Springer-Lehrbuch Das Erste – kompakt Herausgeber Jesko Priewe Daniel Tümmers Konzept PD. Dr. Dr. Oliver Friedrich Jesko Priewe Daniel Tümmers Weitere Titel dieser Reihe: Friedrich, Physiologie – GK1 978-3-540-36479-5 Krantz, Biochemie – GK1 978-3-540-36470-2 Schön, Medizinische Psychologie und Soziologie – GK1 978-3-540-36361-3 Witt, Anatomie – GK1 978-3-540-36367-5 Priewe/Tümmers (Hrsg.), Das Erste Kompendium Vorklinik 978-3-540-32877-3 Jürgen Ernst, Sven Krantz, Martin Witt Chemie Physik Biologie – GK1 Mit 152 Abbildungen und 32 Tabellen 123 Prof. Dr. Jürgen Ernst Prof. Dr. Sven Krantz Auf dem Uhlberg 2 Universität Greifswald 53127 Bonn Institut für Med. Biochemie u. Molekularbiologie Sauerbruchstraße 17487 Greifswald Prof. Dr. med. Martin Witt TU Dresden Institut für Anatomie Fetscherstraße 74 01307 Dresden Reihenherausgeber: Jesko Priewe Daniel Tümmers medicu(r)s GbRmbH Hauptstraße 580 53347 Alfter [email protected] ISBN-13 978-3-540-36485-6 SpringerMedizin 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. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig. Sie ist grundsätz- lich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen des Urheberrechtsgesetzes. Springer Medizin Verlag springer.de © Springer Medizin Verlag Heidelberg 2007 Produkthaftung: Für Angaben über Dosierungsanweisungen und Applikationsformen kann vom Verlag keine Gewähr übernommen werden. Derartige Angaben müssen vom jeweiligen Anwender im Einzelfall anhand ande- rer Literaturstellen auf ihre Richtigkeit überprüft werden. 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: Renate Scheddin, Kathrin Nühse, Heidelberg Projektmanagement: Sigrid Janke, Heidelberg Lektorat: Dr. med. Susanne Meinrenken, Freiburg Layout und Umschlaggestaltung: deblik Berlin Satz: Fotosatz-Service Köhler GmbH, Würzburg SPIN 11796756 Gedruckt auf säurefreiem Papier 15/2117 – 5 4 3 2 1 0 V Vorwort DIE Klippe im Medizinstudium ist und bleibt das Physikum, oder wie es nunmehr seit kurzer Zeit genannt wird, das erste Staatsexamen. Wir widmen uns seit mittlerweile knapp fünf Jahren der professionellen Bewältigung dieser Hürde, indem wir medicu(r)s – ein Repetitorium für Medizinstudenten – gegründet und seit dieser Zeit schon zahlreiche Studenten erfolgreich durch die Vorbereitung und die anschließende Prüfung geleitet h aben. Im Jahr 2004 kam der Springer Verlag mit der Bitte auf uns zu, Fachbücher zur Prüfungsvorbe- reitung auf das neue erste Staatsexamen zu erarbeiten. Wir haben unsere Zusage an die Bedingung geknüpft, dass die Bücher sowohl enge klinische Bezüge enthalten müssen, als auch durch eine sinnvoll dosierte Didaktik geprägt sein sollen. Beide Aspekte haben in diesem Buch ihre Umsetzung auf besondere Weise gefunden: Zum einen stellen unsere Klinikboxen schon erste klinische Bezüge her. Zum anderen bieten die Mindmaps einen strukturierten Überblick über den Inhalt der jeweiligen Kapitel und die Merke-Boxen, sowie Prüfungsfallstricke geben eine Gewichtung vor, worauf Sie in der Vorbereitung besonders achten sollten. Dieses Buch ist streng nach dem aktuellen GK1 gegliedert, um Ihnen, liebe Leser, den Weg zu