beschreiben Sie die Bedingungen und Anforderungen, die Bakterien zum Überleben brauchen.

Bildungsstandards

Jeder LehreEngineering Unterricht oder Aktivität korreliert mit einem oder mehreren K-12-Bildungsstandards für Naturwissenschaften, Technologie, Ingenieurwesen oder Mathematik (MINT).

Alle 100.000+ K-12 STEM-Standards abgedeckt in LehreEngineering werden gesammelt, gepflegt und verpackt von den Leistungsstandards Netzwerk (ASN), ein Projekt von D2L (www.achievementstandards.org).

Im ASN sind Standards hierarchisch strukturiert: zuerst nach Quelle z.B., nach Bundesland innerhalb der Quelle nach Typ z.B., Naturwissenschaften oder Mathematik innerhalb des Typs nach Untertyp, dann nach Klasse, etc.

NGSS: Wissenschaftsstandards der nächsten Generation - Wissenschaft

MS-LS1-1. Führen Sie eine Untersuchung durch, um nachzuweisen, dass Lebewesen aus Zellen bestehen, entweder aus einer Zelle oder aus vielen verschiedenen Anzahlen und Arten von Zellen. (Klassen 6 - 8)

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Der technische Fortschritt hat zu wichtigen Entdeckungen in praktisch jedem Wissenschaftsbereich geführt, und wissenschaftliche Entdeckungen haben zur Entwicklung ganzer Industrien und technischer Systeme geführt.

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MS-LS2-1. Analysieren und interpretieren Sie Daten, um Beweise für die Auswirkungen der Ressourcenverfügbarkeit auf Organismen und Populationen von Organismen in einem Ökosystem zu liefern. (Klassen 6 - 8)

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In jedem Ökosystem können Organismen und Populationen mit ähnlichem Bedarf an Nahrung, Wasser, Sauerstoff oder anderen Ressourcen miteinander um begrenzte Ressourcen konkurrieren, deren Zugang folglich ihr Wachstum und ihre Reproduktion einschränkt.

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Das Wachstum von Organismen und das Bevölkerungswachstum werden durch den Zugang zu Ressourcen begrenzt.

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Common Core State Standards - Math
  • Stellen Sie reale und mathematische Probleme dar, indem Sie Punkte im ersten Quadranten der Koordinatenebene grafisch darstellen, und interpretieren Sie die Koordinatenwerte von Punkten im Kontext der Situation. (Klasse 5) Mehr Details

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International Technology and Engineering Educators Association - Technologie
  • Die Biotechnologie wendet die Prinzipien der Biologie an, um kommerzielle Produkte oder Prozesse zu schaffen. (Klassen 6 - 8) Mehr Details

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Staatliche Standards
New York - Wissenschaft
  • Planen und führen Sie eine Untersuchung durch, um nachzuweisen, dass Lebewesen aus Zellen bestehen, entweder aus einer Zelle oder aus vielen verschiedenen Anzahlen und Arten von Zellen. (Klassen 6 - 8) Mehr Details

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Materialliste

  • 3 Petrischalen (10 cm Durchmesser) gefüllt mit tryptischem Soja-Agar siehe Zubereitungshinweise im Abschnitt Verfahren
  • 3 Wattestäbchen (1 pro Probe), einer pro Schüler
  • verschiedene Buntstifte und/oder Marker

Mit der gesamten Klasse teilen:

  • Waschbecken mit Handseife
  • Papiertücher
  • antibakterielles Gel
  • 75 ml tryptischer Soja-Agar (TSA) erhältlich für 31 US-Dollar (20-Kit-Lieferung) von Carolina Biological Supply Company unter: http://www.carolina.com/biological-media-kits/tryptic-soy-agar-media-kit/ 821040.pr?catId=&mCat=&sCat=&ssCat=&question=tryptic+soja+agar+media+kit
  • Digitalkamera und Computer
  • ImageJ®-Software kostenlos erhältlich unter http://rsbweb.nih.gov/ij/download.html

Arbeitsblätter und Anhänge

Mehr solcher Lehrpläne

Die Schüler betrachten die Bestandteile von Zellen und ihre Funktionen. Die Lektion konzentriert sich auf den Unterschied zwischen prokaryontischen und eukaryontischen Zellen.

