Biologie für die Sekundarstufe II (Fachoberschule, Fachgymnasium, Gymnasium)

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1 Biologie für die Sekundarstufe II (Fachoberschule, Fachgymnasium, Gymnasium) - Genetik - Autor: L. Drews A B E C D (c,p)'98 lsp: dre V (2014) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp:dre

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3 Inhaltsverzeichnis: Seite 0. Vorbemerkungen... 5 Kapitel-Quellen und weiterführende Links: Vererbung auf Organismen- und Zell-Ebene das Wirken MENDELs MENDELs Versuche mit einzelnen reinerbigen Merkmalen MENDELs Versuche mit bestimmten mischerbigen Merkmalen MENDELs Versuche mit mehreren reinerbigen Merkmalen Zusammenfassung (MENDELsche Regeln): Exkurs: Betrug in der Wissenschaft Weiterentwicklung der MENDELschen Vererbungslehre Abweichungen von den MENDELschen Regeln Vererbung mehrerer Allele Kodominanz Lokalisierung der Erbinformationen die Chromosomen Exkurs: Gibt es ein gemeinsames Chromosom aller Eucyten? Weitergabe und Verteilung der Erbinformation Chromosomentheorie der Vererbung Mitose (Kern-Teilung, Zell-Teilung) Meiose (Reife-Teilung, Reduktions-Teilung) Zusammenspiel von Mitose und Meiose beim Menschen Exkurs: Krebs Zellwachstum außer Kontrolle nicht über den Zellkern vererbte Merkmale die moderne klassische Genetik Thomas Hunt MORGAN und das neue Lieblings-Tier der Genetiker Lokalisierung der vererbten Merkmale auf den verschiedenen Chromosomen Überprüfung der Gültigkeit der MENDELschen Regeln Überprüfung der 1. MENDELschen Regel Überprüfung der 2. MENDELschen Regel Überprüfung der 3. MENDELschen Regel Bestimmung der (genauen) Merkmals-Orte auf den Chromosomen Exkurs: Drei-Punkt-Methode zur Bestimmung der relativen Lage der Gen-Orte Pleiotropie / Polyphänie Polygenie / multiple Faktoren letale Merkmale springende Gene weitere Vererbungs-Phänomene x. extrachromosomale Vererbung x.1. plastidische extrachromosomale Vererbung x.2. mitochondrale extrachromosomale Vererbung Vererbung beim Menschen Human-Genetik Vererbung des Geschlechts Vererbung einfacher gut beobachtbarer Merkmale x. Schmecker und Nicht-Schmecker für Phenylthioharnstoff Vererbung der Blutgruppen beim Menschen kurze Einführung in die Immunologie Vererbung der AB0-Blutgruppen Vererbung des Rhesus-Faktor Vererbung der MN-Eigenschaften Vererbung des Kell-Merkmals Vererbung der Rot-Grün-Blindheit Exkurs: Originaltext zur Farbenblindheit BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

4 weitere Erbgänge beim Menschen pleiotrope Vererbung polygene Vererbung weitere autosomal-dominante Erbgänge weitere autosomal-rezessive Erbgänge weitere gonosomal-dominante Erbgänge weitere gonosomal-rezessive Erbgänge intermediäre Erbgänge letale Faktoren Früh-Erkennung und Nachweis von vererbten Krankheiten Zwillings-Forschung Exkurs: der Intelligenz-Quotient (IQ) Speicherung der Erbinformation die DNS submikroskopische Lokalisierung der Erbinformationen Exkurs: Bau und chemische Struktur von Proteinen Replikation der DNA (Reduplikation) Realisierung der Erbinformationen die Ein-Gen-ein-Protein-Hypothese die Transkription: mrna-biosynthese bei Bakterien (Übersicht) die Umsetzung der Erbinformationen in die Stoffwechsel-Welt Exkurs: ein Verständnis-Modell für Replikation, Transkription und Translation Protein-Biosynthese die Translation weitere Bilder zum Thema: Exkurs: Bedeutung der Proteine für das Leben Protein-Biosynthese bei Bakterien (Übersicht) Exkurs: Alternatives Splicing Gen-Regulation einfache Vorstellungen zur Gen-Regulation das Operon-Modell der Gen-Regulation Exkurs: Transkription im Detail das Lac-Operon Exkurs: Transkription im Detail das Trp-Operon Exkurs: Lac-Operon die Zweite (camp-steuerung) BRITTON-DAVIDSON-Modell der Gen-Regulation Hox-Gene Regulation der Genaktivität durch die MikroRNA Was bestimmt unser Leben die Gene oder die Umwelt? x. Zwillings-Forschung Differenzierung von Zellen Differenzierung pflanzlicher Zellen Differenzierung tierischer Zellen Exkurs: Modell-Organismus Caenorhabditis elegans Veränderung von Merkmalen variable Ausprägung vererbter Merkmale Modifikation besondere Beispiele für Modifikationen Mutationen Mutations-Beispiele bei Pflanzen Mutations-Beispiele bei Tieren Mutations-Beispiele bei Menschen besonders wirksame Mutagene weitere spezielle Mutationen beim Menschen und ihre physiologischen Konsequenzen Reparatur-Mechanismen für bestimmte DNS-Schäden x. Rück-Mutation x. Excisions-Reparatur von Dimeren BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

5 8.3.x. Reparatur-Mechanismen beim Menschen weitere Fach-Gebiete der Genetik Populations-Genetik das HARDY-WEINBERG-Gesetz / das HARDY-WEINBERG-Gleichgewicht das HARDY-WEINBERG-Gleichgewicht für intermediäre Erbgänge das HARDY-WEINBERG-Gleichgewicht für Erbgänge mit Letalfaktoren der Einfluss der Selektion auf das HARDY-WEINBERG-Gleichgewicht Verhaltens-Genetik moderne genetische Methoden, Theorien und Erkenntnisse x. Züchtung x. Klonen x. Viren die ersten Gentechniker x.x. Viren gegen Krebs x. Gen-Therapie x. Gen-Technik(en) x.x. PCR - Polymerase-Kettenreaktion x.x. Aufklärung der Nucleotid-Sequenzen / Aminosäure-Sequenzen x. der genetische Fingerabdruck (DNA-Fingerprint) x. Aufklärung der vollständigen Erbinformationen x.1. Nachweis von Mutterschaft und Vaterschaft x.1. Human-Genom-Projekt x.x. der genetische Stammbaum x. auf der Suche nach Adam und Eva x. grüne Gen-Technik x. transgene Organismen x. genetische Prägung x. das Alterungs-Gen oder die Suche nach ewigem Leben x. Stammzellen-Forschung kurze Geschichte der Vererbungslehre(n) Literatur und Quellen BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

6 0. Vorbemerkungen Die Namen von Wissenschaftlern oder Autoren bzw. deren Namen in abgeleiteten Begriffen werden in diesem Skript in Großbuchstaben geschrieben. So wird dann schnell klar ob der KOCH ein Wissenschaftler oder ein Meister der Küche (Koch) war, dem wir eine Entdeckung zu verdanken haben. Um Verwechslungen mit Abkürzungen zu vermeiden, verwende ich die modfizierte Schreibung der Namen aus normal groß gesetzten Anfangs-Buchstaben und kleiner gesetzten weiteren Großbuchstaben. Somit wäre dann KOCH eine (imaginäre) Abkürzung. Leider verarbeitet das Indizierungs-System von microsoft-word diese feinen Unterschiede nicht. Im Sachwort-Verzeichnis ist KOCH gleich KOCH, aber eben nicht Koch. Der Leser sollte trotzdem im Kopf behalten, dass in vielen Bezeichnungen die Wissenschaftler- Namen quasi eingedeutscht wurden. So spricht jeder von Röntgenstrahlen oder Erlenmeyerkolben, obwohl es eher RÖNTGEN-Strahlen und ERLENMEYER-Kolben heißen müsste. Ich werde versuchen die würdigenden Bezeichnungen zu benutzen, aber auch ich unterliege dem allgemeinen Sprachgebrauch. Am Ende der Abschnitte sind Quellen und weiterführende Literatur oder gar Internet- Adressen (Links) angegeben. Leider kann bei den Internet-Adressen nicht für die Gültigkeit oder Verfügbarkeit garantiert werden. Mit aktuellen Suchmaschinen lassen sich die Begriffe und Themen aber hochaktuell nachrecherchieren. Noch ein Hinweis zu den Urheberrechten. Alle Erkenntnisse dieses Skriptes stammen nicht von mir. Sie wurden von mir nur zusammengetragen, neu zusammengestellt und in geeignete Texte umgesetzt. Ich habe immer versucht und tue es immer noch alle Themen gründlich zu recherchieren. Wenn an einzelnen Stellen die wirklichen Urheber nicht zu erkennen sind oder mir unbekannt geblieben sein, dann verzeihen Sie mir bitte. Ein einfaches Kopieren oder einfaches Umformulieren (Struktur-Plagiat) sollte nicht vorkommen. Für korrigierende Hinweise bin ich immer offen. Die meisten Abbildungen sind anderen Quellen nachempfunden oder nachgezeichnet. Auch hier hoffe ich, keine schützenswerten Ideen geklaut zu haben. Die Graphiken und Fotos aus anderen Quellen sind immer mit der Quelle selbst angegeben. Bei freien Quellen ist der Autor oder Urheber soweit ermittelbar in Klammern mit angezeigt. Oft werden Sie unorthodoxe Standpunkte und Theorien vorfinden. Die habe ich mir nicht ausgedacht. Sie sind heute in der Wissenschaft heiß diskutiert oder auch schon anerkannt. Viele traditionelle Lehrbücher mögen Veränderungen in wissenschaftlichen Lehren und Erkenntnissen überhaupt nicht. Gerade deshalb stelle ich solche Skripte wie dieses zusammen. Auch wenn einige Theorien nicht wahrer sind, als so manche traditionelle, ist ein Beschäftigen mit ihnen auch für Schüler ein sehr sinnvoller Arbeitsgegenstand. Vielleicht schaffe ich es auch mal wieder, die eine oder andere pseudowissenschaftliche These ganz ernsthaft mit aufzunehmen. Hier sei es die Aufgabe der Lernenden den Unsinn vom Sinnvollen zu trennen oder die Theorien der Unwissenschaftlichkeit zu überführen viel Spaß! Nicht alles was geschrieben steht ist auch wahr oder schon hundertprozentig bewiesen auch wenn wir dies gerne glauben mögen. Bei allem Wahrheitsgesäusel darf man nicht vergessen, dass vieles in der Biologie auch bis heute noch Spekulation, Theorie und These ist. Die Schul-Biologie schöpft sowieso nur den Rahm ab. Vieles wird idealisiert und damit auch schnell falsch dargestellt. Wissenschaft ist ein dynamischer Prozess er wird von Menschen für Menschen gemacht und ist damit mindestens zweiseitig fehleranfällig. Viele Themen oder Sachverhalte werden mehrfach und an verschiedenen Stellen im Skript auftauchen. Dies liegt einfach an der starken Verzahnung der Themen. Querverbindungen sind weitestgehend als Links ( Verknüpfungen) angegeben. Je nach Dateiform funktionieren diese dann auch zu mindestens auf Computern. In der Papierform müssen Sie sich an BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

7 den Begriffen und Überschriftennummern orientieren. Andere Skripte werden mit einem Buch-Symbol und einem Kurznamen gekennzeichnet ( Cytologie). Inhaltlich geht das Skript in vielen Fällen über die konkreten Forderungen des Lehrplans für die Fachoberschule oder anderer Schultypen hinaus. Damit ergeben sich pädagogische Freiheiten für den Lehrer, und der interessierte Schüler / Student hat Gelegenheit sich angrenzende Themen zu erschließen. Fachbegriffe und vor allem viele chemische Stoff-Namen sind echte Zungenbrecher. Wenn man bei vielen nicht weiss, wie sie in Silben zerlegt und wo betont werden muss, dann können sie zu echten Kommunikations-Hindernissen werden. Wir wollen hier eine neue Formatierung versuchen, um hier wenigstens ein wenig Abhilfe zu schaffen. Die Silben bzw. Wortstämme einzelner Fachwörter werden mit unterschiedlichen Farbtönen hinterlegt. Die besonders zu betonenden Silben zumeist die vorletzte werden nochmals extra eingefärbt. Colorierung Dictyosom 5,7-Dichlorhexadecansäure Aus Layout- und Aufwands-Gründen wird aber nicht jedes Fachwort und auch nicht jede Wiederholung so gestaltet. Vielmehr sollen neu eingeführte Wörter so charakterisiert werden und solche Begriffe, die lange nicht aufgetaucht sind oder nur selten benutzt werden. An Erfahrungen und Verbesserungs-Vorschlägen hinsichtlich dieser Formatierung bin ich immer interessiert. Da ich erst in den neuen Texten ab der Version von 2012 mit dieser Formatierung anfange, werden ältere Text-Teile diese Formatierung erst nach ihrer Überarbeitung erhalten. Ich verstehe die Formatierung auch als Hilfsmittel und nicht als obligatorisches Mittel! Entgegen der Meinung einiger Lehrer und Dozenten an höheren Bildungs-Einrichtungen (Fachschulen, Hochschulen, Universitäten) halte ich wikipedia für eine akzeptable Informations-Quelle. Manche Ablehner haben aus meiner Sicht mehr Probleme mit dem eigenen schwindenden Informations-Vorrecht oder ihrem gefühlten Meinungs-Monopol. Die Zeiten, in denen jedermann in wikipedia irgendwelchen Unsinn reinschreiben konnte, sind längst vorbei (, wenn es diese Zeiten überhaupt gegeben hat). Fehler in wikipedia sind auch nicht viel häufiger als in manchen Lehrbüchern. Der Vorteil liegt ganz offensichtlich darin, dass die Fehler in wikipedia schnell gefunden, diskutiert und ausgemerzt werden. Sicher ist das Artikel-Niveau sehr unterschiedlich, aber das passiert auch bei Büchern mit mehreren Autoren (und jeweils eigenen Abschnitten). Dies alles darf aber nicht den Eindruck erwecken wikipedia könnte die allein glücklich machende Informations-Quelle sein. Aus dem Literatur-Verzeichnis kann jeder ersehen, dass ich viele Quellen nutze. Das ist auch unbedingt notwendig. Jeder Leser dieses Skriptes sollte auch dieses nur als eine mögliche Quelle nutzen. Kapitel-Quellen und weiterführende Links: /1/ oder empfehlenswerte Suchmaschinen im Internet: /i/ /ii/ /iii/ de.vivisimo.com /iiii/ BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

8 1. Vererbung auf Organismen- und Zell-Ebene Nachdem sich vor einer Milliarde Jahren lebende biologische Systeme von ihrer anorganischen Umgebung abgesetzt hatten, begannen sie ihren Siegeszug über fast die gesamte Erde. Um ihre Vorzüge gegenüber der toten Natur auch an die nachfolgenden Systeme (Nachkommen) weiterzugeben, bedurfte es eines besonderen Mechanismus. Irgendwie mussten die herausragenden Errungenschaften (- die gerade zum Absetzen von der anorganischen / toten Welt gefunden wurden -) an die Nachfolger oder Teilungs-Ergebnisse weitergegeben werden. Geht man nun noch davon aus, dass es bei mehreren vorhandenen Typen von lebenden Objekten auch sofort eine mehr oder weniger große Konkurrenz um irgendwelche Ressourcen gab, dann musste der Weitergabe-Prozess die relativ konstanten artspezifischen und variable (individuelle) Merkmale beinhalten also an die Nachkommen vererben. Dieses somit über-"lebens"-notwendige Merkmal biologischer System reiht sich in die bekannten ein: 1. Stoff- und Energiewechsel 2. zelluläre Struktur 3. Wachstum und Entwicklung (mit Tod) 4. Reizbarkeit 5. Bewegung 6. Verhalten 7. Individualität und Immunität 8. Vermehrung / Fortpflanzung 9. Vererbung Ob die "Vererbung" (Weitergabe der Merkmale) prinzipiell von Anfang an gleich so abgelaufen ist, wie wir sie heute kennen, ist sehr fraglich. Mit größerer Wahrscheinlichkeit gab es zuerst wohl eher eine zufällige Teilung und Verteilung der lebenden Bestandteile. Vielleich haben Wellen oder andere mechanische Einflüsse die Lebens-Gebilde einfach zerschlagen, quasi die stofflichen Bestandteile halbiert. Erst später kam dann vielleicht eine koordinierte aus dem lebenden Objekt heraus initiierte Teilung dazu. Dies könnte z.b. dann erfolgen, wenn das lebende Objekt eine bestimmte Größe erreicht hatte. Wann und wie aber der Übergang zur Informations-basierten Vererbung passierte, ist sehr umstritten. Viele Wissenschaftler vertreten auch die Auffassung, dass die Informations-Einheiten ( RNS (Ribonucleïnsäure) 1 ) die eigentliche Initialzündung für die Herausbildung von lebenden System gewesen sind und damit wahrscheinlich von Anfang an eine Informations-basierte Vererbung stattfand. Fehlt einem biologischen System die Fähigkeit der Vererbung, ist es nicht in der Lage irgendwelche Errungenschaften seiner bisherigen evolutionären Entwicklung an seine Nachkommen weiter zu geben. Auch Veränderungen der Lebewesen durch Anpassungen könnten nicht übergeben werden. Die Evolution müsste bei jedem neu entstandenen Organismus wieder von vorne anfangen. Eine Entstehung und Weiterentwicklung von verschiedenen Arten wäre wohl undenkbar. Lange Zeit wurde in der Wissenschaft die Frage diskutiert, was eigentlich vererbt wird? Prinzipiell gäbe es mindestens zwei Möglichkeiten. Einmal könnte das Objekt in all seinen Merkmalen und Eigenschaften verschlüsselt werden. Als Vererbungsinformationen würde eine Liste von Detailobjekten entstehen. Das hieße die Informationen zu jedem Finger, jedem Organ, jeder Zelle müssten irgendwie gespeichert und weitergegeben werden. In einer zweiten Variante müssten Prozesse mit Parametern (z.b. Startpunkten) vererbt werden. Die Vererbungsinformation ist in diesem Fall eine Bildungs-Vorschrift oder ein Werkzeug (/ eine Maschine). Das könnte man sich so vorstellen, dass eine Mutterzelle (Startpunkt) weitergegeben wird und ein Satz von Regeln, Formeln, Gesetzen, welche die Ausbildung des Lebewesens bestimmen. 1 sehr häufig wird in Büchern und im wissenschaftlichen Sprach-Gebrauch die englische Form RNA (ribonucleic acid) benutzt (in diesem Script werden wir beide Formen nutzen und sie auch nicht unterscheiden ode r eine Form priorisieren) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