ebnen, sich strukturiert vorzubereiten, ohne einen thematischen Aspekt zu übersehen oder zu vernachlässigen. Wir möchten uns in diesem Zusammenhang bei unseren Autoren Herrn Prof. Dr. Ernst, Herrn Prof. Dr. Krantz und Herrn Prof. Dr. Witt für die gute und vertrauensvolle Zusammenarbeit bedanken. Des Weiteren möchten wir uns beim Springer Verlag bedanken, der letztlich das Erscheinen des Buches ermöglicht hat. Hier danken wir insbesondere Frau Kathrin Nühse für die stets gute und konstruktive Zusammenarbeit und Frau Sigrid Janke für das professionelle Projektmanagement. Zum Schluss danken wir unseren Ehefrauen Nadine und Petra für ihren Rückhalt, ihre Geduld und häufige Rücksichtnahme. Unser großer Wunsch ist es, dass Ihnen, liebe Leser, dieses Buch bei der Bewältigung Ihrer Prüfung hilft und Sie sich im Nachhinein gerne an die »Zeit des Lernens und Leidens« zurückerinnern. Bonn, Juli 2006 Daniel Tümmers und Jesko Priewe Wir Autoren des vorliegenden Repetitoriums der Physik, Chemie und Biologie für Mediziner haben uns der Aufgabe gestellt, die vom GK1 geforderten naturwissenschaftlichen Grundkenntnisse mög- lichst übersichtlich darzustellen und ihre Bedeutung für die Medizin durch typische Anwendungsbei- spiele aus Medizin und Alltag anschaulich zu machen. Wir glauben, dass uns dazu unsere langjährige Erfahrung mit der Problematik befähigt, wie man den eigentlich fachfremden Medizinern das für sie Wichtige in unseren Fächern durch Vorlesungen und Praktika vermittelt. Als involvierte Dozenten in dem von den Herausgebern angebotenen Repetitorium für Medizinstudenten war es für uns deshalb besonders reizvoll, unsere dort verwendeten Skripte nochmals genau nach dem GK1 zu überarbeiten und in Buchform herauszubringen. Wir hoffen, den mit Wissensstoff von so viel Fächern überhäuften Medizinstudenten mit diesem Band nicht nur einen knappen und zugleich anregenden Leitfaden für »Das Erste« geben zu können, sondern auch einen bleibenden Zugang zu aktuellen und allgemeinen naturwissenschaftlichen Fragestellungen. Wir danken Frau Susanne Meinrenken für das kompetente Lektorat. Bonn, Greifswald und Dresden, August 2006 Jürgen Ernst, Sven Krantz und Martin Witt Die Herausgeber Jesko Priewe geboren 1974 in Bonn-Bad Godesberg, verheiratet. Studium der Humanmedizin an der Ruhr-Universität-Bochum und der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Studium der Gesundheitsökonomie, Akademie Prof. Dr. Braunschweig, Köln. 2003 Gründung der Firma medicu(r)s GbRmbH. Geschäftsführer der medicu(r)s GbRmbH von 2003 bis heute. Seit 2006 Tätigkeit in der Klinik für Innere Medizin am Marienhospital Euskirchen. Herausgeber des Bandwerkes »Das Erste – kompakt« mit den Einzelwerken: »Chemie, Physik, Biologie«; »Biochemie«; »Medizinische Psycho- logie und Soziologie«; »Anatomie«; »Physiologie«. Herausgeber des Kompendiums »Das Erste – kompakt . Kompendium Vorklinik« im Springer-Verlag Heidelberg. Daniel Tümmers geboren 1976 in Hamm, verheiratet. Studium der Humanmedizin an der Universität Bochum von 1998 bis 2002. Studium der Biologie, Germanistik und Pädagogik an der Universität Essen von 2002 bis 2006. 