Einführung/Motivation

Haben Sie schon einmal Schimmelflecken oder seltsam gefärbte Mikroorganismen in Ihrem Haus bemerkt? Diese seltsamen Organismen könnten sich in verdächtig aussehenden Lebensmitteln oder in einem rosa Ring um das Wasser in einer (schmutzigen) Toilettenschüssel gezeigt haben. Nun, Mikroorganismen sind überall um uns herum, und wir können sogar untersuchen, wie schnell Sie wachsen.

Am Ende dieser Aktivität wissen Sie, welche spezifischen Faktoren das Wachstum von Mikroorganismen wie Bakterien beeinflussen und welche Auswirkungen diese verschiedenen Faktoren auf Bakterien haben. Die Leute denken im Allgemeinen, dass Bakterien schlecht für uns oder schmutzig sind, aber in Wirklichkeit sind viele verschiedene Arten von Bakterien wichtig und nützlich für uns.

Wenn wir Bakterien genau untersuchen, stellen wir fest, dass sie faszinierende Organismen sind. Sie verfügen über besondere Eigenschaften, die sie zu idealen Organismen für Wissenschaftler und Ingenieure für ein breites Anwendungsspektrum von der Medizin bis hin zur Umwelt- und Energietechnik machen. Eine dieser Eigenschaften ist, dass Bakterien sehr schnell wachsen. Im Durchschnitt vermehren sich Bakterien alle 20 Minuten, was jedes Bakterium tut, indem es sich in zwei identische Kopien des Elternteils aufspaltet. Das bedeutet, dass aus einem Bakterium zwei werden, diese zwei in vier, die sich dann in acht teilen und so weiter. Wenn jeder Split nur 20 Minuten dauert, dauert es nicht lange, bis wir Millionen von Bakterien haben. Wissenschaftler nutzen dieses Wissen zu ihrem Vorteil, um große Mengen dieser Organismen für verschiedene Zwecke zu züchten. Ein weiteres wichtiges Merkmal von Bakterien ist, dass sie nicht viel brauchen, um zu gedeihen: Alles, was sie zum Wachstum brauchen, sind Luft, Wasser und eine Kohlenstoffquelle (wie Zucker). Verschiedene Bakterienstämme haben sich angepasst, um in sehr rauen Klimazonen wie großen Höhen, tief im Ozean und bei sehr kalten oder heißen Temperaturen zu überleben. All diese Funktionen ermöglichen es Wissenschaftlern und Ingenieuren, sie in einer Vielzahl von Anwendungen zu verwenden.

Diese Organismen beeinflussen nicht nur das Äußere und Innere unseres Körpers, sondern auch Bakterien wie E coli werden auch von Biochemikern und Ingenieuren verwendet, um wichtige Proteine ​​für therapeutische Zwecke herzustellen durch Biosynthese. Biosynthese bezieht sich auf den Prozess, bei dem Zellen wie Bakterien einfache Moleküle zu komplexeren zusammensetzen. Es ist der Prozess der Biosynthese, der E coli verwenden, um neue Proteine ​​herzustellen, die Pharmaunternehmen dann als Behandlungsmittel für verschiedene Krankheiten verkaufen.

Ingenieure fügen Biokraftstoff auch Bakterien hinzu, um nutzbare Energie zu erzeugen und Abfälle aus Gärungsnebenprodukten zu entfernen, während sie Strom erzeugen. Und Wissenschaftler und Ingenieure modifizieren verschiedene Arten von Bakterien, um Ölverschmutzungen zu beseitigen: Die Bakterien sind in der Lage, Ölverbindungen abzubauen, um die Entfernung aus Meeren und Ozeanen zu vereinfachen.