9 Betrachten wir beide Verfahren am Modell der Vererbung (Beschreibung) eines Kreises. Im ersten Fall müssten die unendlich vielen Randpunkte auf vielleicht einige hundert wesentliche eingeschränkt werden. Dann würden die jeweiligen Koordinaten dieser Randpunkte z.b. in Bezug auf den Mittelpunkt oder eines anderen ausgewählten (Rand- ) Punktes bestimmt und abgespeichert werden. Das Ergebnis ist eine Liste von einigen hundert Punktkoordinaten: M(0,0); P(2,0); P(0.5,1.9); P(-1,1.7); P(-1,-1.7); P(0,-2); P(-2,0); P(-0.5,1.9); P(-0.5,-1.9),... Soll das Objekt auch noch wachsen, dann müssten auch noch Listen für die jüngeren (kleineren) Kreise gespeichert werden. Man kann sich sicher vorstellen, dass dabei eine riesige Menge Datenmaterial zusammenkommt. In der nebenstehenden Abbildung ist nur eine Punkt-Serie dargestellt. Im zweiten Fall wäre es viel einfacher. In die Vererbungsliste bräuchte nur der Mittelpunkt M und die Definitions-Regel für einen Kreis abgespeichert werden: M(0,0); "Setze Punkte mit dem Abstand r von M!" Auch das Wachstum ließe sich mit einer kleinen Regel realisieren: "Setze den Abstand (Radius r) zum Anfang ganz klein (Startwert) und lasse ihn dann in kleinen oder größeren Schritten immer größer werden, bis ein bestimmter Endwert erreicht ist!" Es ist wohl leicht einzusehen, dass diese Form der Informations- Weitergabe und Speicherung wesentlich effektiver ausfällt. Was passiert aber, wenn sich Fehler in den Vererbungs-Vorgang einschleichen? Mit so einem Fall muss ja gerechnet werden und er ist vielleicht auch sinnvoll, um eine Möglichkeit zur Anpassung des Objektes an variable Umweltbedingungen zu haben. Die dahintersteckende Frage ist dabei, welche Methode ist Fehler-toleranter und funktioniert vielleicht auch noch bei stärken Beschädigungen?Bei unserer ersten Liste mit den vielen Daten, würden sich sicher bei jedem Abschreiben (Kopieren für die Nachkommen) ein oder mehrere Fehler einschleichen. Die einzelnen Kreise bekämen immer mehr Ein- oder Ausdellungen. Eine einmal entstandene Unebenheit bliebe fast ewig erhalten. Neue Details (Veränderungen, Weiterentwicklungen) würden weitere neue Datenmengen bedeuten. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

10 Für das zweite Verfahren ist die Anzahl von Kopierfehlern sicher viel geringer, weil ja weniger Daten kopiert werden müssen. Ein Fehler in den Start- (und End-)werten ist kein großes Problem, da ja immer wieder ein Kreis gebildet wird. Ein Fehler in den Regeln würde sich dagegen viel dramatischer bemerkbar machen. Hieße eine veränderte Regel dann z.b.: "Setze einen Punkt mit einem unbestimmten Abstand von M in die Ebene!", so entstände ein unförmiges Etwas. Zum Einen ist es natürlich für den Nachkommen eine Katastrophe - er wäre wohl kaum lebensfähig (als Kreis anzuerkennen). Anders betrachtet, ist es auch eine gute Methode der Absicherung. Fast alle Regelfehler sind tödlich - es "überleben" nur Kreise. Veränderungen des Organismus sind durch Hinzufügen neuer Regeln oder durch passende Änderungen der Regeln möglich. Für neue Details wären natürlich auch bei dieser Variante neue Ausgangsbedingungen und Regeln zu vererben. zwei verschiedene Fehler bei der Regel (Radius zu klein (oben) und kein Radius (unten)) Heute wissen wir, dass die Evolution vorrangig den zweiten Verfahrensweg gewählt hat, und uns scheint der Grund dafür jetzt auch plausibel zu sein. Der zweite Weg realisiert genau das Sinnvolle: Die Weitergabe der artspezifischen (Kreis-) Merkmale bei Zulassung individueller Abwandlungen (z.b. Größe) mit möglichst geringem (Schreib-) Aufwand und optimaler Absicherung. Wie wir später sehen werden, sind die Regel-Verarbeiter (Roboter, Bio-Maschinen) vorrangig die Proteine und sogenannten Ribosomen ( Cytologie). Schon sehr frühzeitig versuchte man zu ergründen, wie die Vererbung in den Lebewesen organisiert wird. Dass eine Vererbung erfolgte, war ja leicht zu beobachten. Die Kinder hatten eine gewisse Ähnlichkeit mit ihren Eltern. In vielen Familien häuften sich bestimmte Eigenheiten z.b. die vorstehende Lippe in der Familie der HABS- BURGER als gut dokumentiertes auffälliges Merkmal. Die Erfahrung der Vererbung herausragender Eigenschaften manifestierte sich sehr schnell in sozialen Regeln, so z.b., dass nach dem Tod eines Herrschers dem Bruder oder dem Sohn das Vorrecht auf die Machtposition zugeordnet wurde. Eine Zucht von Haustieren und Kulturpflanzen wäre ohne die Kenntnis dieses Zusammenhanges ebenfalls nicht denkbar. Anhand einiger Beispiele (Abb. unten) kann z.b. die "Habsburger Lippe" über viele Generationen belegt werden. Habsburger-Lippe Johanna von PFIRT ( ) (sie gilt als die Stamm-Mutter der charakteristischen Lippe) /Q: Louvre Paris/ Philipp der Schöne (I.) ( ) /A (Bernaerd van ORLEY)/ Margarete von Österreich ( ) Kaiser Ferdinand III. ( ) Charles II. (Karl II.) ( ) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

11 Bis ins 19.Jahrhundert hinein versuchte man, die Eltern mit den nachfolgenden Kindern als Gesamtobjekt zu betrachten. Die Beobachtungspopulation war meist sehr klein. Man beschränkte sich eben auf die wenigen "wichtigen" Familien in den Herrschaftshäusern. Verlässliche Regel oder gar Gesetze konnte dabei nicht aufgestellt werden. Durch zu kleine Datenmengen gab es zu oft Abweichungen. Für die Habsburger Lippe war z.b. eine Vererbungschance von 2 auf 3 Nachkommen bekannt. Beliebt war lange Zeit die Präformations-Theorie (prä... vor; forma... Form, Gebilde). Seit der Antike (ANAXAGORAS ( v.u.z.)) behauptete diese, die Nachkommen seien schon in sehr verkleinerter Form im männlichen Samen (oder den Eizellen) enthalten und würden dann nur noch von der Mutter "ausgebrütet". Mit den naturalistischen Biologen (z.b. William HARVAY u. René DESCARTES) kamen aber auch schon nach dem 17. Jhd. die ersten Zweifel an dieser These auf. Die Naturalisten beobachteten u.a. die Entwicklung von Embryonen und konnten dort erst nach und nach eine Hin-Entwicklung zum fertigen Nachkommen erkennen. In ihrer Epigenese genannten Theorie kam es schrittweise zur Ausdifferenzierung bestimmter Merkmale. Ab dem 19. Jahrhundert nahm man dann verstärkt an, dass es bei den Nachkommen einfach zur Mischung der mütterlichen und väterlichen Merkmale kommt. Aber schon bei der Prüfung anhand von einfachen beobachtbaren Merkmalen, wie Augenfarbe, Haarfarbe oder Geschlecht versagte diese Annahme. Selbst der große Charles DARWIN ( ) irrte hinsichtlich der Mechanismen einer Vererbung von Merkmalen. Für ihn war die bis dahin gelehrte Mischungs-Theorie sowieso ein Problem. Durch Mischung entstehen immer nur mittelmäßige Merkmals-Ausprägungen nicht dass was DARWIN unter "am besten angepasst" verstanden hat. Außerdem konnte so nichts wirklich Neues entstehen. Wo sollten die neuen Merkmale so einfach herkommen? Um den Vermischungs-Problem aus dem Weg zu gehen, entwickelte DARWIN (1868) eine eigene "Vererbungs-Theorie". Er nannte sie Pangenesis (pan.. ; genesis.. ). Dabei sollten die Merkmale vorrangig in sehr verkleinerter Form als sogenannte Gemmulae im Blut oder anderen Körpersäften existieren. Für jedes Organ oder Körperteil sollte ein spezieller Gemmula vorhanden sein. Bei der Begattung kam es dann zur Übertragung und Mischung der Merkmale. Die Gemmulae sollten sich dann später vermehren und zu vollständigen Organen auswachsen. Diese Theorie wurde schon wenige Jahre später von einem Cousin DARWIN's dem Experimental-Biologen Francis GALTON ( ) wiederlegt. Dieser experimentierte mit verschieden farbigen Kaninchen-Rassen. Er führte bei einigen von ihnen einen vollständigen Blut-Austausch durch. Trotzdem veränderte sich die Art der Nachkommenschaft (Fell-Farbe) in keiner Weise. Mit der Wende zum 20. Jahrhundert wurde die Vererbungs-Forschung immer wissenschaftlicher. Welche moralischen und gesellschaftlichen Schwierigkeiten auf die Wissenschaftler warteten, die mit fortschrittlichen Ideen und Theorien die alten eingestaubten Lehren über Bord warfen, zeigt das Beispiel des niederländischen Biologen Hugo DE VRIES ( ). Er stellte 1903 eine revolutionäre Mutations-Theorie auf und verabschiedete sich danach von der Wissenschaft und arbeitet nur noch als Arzt. Bis ins dritte Reich zogen sich - unwissenschaftliche Methoden der Vererbungslehre. Hier versuchte man dann mit ausgewählten "arischen" Kinder (sogenannte "Sonnenkinder") eine Herrenrasse zu züchten. Dieses Projekt war nicht nur auf Grund des Zerfalls des dritten Reiches zum Scheitern verurteilt. Die Reihe lässt sich bis heute fortsetzen. Unter STALIN schaffte es LYSSENKO mit ideologisch verklärten Parolen und "Erfindungen", die bis dahin führenden russischen Vererbungswissenschaften um Jahrzehnte zurückzuwerfen. In den aufgeklärten Industrie- Länder, wie auch in den weniger gebildeten Entwicklungs- Ländern, findet man in der Bevölkerung immer noch die obskursten Theorien zur Entstehen von Nachkommen. So ist immer noch die Annahme weit verbreitet, dass z.b. Salz oder Zucker auf dem Fenster-Sims für die Herausbildung des einen oder anderen Geschlechts besonders förderlich ist. Selbst heute sind wir nicht in jedem Fall in der Lage, die Erscheinung eines Nachkommen genau vorauszusagen. Neben vielen Gesetzmäßigkeiten spielt der Zufall immer noch eine sehr große Rolle. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

12 2. das Wirken MENDELs Einen gewaltigen Fortschritt in der Vererbungsforschung ging vom Abt Johann Gregor MENDEL ( ) aus. MENDEL war mehr den Naturwissenschaften verbunden als seinen priesterlichen Aufgaben. Er führte im Kloster von Brünn (heute: Brno (Tschechien)) neben metreologische Beobachtungen auch Kreuzungsversuche an verschiedenen Gartenpflanzen mit einem neuen methodischen Ansatz durch. Bisher betrachtete man eine Pflanze z.b. die Gartenerbse, als Gesamtheit bzw. als Summe ihrer Eigenschaften. Man konnte sehen, dass die Pflanze gut gewachsen war, dass sie viele Früchte trug usw. MENDEL isolierte nun einzelne Eigenschaften und nahm für sich an, dass die Merkmale auch einzeln vererbt werden. Die Penetranz bestimmter Merkmale (wie eben die HABSBURGER-Lippe) schienen ja ein solches System in der Natur zu bestätigen. Für die untersuchten Erbsen stellte MENDEL z.b. diese Merkmale fest: Pflanze1: achsenständige, rote Blüte; grüne, glatte Hülse; gelbe, schrumpelige Samen;... Pflanze2: endständige, rote Blüte; violett-blaue, glatte Hülse; grüne, glatte Samen;... Pflanze3: endständige, weiße Blüte; grüne, gewölbte Hülse; grüne, schrumpelige Samen;... Pflanze4: achsenständige, rote Blüte; grüne, gewölbte Hülse, gelbe, glatte Samen; Um die Datenflut einzuengen, beschränkte MENDEL sich auf einzelne Merkmale (z.b. Blütenfarbe), die er in den verschiedenen Ausprägungsformen (z.b. weiß und rot) quantitativ nach einem Kreuzungsversuch erfasste. Bei der Auswahl der Eigenschaften achtete er darauf, dass diese eindeutig zu unterscheiden und am Objekt bestimmbar waren. MENDEL wählte für einen Kreuzungsversuch jeweils reinrassige Pflanzen aus. Um eine Selbstbefruchtung der Gartenerbse gänzlich auszuschließen, entfernte er bei den als weiblich bestimmten Kreuzungspartner, die noch unreifen Staubgefäße. Die Bestäubung mit dem Pollen der als männlich festgelegten Pflanze wurde dann von MENDEL mit Hilfe eines Pinsels vorgenommen. Durch inselartigen Anbau der einzelnen Versuchsgruppen vermied er den störenden Einfluss von Fremdpollen. Neu war auch die parallele Versuchs-Durchführung bei vielen Pflanzen. Dadurch konnte MENDEL vom Einzelnen zum Allgemeinen kommen. Mit der Wahl einer einjährigen Pflanze als Versuchsobjekt, konnte er verschiedene Versuche parallel und auch hintereinander machen. Auf diese Weise konnte er kontrolliert mit den Nachkommen einer Generation weiterarbeiten. Einen weiteren neuen methodischen Schachzug machte MENDEL mit der Zählung der verschiedenen Merkmale. Das Erkennen der gültigen Verteilung von Merkmalen war erst unter Ausnutzung des Gesetzes der großen Zahlen (aus der Stochastik / Statistik) möglich. Erst wenn ein dem Zufall unterlegener Prozess sehr häufig wiederholt wird, dann gleichen sich die Versuch-Ergebnisse den idealen Werten immer stärker an. Betrachten wir nun einige von MENDELs Versuchen mit den von ihm ausgezählten Merkmalen. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

13 Aufgaben: 1. Berechnen Sie, mit welcher Wahrscheinlichkeit beim Würfeln jeweils die Zahlen 1 bis 6 auftauchen müssten! 2. Würfeln Sie in getrennten Versuchen 6x, 60x und 180x! Berechnen Sie dazu, wie häufig die einzelnen Zahlen theoretisch auftauchen müssten! Berechnen Sie die Differenz und den prozentualen Fehler! 3. Fassen Sie jetzt die Würfel-Ergebnisse aus den 180er Versuchen von allen Kursteilnehmern zusammen! Berechnen Sie wieder den Ideal-Wert, die Abweichung und den prozentualen Fehler! 4. Stellen Sie den prozentualen Fehler aus allen Versuchen graphisch gegen die Wurfzahlen dar! Was hat diese Darstellung mit dem Gesetz der großen Zahlen zu tun? BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

14 2.1. MENDELs Versuche mit einzelnen reinerbigen Merkmalen Gregor MENDEL beschäftigte sich vorrangig mit der Saat-Erbse. Deren wissenschaftlicher Name lautet Pisum sativum. Obwohl er Pflanzen kreuzte, die sich in mehreren Merkmalen unterschieden, analysierte er jeweils immer nur ein einzelnes Merkmal für die Ableitung seiner Vererbungs-Regeln. In einem Versuch (in diesem Skript Versuch 1) betrachtete er Erbsen-Pflanzen, die unterschiedliche Formen der Samen hervorbrachten. Die eine Gruppe bildet glatte bzw. runde Erbsen. Bei der anderen Gruppe sahen die Samen runzlig bzw. kantig aus. Als weitere Voraussetzung benutzte er nur solche Pflanzen, die mit sich selbst gekreuzt, immer wieder (ausschließlich) die gleichen Merkmale hervorbringen. Solche Sorten nennen wir heute reinerbig. Die verschiedenen Ausprägungsformen eines Merkmals also z.b. gelbe oder grüne Samen-Farbe werden heute Allele genannt. Versuch 1: (s ) Pisum sativum / (A ) Saat-Erbse P: glatt (rund) X runzlig (kantig) F: alle glatt (rund) Erläuterung des Schemas: P steht für Parental-Generation (Eltern-Generation). Mit F und eventuellem Index (z.b. F 1 ) werden die Nachkommens-Generationen (Fetal-Generation) abgekürzt. Bei den Eltern wird zuerst immer der weibliche Organismus aufgeführt. Dann folgt der männliche. Das X steht für Kreuzung der beiden Partner. Bei der Analyse der gebildeten Samen stellte MENDEL fest, dass alle glatt waren. Keine einzige Erbse war kantig. Offensichtlich hat sich das Merkmal [Samen rund] gegen das Merkmal [Samen kantig] durchgesetzt. Nun könnte man meinen, dass sich das weibliche Merkmal - als das der Trägerpflanze - bei den Nachkommen durchgesetzt hätte. Aber auch der Wechsel der Geschlechter (reziproke Kreuzung) brachte die gleichen Ergebnisse in der F- Generation. reziproker Versuch 1: P: runzlig (kantig) X glatt (rund) F: alle glatt (rund) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

15 Solche Merkmale, die sich gegenüber vergleichbaren anderen Eigenschaften durchsetzen, nennt man dominant (lat.: dominare = beherrschen). Das Merkmal [Samen rund] ist also dominant gegenüber dem Merkmal [Samen kantig]. Unterlegende Merkmale werden als rezessiv (lat.: recedere = zurückweichen) bezeichnet. MENDEL verwendete die Samen der F-Generation für neue Versuche weiter. Um eine eindeutige Bezeichnung zu erhalten, wird diese nicht wieder P-Generation genannt, sondern sie erhält den Index oder die nachgestellte 1 für 1. Nachkommens-Generation (F 1 ; F1). Die darauffolgende ist die F 2 -Generation (F2) usw. usf. Versuch 2: (s ) Pisum sativum (Saat-Erbse) F1: X F2: Zählung (MENDEL): = 556 Verhältnis (rund): 3 : 1 Wie wurden diese Ergebnisse nun von MENDEL interpretiert? Da in der F 2 -Generation die unterdrückten (rezessiven) Merkmale wieder auftauchten, mussten die F 1 -Bastarde (Kreuzungsprodukte, Hybride, Mischlinge) noch beide Erbanlagen der Eltern enthalten. Es müssen also mindestens zwei Erbanlagen weitergegeben werden, jeweils eine von der Mutter und eine vom Vater. Dies wiederum lässt sich aus den reziproken Versuchen schließen, die eine einseitige Weitergabe von Erbinformationen nur von der Mutter oder vom Vater ausgeschlossen haben. Die Nachkommen (F 1 -Bastarde) sind ein Mischprodukt ihrer Eltern (P-Generation), oder anders ausgedrückt: sie sind mischerbig. Somit konnte MENDEL folgende Regel formulieren: 1. MENDELsche Regel Die Kreuzung von zwei reinrassigen (homocygote) Eltern, die sich in einem vergleichbaren Merkmal unterscheiden, ergibt immer mischerbige (heterozygote), gleichförmige (uniforme) Nachkommen. Später wurde diese Regel nach ihrem Entdecker als 1.MENDELsche Regel bezeichnet. Bisweilen findet man sie auch unter der Bezeichnung Uniformitäts-Regel. Statt dem Begriff Regel sprechen verschiedene Autoren auch von einem Gesetz. Mittlerweile sind aber immer wieder Ausnahmen von diesem Gesetz beschrieben worden, so dass gegen den Grundsatz der Allgemeingültigkeit eines Gesetzes verstoßen wird. Der Begriff Regel drückt eine hohe Wahrscheinlichkeit für die zu erwartenden Ergebnisse aus und ist damit besser geeignet. MENDEL untersuchte das Phänomen des Wiederauftretens eines rezessiven Merkmals weiter, indem er auch die verschiedenen Erbsen der F2-Generation aussäte und sich selbst befruchten ließ. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