2003 Gründung der Firma medicu(r)s GbRmbH. Geschäftsführer der medicu(r)s GbRmbH von 2003 bis heute. 2006 Staatsarbeit zum Thema: »Das Arzt-Patienten-Gespräch«. Herausgeber des Bandwerkes »Das Erste – kompakt« mit den Einzelwerken: »Chemie, Physik, Biologie«; »Biochemie«; »Medi- zinische Psychologie und Soziologie«; »Anatomie«; »Physiologie«. Herausgeber des Kompendiums »Das Erste – kompakt . Kompendium Vorklinik« im Springer-Verlag Heidelberg. VII Der Autor Jürgen Ernst geboren 1936 in Nürnberg. Studium der Physik an den Universitäten Erlangen und Heidelberg, 1965 Promotion mit experimenteller Arbeit am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg. 1966 Assistent am Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. 1971 Habilitation, 1980 Ernennung zum Professor C3. Längere Forschungsaufenthalte an Beschleunigerlaboratorien in Berkeley CA, Rochester N.Y., Vancouver B.C. und Orsay bzw. Saclay bei Paris. Lehrtätigkeit: u. A. Atom- und Kern- physik für Nebenfächler, insbesondere Biologen, Einführung in die Physik für Me- diziner, Zahnmediziner und Pharmazeuten, Leitung zugehöriger Physikpraktika. Sven Krantz 1940 in Gotenhafen geboren, Medizinstudium von 1959-65 an der Ernst Moritz Arndt- Universität Greifswald, seit 1966 am Institut für Biochemie in Greifswald, Promotion 1965, Habilitation 1976, Facharzt für Biochemie 1971, 1980 Berufung zum Professor, 2005 Eremetierung. Martin Witt geboren 1956 in Göttingen. Studium der Humanmedizin in Turin, Graz und Hamburg. 1984-1994 am Anatomischen Institut Tübingen, dort Promotion und Habilitation für Anatomie. 1994 bis 2005 am Institut für Anatomie an der Technischen Universität Dresden, seitdem im Interdisziplinären Zentrum für Riechen und Schmecken der Medizinischen Fakultät der TU Dresden. Forschungsaufenthalte an der Bowman Gray University (Winston-Salem, NC) und Tokyo University (Faculty of Frontier Sciences). Verheiratet mit einer Historikerin; zwei Kinder, die auf keinen Fall Ärztinnen werden wollen. Hobby: Verirren in der Dresdner Heide. Chemie Physik Biologie: Das neue Lehrbuch Mind Map: grafische Übersicht der wich- tigsten Kapitelin halte, kombiniert mit einer 120 Kapitel 8 · Ionisierende Strahlung Zusammen fassung 8 Ionisierende Strahlung Mind Map Im Jahr 1896 entdeckte Henri Becquerel die Radio- uranyl sulfat lag. 110 Jahre danach kann man geringste aktivität von Uran mit den damals rätselhaften α-, β- Spuren ionisierender Strahlung nachweisen, wobei dies und γ-Strahlen. Die Aufklärung der Natur dieser in der Dosimetrie heute immer noch über die Schwär- Strahlen erschloss in den Folgejahren neue Gebiete, zung von Filmmaterial funktioniert. In der Röntgendia- die Atom-, Kern- und Elementarteilchenphysik. Die Ra- gnostik hingegen wird der Film mehr und mehr durch dioaktivität verschiedenster Substanzen ermöglicht digitale Aufzeichnung ersetzt. heute eine Vielzahl von Detektionsverfahren wie z. B. In der Medizin muss bei allen Anwendungen von die Szintigraphie. ionisierenden Strahlen immer der Kompromiss zwi- k die imIm d Jeauhtrs 1c8h9e5n eSnptrdaechckrateu mW inlhaeclhm i hKmon braedn aRnönntteg en sfücrh Peant Nieunttzeenn, aubnedr Sncahtüadrleicnh g aeuscuhc fhütr w dearsd mene.d Dizieinsi sgcihlte Leitsystem: si RHöilfnstmgiettneslt draehr lmene.d Siizei nsiisncdh seeni tDdieamgn uonsetinkt ubnedh rTlihcehreasp ie. 