Diese Aktivität zeigt, dass Bakterien gefunden werden überall, überallhin, allerorts und dass es schwierig ist, Bakterien abzutöten, selbst nachdem wir uns die Hände gewaschen und ein antibakterielles Händedesinfektionsmittel aufgetragen haben. Mit der Bildverarbeitungssoftware ImageJ® werden Sie schätzen wie viele Bakterien, die von verschiedenen Oberflächen gesammelt wurden, wachsen im Laufe der Zeit.

Verfahren

Bei dieser Aktivität untersuchen die Schüler drei verschiedene Bedingungen, unter denen Bakterien gefunden werden, und vergleichen das Wachstum der einzelnen Bakterien aus jeder Quelle: 1) eine ungewaschene Hand, 2) eine mit Wasser und Seife gewaschene Hand und 3) eine mit antibakteriellen Mitteln desinfizierte Hand Handgel. Die Schüler nehmen unter jeder der drei Bedingungen Abstrichproben von den Händen eines ihrer Teammitglieder und streichen die Abstriche auf Petrischalen mit Agargel aus, das das Bakterienwachstum unterstützt. Nach einer Woche zeigen die drei Proben in Petrischalen Wachstum, was den Schülern die Möglichkeit gibt, die Menge der Bakterien, die bei jeder Testbedingung wachsen, quantitativ zu vergleichen.

Die quantitative Analyse dieser Proben anhand von Fotografien der Petrischalen zu verschiedenen Zeitpunkten erfolgt durch Analyse der Bilder mit einer speziellen Bildgebungssoftware. Neben der Überwachung der Bakterienmenge unter den verschiedenen Bedingungen zeichnen die Schüler auch das Wachstum der Bakterien im Laufe der Zeit auf, was ein hervorragendes Werkzeug ist, um die binäre Spaltung und die Vermehrung einzelliger Organismen zu untersuchen.

Bakterien sind einzellig Organismen, die sich durch einen Prozess namens . vermehren Zellteilung, was bedeutet, dass sich jedes einzelne Bakterium nach der Vervielfältigung seines genetischen Materials in zwei teilt. Diese Vermehrungsmethode ist asexuell, da das Bakterium das Erbgut eines Partners nicht benötigt, um sich fortpflanzen zu können. Bakterien sind prokaryotisch Organismen, was bedeutet, dass es sich um Zellen ohne Kern handelt. Die Zeit, die Bakterien benötigen, um die binäre Spaltung abzuschließen, beträgt im Durchschnitt 20 Minuten. Um zu wachsen, brauchen Bakterien drei Dinge: Wasser, Luft und eine Kohlenstoffquelle (zum Beispiel Zucker). Die meisten Bakterien wachsen bei einer Temperatur von 37 °C oder 98,6 °F (der Temperatur eines gesunden menschlichen Körpers) optimal. Bakterien können in den unterschiedlichsten Umgebungen wachsen, und da sie keine Photosynthese, sie können mit oder ohne Sonnenlicht wachsen.

Forscher verwenden zwei Methoden, um Bakterien zu zählen:

  • Strahlen Sie ein Licht durch ein flüssiges Medium, in dem Bakterien wachsen, und messen Sie, wie viel Licht von der Probe gestreut wird. Mehr Streuung bedeutet mehr Bakterien.
  • Verwenden Sie einen Zellzähler, der eine an ein Mikroskop angeschlossene Software verwendet, um eine Medienprobe mit Bakterien zu untersuchen. Die Software zählt die Anzahl der Bakterien.
  • Sammeln Sie Materialien und machen Sie Kopien der Arbeitsblätter und Vor-/Nachbewertungen.
  • TSA-Platten vorbereiten: Zubereitungshinweise: 10 g tryptisches Soja-Agar (TSA) zu 250 ml Wasser in einem mikrowellengeeigneten Gefäß geben. Erhitze die Lösung etwa 3 Minuten lang (bis sie kocht). Gießen Sie die heiße Lösung in die Petrischalen, sodass Sie den Boden gerade vollständig bedecken. Petrischalen 20 Minuten stehen lassen, während der Agar fest wird. (Hinweis: 250 ml TSA-Lösung lassen 30 Petrischalen die Mengen entsprechend anpassen, je nachdem, wie viele Gerichte Sie zubereiten möchten.)
  • Beschriften Sie drei Petrischalen für jede Gruppe, indem Sie mit einem Marker die Gruppennummer/-name und die Klasse auf die Deckel schreiben. Vermerken Sie außerdem deutlich auf jedem der drei Deckel: ungewaschen, gewaschen, desinfiziert.