16 Versuch 3: (s ) Pisum sativum (Saat-Erbse) P: runzlig (kantig) X runzlig (kantig) F: alle runzlig(kantig) Die Pflanzen aus kantigen Samen erzeugten nur kantige Erbsen - sie waren also reinrassig (homozygot, reinerbig). Aus den runden Samen wuchsen Pflanzen mit runden und kantigen Samen. Die runden Erbsen der F1- und F2-Generation beinhalteten also Erbanlagen für runde und kantige Samen, sie waren mischerbig (heterozygot, mischrassig). Mischerbige Nachkommen werden auch als Hybrid (lat.: von zweierlei Abkunft / Herkunft) bezeichnet. Sinnvoll kann man diese Versuchsergebnisse dann erklären, wenn man davon ausgeht, dass jedes Pflanzenmerkmal zweimal abgespeichert ist. Z.B. könnte man für eine glatte Erbanlage ein G schreiben und für das Kantige k. Mit der Großschreibung soll die Dominanz angezeigt werden. Mitunter werden dominierende Merkmale auch als Wildtyp bezeichnet da sie in der freien Wildbahn vorherrschend sind. Wilde (dominierende) Merkmale werden einfach durch ein Plus-Zeichen gekennzeichnet. Diese z.t. etwas einfachere und bei vielen Merkmalen übersichtlichere Kennzeichnung wurde erst um 1930 von MORGAN eingeführt. Rezessive Merkmale werden immer durch (kleine!) Buchstaben oder als Kombination von Buchstaben ev. mit Ziffern gekennzeichnet. Der 1.Versuch ließe sich dann folgendermaßen notieren: Versuch 1: (s ) Pisum sativum (Saat-Erbse) P: glatt (rund) G G (+ +) Wildtyp X runzlig (kantig) k k F1: alle glatt (rund) rel. Häufigkeit: 1 G k (+ k) und in kurzer (wissenschaftlicher) Notierung: (A ) Pisum sativum (Saat-Erbse) P: G G X k k G.. glatt (rund) k.. kantig (runzlig) F1: G k Da sich wahrscheinlich die Anzahl der Erbinformationen nicht bei jedem Fortpflanzungs- Prozess verdoppeln wird (z.b. GGkk in der F1 und in der F2 dann GGGGkkkk usw. usf.) - die BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

17 Zelle wäre sicher irgendwann mit Erbanlagen überfüllt - muss es eine Teilung der Erbinformationen vor der Bestäubung oder nach der Befruchtung geben. Aufgabe: 1. Klären Sie mit Hilfe der Logik, wann die Teilung der Erbinformationen erfolgen muss! Die schematische Darstellung lässt sich noch weiter verbessern: Versuch 1: (s ) Pisum sativum (Saat-Erbse) P: glatt (rund) G G (+ +) Wildtyp X runzlig (kantig) k k k k G G k G k G G k G k F1: G k (+ k) alle glatt (rund) rel. Häufigkeit: 1 = 100 % Die Tabelle in der Mitte des Kreuzungs-Schemas dient als Hilfe für die Zusammenstellung der möglichen Merkmalskombinationen. Sie wird auch als Keimzellen- oder Gameten-Tabelle oder Rekombinations-Quadrat bezeichnet. Üblicherweise werden in der obersten Zeile die einzelnen männlichen Merkmale und in der 1.Spalte die jeweiligen weiblichen Merkmale notiert. Sehen Sie das aber nicht als Dogma. In manchen Büchern ist es genau umgedreht. Viele Bücher verwenden auch Tabellen in um 45 gedrehter Orientierung quasi wie eine Raute oder ein Drachen-Viereck. Diese Darstellung ist sicher Gender-like, sie sind aber in Text-Verarbeitungssystemen wie microsoft WORD oder openoffice / libreoffice WRITER mit vertretbaren Aufwand nicht realisierbar. In den Kreuzungen aus Spalte und Zeile ergibt sich die Merkmalskombination für den Nachkommen. Die Tabelle stellt somit den Übergang von der Ausgangs-Generation (hier: die P-Generation) und der Nachfolge-Generation (hier: F1) dar. Praktischerweise sollte die Tabelle deshalb zwischen den Generationen angeordnet werden. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

18 Vielfach wird sie auch nur als "Nebenrechnung" betrachtet, die auch weg gelassen werden kann. Das mag auch bei einfachen Kreuzungs-Versuchen so sein, aber die meisten Einsteiger in die Genetik stolpern dann bei den komplizierteren Kreuzungen und sind dann nicht ausreichend geübt. Also zuerst lieber mitschreiben. Wenn Sie die Arbeitstechnik beherrschen, dann können Sie die Tabellen zu mindestens bei einigen Vererbungs-Schemas auslassen. Wo genau die Erbinformationen gespeichert sind und wie die Verteilung auf die Nachkommen erfolgte, konnte MENDEL nicht erklären. Heute wissen wir, dass die Erbinformationen in den jeweils doppelt angelegten Chromosomen (diploider Chromosomensatz) angelegt sind. Die Verteilung der Merkmale erfolgt bei der Ei- bzw. Samenzellen-Bildung durch Meiose. Dazu später mehr. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

19 2.2. MENDELs Versuche mit bestimmten mischerbigen Merkmalen Schauen wir uns jetzt die Interpretation des 2. Versuchs durch MENDEL an. Wenn die Individuen der F1-Generation untereinander gekreuzt werden, dann erhält man auch wieder Typen, die sowohl den beiden Eltern, als auch der Tochtergeneration entsprechen. Versuch 2: (s ) Pisum sativum (Saat-Erbse) F1: G k X G k G k G G G G k k G k k k F2: GG G k k k Verhältnis: 1 : 2 : 1 Zählung (MENDEL): = 556 Verhältnis (rund): 3 : 1 Die Bildung von GG- sowie von Gk-Pflanzen unter der Bedingung der Selbstbefruchtung konnte MENDEL am Vorkommen zweier unterschiedlicher Erbsenpflanzen beobachten. Einige Pflanzen beinhalteten in den Hülsen nur glatte Erbsen - (scheinbar der GG-Typ), während bei den anderen Pflanzen glatte und kantige Samen z.t. nebeneinander (Gk-Typ) in der Hülse vorlagen. Somit können beide Teile der Erbinformation an der Kreuzung beteiligt sein. Sollte diese Interpretation stimmen, dann müssten die runden Samen dreimal häufiger in der F 1 -Generation auftreten als die kantigen. MENDEL ermittelte 423 glatte und 133 kantigen Erbsen, was einem Verhältnis von 3,18 : 1 entspricht. In einem weiteren Versuchs-Ansatz mit noch mehr Pflanzen zählte MENDEL 5474 glatte zu 1850 kantigen Erbsen. Das Verhältnis ist hier 2,96 : 1. Dies kann man wohl als Bestätigung gelten lassen, da es ganz dem Zufall überlassen ist, welche Anlagen gerade kombiniert (- welcher Pollen auf welche Narbe übertragen -) wurde. Es gilt das Gesetz der großen Zahlen, d.h. je größer der Umfang der Stichprobe (Anzahl der Versuche) ist, umso genauer werden die praktischen Zahlen mit den theoretischen Werten übereinstimmen. Somit ist es Zeit die 2. MENDELsche Regel zu formulieren: 2. MENDELsche Regel Werden mischerbige (heterocygote) Individuen, die sich hinsichtlich eines vergleichbaren Merkmals unterscheiden (z.b. Kreuzung nach 1. MENDELscher Regel), untereinander gekreuzt, dann treten in der folgenden Generation sowohl mischerbige (Eltern- / Tochter-) als auch reinerbige (Ahnen- / Eltern-) Typen auf. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

20 Da sich scheinbar die Erbanlagen z.t. wieder aufspalten, wird diese Regel auch Spaltungs- Regel genannt. Die zwei von den Erbanlagen verschiedenen, aber gleich aussehenden glatten Erbsen mussten genauer unterschieden werden. Dazu benutzen wir heute die Begriffe Genotyp 2 (für die Erbanlagen) und Phänotyp 3 (für die Merkmalsausprägung). Die glatten Erbsen sind phänotypisch zwar gleich, besitzen aber als Genotypen GG oder Gk. Die Pflanzen, die MENDEL für den 1. und 2. Versuch verwendet hat, wurden von ihm aber nicht nur hinsichtlich der Samenform, sondern auch hinsichtlich der Samenfarbe beobachtet. Versuch 4: (s ) Pisum sativum (Saat-Erbse) P: gelb Ge Ge (+ +) Wildtyp X grün gr gr gr gr Ge Ge gr Ge gr Ge Ge gr Ge gr F1: Ge gr (+ gr) alle gelb rel. Häufigkeit: 1 Die reziproke Kreuzung brachte auch hier das gleiche Ergebnis: alle Nachkommen hatten gelbe Erbsen. Der Versuch zeigt wiederum die Dominanz eines Merkmals hier die gelbe Samenfarbe. Das andere Merkmal die grüne Samenfarbe stellte sich als rezessiv heraus. Als nächstes folgte wieder die Kreuzung der Nachkommen (F1-Generation) untereinander. 2 der Begriff Genotyp wurde erst 1909 von JOHANNSEN eingeführt 3 der Begriff Phänotyp wurde erst 1909 von JOHANNSEN eingeführt BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

21 Versuch 5: F1: gelb Ge gr (+ gr) X gelb Ge gr F2: Ge Ge Ge gr gr gr Verhältnis: 1 : 2 : 1 Häufigkeit (MENDEL): = 556 Verhältnis: 3 : 1 Mit 416 gefundenen gelben Erbsen und 140 grünen ergab sich ein Zahlen-Verhältnis von 2,97:1 schon sehr nahe am Idealwert. Somit war scheinbar nachgewiesen, dass seine beiden Regeln für alle untersuchten Merkmale stimmten. Erbgänge, die von reinerbigen Individuen ausgehen, die sich nur in einem Merkmal unterscheiden (also nur in einem Allel-Paar) werden als monohybrid bezeichnet. Es gelten die 1. und die 2. MENDELsche Regel. interessante Links: (Original-Publikation MENDELs) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

22 Aufgaben:!!! Zum einfachen Vergleichen mit anderen Kursteilnehmern verwenden Sie bitte immer die vorgegebenen Buchstaben bzw. Buchstaben-Kürzel! 1. MENDEL kreuzte u.a. auch Erbsen mit den folgenden Merkmalen: violett-rote Blütenfarbe: r oder R und weiße Blütenfarbe: w oder W In der F2-Generation fand er die Verteilung: 705 violett-rote und 224 weiße Blüten Stellen Sie ein vollständiges Schema für diesen Erbgang auf. Betrachten Sie, wie üblich die Generation P bis F2! Begründen Sie warum Sie für das oder andere Merkmal kleine oder große Buchstaben genutzt habe! 2. In einem Kontroll-Versuch kreuzte man Erbsen mit den Merkmalen: grüne Samenfarbe: gr oder Gr X gelbe Samenfarbe: ge oder Ge In der F1-Generation wurde die Merkmale gezählt: grüne Samenfarbe: 274 und gelbe Samenfarbe: 283 Geben Sie an, ob es sich um reinerbige oder mischerbige Eltern gehandelt hat! Begründen Sie Ihre Meinung! 3. Prüfen Sie, ob die erste und zweite MENDELsche Regel für den nachfolgenden Erbgang gilt! (s ) Pisum sativum (Saat-Erbse) P: Hülse geschnürt X Hülse einfach gewölbt (ungeschnürt) g g E E F1: X E g E g rel. Häufigkeit: 1 F2: E E E g g g Zählung (MENDEL): = 1181 BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

23 2.3. MENDELs Versuche mit mehreren reinerbigen Merkmalen MENDEL betrachtete dann nachfolgend zwei Merkmale (Samenfarbe und -form) im Zusammenhang. Versuch 6: (s ) Pisum sativum (Saat-Erbse) P: grün Phänotyp gelb glatt runzlig X (kantig) gr gr G G Genotyp Ge Ge k k Keimzellen Ge k Ge k Ge k Ge k gr G Ge gr G k Ge gr G k Ge gr G k Ge gr G k gr G Ge gr G k Ge gr G k Ge gr G k Ge gr G k gr G Ge gr G k Ge gr G k Ge gr G k Ge gr G k gr G Ge gr G k Ge gr G k Ge gr G k Ge gr G k F1: Genotyp(en): Ge gr G k rel. Häufigkeit: 1 Phänotyp(en): rel. Häufigkeit: 1 F1: X Ge gr G k Genotyp Ge gr G k Keimzellen Ge G Ge k gr G gr k Ge G Ge Ge G G Ge Ge G k Ge gr G G Ge gr G k Ge k Ge Ge G k Ge Ge k k Ge gr G k Ge gr k k gr G Ge gr G G Ge gr G k gr gr G G gr gr G k gr k Ge gr G k Ge gr k k gr gr G k gr gr k k F2: Genotyp(en): Ge Ge G G Ge Ge G k Ge gr G k Ge gr G G Verhältnis: 1 : 2 : 4 : 2 : Phänotyp(en): Häufigkeit: 315 Verhältnis: 9. Genotyp(en): Ge Ge k k Ge gr k k gr gr G G gr gr G k gr gr k k Verhältnis: 1 : 2 : 1 : 2 : 1 Phänotyp(en): Häufigkeit: Verhältnis: BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

24 In der F1-Generation erhalten wir noch ein recht übersichtliches Ergebnis. Es bildet sich nur eine Art Nachkommen, die jeweils die dominanten Merkmale tragen. Die F2-Generation erinnert dann aber an das ursprünglich Chaos vor den bahnbrechenden Gedanken von MEN- DEL. Wir erhalten alle möglichen Eltern- und Bastard-Typen und zur großen Überraschung auch eine völlig neue Merkmals-Kombination (grüne, kantige Samen). Bei der gesamtheitlichen Betrachtung der Kreuzungen schien zwar ein heilloses Durcheinander zu herrschen, aber wenn man wieder die Einzelmerkmale in den Vordergrund schiebt, dann wird der Gesamtvorgang übersichtlicher. Jedes Merkmal für sich gesehen wurde wie in den vorherigen Einzelversuchen nachgewiesen im Verhältnis 3:1 bei den Phänotypen und 1:2:1 bei den Genotypen vererbt. Die Erkenntnis, dass jedes Merkmal unabhängig vom anderen gekreuzt wurde, fand dann in der 3. MENDELschen Regel ihren Ausdruck: 3. MENDELsche Regel Kreuzt man Individuen, die sich in mindestens 2 (unabhängigen*) Merkmalspaaren unterscheiden, so werden die Merkmalspaare unabhängig voneinander nach der 1. und 2. Regel vererbt. Jedes Merkmals-Paar folgt dabei für sich der 2. Regel. *) bezieht sich auf die Lage auf verschiedenen Chromosomen (MENDEL war diese Bedingung noch nicht bekannt!) Diese Regel wird auch unter den Namen Kombinations-Regel oder Unabhängigkeits-Regel geführt. Die 3. MENDELsche Regel gilt nur für dihybride Erbgänge. Dies sind solche Erbgänge bei denen sich die Individuen in zwei Merkmals-Paaren also zwei Allel-Paaren unterscheiden. Sehr interessant ist die Neukombination der gekreuzten Merkmale. Weder in der Elternnoch in der F1-Generation traten grüne, kantige (runzlige) Erbsen (gr gr k k) auf. In der F2- Generation taucht diese neue Kombination der Merkmale als Nebenprodukt auf. Mathematisch ausgedrückt ergeben sich bei einem (1) Merkmalspaar 2 1 =2 Phänotypen (siehe Versuche 1 und 2), bei 2 Merkmalspaaren 2 2 =4 Phänotypen (Versuch 6) und für 3 Merkmalspaare 2 3 =8 Phänotypen in der F 2 -Generation. Mit zunehmender Anzahl (n) betrachteter Merkmale nimmt die mögliche Zahl von Phänotypen exponentiell (2 n ) zu. Betrachtet man die vielen tausend (n) verschiedenen Merkmale z.b. des Menschen, dann ergeben sich 2 n unterschiedliche Phänotypen für nur ein Elternpaar. Nehmen wir an, Adam und Eva hätten nur 100 Merkmalspaare besessen (eine glatte Untertreibung), dann wären in der Enkel-Generation schon =1,2677*10 30 (also rund eine 1300 Quatrilliarden) phänotypisch verschiedene Nachkommen möglich. Diese Berechnungen würden aber nur unter der Annahme der absoluten Richtigkeit der MENDELschen Regeln gelten!!! Genau diese Vielfältigkeit wurde den vormendelschen Vererbungsforschern auch zum Verhängnis sie konnten in der Gesamtheit der Merkmale kein System erkennen. Bei den wenigen Nachkommens-Zahlen von Menschen und Haustieren war einfach nicht genug "Zahlen-Material" vorhanden, um zu Gesetzmäßigkeiten zu gelangen. Das Auftreten von zwei gleichen bzw. sehr ähnlichen Individuen (außer bei eineiigen Mehrlingen) ist somit extrem unwahrscheinlich. Abschließend soll noch kurz erwähnt werden, dass es MENDEL wie anderen Naturwissenschaftlern erging. Seine bahnbrechenden Erkenntnisse wurden zu Lebzeiten belächelt. Erst 1900 wurde seine Arbeiten von CORRENS, DE VRIES und TSCHERNAK unabhängig voneinander wiederentdeckt und weiterentwickelt. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

25 Aufgaben: 1. Kreuzen Sie an Hand eines Schemas reinerbige schwarze und weiße Meerschweinchen! Die schwarze Fellfarbe ist die Wildform. schwarze Fellfarbe: S oder s weiße Fellfarbe: W oder w 2. In einem vollständigen Kreuzungsversuch sollen reinerbige rosa blühende (dominant) mit reinerbig rot blühenden Garten-Bohnen (a ) Phaséolus vulgaris gekreuzt werden. Zeigen Sie an einem Kreuzungsschema, welche Phänound Genotypen bis zur F2-Generation zu erwarten sind! Welche Zahlenverhältnisse werden auftreten? rosa Blüte: Rs oder rs rote Blüte: Rt oder rt 3. Stellen Sie ein Kreuzungsschema für den Erbgang bei Kreuzen von homozygoten achsenständigen und endständigen Blüten bei der Saaterbse auf! MENDEL fand für die endständige Stellung der Blüten 207 Nachkommen und für die achsenständigen 651 Nachkommen in der F2-Generation. Wie groß ist der prozentuale Fehler bei diesem Experiment gewesen? achsenständige Blüte: A oder a endständige Blüte: E oder e 4. Welche Nachkommen in welchen Verhältnissen werden für den folgenden Erbgang in der 2. Nachkommens-Generation erwartet? (s ) Bos primigenius (Haus-Rind): Weibchen [schwarz, gescheckt] X Männchen [braun, einfarbig] (dominante Merkmale sind unterstrichen) schwarze Fellfarbe: S oder s braune Fellfarbe: B oder b einfarbiges Fell: E oder e geschecktes Fell: G oder g 5. In den heimischen Gärten findet man häufig eine gelbliche, gebänderte Schnecke mit einem hellen Gehäuse-Rand (Mündung). Sie wird Garten-Schnirkelschnecke oder Garten- Bänderschnecke genannt ((s ) Cepaea hortensis). Die Merkmale Bänderung und Gehäusefarbe werden unabhängig voneinander vererbt. Relativ selten findet man rötliche (bräunliche), ungebänderte Schnecken. Stellen Sie für die Kreuzung einer reinerbigen gelblichen und ungebändeten Schnecke mit einer rötlichen, gebänderten ein vollständiges Vererbungs-Schema auf! Garten-Schnirkelschnecke mit gelblichen und gebänderten Gehäuse Q: de.wikipedia.org (sarefo) Welche MENDELschen Regeln gelten hier? Begründen Sie Ihre Aussagen! Verwenden Sie die Merkmale die folgende Symbolik: einfarbig bzw. gebändert E oder e gelblich bzw. rötlich R oder r 6. Ein Kaninchen-Züchter kreuzt seit einigen Jahren seine ursprünglich reinrassigen, weißen und kurzhaarigen Kaninchen mit ebenfalls reinrassigen, schwarzen, langhaarigen. In der F2-Generation zählte die folgenden Nachkommen: weiß, kurzhaarig: 13 schwarz, langhaarig: 11 weiß, langhaarig: 5 schwarz, kurzhaarig: 39 Stellen Sie das vollständige Kreuzungs-Schema auf! Für die Vererbungs-Merkmale benutzen Sie die nachfolgenden Buchstaben: S, s schwarz W, w weiß L, l langhaarig K, k kurzhaarig BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