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Sie können Folge sein von: 4 Basensubstitution: Ersatz einer Base durch eine andere (Punktmutation), 4 Basendeletion; Nucleotide gehen verloren, 4 Baseninsertion: neue Basen werden zusätzlich ein- gefügt, 4 ungleichem Crossing over (Genkonversion): Ein Aufzählungen: Lern- Genabschnitt eines Chromosoms wird als Bruch- inhalte übersichtlich stück beim Crossing-over in das homologe Chro- mosom eingefügt (Duplikation). präsentiert 2.5.2 Folge von Genmutationen 5.1.3 Coulomb-Kraft Die Folge von Genmutationen ist eine verringerte oder Elektrisch geladene Körper üben anziehende Kräfte fehlende Synthese der mRNA und damit Verände- aufeinander aus, wenn sie ungleichnamig geladen sind, rungen der Aminosäuresequenz der jeweiligen Poly- während sich gleichnamig geladene abstoßen. Dies peptidkette. Falls die Promotorregion gestört wird, Verhalten drückt das Coulombsche Gesetz quantitativ wird das gesamte Gen inaktiviert. Bei Veränderungen aus, wobei wie bei der Gravitation (7 Kap. 2) die Kraft des Stop-Codons entsteht ein abnormal langes oder umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes verkürztes Protein. zwischen den punktförmig gedachten Ladungen ist: KLINIK F= 1 Q1◊Q2[N]; Ein schönes Beispiel für eine Punktmutation ist die 4pe0◊e r122 autosomal-rezessiv vererbte Sichelzellanämie. Der Austausch der Aminosäure Val gegen Glu in der Gleichungen, Carbonsäuren sind Kohlenwasserstoffverbindungen H ämoglobin-β-Kette (HbS) führt zu abnormer Sauer- Formeln, Gesetze mit einer Carboxylgruppe (–COOH). Die Carboxyl- stoffbindungskapazität und Formveränderungen und Theoreme gruppe dissoziiert ein Proton ab und geht in das Carbo- des Erythrozyten bei Desoxygenierung. Massiver xylatanion COO– über. Dieses Anion ist Mesomerie-sta- Abbau der Erythrozyten in der Milz führt zu anä- bilisiert. Carbonsäuren sind schwache Elektrolyte. Die mischen Krisen. Selektionsvorteil der Erkrankten Azidität aliphatischer Carbonsäuren ist geringer als die besteht in höherer Resistenz gegenüber Malaria. aliphatischer Sulfonsäuren. . Abb. 2.11. Carbonsäurederivate Klinik-Box: klinisch relevantes Wissen für die Praxis Navigation: Seitenzahl Inhaltliche Struktur: und Kapitelnummer klare Gliederung durch für die schnelle Orien- alle Kapitel tierung 7 121 7.2 · Geometrische Optik . Tab. 7.2. Brechzahl von Stoffen STPD und Grenzwinkel der Totalreflexion zu Luft für gelbes Na-Licht der Wellenlänge = 589 nm Tabelle: klare Über- Feststoff n αTR Fl. Stoff, Gas n αTR sicht der wichtigsten Eis 1,310 49,8° Luft 1,0003 − Fakten Quarzglas 1,459 43,3° Wasser 1,333 48,6° Flintglas 1,613 38,3° Benzol 1,501 41,8° Diamant 2,417 24,4° Methyleniodid 1,628 37,9° 7.2.2 A bbildung durch Reflexion spiegel von Kraftfahrzeugen, da sie einen großen Raum- an Spiegeln winkel erfassen. Auf die Gesetze der Abbildung mit Konkav- und Konstruiert man nach dem in 7 Kapitel 6.2.3 bespro- Konvexspiegeln