Abbildung 2. Schüler streichen Platten mit Probenbakterien an ihren Händen aus.

Informieren Sie die Schüler, dass Bakterienproben von der Oberfläche ihrer Hände gesammelt werden und die Bakterien im Laufe der Zeit wachsen. Um experimentelle Fehler zu reduzieren, nehmen Sie Proben von nur einer Schülerhand, jedoch unter drei verschiedenen Bedingungen:

  • ungewaschene Hände
  • Handwäsche mit Seife und Wasser
  • Händedesinfektion mit antibakteriellem Handgel

Teil I: Streifen auf den Platten

  1. Weisen Sie die Schüler an, in jeder Gruppe einen Schüler für jede der folgenden Rollen auszuwählen: Beispielschüler (liefert die Handmuster), Schwabber (sammelt die Tupferproben), die Aufsicht (Stellt sicher, dass die richtige Petrischale verwendet wird) und die Unterlegscheibe (überwacht das Waschen und Desinfizieren der zweiten Hand des Musterschülers). Hinweis: Um experimentelle Fehler zu reduzieren, ist es wichtig, dass alle Proben von derselben Person stammen.
  2. Verteilen Sie drei vorbeschriftete Petrischalen an jede Gruppe. Bitten Sie die Schüler, zu beachten, wie jeder Deckel beschriftet ist.
  3. Weisen Sie die Schüler an, mit der „ungewaschenen“ Petrischale zu beginnen. Ein zweites Gruppenmitglied des Musterschülers, der Tupfer, sollte vorsichtig mit einem Wattestäbchen über die Handfläche dieses Schülers reiben. Achten Sie darauf, dass der Tupfer das Wattestäbchen nicht ablegt.
  4. The Supervisor, a third group member, should open the "unwashed" Petri dish containing agar.
  5. The Swabber should gently rub the cotton swab sample taken from the unwashed hand back and forth on the agar. Remind Swabbers to be very careful not to apply too much pressure when doing this, so as to not tear the agar.
  6. The Supervisor should close the Petri dish.
  7. Instruct the fourth group member, the Washer, to carefully wash einer hand of the Sample Student's hands with soap and water. (Note: Groups should approach the sink one at a time to avoid cross contamination.)
  8. The Swabber and Supervisor should repeat steps 4-6 for this hand being careful to streak the dish labeled "washed."
  9. Finally, the Washer should apply hand sanitizer to the Sample Student's other hand (the hand that was not washed in the previous step). Allow the hand to air dry until all gel has evaporated.
  10. Instruct students to repeat Steps 4-6 for this hand, except being careful to streak the plate labeled "sanitized" this time.

If computing resources are limited, collect the data and demonstrate to the class how this part of the activity is done.

If computing resources permit, and students are able to process the images themselves, present the following ImageJ® instructions to them.

    Take a photo of each plate approximately four days after streaking. Save each file to your computer, naming it descriptively (such as, "unwashed_day4.jpg" or "sanitized_day5.jpg"). Figure 3. ImageJ® analyzes the size of the circular black particles (colonies) and expresses it as a fraction of the area analyzed.

Vocabulary/Definitions

aerobic respiration: Respiration that requires oxygen.

anaerobic respiration: Respiration that does not require oxygen.

bacteria: A unicellular microorganism with no nucleus.

colony: A visible cluster of bacteria.

eukaryotic: A cell that has a nucleus.

fission: One cell divides into two, which is how bacteria reproduce.

photosynthesis: Converting light energy into chemical energy to fuel an organism's activities.

prokaryotic: A cell that lacks a nucleus.

Bewertung

Pre-Activity Survey – Instruct students to individually complete Pre-Assessment Bacteria Surveys. Review their answers to gauge their comprehension.