26 Aufgaben für die gehobene Anspruchsebene: 7. Stellen Sie das Kreuzungsschema für die Kreuzung von (a ) Antirrhinum majus (Garten-Löwenmaul) [zygomorphe (spiegelsymmetrische) Blütenform, schmalblättrig, dunkelrote Blüte] X [radiärsymmetrisch, breitblättrig, rosa Blüte] auf! Bestimmen Sie alle auftretenden Zahlenverhältnisse (F 1 + F 2 )! 8. Gekreuzt werden reinrassige Seidenspinner (Rasse A: weiße Raupe, gelber Kokon; Rasse B: gestreifte Raupe; weiße Kokon). In der F 1 -Generation bildeten sich aus 74 gestreiften Raupen 69 gelbe Kokons. Die restlichen Raupen sind verstorben. a) Stellen Sie das vollständige Kreuzungsschema auf! Die F 1 -generation wurde untereinander weitergekreuzt. Dabei beobachtete man 3492 weiße Kokons aus gestreiften Raupen sowie 1142 weiße Kokons aus weißen Raupen. b) Welche weitere Typen müssten in der F 2 -Generation ebenfalls beobachtbar sein und in welcher Individuen-Anzahl würden Sie diese erwarten? Begründen Sie Ihre Aussage! Kokonfarbe: weiß: W oder w Raupenfarbe: einfarbig (weiß): E oder e gelb: G oder g streifig: S oder s 9. Ein Almbauer will seine Rinder kreuzen. Ihm stehen mehrere schwarze, gehörnte Weibchen mit weißem Kopf und ein brauner, ungehörnter Bulle mit Kopf in Fellfarbe zur Verfügung. Aus der Literatur weiss er, dass die Merkmale schwarzes Fell, weißer Kopf und ungehörnt dominant sind. a) Welche Geno- und Phänotypen kann er in der F2-Generation erwarten? b) Könnte der Bauer eine neue / besondere Rasse finden? Wenn ja, welche? Wenn nein, warum nicht? c) Welche MENDELschen Regeln gelten hier direkt oder indirekt? Begründen Sie jeweils Ihre Aussagen! schwarzes Fell: S, s braunes Fell: B, b gehörnt: G, g ungehörnt: U, u weißer Kopf: W, w Kopf in Fellfarbe: F, f BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

27 Zusammenfassung (MENDELsche Regeln): 1. MENDELsche Regel (Uniformitäts-Regel; Reziprozitäts-Regel): Kreuzt man zwei reinerbige Individuen einer Art, die sich nur hinsichtlich der Ausprägung eines Merkmales unterscheiden, dann sind die Nachkommen immer alle gleich (uniform) mischerbig. Dies gilt auch, wenn man die Geschlechtspartner in der Kreuzung getauscht werden (reziproke Kreuzung). 2. MENDELsche Regel (Spaltungs-Regel): Kreuzt man zwei gleich mischerbige Individuen einer Art (z.b. die Nachkommen aus einem Kreuzungsversuch nach der 1. MENDELschen Regel), so treten in der Nachkommenschaft sowohl die gleichen Merkmale als auch die Eltern-Merkmale auf. Dies gilt auch, wenn man die Geschlechtspartner in der Kreuzung getauscht werden. Die Merkmale verteilen sich in einem bestimmten Zahlenverhältnis. Bei dominant-rezessiven Erbgängen ist das Verhältnis 3 : 1 (und bei intermediären 1 : 2 : 1). (Die intermediäre Vererbung war MENDEL damals noch nicht bekannt.) 3. MENDELsche Regel (Unabhängigkeits-Regel; Neukombinations-Regel): Kreuzt man zwei reinerbige Individuen einer Art, die sich hinsichtlich der Ausprägung von mindestens zwei (nicht zusammenhängenden) Merkmalen unterscheiden, dann kombinieren sich die Merkmale unabhängig voneinander und es können neue Merkmalskombinationen auftreten. Die Merkmale (Gene) müssen unabhängig voneinander vererbt werden (auf verschiedenen Chromosomen liegen!). Dies gilt auch, wenn die Geschlechter bei der Kreuzung getauscht werden (reziproke Kreuzung). (Die unabhängige Vererbung wurde von MENDEL damals noch nicht erkannt.) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

28 Exkurs: Betrug in der Wissenschaft Dies ist ein leidiges und unangenehmes Thema. Seit es Forscher mit strengen Arbeitsrichtlinien gibt, so lange gibt es auch Betrüger in ihren Reihen, die sich auf Grund zu großer finanzieller Anforderungen, wegen individueller Ruhmsucht oder finanzieller Vorteilnahme und Hoffnungen (z.b. auf neue Geldgeber) usw. usf. nicht an diese Normen halten. Gerade die wissenschaftlichen Methoden (strukturiert, sachlich, nachvollziehbar, wiederholbar, ) unterscheiden einen Wissenschaftler von einem Scharlatan. Neben dem Betrug kommen natürlich auch Fehler in der wissenschaftlichen Arbeit vor. Bedingt durch fehlerhafte Experimentieransätze wurden schon die tollsten Ergebnisse gefunden. Echte Wissenschaftler legen ihre Experimente völlig offen und machen sie so für andere nach- und überprüfbar. Leider müssen wir heute auch MENDEL des Betruges bezichtigen. Mit dem von ihm beschriebenen Arbeitsansatz und seiner Versuchsdurchführung wäre er wohl nie zu den "gefundenen" Ergebnissen gekommen. "Schuld" an dieser Fehldarstellung war aber scheinbar auch der rückständige Zeitgeist. MENDEL wurde von seinen Mitmenschen (auch von den Gelehrten) einfach nicht verstanden. Also hat er wohl alles vereinfacht und umgeschrieben. Einige Argumente zur Stützung des Betrugsverdachts: - Angeblich experimentierte MENDEL mit (22) Zwillingspflanzen, die sich insgesamt nur einzeln und jeweils nur in einem (der 7 untersuchten) Merkmal unterschieden. Zum Einen war es ihm praktisch unmöglich an so viele genetisch reine Pflanzen zu kommen und zum Anderen konnte er sie nicht sicher unterscheiden. - Das größte Problem taucht bei der Prüfung der Dritten Regel auf. Wie wir noch sehen werden müssen die untersuchten Merkmale von verschiedenen Chromosomen stammen, damit die Regel den praktischen Tests standhält. Dies ist aber nur bei 2 (Farbe und Form der Erbsen) von den 7 Merkmalen der Fall. Praktisch arbeitete MENDEL wie viele Züchter seiner Zeit. Er kreuzte die Pflanzen und notierte gewissenhaft die Ergebnisse. Mit damals recht modernen mathematischen Methoden (Wahrscheinlichkeitsrechnung) wertete er seine großen Datenmengen aus. Das seltsame (durchschnittliche) Zahlenverhältnis 3:1 wurde dann wohl der rote Faden / die Inspiration zu seiner Theorie. Durch geschickte Auswahl geeigneter Merkmale (nur mit den passenden Versuchsergebnissen) bestätigte er seine Theorie. Die Abweichler und nicht passende Zahlen wurden einfach weggelassen. Auch deshalb wurde er bei der Vorstellung seiner Vererbungstheorie vor Gelehrten seiner Zeit von diesen nur belächelt. Trotz alledem müssen wir die Richtigkeit seiner Regeln (Gesetze) heute anerkennen. Neben seiner "Intuition" war auch Glück (manche sprechen auch von Genialität) mit im Spiel. In den heutigen Gebrauch der Vererbungs-Schemata fließen natürlich viele Nach- MENDELsche Erkenntnisse mit ein. So nennen wir die Merkmale häufig auch Gene. Heute wissen wir, dass die Merkmale auf bestimmten Stellen der Chromosomen bzw. noch genauer der DNS codiert sind. Verschiedene Ausprägungen dieser Merkmale (z.b. gelb, grün bzw. glatt, kantig) werden als Allele bezeichnet. In den nachfolgenden Kapiteln werden wir noch sehen, dass die MENDELschen Regeln nur einen Teil der Vererbung von Merkmalen beschreiben. Es gibt diverse Abweichungen und Korrekturen, die aber nicht dem Grundprinzip wiedersprechen. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

29 3. Weiterentwicklung der MENDELschen Vererbungslehre 3.1. Abweichungen von den MENDELschen Regeln Im 20. Jahrhundert nahm auch die Genetik eine stürmische Entwicklung. So entdeckte z.b. der deutsche Botanik-Professor Carl CORRENS ( ), dass es nicht nur dominant-rezessive Erbgänge gab. CORRENS arbeitete u.a. mit der (s ) Mirabilis jalapa (Japanische Wunderblume). Bei diesen stellte sich die Merkmalsvererbung bei der Blütenfarbe z.b. folgendermaßen dar: (s ) Mirabilis jalapa (Japanische Wunderblume) P: weiß Phänotyp X Q: (jam343) w w reinerbig Genotyp reinerbig r r rot Keimzellen r r w w r w r mögliche Zygoten w w r w r F1: Genotyp(en): w r Häufigkeit: 4 rel. Häufigkeit: 1,0 proz. Häufigkeit: 100 % Phänotyp(en): rosa Häufigkeit: 4 rel. Häufigkeit: 1,0 proz. Häufigkeit: 100 % Keines der beiden Merkmale konnte die Oberhand gewinnen. Als Ergebnis entstand ein Mischprodukt aus beiden Elternmerkmalen. Dieses Mischen wird durch den Begriff intermediär (lat.: intermedius = dazwischenliegend) ausgedrückt. In moderner Literatur findet man auch den Ausdruck "unvollständig dominant" statt intermediär. Wie man sieht, gilt die 1. MENDELsche Regel auch bei intermediären Erbgängen. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

30 Aufgaben: 1. Überprüfen Sie, ob prinzipiell auch die 2. und 3. MENDELsche Regel für den intermediären Erbgang gilt! 2. Bestimmen Sie die Verteilung der Geno- und Phänotypen in der F2- Generation bei intermediären Erbgängen! Weitere Abweichungen findet der Leser im Abschnitt 5. die moderne klassische Genetik. Dort werden die modernen Erkenntnisse zu den Erbgängen genauer beschrieben und erklärt. Die Ausbildung der verschiedenen Kämme bei Hähnen unserer Haushühner ((a ) ) wird von zwei Genen bestimmt. Aussehen Q: /aa/ Bezeichnung normaler Kamm Erbsen-Kamm Rosen-Kamm Walnuss-Kamm Genotyp aa bb AA bb Aa bb A* bb aa BB aa Bb aa B* AA BB, AA Bb Aa BB, Aa Bb A* B* Quellen: /aa/ images.pixelio.de (Verena N.) Aufgaben: 1. Kreuzen Sie zwei Hühner-Rassen (bis zur F 2 -Generation) mit einander! Die Männchen der einen (1.) Rasse haben einen normalen Kamm, die Hähne der anderen Rasse haben einen Walnuss-Kamm. Prüfen Sie, ob in diesem Kreuzungsbeispiel die MENDELschen Regeln anwendbar sind! BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

31 Pflanzen Art Merkmal dominant (Wildtyp) rezessiv Bohne Blütenfarbe rot weiß Phaséolus vulgaris Hülsenfarbe grün gelb intermediär Erbse Blütenfarbe purpur weiß Pisum sativum Samenform glatt kantig (runzlig) Samenfarbe gelb grün Form des glatt eingeschnürt Fruchtstandes (eingekerbt) Farbe des grün gelb Fruchtstandes (Hülse) Tomate Blattform gefiedert ungefiedert Solanum lycopersicum Stengelfarbe rot grün Pillenbrennnessel Blattrand gesägt glatt Mais Körnerfarbe gelb blau Rose Blütenfarbe rot gelb Kartoffel Löwenmaul Blütenfarbe rosa dunkelrot Antirrhinum Blütenform zygomorph radiär coulterianum (spiegelsymmetrisch) Blattform breitblättrig schmalblättrig Virusanfälligkeit virusfest virusanfällig Ertrag hoch niedrig kursive Merkmale wahrscheinlich angezüchtet??? BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

32 Tiere Art Merkmal dominant rezessiv intermediär Fruchtfliege Augenfarbe dunkelrot hellrot zinnoberrot weiß braun hell (farblos) Augenform rund nierenförmig Augen mit ohne Facettenmuster normal gestört Flügelform normal verkümmert (Stummel-flügelig) glatter Rand ausgefranzter Rand plump (breiter) verdreht Flügelstellung zusammenliegend abstehend Fühler 5 4 (Tarsenglieder) Körperfarbe braun, schwarz gebändert schwarz gelb Körperform bucklig Thoraxborsten mit ohne Wellensittich Gefiederfärbun g hellgrün, dunkelgrün und olivgrün (2 Allele des Dunkelfaktors) Blattkäfer Chrysomela varians Farbe der Flügeldecken blau kupferrot grün Kaninchen Fellfarbe schwarz weiß Fellmuster gescheckt ganzfarbig Haarlänge normal (kurz) lang normal (sehr) kurz Haartyp glatthaarig angorahaarig Meerschweinchen Fellfarbe schwarz weiß braun weiß Haarlänge normal lang Haarausrichtung normal rosettenförmig Haarglanz nicht satin satin (nicht glänzend) Haarstruktur glatt kraushaarig (lockig) Haarschopf ohne mit Haarschopf (Krone) Augenfarbe normal (braun-schwarz) rot BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

33 Schaf Rind Tiere Art Merkmal dominant rezessiv intermediär Haushuhn Gefieder schwarz weiß grau marmoriert (Minorka-Rasse) Eischalenfarbe braun (?) weiß (?) ev. auch intermed. Ohrenlappenfarbe rot weiß Augenart rotes Auge Perlauge Zehenzahl Mehrzehigkeit Vierzehigkeit Befiederung normal seidig Laufbefiederung mit ohne Hörnerausbildung ungehörnt gehörnt Ohrenform normal stummelförmig Hörnerausbildung ungehörnt gehörnt Fellfarbe (Kopf) weißköpfig ganzfarbig Fellfarbe schwarz braun Fellmuster Tiere Art Merkmal dominant rezessiv intermediär Mensch Blut (Rhesus- positiv negativ Faktor) Kurzfingrigkeit normal verkürzte od. fehlende Fingerglieder Fehlsichtigkeit Rot-Grün- Fehlsichtigkeit (X- Chromosom) Rind Fellfarbe schwarz rotbraun Fellschecken ohne (einfarbig) gescheckt (zweifarbig) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

34 Vererbung mehrerer Allele Poly-Allelie Beispiel: BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

35 Kodominanz Bei der Kodominanz finden wir an einem Gen-Ort zwei verschiedene jeweils dominante Allele vor. Im Gegensatz zum intermediären Erbgang sind beide Allele gleichstark und jeweils für sich wirksam. Besonders im humangenetischen Bereich sind Beispiele für die Kodominanz bekannt geworden. Die beiden Blutgruppen-System AB0 und MNS funktionieren über kodominante Merkmale ( Vererbung der Blutgruppen beim Menschen). P.-typ M MN N M M M N N N M MM MM MM MN MN MN M M MM MM MM MN MN MN MN N M MM MM MM MN MN MN N MN MN MN NN NN NN N MN MN MN NN NN NN N MN MN MN NN NN NN BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

36 3.2. Lokalisierung der Erbinformationen die Chromosomen In den vielen Jahren lichtmikroskopischer Beobachtung von Zellen, erkannte man bald, dass die Erbanlagen im Zellkern zu finden sind. Besonders erkenntnisreich waren hierfür die Beobachtungen der Befruchtung bei Seeigel-Eiern durch HERTWIG Ein Bestandteil des Kernes kam als Erbanlage hauptsächlich in Frage. Dieser war mit besonderen Farbstoffen anfärbbar, weshalb man ihn auch Chromatin (griech.: das Anfärbbare) nannte. Wurde der Zellkern oder das Chromatin aus einer Zelle entfernt - oder war es nicht vorhanden - dann konnte sich die Zelle nicht mehr teilen und starb meist sehr bald. Das Chromatin veränderte seine normalerweise diffuse Verteilung während der Teilung einer Zelle. Also genau zu einem Zeitpunkt, wo das Erbmaterial auf die beiden Tochterzellen verteilt werden musste. Das Chromatin kondensierte immer stärker, bis schließlich X-förmige Strukturen entstanden, die sich nach der Teilung dann wieder auflösten (s.a.abb.4.x.). Die Verteilung des Erbmaterials durch Spaltung wurde von FLEMMING 1882 an Salamander-Larven beobachtet. Die X-förmigen Strukturen nennen wir Chromosomen (nach ROUX und WEISMANN, 1883). Jedes Chromosom ist einmal hinsichtlich der Längsachse spiegelbildlich. Es besitzt also zweimal zwei gleiche Arme. Üblicherweise sind die oberen und unteren Arme unterschiedlich lang, mit anderen Worten das Centromer liegt nicht genau auf der Hälfte der Chromatiden-Länge. Man spricht dann von akrozentrischen Chromosomen. Die oben-unten-ausrichtung eines Chromosoms wird immer über die Länge der Chromatiden festgelegt. Die längeren Chromatiden zeigen immer nach unten. Der kleine Arm heißt auch p-arm (petit.. frz.: klein). Der längere Arm bekommt die Bezeichnung q-arm. In metazentrischen Chromosomen liegt das Centromer genau in der Mittel. Im Lichtmikroskop ist somit keine oben-unten-orientierung möglich. Bei bestimmten Vorgängen rund um die Chromosomen herum (z.b. Mitose, Meiose) treten Chromosomen auf, die nur aus einem Chromatiden bestehen. Man spricht dann von Ein- Chromatiden-Chromosomen. Um Verwechslungen zu vermeiden, werden die typischen X- förmigen Chromosomen, dann als Zwei-Chromatiden-Chromosomen bezeichnet. Wenn man normal von Chromosomen spricht, meint man eigentlich immer die Zwei-Chromatiden- Chromosomen-Form. Dabei sollte aber bedacht werden, dass Chromosomen als sichtbare Einzel-Objekte nur sehr kurzfristig in einigen Phasen der Zellteilung überhaupt sichtbar sind. An den Enden der Chromatiden befinden sich die sogenannten Telemere. Sie besitzen eine typische, sich häufig wiederholende Nucleotid-Sequenz. Beim Menschen TTAGGG. Bei jeder Verdopplung des genetischen Materials werden die Chromatiden um ein Stück (genau diese Sequenz) kürzer. Dadurch sind nur begrenzte Anzahlen von einfachen Zellteilungen möglich. Je kürzer die Telomere werden, umso größer wird die Gefahr von Beschädigungen des Erbmaterials. Praktisch ist dies einer der wichtigsten Gründe für das "Altern". Weiterhin erhöht sich dadurch die Krebsgefahr ( Exkurs: Krebs Zellwachstum außer Kontrolle). Das Centromer besteht im Wesentlichen aus Proteinen. Während der Zellteilung spielt dieser Protein Komplex (man spricht auch vom Kinetochor) eine entscheidende Rolle bei der Teilung der Chromatiden voneinander sowie bei deren Transport zu den Zell-Polen ( Spindelapparat). BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