und ihre Bildfehler wird hier nicht chenen Reflexionsgesetz »Einfallswinkel = Ausfalls- n äher eingegangen, da sie im Prinzip dieselben sind wie winkel« die von einzelnen Punkten eines Gegenstandes für Linsen (s. u.). ausgehenden Lichtstrahlen, so findet man bei einem ebenen Spiegel Folgendes: die reflektierten Strahlen Merke scheinen von einem Abbild des Gegenstandes herzu- Ebener Spiegel: Bild virtuell, hinter dem Spiegel Merke: das Wich- kommen, das in gleichem Abstand wie der Gegenstand im gleichen Abstand wie Gegenstand. tigste auf den Punkt hinter der Spiegelfläche zu stehen scheint. Generell Konkaver Spiegel: Brennweite f=R/2, R Krüm- nennt man solche Abbildungen virtuell, da man am mungsradius; für Gegenstandsweite g<f Bild vir- gebracht vermeintlichen Ort des Bildes es nicht durch eine Matt- tuell und vergrößert. scheibe oder einen Film aufnehmen oder sichtbar Konvexer Spiegel: Brennweite f=-R/2; für Gegen- machen kann. Bekanntlich erscheint bei einfacher Spie- standsweite g>0 Bilder stets virtuell und ver- gelung im virtuellen Bild immer rechts und links gegen- kleinert. über dem Original vertauscht. e0=8,854◊10-12As/(Vm) ist die Dielektrizitätskon- Doppelbindungen, die mehr als 9 C-Atome von der stante,εdiePermittivitätszahl, die angibt, um welchen Carboxylgruppe entfernt sind, werden durch Dehy- Faktor sich die Kraftwirkung abschwächt, wenn der drierungen nicht eingeführt. Raum zwischen den Ladungen mit nichtleitendem Für die Nomenklatur der C-Atome und Doppel- Stoff (Dielektrikum) gefüllt ist. Für Vakuum ist ε = 1. bindungen in Fettsäuren gelten folgende Regeln: Zwei gleich große Ladungen q mit ungleichem Vorzei- 4 das C-Atom 1 ist die Carboxylgruppe; 4 das der Carboxylgruppe benachbarte C-Atom 2 wird als α-C-Atom, die folgenden als β-,γ- usw. bezeichnet. Die endständige Methylgruppe erhält die Kennzeichnung ω; 4 die Stellung einer Doppelbindung wird durch das Symbol Δ gekennzeichnet. Die Zählung beginnt am C1 der Carboxylgruppe. a Prüfungsfallstricke Prüfungsfallstricke: Unter der Bezeichnung ω3 oder ω6 werden unge- hilft erfolgreich sättigte Fettsäuren aufgeführt, die eine Doppel- durch die Prüfung bindung 2 oder 5 Stellen vor der ω-endständigen Methylgruppe enthalten. Schlüsselbegriffe: Harmonische Schwingungen Man nennt eine Schwingung harmonisch, wenn die sind fett bzw. kursiv schwingende Größe durch die folgende Sinusfunktion hervorgehoben beschrieben werden kann: . Anschaulich beschreibt diese Gleichung die Projek- tion eines Punkts auf die y-Achse, während sich der Punkt gleichmäßig auf einem Kreis um den Ursprung b bewegt (. Abb. 1.5). Die in . Tabelle 2.3 eingeführten .Di pAoblsb .m 5i.t1 Dai,pbo. lmDiopmole: nat S p(cid:2)ch=eqm¥a(cid:2)lt;i sbc hDeip Doal rdsetes lWluansgs eerimneosl e- pWheycshiksaellsistcrohmen iGn r7öß Keanp,i tdeile 5 a.1u0c hb zeunru tBzet swcherrediebnu,n gge lvtoenn küls, schematisch. (Harten 2006) auch hier. Zahlreiche Abbildungen: Verweis auf Abbildungen veranschaulichen komplizierte und Tabellen: deutlich und komplexe Sachverhalte herausgestellt und leicht zu finden
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