Arbeitsblatt – Have students use the Where's My Bacteria? Worksheet to guide the activity. They should work on the worksheets within their groups only, no sharing of answers across groups. And, each student should complete his/her own worksheet. Review their data, graphs and answers to gauge their mastery of the subject matter.

Post-Activity Survey – Instruct students to individually complete Post-Assessment Bacteria Surveys. Review their answers to gauge their depth of comprehension.

Sicherheitsprobleme

  • As soon as the plates have been streaked and the Petri dish lid replaced, apply two pieces of tape to keep the lids connected however any closure sollte nicht be made air-tight.
  • Keep the Petri dish plates away from students until the time of data analysis. No student, at any time, should touch the agar or the bacteria. When taking pictures, open the lid briefly and replaced it immediately.
  • When the activity is complete and pictures have been taken of all samples, immediately discard the Petri dishes in a trash container that is securely away from the student population.

Tipps zur Fehlerbehebung

For optimal bacterial growth, place the Petri dishes in well-ventilated warm locations, between 22 ⁰C (72 ⁰F) and 37 ⁰C (99 ⁰F.)

Aktivitätsskalierung

  • For lower grades, omit analysis of the images and simply examine the bacterial growth by eye. Compare the three samples to each other to obtain a relative quantization of the amount of bacterial growth in the Petri dishes.
  • For upper grades, take images of the samples more frequently for quantifiying and plotting. Expect the resulting plots to show an exponential growth of bacteria over time. Mathematically fit the data exponential curves and perform regression to determine how closely the experimental data matches the theoretical predictions.

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Mitwirkende

Supporting Program

Danksagung

This activity was developed by the Applying Mechatronics to Promote Science (AMPS) Program funded by National Science Foundation GK-12 grant no. 0741714. However, these contents do not necessarily represent the policies of the NSF, and you should not assume endorsement by the federal government.

Additional support was provided by the Central Brooklyn STEM Initiative (CBSI), funded by six philanthropic organizations.


Hormone are the messenger molecules of the endocrine system. Endocrine hormones travel throughout the body in the blood. However, each hormone affects only certain cells, called target cells. EIN target cell is the type of cell on which a hormone has an effect. A target cell is affected by a particular hormone because it has receptor proteins that are specific to that hormone. A hormone travels through the bloodstream until it finds a target cell with a matching receptor it can bind to. When the hormone binds to a receptor, it causes a change within the cell. Exactly how this works depends on whether the hormone is a steroid hormone oder ein non-steroid hormone.

Steroid Hormones

Steroid hormones are made of lipids, such as phospholipids and cholesterol. They are fat soluble, so they can diffuse across the plasma membrane of target cells and bind with receptors in the cytoplasm of the cell (see Abbildung unter). The steroid hormone and receptor form a complex that moves into the nucleus and influences the expression of genes, essentially acting as a transcription factor. Examples of steroid hormones include cortisol and sex hormones.

A steroid hormone crosses the plasma membrane of a target cell and binds with a receptor inside the cell.

Non-Steroid Hormones

Non-steroid hormones are made of amino acids. They are not fat soluble, so they cannot diffuse across the plasma membrane of target cells. Instead, a non-steroid hormone binds to a receptor on the cell membrane (see Abbildung unter). The binding of the hormone triggers an enzyme inside the cell membrane. The enzyme activates another molecule, called the second messenger, which influences processes inside the cell. Most endocrine hormones are non-steroid hormones, including insulin and thyroid hormones.

A non-steroid hormone binds with a receptor on the plasma membrane of a target cell. Then, a secondary messenger affects cell processes.


Keeping Track of Your Experiment

This experiment requires that you keep good records, since you'll be working with so many people. Be sure to record your data accurately as each person participates.

This first chart is the one on which you'll record information about each participant.

On the second chart, you'll record the average scores of each age group. Once you've averaged the scores of each group, you can make a bar graph illustrating that information.

Once you've averaged the scores of each age group, it shouldn't be difficult to use that information to make a bar graph.


Schau das Video: Homöostase beschreibt einen ausgeglichenen Zustand deines Körpers (Januar 2023).