37 Spulwurm Parascaris 2 Mücke Culex 6 Fruchtfliege Drosophila melanogaster 8 Hausfliege 12 Kopflaus 12 Leberegel 12 Tintenfisch Sephia 12 Hüpferling 14 Skorpion Buthus 14 Spinne Aranea 14 Hecht 18 Mehlkäfer 20 Seidenspinner 20 Wasserfloh 20 Erdkröte Bufo bufo 22 Kreuzkröte 22 Riesenkänguruh 22 Wanderheuschrecke 23 Wechselkröte Bufo viridis 22 Feuersalamander 24 Feuerwanze 24 Kammmolch 24 Katzenhai 24 Lanzettfischchen 24 Laubfrosch Hyla 24 Egel Glossosiphonia 26 Frosch 26 Grasfrosch Rana 26 Gottesanbeterin 27 Knoblauchkröte 26 Libelle Aeschna 26 Schwamm Sycon 26 Wasserfrosch Rana 26 Axolotl 28 Trompetentierchen Stentor 28 Zecke / Holzbock 28 Kohlweißling 30 Alligator 32 Biene 32 Polyp Hydra 32 Regenwurm Lumbricus 32 / 36 Maulwurf 34 Silberfischchen 34 Geburtshelferkröte 36 Kreuzotter 36 Seeigel Paracentrotus 36 Seestern 36 Gelbrandkäfer 38 Hauskatze 38 Katze 38 Schwein 38 Zauneidechse 38 Name (dt.) wiss. Name Gesamtzahl Chromosomen Detailangaben Zusatz- Informationen BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

38 Hausmaus Mus 40 Aspisviper 42 Pavian 42 Hausspinne 43 Ratte 42 Rhesusaffe 42 Blindschleiche 44 Fledermaus Myotis 44 Goldhamster 44 Kaninchen 44 Makak 44 Sonnentierchen 44 Küchenschabe 47 Mensch Homo sapiens sapiens 46 2x 22 + XY Ameise 48 Gartenschnirkelschnecke 48 Gorilla 48 Guppy 48 Hase 48 Igel 48 Menschenaffen 48 Schimpanse 48 Schwertträger 48 Kapuzineraffe 54 Schaf 54 Weinbergschnecke 54 Kellerassel 56 Karettschildkröte 58 Sumpfschildkröte 58 Rind 60 Pferd 64 Reiher 68 Haussperling 76 Haushuhn 78 Hund 78 Amsel 80 Ente 80 Graugans Anser anser 80 Kanarienvogel 80 Koboldmaki 80 Taube 80 Goldfisch 94 Karpfen 104 Neunauge 174 Einsiedlerkrebs 254 Name (dt.) wiss. Name Gesamtzahl Chromosomen Detailangaben Zusatz- Informationen BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

39 Name (dt.) wiss. Name Gesamtzahl Chromosomen Seegras 12 Spinat 12 Erbse 14 Gartenerdbeere 14, 28, 42, 56 Gerste 14 Gurke 14 Klatschmohn 14 Sauerampfer 14, 15 Walderdbeere 14 Weizen, Einkorn 14 Wiesenklee 14 Heidekraut 16 Hirtentäschel(kraut) 16, 32 Mandel 16 Pfirsich 16 Süßkirsche 16, 24, 32, 64, 144 Zwiebel 16 Baldrian 18 Kamille 18 Karotte 18 Moosfarn Selaginella 18 Wiesensalbei 18 Frauenschuh 20 Kümmel 20 Mais Zea 20 Mistel 20 Sonnentau 20 Spargel 20 Veilchen 20 Zypressenwolfsmilch 20 Wiesenlabkraut 22 Banane 22, 23, 44 Garten-Bohne 22 Primel 22 Schlafmohn 22 Vergissmeinnicht 22 Wacholder 22 Petersilie 23 Eibe 24 Fichte 24 Ginkgo 24 Glockenheide 24 Heidelbeere 24 Kiefer 24 Kornblume 24 Lärche 24 Löwenzahn 24 Reis 24 Rotbuche 24 Schneeglöckchen 24 Senf 24 Stieleiche 24 Tanne 24 Tomate 24 Wasserpest Elodea 24 Detailangaben Zusatz- Informationen BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

40 Name (dt.) wiss. Name Gesamtzahl Chromosomen Feldahorn 26, 78 Stiefmütterchen 26 Erle 28 Frühlingsenzian 28 Weizen, Hartweizen 28 Weizen, Emmer 28 Kartäusernelke 30 Venusfliegenfalle 30 Alge Cladophora 32 Christrose 32 Kokosnuss 32 Küchenschelle 32 Nieswurz 32 Sauerkirsche 32 Sumpfdotterblume 32, 48, 56 Apfel 34, 51, 68 Glockenblume 34 Birne 34, 51, 68, 85 Sonnenblume 34 Vogelbeere 34 Bienenragwurz 36 Klette 36 Margerite 36 Schafgarbe 36, 54 Herbstzeitlose 38 Pappel 38 Raps 38 Weide Salix 38 Wein 38, 57, 76 Kürbis 40 Rosskastanie 40 Dinkel 42 Hafer 42 Weizen 42 Weizen, Saatweizen 42 Esche 46 Flieder Liguster 46 Alpenveilchen 48, 84 Kartoffel 48 Pflaume 48 Tabak 48 Huflattich 60 Pfaffenhütchen 64 Pfefferminze 68, 72 Tannenbärlapp 68 Winterlinde 72 Birke 84 Stechginster 96 Adlerfarn 104 Behaarte Segge 112 Wurmfarn 164 Augentierchen Euglena ca. 200 Schachtelhalme 216 Natternzunge 480 Farn 630 Detailangaben Zusatz- Informationen BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

41 Name (dt.) wiss. Name Gesamtzahl Chromosomen Hefe 32 Champignon 8 Daten-Q: FLINT: Biologie in Zahlen (G. Fischer Verl.) Detailangaben Zusatz- Informationen Durch verbesserte mikroskopische Techniken konnte man auch feinere fadenartige Strukturen (Chromatin-Fäden) in den Chromosomen erkennen. Mit noch spezielleren Farbstoffen ließen sich die Chromosomen selektiv einfärben. Dabei entstanden bänderartige Strukturen, die man dann zur Unterscheidung von recht ähnlichen Chromosomen benutzte. Durch dieses Banding-Verfahren entdeckte man, das normalerweise von jedem Chromosom zwei Exemplare vorhanden sind. Die Gesamtheit aller zelleigenen Chromosomen wird als Chromosomensatz geführt. Sind von jedem Chromosom nur ein Exemplar vorhanden, so ist der Chromosomensatz haploid (einfach) 4. Wie oben gesagt, sind bei den meisten Organismen die Chromosomen in jeder Zelle doppelt vorhanden. diploider Chromosomen-Satz des Menschen mit Banding-Techniken markiert Q: de.wikipedia.org (Human Genome Project) Solche Chromosomensätze sind diploid (zweifach). Der Chromosomensatz des Menschen (s ) Homo sapiens sapiens setzt sich aus 46 Chromosomen zusammen. Zweimal 22 Chromosomen sind immer äquivalent. Die verbleibenden 2 Chromosomen können gleich (XX bei Frauen) oder verschieden (XY bei Männern) sein. Sie beinhalten wie wir heute wissen die Geschlechts-bestimmende Informationen. Damit ergibt sich für den Menschen ein Chromosomensatz aus 2 * 22 Körperchromosomen (Autosomen) und 2 Geschlechtschromosomen (Gonosomen) (f: 2 * 22 + XX ; m: 2 * 22 + XY). Für wissenschaftliche Untersuchungen fertigt man geordnete Darstellungen (Abbildungen) der Chromosomen an (s. Abb.). Diese heißen Karyogramme. Selten haben Organismen mehr als zwei gleiche oder fast ähnliche Chromosomensätze. Bei Weizen fand man z.b. vier gleiche Chromosomensätze. Solche Chromosomensätze heißen polyploid. Bei vier Chromosomensätzen wird auch einer Tetraploidie gesprochen. Genetisch veränderte Individuen konnten manchmal durch veränderte Bandenstrukturen erkannt werden. Damit lag der Schluss nahe, dass die Merkmale (Gene) irgendwie auf diesen Chromosomenarmen abgespeichert sein müssen. Dies führte 1904 zur Chromosomentheorie der Vererbung von CORRENS, BOVERI und SUTTON. 4 der Begriff haploid (griech.: halb) bezog sich ehemals auf den Gesamtchromosomensatz BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

42 Die Lokalisierung der Erbinformationen auf den Chromosomen bzw. im Chromatin gelang dem Physiker Max DELBRÜCK ( ) und dem Genetiker Nikolai TIMOFEJEW- RESSOWSKI ( ) durch Einsatz von RÖNTGEN-Strahlen. Durch spezielle Präparationsmethoden (z.b. Fluoreszenz-insitu-Hybridisierung (Abk.: FISH)) kann man heute farbig fluoreszierende Chromosomen oder Bandenmuster auf den selbigen für Karyogramme erzeugen. Jedes Chromosom leuchtet dann z.b. in einer speziellen Farbe oder die Banden treten noch charakteristischer hervor. Dadurch sind genetische Untersuchungen viel einfacher durchzuführen. Q: de.wikipedia.org (Bolzer et.al (Public Library of Science)) Q: de.wikipedia.org (Bolzer et.al (Public Library of Science)) Nachdem man nun wusste, dass die Chromosomen die Erbinformation beinhalteten, konnte man die Chromosomen-Anzahl mit der Anzahl vererbter Merkmale vergleichen. Dabei wurde klar, dass mehrere Merkmale auf einem Chromosom liegen müssten. Die Zerstörungs- Versuche von DELBRÜCK und TIMOFEJEW machten auch klar, dass die Merkmale dann Perlschnur-artig auf dem Chromosomen liegen müssten. Wo welche Merkmale genau lagen und wie die Informations-Speicherung erfolgte blieb noch lange ein Rätsel. Aufgabe für die gehobene Anspruchsebene: 1. Die folgende Frage könnte eine Millionen-Frage von "Wer wird Millionär" sein! Recherchieren Sie die richtige Antwort! Was war die ursprüngliche Definition / Begriffs-Bestimmung / Namensgebung für die Satelliten-DNA? sie umkreist die normale DNA A (/ restliche Chromosomen-DNA) sie hängt an der normale DNA, wie C z.b. ein Satellit an der Erde B D sie wurde beim Zentrifugieren in einer entfernten / extra Fraktion gefunden die erste Forscherin, die diese DNA gefunden hat, hieß Carmen SATELLIT BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

43 Exkurs: Gibt es ein gemeinsames Chromosom aller Eucyten? Bei der stark schwankenden Anzahl von Chromosomen in den verschiedenen Organismen und Organismen-Gruppen scheint die Suche nach einem gemeinsamen Chromosom für alle Eucyten etwas unreal. Im Chromosomen-Satz der Zelle wird man wohl kein gemeinsames "Ur"-Chromosom finden. Aber das sind ja in den eucytischen Zellkern noch die allgegenwärtigen Mitochondrien. Sie besitzen eigenes genetisches Material. Dieses hat sich nur intern geändert. Alle Mitochondrien in den verschiedensten Organismen-Gruppen sind mit einander verwandt. Das mitochondrale Chromosom enthält vor allem die Gene für die Phosphorylierung, die Proteine des Zitronensäure-Zyklus und die Atmungskette sowie für die eigene Reproduktion. Die einzelnen Gene weisen zwar gewisse Art-typische Unterschiede, praktisch sind aber die meisten Gene Artübergreifend vorhanden. Besonders für das Cytochrom c sind die Sequenzen der Gene und der Aminosäuren in vielen Arten untersucht worden. Aus den Ergebnissen konnte man einen sehr aufschlussreichen genetischen Stammbaum aufstellen, der den künstlichen Stammbaum z.b. von LINNÈ revolutioniert hat. Das gefundene gemeinsame und relativ einheitliche Mitochondrien-Chromosom stützt die Endosymbionten-Theorie von MARGULIS. Nach dieser Theorie kam es vor rund 0,5 Mrd. Jahren wahrscheinlich zu einem ganz besonderen einmaligen evolutionären Ereignis. Relativ große Fresszellen (Makrophagen) ernährten sich üblicherweise von Bakterien-ähnlichen Lebewesen (mittels Phagocytose), die eine spezielle und hocheffektive Nutzung von Monosacchariden entwickelt hatten (Glycolyse Zitronensäure-Zyklus Atmungskette). Wahrscheinlich hatte eines dieser Makrophagen so eine Art Verdauungs-Störung und konnte die Bakterien-ähnliche Zelle nicht verdauen. Da die Bakterienähnliche Zelle nicht zerstört wurde, konnte sie weiterhin im Inneren des Makrophagen sehr effektiv Energie (ATP) produzieren. Überschüssige Energie wurde im Ausgleich mit Nahrung (Monosacchariden) mit der Wirtszelle ausgetauscht. Es bildete sich so eine Lebens-Gemeinschaft zum gegenseitigen Vorteil, in der Biologie Symbiose genannt. Hier handelt es sich um eine spezielle Form der Symbiose, die im Inneren eines biologischen Systems abläuft eine sogenannte Endosymbiose. Daher auch der Name Endosymbionten-Theorie. Die reichliche Energie brachte für die Wirtszelle einen deutlichen evolutionären Vorteil. Dieser Vorteil war so groß, dass in der Folge Mehrzeller und Organismen mit aktiver Bewegung (Tiere) entstehen konnten. Im Laufe der Evolution sind beide Symbionten so miteinander verwachsen, dass eine Trennung heute nicht mehr möglich ist und sie ein gemeinsames zelluläres Gebilde darstellen die von uns Eucyte (Eukaryot, Eukaryont) genannt wird. Zellen (Procyte, blau) mit speziellem Stoffwechsel werden mittels Phagocytose von einem Makrophagen (Prä-Eucyte, violett) gefressen Endosymbiose der eingeschlossenen procytischen Zelle (jetzt Mitochondrium) mit der umgebenden Zelle (nun Eucyte); die Aufnahme weiterer Nahrung z.b. mittels Phagocytose ist möglich Der Genetik der Mitochondrien wird im Allgemeinen eine untergeordnete Bedeutung zugesprochen. Dies aber ganz zu unrecht. Schädigungen an der mitochondralen RNS können bis in die Zelle bzw. den Organismus hineinwirken. Derzeit sind rund 150 medizinisch bedeutsame Schädigungen der mtrns bekannt. Davon betreffen rund 50 % die verschiedenen trns-gene und Moleküle. Das ist besonders interessant, da die trns nur rund 10 % der mtrns ausmacht. Gesundheitlich relevante Schädigungen wurde bisher für alle trns-gene gefunden. Besonders stark betroffen sind die trns Lys und trns Leu. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

44 4. Weitergabe und Verteilung der Erbinformation 4.0. Chromosomentheorie der Vererbung Um 1900 wurden mit dem Chromatin und den manchmal sichtbaren Chromosomen die Träger der Erbinformationen erkannt. CORRENS, BOVERI und SUTTON entwickelten dann um 1904 eine Theorie, welche die Vorgänge bei der Vererbung nach den MENDELschen Regeln mit den Erkenntnissen über die Chromosomen und die Zellteilung miteinander verband. So entstand die Chromosomen-Theorie der Vererbung. Heute gilt die Theorie in ihren wesentlichen Zügen als gesichertes Wissen. Zusätzlich sind zwar noch neue Vererbungswege und Abweichungen von der Theorie beobachtet worden, aber dies tut der weiten Gültigkeit der Theorie wenig Abbruch. Damit sich eine Zelle in zwei Tochterzellen teilen kann, muss sie an einer Stelle dieses Vorganges ihre Erbanlagen verdoppeln. Wo sollte sonst das "neue" genetische Material herkommen? Bei der normalen Teilung einer Zelle wird den Tochterzellen die gesamte Erbinformation mitgegeben. Bis auf wenige Ausnahmen können sich diese Zellen in verschiedene Richtungen differenzieren (weiterentwickeln). Besonders in Problemsituationen sind sie dann in der Lage, die Aufgaben von Organ- oder Gewebe-fremden Zellen zu übernehmen. Viele Zellen sind sogar völlig omnipotent (polypotent), d.h. sie sind in jede beliebige Zell-Art des Organismus weiterentwickelbar (z.b. Zellen der Spross-Spitze von Pflanzen). Es bedarf jeweils nur eines besonderen Anstoßes und die Differenzierung läuft fast unstopbar in die programmierte Richtung. Betrachten wir die Verteilung der Erbinformation während der Zellteilung einer Körperzelle. Die Zellteilung insgesamt und die Prozesse der Teilung des Cytoplasmas werden Cytokinese genannt. Der zentrale Vorgang ist dabei die Teilung des Zellkerns. Dieser Vorgang wird auch als Mitose (M-Phase) bezeichnet. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

45 4.1. Mitose (Kern-Teilung, Zell-Teilung) Der Ablauf der Mitose (Karyokinese): In der Interphase (Phase zwischen zwei Teilungsvorgängen) sammelt die Zelle Energie und die notwendigen Stoffe für eine Teilung (G 1 -Abschnitt od. Stadium; Interphase 0; g von engl.: gap = Lücke). Vor allem muss das Erbmaterial, welches in Form von entspiralisierten Ein- Chromatiden-Chromosomen vorliegt, noch verdoppelt werden (S-Abschnitt bzw. -Stadium, Replikationsphase) ( 6.1. Replikation der DNA (Reduplikation)). Praktisch sind aber die Chromosomen bzw. die Chromatiden gar nicht als solche beobachtbar. Die entspiralisierte Masse der Chromatiden ist als Chromatin (- bei entsprechender Anfärbung-) sichtbar ( Cytologie). Von den beobachtbaren fädigen Strukturen leitet sich auch der Name Mitose ab (griech.: mitos = Faden). Am Ende der Interphase folgt noch der G2-Abschnitt (auch: Interphase 1), in dem spezielle Enzyme und Hilfsstoffe für die Teilungsvorgänge produziert werden. Jetzt erfolgt auch die Bildung des zweiten Chromatids ( Replikation). Die Chromosomen liegen dann am Ende dieser Phase als entspiralisierte Zwei-Chromatiden-Chromosomen vor. In der Prophase lösen sich die Kernmembran und der Nucleolus auf. Die Chromatin-Fäden kondensieren dazu immer stärker, d.h. sie spiralisieren und falten sich (siehe dazu später 6. Speicherung der Erbinformation die DNS). Nach und nach werden die Chromosomen immer deutlicher sichtbar. Die Faltung und Spriralisierung ist so effektiv, dass die Chromation-Fäden sich um den Faktor 10'000 verkürzen. Die Chromosomen liegen dann in der uns vertrauten Zwei-Chromatiden-Form (X-Form) vor. Die Zentrosomen (Centriolen, Teilungskörperchen) teilen sich und wandert zu den Zellpolen. Zwischen den Zentrosomen wird der Spindel-Apparat aufgebaut. Er besteht aus Mikrotubuli, die sich ständig durch Anlagerung ihrer Bauteile ( - und -Tubulin) verlängern. Einige dieser Spindelfasern reichen von einem Kernkörperchen zum anderen. Sie werden Zentral- oder Polfasern genannt. Für weiteren Halt im Zytoplasma sorgen die Asternfasern, die strahlenförmig vom Centrosom ausgehen. Andere kürze Fasern sind nur mit einem Pol verbunden. Sie verbinden sich mit den Zentromeren der Chromosomen und richten diese während der Metaphase in der Äquatorial-Ebene der Zelle aus. Die seitlichen Anlagerungsstellen der Spindelfasern am Centromer werden Kinetochoren genannt. Solche Spindelfaser heißen deshalb auch (Kinetochoren-Fasern, Zugfasern). Interphase 0 Interphase 1 Prophase Metaphase BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

46 In der folgenden Anaphase teilen sich die Centromere, so dass die einzelnen Chromatiden vorliegen. Die verschiedenen Spindelfasern gleiten aneinander vorbei ( Cytologie). Dabei zerren sie die Chromosomen endgültig auseinander und von der Äquatorial-Platte weg. (Die Wandergeschwindigkeit beträgt rund 1 µm/min. Das Transport- Protein heißt Dynein.) Somit wird die Erbinformation gleichmäßig auf die Tochterzellen verteilt. Beide Zellhälften enthalten dann prinzipiell das gleiche genetische Material (vollständiger diploider Chromosomensatz in Form von Ein-Chromatiden- Chromosomen). In der Telophase beobachtet man die Entspiralisierung der Chromatiden, die Bildung der neuen Kernmembranen und einer trennenden Zellmembran. Pflanzenzellen bilden zuerst eine Primordialwand, die vorrangig aus Pektinen besteht. Auf die Primordialwand wird nun von beiden Zellseiten Zellmembran- Material aufgelagert. Dieses stammt aus dem Endoplasmatischen Retikulum und ev. auch aus dem GOLGI-Apparat. Bei den Tieren bilden Actin- Filamente einen inneren Ring (FLEMMING- od. Mittel-Körper). Durch Verkürzung des Ringes schnüren sich die Zellhälften ab. Die Zellmembran-Abschnitte verschmelzen dann letztendlich. Durch Mitose sind aus der Mutterzelle unter Beibehaltung der Chromosomenanzahl (diploid) zwei gleichartige Tochterzellen mit genau denselben Erbanlagen (diploid) entstanden (Cytokinese). Nun beginnt die Lebenszeit der Tochter-Zellen. Sie befinden sich in der Wachstums- und Differenzierungs-Phase. Je nach Organismus behalten alle oder nur einzelne Zellen die Teilungs- Fähigkeit. pflanzliche Zelle Anaphase je nach Zelltyp Telophase Interphase' tierische Zelle Solche Zellen befinden sich praktisch in einer neuen (nachfolgenden) Interphase (Interphase'). Die Mitose dient einfach der Vermehrung der Zellen, um z.b. abgestorbene zu ersetzen und ein Wachstum des Organismus als Ganzes zu ermöglichen. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

47 Bei den Beobachtungen der Mitose hat man festgestellt, dass sich die Phasen-Anteile während einer Kernteilung ungefähr so verteilen: Prophase Metaphase Anaphase Telophase 40 % 20 % 10% 30 % Die Gesamtzeitdauer differiert bei den einzelnen Arten von 3 min (a) Drosophila melanogaster ((A ) Fruchtfliege) bis zu 200 min (a) Tradescantia spec. ((A ) Dreizackblume)) oder auch der Heuschrecke (a) Chortophaga viridfasciata. Die längste Phase ist natürlich die Interphase. Auch hier ist die Fruchtfliege mit insgesamt 8 min für einen vollen Zellzyklus Spitzenreiter. vorlaufender Zellzyklus Zellzyklus nachfolgender Zellzyklus Mitose Interphase Mitose Interphase G1-Abschnitt G2-Abschnitt G1-Abschnitt Zellen, die sich nicht mehr weiter teilen, scheren aus dem Zell-Zyklus aus und befinden sich dann in der sogenannten G0-Phase. Sie wachsen und differenzieren sich weiter aus. Dabei übernehmen sie dann zumeist spezielle leistungsfordernde Aufgaben. Die Zellen wären mit den zusätzlichen Aufwendungen für eine Zellteilung überfordert. Grundsätzlich enthalten sie immer noch den vollständigen Chromosomensatz des Organismus und sind prinzipiell auch weiter teilungsfähig. Ausnahmen bilden nur Zellen, die im Laufe ihrer weiteren Differenzierung ihren Zellkern verlieren (z.b. rote Blutkörperchen beim Menschen). Die Lebensdauer ausdifferenzierter Zelle ist z.t. recht beachtlich (z.b. mehrere hundert Jahre bei Bäumen). Bei anderen Zellen wird zu einem bestimmten Zeitpunkt ein Selbstzerstörungsvorgang ausgelöst. Dieser programmierte Zelltod (Apoptose) ist für ein geordnetes Wachstum innerhalb eines Organismus notwendig. vorlaufender Zellzyklus Zellentwicklung Mitose Differenzierung und Wachstum Zelltod Aufgabe: 1. Erläutern Sie an Hand der nachfolgenden Abbildungen den Verlauf der Mitose! Q: de.wikipedia.org (Mysid) geändert: dre BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

48 Exkurs: Colchicin ein Zellteilungs-Gift wird aus der (A ) Herbstzeitlosen (a ) Colchicum autumnale gewonnen verhindert die Dimer-Bildung der beiden Tubulin- Monomere; damit ist kein weiterer Aufbau des Spindelapparates möglich Tubulin und Mikrotubuli spielen in abgewandelter Form auch während der Cytokinese eine Rolle (Ausrichtung von Zelläquator und Primordialwand), Colchicin blockiert also mehrere Phasen der Zellteilung Strukturformel von Colchicin Q: de.wikipedia.org (NEUROtiker) Colchicin wird in der Labor-Praxis beim Mikroskopieren von mitotischen Zellen benutzt. Nach einer Behandlung mit dem Hemmstoff wird mittels FEULGEN-Färbung das fixierte genetische Material markiert. Herbstzeitlose Q: (fswerk) Aufgaben: 1. Übernehmen Sie die nachfolgende Tabelle und füllen Sie diese vollständig aus! Mitose- Phase Kurz- Anzahl der Präsens eines Ploidie exakte Bezeichnung der Beschreibung Merkmals (/Gens) (homozygot) 1x 2x 4x nx Chromosomen Interphase 0 diploid Ein- Chromatiden- Chromosom : : Interphase 0 BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

49 4.2. Meiose (Reife-Teilung, Reduktions-Teilung) Wie wir schon festgestellt haben, muss die Erbinformation bei einem geschlechtlichen Fortpflanzungsakt an irgendeiner Stelle halbiert werden. Entständen im weiblichen Organismus diploide Eizellen und beim Männchen diploide Samenzellen, dann wäre die Zygote (befruchtete Eizelle) tetraploid usw. usf. Wie erfolgt aber die Erhaltung der Chromosomenzahl während der geschlechtlichen Fortpflanzung? Heute wissen wir, dass die Teilung des Chromosomensatzes (bei höheren Organismen) vor bzw. mit der Bildung der Gameten (Eizelle bzw. Samenzelle) erfolgt. Gameten sind i.a. haploid. Zur Bildung von Zellen mit halbiertem Chromosomensatz (Meiose (griech.: meiosis = Minderung), Reduktionsteilung) sind nur wenige Zellen eines Organismus befähigt. Diese Gameten-Mutterzellen (Eizellen-Mutterzelle (Oozyte) bzw. Samenzellen-Mutterzelle (Spermatozyte)) befinden sich in den Keimdrüsen (Eierstock (Ovarium) bzw. Hoden (Testes)). Hier sind sie soweit gereift (Präphase 0), dass sie auf ein hormonelles Signal hin mit der speziellen Teilung und Bildung von Geschlechts-Zellen (Gameten) beginnen: allgemein / männliche Gameten-Bildung Präphase 0 Präphase 1 Prophase I Der Ablauf der Meiose Reduktions-Teilung: Die Meiose verläuft prinzipiell ähnlich der Mitose. Im weitesten Sinne sind es zwei aneinandergekoppelte Mitosen (I und II), die aber mit verschiedenen Chromosomensätzen und Chromosomenformen arbeiten. Die Mutterzellen sind diploide Zellen. Zuerst (Präphase 1) wird das genetische Material (Chromatin) verdoppelt ( 6.1. Replikation der DNA (Reduplikation)). In den nebenstehenden Abbildungen wird von einem Chromosomensatz mit drei verschieden Chromosomen (blau, rot, grün) ausgegangen. In dieser Phase finden wir nur Ein-Chromatiden- Chromosomen vor. Jeweils ein Chromatid stammte einmal von der Mutter und eins vom Vater. In der Prophase I kondensiert das Chromatin zu Zwei- Chromatiden-Chromosomen. Die Chromosomen sind nun auch lichtmikroskopisch sichtbar (bei passender Färbung). Die Zentrosomen (Centriolen) teilt sich. Wie in der Mitose bilden sie die Ankerpunkte für den Spindelapparat. weibliche Gameten-Bildung BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

50 Metaphase I Anaphase I Telophase I Prophase II Metaphase II Nach der Auflösung der Kernmembran lagern sich die Chromosomen in der Äquatorial- Ebene an (Metaphase I). Die homologen (gleichartigen, zusammengehörenden) Chromosomen liegen dabei dicht aneinander. Die Packungen der homologen Chromosomen werden auch als Bivalente bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt ist ein zusätzlicher Austausch von genetischen Materialien möglich. Dabei überkreuzen sich die Chromatiden der homologen Chromosomen (bilden ein sogenanntes Chiasma). An den Überschneidungen brechen die Arm-Reste gewissermaßen ab und wechseln ihre Zugehörigkeit zu den Chromatiden (Crossing over 5. Die moderne klassische Genetik). In der Anaphase I werden die homologen Chromosomen-Paare voneinander getrennt. Die Verteilung der ehemals mütterlichen und väterlichen Chromatiden hier in der Zwei-Chromatiden- Form erfolgt völlig zufällig. Es bilden sich zwei "Tochterzellen" mit haploidem Chromosomensatz aus Zwei-Chromatiden- Chromosomen (Telophase I). Die beiden Hälften werden durch eine neue Zellmembran voneinander getrennt. Nun folgt die zweite meiotische Teilung, die den bekannten mitotischen Phasen (Meta- bis Telophase) entspricht. Die zweite Prophase verläuft quasi neben der Telophase I. Eine klare Abgrenzung der Prophase II ist hier sehr schwierig. Die Zentrosomen teilen sich ein zweites Mal. In dieser Phase der Metaphase II werden die Zwei-Chromatiden-Chromosomen in zwei neuen Äquatorial- Ebenen angeordnet. Diese liegen senkrecht zur Äquatorebene der ersten meiotischen Teilung (Metaphase I usw.). BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

51 Anaphase II Telophase II Gameten Bei der weiblichen Meiose fällt die ungleichmäßig Verteilung des Zellraums auf die neuen "Hälften" auf. Das genetische Material wir aber immer gleichmäßig verteilt. Durch den 2. Spindelapparat werden nun die Chromatiden voneinander getrennt (Anaphase II). Dazu gehört die Bildung der trennenden Zellmembran. In der Telophase II werden die fehlenden Kern- und Zellmembranen ausgebildet und die Chromosomen entspiralisiert. Bei der weiblichen Meiose erfolgt die Teilung des Cytoplasmas wiederum unsymmetrisch. In den entstandenen vier haploide Zellen findet man nur noch Ein-Chromatiden- Chromosomen. Abschließend wird wieder eine Kernhülle aus Material des Endoplasmatischen Retikulums gebildet. Aus einer Eizellen-Mutterzelle entsteht nur eine Eizelle. Die drei restlichen "Gameten" werden zu Hilfszellen (siehe Abb. rechts). Die vier Tochterzellen einer Samenzellen-Mutterzelle werden in nachgeordneten Prozessen der Spermiogenese zu echten Spermien weiterentwickelt. Die Meiose-Vorgänge laufen bei den einzelnen Organismen mit recht unterschiedlicher Dauer ab. So bildet der Weizen innerhalb eines Tages neuen Pollen (männlich). Bei anderen Pflanzen werden aber auch schon mal 1 bis 2 Wochen gebraucht ((A ) Weiße Lilie). Für den Menschen (a ) Homo sapiens sapiens fand man für die Spermiogenese eine Dauer von Tage. Die Eizellenbildung (Oogenese) wird dagegen mit bis Tagen (13 50 Jahre) dokumentiert. In der letzten Zeit mehren sich Meldungen, die sogar auf eine noch weiter auseinander gehende Spanne hindeuten (ev Tage). Hierbei handelt es sich um beschriebene Extreme. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

52 Aufgaben: 1. Übernehmen Sie die nachfolgende Tabelle und füllen Sie diese vollständig aus! Meiose-Phase Kurz- Anzahl der Präsens eines Ploidie exakte Bezeichnung der Beschreibung Merkmals (/Gens) (homozygot) 1x 2x 4x nx Chromosomen Vorphase 0 diploid Ein- Chromatiden- Chromosom : : Gametenphase BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

53 4.3. Zusammenspiel von Mitose und Meiose beim Menschen BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

54 Exkurs: Krebs Zellwachstum außer Kontrolle nicht jede Mutation führt zu Krebs; häufig stirbt die Zelle nach einem internen Auslöser- Signal zerstört sich die Zelle von innen heraus nach einem festen Programm Zellen haben auch Wächter-Gene, die Fehler korrigieren können, die Vermehrung verhindern können (Tumor-Supressor-Gene) oder den Zelltod (Apoptose) auslösen Krebszellen haben die eigentlich seltene Fähigkeit sich über die natürlichen Kontroll- Systeme hinwegzusetzen z.b. durch: die Fähigkeit zusätzliche Versorgungsbahnen (Blutgefäße usw.) auszubilden (Angiogenese) die Fähigkeit mit weniger oder ohne Sauerstoff zu leben (Hypoxie) die Fähigkeit, die Tumor-Supression auszuschalten die Fähigkeit spezielle Onkogene zu bilden die Fähigkeit, sich für das eigene Immunsystem unsichtbar oder unangreifbar zu machen (immune Escape) die Fähigkeit aus dem eigenen Zellverband auszuwandern und sich in anderen Verbänden anzusiedeln (Metastasierung) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

55 Faktoren, die Krebs auslösen können (sollen): genetische Veranlagung ionisierende Strahlung chemische (, giftige) Stoffe (Toxine, speziell: Cancerogene) Viren (Onkoviren) Stammzellen medizinische Therapien mit Immunsupressiva (z.b. nach Organ-Verpflanzungen) Übergewicht Kontakt mit Krebs-Geschwülsten anderer Tiere Stress BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

56 Aufgaben: 1. Erläutern Sie den Verlauf einer meiotischen Zellteilung! 2. Wie oft sind die Erbanlagen für ein bestimmtes Merkmal in der Prophase I vorhanden? Begründen Sie Ihre Aussage! 3. Beschreiben Sie den Vorgang, von dem eine "mikroskopische" Momentaufnahme (rechte Abb.) gemacht wurde! Kennzeichnen Sie die beobachtbaren Phasen durch Koordinaten! 4. Wie lässt sich die doch recht lange Meiose-Dauer beim Menschen sinnvoll erklären? Gibt es auch eine Erklärung für die doch sehr stark differierende Dauer? 5. Vergleichen Sie Mitose und Meiose in einer Tabelle! Internet-Links: Animation der Meiose (engl.): nicht über den Zellkern vererbte Merkmale Seit einigen Jahren ist bekannt, dass auch im Cytoplasma, in den Mitochondrien und in dauerhaft parasitierenden / symbiotischen Viren bzw. Viren-ähnlichen Gebilden genetisches Material vorkommt, welches unabhängig von den Vorgängen im Zell-Kern vererbt wird. Der Merkmals- bzw. Gen-Bestand des Cytoplasmas wird Cytoplasmon genannt. Die Herkunft, wie auch die Vererbungs-Mechanismen sind derzeit noch weitgehend unverstanden. Die Mitochondrien besitzen ihr eigenes genetisches Material. Dieses codiert die meisten Bau- und Funktions-Merkmale für die Mitochondrien selbst. Der mitochondrale Gen-Bestand wird Mitochondriom (od. Chondriom) genannt. Nur wenige Merkmale sind im Gen-Bestand des Zell-Kern (Genom) veranlagt. Wahrscheinlich handelt es sich um solche Merkmale, die erst nach der Einverleibung der freilebenden Mitochondrien-Vorgänger hinzugekommen sind. Bei den Mitochondrien kommt es zu Vererbungs-Vorgängen, die weitgehend denen von Procyten (Prokaryonten, Prokaryoten) entsprechen. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

57 5. die moderne klassische Genetik 5.1. Thomas Hunt MORGAN und das neue Lieblings-Tier der Genetiker Die Vererbungsforscher suchten Anfang des vergangenen Jahrhunderts auch nach einem besser geeigneten Forschungsobjekt. Die Gartenpflanzen, mit denen MENDEL seine Versuche machte, waren zu groß und hatten einen zu langen Generationszyklus. Man brauchte eine Art, die sich für Laborbedingungen eignete. Thomas Hunt MORGAN experimentierte seit 1910 mit der Tau-, Frucht- bzw. Essigfliege (s ) Drosophila melanogaster (allg. kurz: D. m.). Ganz exakt heißt sie eigentlich "schwarzbäuchige Taufliege". Die knapp 3 mm große Fliege kann man sehr häufig auf leicht angefaultem Obst antreffen. Sehr günstig ist bei Drosophila das Vorhandensein von Riesenchromosomen, ein gut beobachtbarer Geschlechts- Dimorphismus (z.b.: Hinterleibs-Ende bei zugespitzt und bei abgerundet; kleiner) und eine kurze Generationsdauer (10-14 Tage). Thomas Hunt MORGAN ( ) Q: fr.wikipedia.org (Elapied) (A ) Drosophila melanogaster (Männchen + Weibchen) Q: weiblicher und männlicher Chromosomen- Satz von Drosophila melanogaster Q: Project Gutenberg (Thomas Hunt MORGAN) D. m. lässt sich auf einfachen, billigen und reproduzierbaren Nähr-Medien in großen Zahlen züchten. Ein Weibchen bringt rund 300 entwicklungsfähige Eier hervor. Dadurch lassen sich auch für die Nachkommen gute statistische Kennzahlen erzielen. Nach der Ei-Ablage kann die Eltern-Generation entfernt werden. Die Eier entwickeln sich über Larven (Maden) und Puppen zu reifen Fliegen. Vor und nach den Kreuzungen können die Fliegen mit Ether oder anderen Narkotika leicht betäubt und dann sortiert werden. Man benötigt nur gute Lupen oder einfache Auflicht-Mikroskope dafür. Viele Jahrzehnte war Drosophila das Standardtier der Genetiker. In den 70er Jahren des 20. Jhd. wurde es dann nach und nach von Bakterien und Viren verdrängt. Heute erlebt die Fruchtfliege wieder eine kleine Renaissance als Modelltier der Entwicklungs-Genetiker. Dazu mehr im Abschnitt Hox-Gene. Begonnen hat der Hype auf Drosophila mehr durch mehrere Zufälle und Gelegenheiten. MORGAN wollte mittels eines Organismus, der einen kurzen Generations-Zyklus hat, prüfen wie lange dieser braucht, um sich z.b. an eine dunkle Umgebung anzupassen. MORGAN glaubte zu dieser Zeit auch an die LAMARCKsche Evolutions-These, dass sich der Gebrauch oder Nichtgebrauch eines Organs in der Vererbung bemerkbar macht. Nach einigen Generationen müssten dann bei im Dunklen gehaltenen Fliegen die Augen kleiner werden oder ganz fehlen. Knapp 60 Fliegen-Generationen später konnte diese These abgelehnt werden. Die Fliegen hatten ihre ursprünglichen Augen unverändert behalten. Für Untersuchungen, die sich um die Mutations-Theorie von DE VRIES drehten, züchtete er weiter Fruchtfliegen. Seinem geschulten Beobachter-Blick fiel dann eines Tages eine Fliege mit weißen Augen auf. Dieser Tag war der Beginn einer neuen Ära der Vererbungslehre der modernen klassischen Genetik. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

58 Lokalisierung der vererbten Merkmale auf den verschiedenen Chromosomen In ersten Versuchen wollte MORGAN nun prüfen, ob die gerade (1900 durch DE VRIES) wieder entdeckten MENDELschen Regeln auch für die Fruchtfliege gelten. Die Versuche waren zuerst nicht von Erfolg gekrönt. Bei genaueren Untersuchungen der Fruchtfliegen stieß MORGAN dann auf eine Fliege mit weißen Augen. Mit dieser veränderten Fliege führte er dann die ersten erfolgreichen Kreuzungs- Experimente durch. Er kreuzte das weißäugige Männchen mit "normalen" rotäugigen Weibchen. In der ersten Nachkommens-Generation traten nur normaläugige Nachkommen auf. Diese kreuzte er nun wie bei MENDEL üblich untereinander weiter. Die F2-Generation brachte nun nur normale Weibchen und je zu 50% rot- und weiß-äugige Männchen hervor. Aufgabe: Stellen Sie ein Kreuzungs-Schema in der üblichen Form auf! Verwenden Sie für die Merkmale die passenden Groß- bzw. Klein-Buchstaben! rote Augen (Wild-Form).. R / r weiße Augen.. W / w Q: Project Gutenberg (Thomas Hunt MORGAN) Natürlich erfolgte auch eine rekursive Kreuzung also dem Tausch von Männchen und Weibchen. Da im ersten Experiment keine weißäugigen Weibchen auftraten, musste MORGAN lange nach einem passenden Tier suchen. Die Ergebnisse des reziproken Kreuzungs- Versuchs waren besonders überraschend. Jetzt traten bei den Weibchen und den Männchen in der F2-Generation zu gleichen Anteilen weiß- und rotäugige Fliegen auf. Nach einer genauen Analyse und der notwendigen statistischen Absicherung durch mehrfache Versuchs-Wiederholungen kam MORGAN zu dem Schluss, dass das Merkmal "weiße Augen" auf dem X-Chromosom liegen müsse. Wir nennen Erbgänge, die über die Geschlechts- Chromosomen abgewickelt werden, gonosomale Erbgänge. Die auf den (restlichen) Körper- Chromosomen abgelegten Merkmale nennen wir autosomal. Q: Project Gutenberg (Thomas Hunt MORGAN) Bei den Frucht-Fliegen ist nicht die Anwesenheit des Y-Chromosoms für die Herausbildung eines männlichen Tieres verantwortlich, sondern bei den Frucht-Fliegen bestimmt das Verhältnis von X-Chromosomen zum Chromosomen-Satz das Geschlecht. Liegt das Verhältnis bei 1 : 2 (bzw. ist gleich oder kleiner als 0,5), dann wird das Tier männlich. Diesen Fall sehen wir oben beim männlichen Chromosomen-Satz. Auf die diploiden (- also je 2 Körper-Chromosomen -) kommt nur 1 X-Chromosom. Das gesuchte Verhältnis ist also genau ½. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

59 Weibliche Tiere sind durch ein Verhältnis von 1 : 1 (bzw. gleich oder mehr X-Chromosomen als Chromosomen- Sätze) charakterisiert. bekannte Chromosomen-Kombinationen und Geschlechts-Verhältnisse bei D. m. Gonosomen X-Chromosomen- Autosomen- Ploidie Quotient von Phänotyp Anzahl n X Sätze n A n X und n A XXXX 4 3 triploid 1,33 Superweibchen XXXX 4 4 tetraploid 1,0 Weibchen XXX 3 2 diploid 1,5 Superweibchen XXX 3 3 triploid 1,0 Weibchen XXX 3 4 tetraploid 0,75 Intersex XX 2 3 triploid 0,67 Intersex XX 2 2 diploid 1,0 Weibchen XX 2 4 tetraploid 0,5 Männchen X 1 2 diploid 0,5 Supermännchen X Y 1 2 diploid 0,5 Männchen X YY 1 2 diploid 0,5 Männchen XX YY 2 2 diploid 1,0 Weibchen XXX Y 3 3 triploid 1,0 Weibchen Aufgabe: Erstellen Sie auch für diesen Erbgang das passende Kreuzungs-Schema! Um die Übersichtlichkeit zu verbessern und Schreibweise etwas zu effektivieren, wurde die Notierung der Merkmale in den Kreuzungs-Schemas verändert: Von großer Bedeutung sind eigentlich immer nur die besonderen Merkmale. Die Genetiker interessieren genau für diese herausragenden bzw. sehr auffälligen Merkmale. Die entsprechenden veränderten Tiere werden nun mit ihrem charakteristischen Merkmal benannt. Bei seinen Experimenten fand MORGAN z.b. auch Fruchtfliegen mit einem gelben Körper. Die reinrassige Form wird heute einheitlich als "yellow body"-mutante geführt. Mit MORGAN kam es auch zu einer einheitlicheren Benennung und Abkürzung. Bei den "yellow body"-mutanten wurde nun einheitlich das y als Zeichen verwendet. Merkmale, die dominant sind sich also in den Wildtypen wiederfinden werden einfach als Plus-Zeichen notiert. Die interessanteren "speziellen" Merkmale werden nun immer zuerst geschrieben. Damit blieb die Betonen bei den Mutanten (besonderen rezessiven Merkmalen) und das allgemein "Bekannte" (die Merkmale des Wild-Typs) machen große Kreuzungs-Schemas nicht mehr so unübersichtlich. Die Benutzung der Klein- und Groß-Buchstaben für Merkmale erfolgt heute bei der Frucht-Fliege genau so, wie wir es bei MENDEL kennen gelernt haben. Zu Beginn der MORGANschen Experimente waren spezielle dominante Merkmale noch nicht bekannt. Solche Merkmale (z.b. ) übertrumpfen sogar die üblichen Wild-Merkmale. Wenn mit mehreren Merkmalen (z.b. Augenfarbe und Körperfarbe) gearbeitet wird, dann werden diese untereinander notiert. Durch immer genauere Beobachtungen hat im Laufe der letzten 100 Jahre eine sehr lange Liste von veränderten Drosophila- Typen dokumentiert. Derzeit sind es rund Viele der Typen sind in unzähligen Zeichnungen dargestellt. Als Beispiel seien einige unterschiedliche Flügel-Formen gezeigt: obere Reihe: untere Reihe: Q: Project Gutenberg (Thomas Hunt MORGAN) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

60 In diesem Script werden wir mehr schematische Abbildungen verwenden. Dabei soll immer die Betonung auf dem speziellen Merkmal liegen. Andere Merkmale werden nur grob angedeutet. In der wissenschaftlichen Literatur wird heute eine aus Genetiker-Sicht "verbesserte" Merkmals-Schreibweise benutzt. Diese ist aber für Laien nur schwer lesbar. In der modernen Schreibung tauchen die Merkmale wieder als Klein- oder Groß-Buchstaben auf. Die genaue Ausprägung des Merkmals also z.b. als Wild-Typ wird als Exponent notiert. Viele Merkmale haben zudem kryptischen Bezeichnungen aus Buchstaben und Ziffern. z.b.: w +mw.hs eine spezielle Variante (Allel) des Gens für weiße Augen; Wild-Typ ry bekannte Variante des Gens für rosa Augen (rosy); Wild-Typ Für das Gen w sind derzeit (2012) rund 1800 Varianten beschrieben worden. Die meisten Varianten sind nur durch genaue Untersuchungen der DNS (als Erb-Substanz) bzw. der resultierenden Proteine (hier der gebildeten weißen Farbstoffe) zu unterscheiden. Solche speziellen Notierungen machen im wissenschaftlichen Bereich, wo sich einzelne Wissenschaftler ihr Leben lang nur mit wenigen, sehr speziellen Zucht-Reihen (oder Mutanten) beschäftigen und international Daten ausgetauscht werden müssen, Sinn. Für uns sind solche Schreibungen einfach zu unübersichtlich, kaum nachvollziehbar oder lesbar. einige besondere Drosophila-Mutanten, schematisch (manchmal mehrere besondere Merkmale kombiniert): zum Vergleich Wildtyp Weibchen Wildtyp Männchen y.. (yellow) gelber Körper b.. (black) schwarzer Körper Cy.. gekräuselte Flügel L.. gelappte (u. verkl.) Augen w.. (white) weiße Augen eyg.. (eyes gone) keine Augen vg.. (vestigial) kurzflügelig BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

61 Überprüfung der Gültigkeit der MENDELschen Regeln Überprüfung der 1. MENDELschen Regel In guter wissenschaftlicher Manier stellte MORGAN vor seinen Experimenten Vermutungen über deren Verlauf an. Zuerst war die Überprüfung der der Gültigkeit von 1. und 2. MENDELscher Regel bei den Fruchtfliegen zu prüfen. Anhand einer solchen Kreuzung können wir uns auch gleich die moderne Schreibung der Genotypen ansehen. (s ) Drosophila melanogaster (Fruchtfliege) P: Körper gelb X Körper grau y y Wildtyp + + F1: Phänotyp(en): Körper grau Keimzellen + + y y + y + y y + y + proz. Häufigkeit: 100 % Genotyp(en): y + proz. Häufigkeit: 100 % Wildtyp Dieses vermutete Schema konnte MORGAN in praktischen Versuchen mehrere Hundert-fach bestätigen. Da nur gleichförmige Nachkommen in der F1-Generation auftraten, die wie als Bedingung formuliert "aus reinrassigen Eltern hervorgingen, die sich nur hinsichtlich eines (vergleichbaren) Merkmales unterscheiden" konnte die 1. MENDELsche Regel auch bei Drosophila als bestätigt gelten (zumindestens für ein / dieses Merkmal). Für andere Merkmale (z.b. schwarzer Körper oder weiße Augen) brachten die vielzähligen Versuche genau das gleiche Ergebnis. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

62 Überprüfung der 2. MENDELschen Regel Es folgte dann gleich die Prüfung der 2. MENDELschen Regel, indem die F1-Generation untereinander weitergekreuzt wurde. F1: Körper grau X Körper grau y + Wildtyp Wildtyp y + Keimzellen y + y y y y + + y F2: Genotyp(en): y y y Verhältnis: 1 : 2 : 1 Phänotyp(en): Häufigkeit (MORGAN): 25 % 75 % = 100 % Verhältnis: 1 : 3 Bei diesem Experiment bestätigte sich die Gültigkeit der 2. MENDELschen Regel. Es kam zur erwarteten Aufspaltung der Merkmale und damit zum Hervortreten der Eltern-Typen. MORGAN erhielt die erwarteten Zahlen-Verhältnisse bei den Phänotypen. Für andere Merkmale ergab sich das gleiche Bild. Alles schien in bester Ordnung zu sein. MENDEL hatte mit seinen theoretisch abgeleiteten und praktisch halbwegs geprüften Regeln wohl recht. Da alle Experimente mit hunderten von Fliegen durchgeführt wurden, kam MORGAN auch den optimalen Zahlen-Verhältnissen sehr nah. Dies bestätigte auch die Gültigkeit des Gesetzes der großen Zahlen aus der Statistik. Es besagt, dass bei einer steigenden Anzahl von Versuch (z.b. Würfeln einer "6") die optimale / erwartete Häufigkeit (hier: 1/6) immer genauer erreicht wird. Während bei einem Versuch der Zufall total zuschlägt, wie jeder "Menschärger-dich-nicht"-Spieler weiss, sieht es bei 10 Versuchen schon besser aus. Aber man wird wohl nicht die 1,6666 an gewürfelten Sechsen erreichen. Selbst bei 100 Würfel-Versuchen sind 16,6x die Sechs ein seltener Traum. Erst wenn man vielleicht 1'000'000x würfelt, dann erhält man ev. durchschnittlich die statistisch zu erwarteten Sechsen bei jedem 6. Wurf. Aufgaben: 1. Stellen Sie ein vollständiges Schema für das Kreuzen von reinrassigen wilden Weibchen mit reinrassigen Männchen, die einen schwarzen Körper (Zeichen: b.. black) haben auf! 2. Für einen Kreuzungs-Versuch mit reinrassigen Tieren wählte MORGAN Weibchen mit weißen Augen (Zeichen: w.. white) und normale Männchen aus! Wie müsste das Kreuzungs-Schema für diesen Erbgang aussehen? für interessierte Kursteilnehmer: 3. Prüfen Sie die Gültigkeit des Gesetzes der großen Zahlen beim Würfel einer "1" bei einem, 10, 100 und 1000 Würfen! Verwenden Sie die nebenstehende BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

63 Tabelle aus Grundlage z.b. für eine Tabellen-Kalkulation (mit microsoft- EXCEL oder openoffice- bzw. libre-office CALC)! Stellen Sie die Daten graphisch dar und interpretieren Sie das Diagramm! BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

64 Überprüfung der 3. MENDELschen Regel Für die Prüfung eines Erbganges nach der 3. MENDELschen Regel könnte der folgende experimentell geplante Erbgang gedient haben: (s ) Drosophila melanogaster (Fruchtfliege) P: Körper schwarz Augen rot (wild) X Körper grau (wild) keine Augen (eyes gone) b b eyg eyg Keimz. + eyg b b + + eyg + b b + + eyg + b b + + eyg + b b + + eyg + + eyg b + eyg + b + eyg + b + eyg + b + eyg + + eyg b + eyg + b + eyg + b + eyg + b + eyg + + eyg b + eyg + b + eyg + b + eyg + b + eyg + F1: Phänotyp(en): Körper grau Augen rot proz. Häufigkeit: 100 % Wildtyp X Genotyp(en): b + eyg + proz. Häufigkeit: 100 % Keimz. b eyg b + + eyg + + b eyg b b eyg eyg b b eyg + b + eyg eyg b + eyg + b + b b eyg + b b + + b + eyg + b eyg b + eyg eyg b + eyg eyg eyg + + eyg b + eyg + b eyg F2: PT: Verh.: 9 : 3 : 3 : 1 proz. H.: 56,25% 18,75% 18,75% 6,25% GT.: b + b b + b + b b b b b b eyg eyg eyg eyg + eyg eyg Verh.: 4 : 2 : 2 : 1 : 2 : 1 : 1 : 2 : 1 BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

65 Wieder konnte MORGAN die Gültigkeit der MENDELschen Regel bestätigen. Dies galt natürlich erst einmal nur für die untersuchten Merkmale. Nun mussten einfach weitere Merkmals-Kombinationen gewählt werden und die Regel so allgemeingültig gemacht werden. Aufgaben: 1. Stellen Sie das vermutete Erbschema für weiß-äugige Weibchen und Männchen mit schwarzen Körpern auf! An welchen Stellen ändert sich das Erbschema und wo bleibt es gleich? Erklären Sie! (s ) Drosophila melanogaster (Fruchtfliege) P: Körper grau Augen weiß X Körper gelb Augen rot + + w w y y + + Keimzellen + w + w + w + w y + y + w + y + w + y + w + y + w + y y + + y + y + w + w + y + y + w + w + y + y + w + w + y + y + w + w + y + y + w + y + w + y + w + y + w + F1: Phänotyp(en): Körper grau Augen rot proz. Häufigkeit: 100 % Genotyp(en): y + w + proz. Häufigkeit: 100 % Wildtyp Diese Kreuzung sollte graue Fliegen mit roten Augen ergeben. Die dominanten Wildmerkmale müssten sich durchsetzen. Ein praktisches Experiment bestätigte auch bei dieser Merkmals-Kombination die Vermutungen und damit die Gültigkeit der 1. MENDELschen Regel. In der F 2 -Generation müssten nach MENDEL die Phänotypen. MORGAN erwartete die nachfolgend dargestellte Verteilung der Phänotypen. Aus den anderen Kreuzungs-Versuchen waren ihm ja immer sehr exakte Bestätigungen der Verteilungen bekannt.? erwartete Verteilung der Phänotypen Phänotyp-Beschreibung: Körper: grau grau gelb gelb Augen: rot weiß weiß rot erwarte Anteile: 9x 3x 3x 1x 56,25 % 18,75 % 18,75 % 6,25 % BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

66 Aufgabe: 1. Stellen Sie ein Schema für die Kreuzung der F1-Generation untereinander auf! Überprüfen Sie die oben gemachten Zahlenangaben für die Phänotypen! Welche Zahlenverhältnisse für die Genotypen sind zu erwarten? Die praktische Kreuzung der F1-Generation untereinander brachte deutlich abweichende Beobachtungen:! beobachtete Verteilung der Phänotypen Phänotyp-Beschreibung: Körper: grau gelb Augen: rot weiß beobachtete Anteile: 3x 1x 75 % 25 % Da keine Neukombinationen auftraten und das Zahlenverhältnis nicht stimmte, schloss MORGAN auf die gemeinsame Lage der Gene auf nur einem Chromosom. MORGAN konnte mit seinen Kreuzungsversuchen nachweisen, dass die 3. MENDELsche Regel eingeschränkt werden muss. Bestimmte Merkmale werden nicht einzeln bzw. unabhängig vererbt, sondern sie werden quasi gemeinsam gekreuzt. Die Merkmale "gelber Körper" und "weiße Augen" sind solche Merkmale. Somit muss in der 3. MENDELschen Regel exakt formuliert werden, dass die zu verkreuzenden Merkmale "unabhängig voneinander" sein müssen. Wir haben in den vorderen Kapiteln die 3. MENDELsche Regel schon exakt formuliert. MENDEL konnte die genauen Zusammenhänge zu seiner Zeit weder wissen noch voraussehen. Die genaue Lage der Erbanlagen in Chromosomen war ihm noch gar nicht bekannt. Er konnte nichts von "abhängigen" und "unabhängigen" Genen wissen und hatte seine Regel ursprünglich auch nicht so exakt formuliert. Praktisch und phänotypisch könnte man die Merkmale Körperfarbe und Augenfarbe als ein gemeinsames Erb-Merkmal auffassen z.b. als Körper-Augen-Farb-Kombination. Sie liegen auf einem Chromosom und werden damit immer gemeinsam vererbt. Das vollständige und exakte Kreuzungs-Schema finden Sie auf der nächsten Seite. Da die Merkmale gemeinsam in die Keimzellen gelangen sie liegen ja zusammen auf dem mütterlichen oder väterlichen Chromosom, dürfen wir in der Gameten-Tabelle auch nur zwei Zeilen und Spalten aufstellen. Irgendwelche Austausche sind nur unter bestimmten Bedingungen (Crossing over) möglich. Die MENDELschen Regeln gelten also nur für Merkmale, die auf verschiedenen Chromosomen liegen und somit unabhängig voneinander sind. Bei Merkmalen, die zusammen auf einem Chromosom liegen und somit gemeinsam vererbt werden spricht man von Kopplungsgruppen. Unsere Berechnung über die Enkelgeneration von Adam und Eva müssen somit auch revidiert werden. Für 23 Chromosomen ergeben sich so 2 23 = verschiedene mögliche Phänotypen der Nachkommen von einem Paar (Mutter und Vater). MORGAN und seine Mitarbeiter, viele Nachfolger und Gleichgesinnte testeten in den folgenden Jahren die verschiedensten Merkmale von Drosophila miteinander. Nach und nach konnten alle Merkmale bestimmten Chromosomen zugeordnet werden. Wo die Merkmale aber genau auf den Chromosomen liegen und wie sie dort gespeichert werden, war immer noch ein Rätsel. In den nachfolgenden Jahrzehnten folgte dann auch die Lokalisierung der Merkmale vieler anderer Organismen. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

67 (s ) Drosophila melanogaster (Fruchtfliege) P: Körper grau Augen weiß X Körper gelb Augen rot + + w w y y + + F1: Phänotyp(en): Körper grau Augen rot X Keimzellen + w + w y + y + w + y + w + y + y + w + y + w + proz. Häufigkeit: 100 % Genotyp(en): y + w + proz. Häufigkeit: 100 % y + w + Keimzellen y w + + y w y y w w y + w y + w F2: Phänotyp(en): proz. Häufigkeit: 75 % 25 % Verhältnis 3 : 1 Genotyp(en): y + w + y + w + y y w w proz. Häufigkeit: 25 % 25 % 25 % 25 % Verhältnis 1 : 2 : 1 BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

68 Bestimmung der (genauen) Merkmals-Orte auf den Chromosomen In seinen statistisch gut belegten Experimenten stieß MORGAN mit seinem Team (Alfred STURTEVANT, Calvin BRIDGES u. Herman MULLER) auch immer wieder auf mehr oder weniger große Abweichungen von den MENDELschen Aussagen. Und das obwohl die Lage der Gene beachtet wurde. Betrachten wir folgendes Experiment, bei dem wieder zwei auf einem Chromosom liegende Gene gekreuzt werden sollten: (A ) Drosophila melanogaster (Fruchtfliege) P: Körper grau Normalflügel X Körper schwarz Stummelflügel Wildtyp b b vg vg F1: Phänotyp(en): Körper grau Normalflügel proz. Häufigkeit: 100 % Genotyp(en): b + vg + proz. Häufigkeit: 100 % Rückkreuzung mit rezessivem Elterntypen: F1: Körper grau Normalflügel X Körper schwarz Stummelflügel b + vg + b b vg vg? Erwartung: F2: Phänotyp(en): proz. Häufigkeit: 50 % 50 % Verhältnis: 1 : 1 Genotyp(en): b b vg vg b + vg + proz. Häufigkeit: 50 % 50 % Aufgabe: 1. Stellen Sie die Keimzellen-Tabelle für beide Kreuzungen auf! BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

69 MORGAN musste aber feststellen, dass statt dem erwarteten Ergebnis von jeweils 50% für die Phänotypen, nur jeweils 40,75% diesen Typen entsprachen. Nebenbei traten zwei unerwartete Phänotypen ([stummelflügelig, grau] und [normalflügelig, schwarz]) mit jeweils 9,25% auf.! Beobachtung: F2: Phänotyp(en): proz. Häufigkeit: 40,25 % 40,25 % 9,75 % 9,75 % Genotyp(en): b b vg vg b + vg + b b vg + b + vg vg Die abweichenden Zahlen-Verhältnisse konnten auch nicht mit der getrennte Lage der Merkmale auf verschiedenen Chromosomen erklären. Die Lage-Zuordnung war durch andere Experimente klar belegt worden. Auch die "beobachteten" Genotypen konnten mittels nachfolgender Kontroll-Versuche bestätigt werden. Das "Problem" musste also woanders liegen! Aus Untersuchungen (Frans JANSSEN (1909)) der Meiose wusste man, dass sich die Chromosomen in der Metaphase I homolog paaren. Relativ häufig überkreuzten sie dabei die Chromosomenarme. Die oben dargestellten Ergebnisse ließen sich dann erklären, wenn man davon ausging, dass an diesen Überkreuzungspunkten (Chiasma) ein Austausch der Chromatiden-Armstücke erfolgte (crossing over). Die Gene für Stummelflügeligkeit und schwarzen Körper müssen also relativ weit voneinander entfernt auf dem Chromosom liegen. Würden sie dichter liegen, dann wäre nicht so häufig ein crossing over mit Austausch der Faktoren crossing over mit Faktoren-Austausch möglich. Bereiche für wirksame und unwirksame Chiasmata in Abhängigkeit von ihrer Lage auf den Chromosomen BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

70 Praktisch kommt es durch den Faktoren-Austausch zum Kopplungsbruch (ursprünglich gekoppelter Merkmale). Nach Aufklärung des genauen Aufbaus der Chromosomen und der biochemischen Lokalisierung der Erb-Informationen auf der DNS ( ) kann man sich heute auch besser erklären, was genau an einem Chiasma abläuft. Wir kommen hierauf später zurück. Die Kreuzungs-Strukturen der DNS in einem Chiasma wird HOLLIDAY-Junction nach ihrem Entdecker Robin HOLLIDAY (1964) genannt. Die Merkmale werden neu kombiniert (Rekombination) und nachfolgend (zu mindestens bis zum nächsten wirksamen crossing over) wieder gemeinsam als eine (neue) Kopplung vererbt. Mit Hilfe der genauen statistischen Bewertung der Ergebnisse - noch weiterer solcher "abweichenden" Kreuzungen - konnte MORGAN die Lage der einzelnen Gene zueinander genau bestimmen (MORGANsche Gen-Lokalisations-Theorie). HOLLIDAY-Junction am Chiasma Q: de.wikipedia.org (Zephyris) So entstanden die ersten Genkarten für Drosophila. Inzwischen sind solche (relative) Genkarten für viele Arten bekannt. Der relative Abstand zweier Gene wird heute in MORGAN-Einheiten (ME od. Mo) angegeben. Als Berechnungsgrundlage wird die Häufigkeit der Abweichungen (Austauschwert) bei den Kreuzungsversuchen genutzt. Wir sprechen auch von der Rekombination der Merkmale. Der relative Abstand zwischen den Genen für die Stummelflügeligkeit und denen für die schwarze Körperfärbung beträgt rund 19 cm (Austauschwert bzw. Rekombinations-Häufigkeit 19 %). Damit weiss man zwar noch nicht, wo die Gene genau liegen, aber man kennt ihren relativen Abstand. Mit Hilfe weiterer Genabstände kann die Lage immer weiter konkretisiert werden. Heute werden die relativen Genkarten durch Gen- Sequenzierungen unterlegt und die Gen-Orte genau bestimmt (Dreipunkt-Methode). Mit der genauen Kenntnis der Lage der Merkmale auf den Chromosomen konnte man auch deren Größe genauer bestimmen. Durch das crossing over erhöht sich die Variabilität der Nachkommen trotz genetisch einheitlicher Eltern noch einmal erheblich. Bestimmung der relativen Lage von Merkmalen zueinander mit der Dreipunkt-Methode BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

71 Exkurs: Drei-Punkt-Methode zur Bestimmung der relativen Lage der Gen-Orte auch Drei-Punkt-Analyse Austausch-Wert Maß für die Häufigkeit von Crossing-over während der Meiose damit Maß für den relativen Abstand zwischen zwei Gene (Gen-Orten) je größer die Abweichung vom Erwartungs- Wert, umso wahrscheinlicher ist ein Austausch über crossing over; je weiter zwei Gene voneinander entfernt liegen (auf einem Chromosom / Chromatid) umso häufiger kann crossing over stattfinden Austausch-Wert ist die Summe der Abweichungen der prozentualen Anteile zwischen Erwartungs-Wert und beobachteter Häufigkeit 1 % 1 Mo (sprich: MORGAN) 1 % 1 mu (map unit) in der DNA-Welt entsprechen 1 cm ungefähr 1'000'000 Basenpaaren Die Methode hat einen kleinen Haken. Neben einfachem crossing over kann es auch zu einem doppelten kommen. Wenn nun die Gen-Orte sehr weit auseinander liegen, dann haben solche doppelten crossing over mit größerer Wahrscheinlichkeit keine beobachtbare Wirkung, da sie sich quasi gegenseitig aufheben. Aufgaben: 1. Bei Experimenten mit Fruchtfliegen-Mutanten ((s ) Drosophila melanogaster), die sich durch die Merkmale t (tan body; hellbrauner/gelbbrauner Körper), m (miniature (wings), kleine Flügel/Miniatur- Flügel) und rb (rubin eyes, rubinrote Augen) unterschieden ließen, ermittelte man die nachfolgenden Austauschwerte. Bestimmen Sie die Lage der Gene zueinander! Erläutern Sie Ihr Vorgehen! t m 8,5 % rb t 20 % m rb 28,5 % BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

72 2. Beim Menschen ((s ) Homo sapiens sapiens) konnte man durch Beobachtungen in betroffenen Familien die nachfolgenden Austausch-Werte für die Merkmale Grün-Blindheit (g); Glucose-6-phosphatdehydrogenase (G6PD) und Hämphilie VIII (h) ermitteln. Bestimmen Sie die Lage der Gene zueinander! h g 12 % h G6PD 7 % G6PD g 5 % für die gehobene Anspruchsebene: 3. Bestimmen Sie den Gen-Abstand für die Gene Flügel-Form (normal / gelockt (cu.. curled wings)) und Borsten-Form (normal / stumpf (obt.. obtuse bristles)) auf Chromosom III aus einem Kreuzungs-Versuch! In dem Versuch wurden Weibchen mit gelockten Flügeln sowie Männchen mit stumpfen Borsten verwendet. Man fand in der F2-Generation Tiere mit stumpfen Borsten und gelockten Flügeln, Tiere mit gelockten Flügeln, Tiere mit stumpfen Borsten und Tiere mit Wild-Typ. oben: männlicher Chromosomen-Satz von Drosophila mit Größen-Angaben rechts: weiblicher Chromosomen-Satz mit einigen Benennungen der Chromatiden- Arme. Die genauen Größen können von den Chromosomen der obigen Abb. entnommen werden. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

73 interessante Links: interaktive Seite mit Anzeige vieler Merkmale BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

74 Chromosomen-Karte mit der Lage wichtiger / ausgewählter Gene für Drosophila melanogaster klassische Chromosomen-Karte nach MORGAN BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

75 Aufgaben: 1. In einem Experiment werden zwei reinerbige Stämme von Drosophila miteinander bis in die 2. Nachkommens-Generation gekreuzt. Der eine Stamm hat zinnoberrote Augen, während der andere einen gefleckten Körper besitzt. Stellen Sie das übliche Kreuzungs-Schema auf! 2. Stellen Sie das Kreuzungs-Schema für den folgenden Erbgang auf! Die Männchen besitzen einen braunen Körper (reinerbig) und die Weibchen haben einen behaarten Körper (reinerbig). 3. Für ein weiteres Kreuzungs-Experiment sollen Voraussagen für die Nachkommen (Art und Verteilung) gemacht werden! Als Weibchen stehen reinerbige Tiere mit sternförmigen Augen zur Verfügung. Die Männchen sind allesamt vom Wild-Typ. 4. Eine Gruppe genetisch etwas unerfahrener Studenten möchte ein "besonderes" Experiment durchführen. Ihnen stehen die (reinerbige) Stämme A (schwarzer Körper; purpurne Augen) und B (gelockte Flügel) zur Verfügung. Welche MENDELschen Regeln werden sich durch dieses Experiment nachweisen lassen? Schätzen Sie vorher die Arten und Verteilungen von Nachkommen in den beiden Nachkommens-Generationen ab! Begründen Sie Ihre Meinung und die Voraussagen! 5. In allen Experimenten (Aufgaben 1 4) kam es bei der praktischen Arbeit zu Abweichungen von den vorausgesagten Verteilungen. Erklären Sie, woran dies liegen könnte! 6. In einem Zucht-Experiment sollen eine Sorte Mais mit gelb-grünen Sämlingen mit einer Sorte gekreuzt werden, deren Männchen steril sind und deren Blätter eine braue Mittelrippe besitzen. Wie muss das Experiment durchgeführt werden, um auch Nachkommen in der F2-Generation zu erhalten? Stellen Sie ein vollständiges Kreuzungs-Schema auf! Welche MENDELsche Regeln kommen hier zum Tragen? Begründen Sie Ihre Aussagen! BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

76 Pleiotropie / Polyphänie bisher sind wir stillschweigend davon ausgegangen, dass ein Merkmal von einer Informations-Stelle (Gen) abhängig ist. Diese Variante nennt man Monogenie. Ausbildung verschiedener phänotypischer Merkmale durch nur ein Gen Gegenstück ist Polygenie ( Polygenie / multiple Allelie) z.b. bei Erbsen : rot-blühende Erbsen haben auch einen rötlich gefärbten Stengel, weißblühende Erbsen besitzen keine Verfärbung BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

77 Polygenie / multiple Faktoren z.b. Kreuzung von Hühner mit gefiederten Füßen und normale (Wildtyp) erhält man in der F1-Generation durchgängig die erwarteten normalen Füße; dies entspricht voll den Erwartungen nach der 1. MENDELschen Regel bei der Kreuzung der F1-Generation untereinander erhält man aber das völlig neuartige Zahlen-Verhältnis 15 : 1 (normale zu gefiederte Füße) Erklärung nur über zwei Gene Möglich, die jeweils dominant-rezessiv vererbt werden; aber nur im doppelt rezessiven Fall treten die gefiederten Füße auf auch multifaktorielle oder polygene Vererbung ein Gen kommt in verschiedenen Formen vor, kodiert verschiedene Proteine, die eine betimmte Funktion etc. mehr oder weniger gut erfüllen Gegenstück ist Polyphänie ( Pleiotropie / Polyphänie) schwer zu finden und zu untersuchen, da: - mehrere Gene einen Einfluß haben, die jeweils für sich nach den MENDELschen Regeln vererbt werden (genotypisch) - phänotypisch leiten die Gene nur kleine Beiträge (für die Phänotypen stimmen die MENDELschen Regeln nicht!) also sind sie schwer zu beobachten - die Effekte der Gene summieren / kombinieren sich insgesamt ist es wohl so, dass eine Vielzahl von beobachteten Merkmalen (z.b. Körper- Größe, Körper-Gewicht, Hautleisten-Muster, Körperform-Merkmale, Augen-Farbe, Haut- Farbe, Intelligenz, Verhaltensweisen. ) auf der gemeinsamen Wirkung mehrerer Gene beruhen (besonders bei solchen, die in der Bevölkerung Normal-verteilt vorkommen, also nicht unbedingt in zwei oder drei verschiedenen Abstufungen) Erbleiden, die auf multigenen Effekten beruhen: - angeborene Pylorusstenose (Verengung des Magen-Ausgangs) - angeborene Hüftgelenks-Verengung (/-Luxation) - Klumpfuß - Lippen- und Lippen-Kiefer-Gaumen(-segel)-Spalten -angeborene Herzfehler - coronare Herz-Erkrankungen - Anencephalus (fehlendes Endhirn) - Spina bifida (Wirbel-Spalt; offenes Neural-Rohr; "offener Rücken") - einige Formen der geistigen Behinderung - Schizophrenie (fälschlich als "gespaltene Persönlichkeits.Erkrankung" übersetzt; besser als neuronale Erkrankung zu beschreiben, die durch absurdes, widersprüchliches und inkonsequentes Denken und Handeln gekennzeichnet ist) - affektive Psychosen (unkontrollierbare und ev. z.t. auch einseitige Stimmungs-Schwankungen) zwei verschiedene Typen bekannt: additive und komplementäre Polygenie additive Polygenie: zwei unabhängige Merkmale führen zu summativer Wirkung, bei zwei Merkmalen kann man üblicherweise mit 5 verschiedenen Ausprägungs-Stufen (quasianaloger Charakter) rechnen die einzelnen Gene wirken in die gleiche Richtung (z.b. Fell-Farbe, Haut-Farbe) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

78 a b a B A b A B a b aa bb aa Bb Aa bb Aa Bb a B aa Bb aa BB Aa Bb Aa BB A b Aa bb Aa Bb AA bb AA Bb A B Aa Bb Aa BB AA Bb AA BB Phänotyp statist. Häufigkeit Beispiel: Hautfarbe beim Menschen weitere Beispiele: Körner-Farbe bei Weizen (NILSSON-EHLE, 1909) r 1 r 2 r 1 R 2 R 1 r 2 R 1 R 2 r 1 r 2 r 1 r 1 r 2 r 2 r 1 r 1 R 2 r 2 R 1 r 1 r 2 r 2 R 1 r 1 R 2 r 2 r 1 R 2 r 1 r 1 R 2 r 2 r 1 r 1 R 2 R 2 R 1 r 1 R 2 r 2 R 1 r 1 R 2 R 2 R 1 r 2 R 1 r 1 r 2 r 2 R 1 r 1 R 2 r 2 R 1 R 1 r 2 r 2 R 1 R 1 R 2 r 2 R 1 R 2 R 1 r 1 R 2 r 2 R 1 r 1 R 2 R 2 R 1 R 1 R 2 r 2 R 1 R 1 R 2 R 2 Phänotyp statist. Häufigkeit fehlt ein Gen (z.b. nach einer negativen Mutation), dann wird trotzdem ein üblicher Phänotyp ausgebildet, aber eben nur sehr schwach (Einzel-Anteil des funktionierenden Gens) wenn n die Anzah der Gen-Paare ist, dann lassen sich die Gesamtzahl der verschiedenen Genotypen über 2n+1 und für die beiden extremen Phänotypen eine relative Häufigkeit von 1/(4n) berechnen komplementäre Polygenie: bei gemeinsamer Dominanz zweier unabhängiger Merkmale bildet sich ein phänotypisches Merkmal, die Dominanz nur eines Merkmal bringt andere (od. keine) Ausprägungen (mit deterministischen Charakter) hervor die einzelnen Gene wirken völlig verschieden (ev. auch in verschiedene Richtungen), zusammen können zusätzliche / gemeinsame Effekte auftreten a b a B A b A B a b aa bb aa Bb Aa bb Aa Bb a B aa Bb aa BB Aa Bb Aa BB A b Aa bb Aa Bb AA bb AA Bb A B Aa Bb Aa BB AA Bb AA BB Phänotyp BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

79 statist. Häufigkeit Beispiel: Blütenfarbe beim Leinkraut, Fell-Farben und Musterung bei verschiedenen Säugetieren häufig wird beim Fehlen eines Gen (z.b. nach einer negativen Mutation) gar kein phänotypisches Merkmal ausgebildet z.b. Fell-Farbe bei Hausmaus (s ) Mus domestica drei Gene A, B und C A verantwortlich für Ringelungs-Muster (Agutimuster) der Haare (a.. keine Ringelung) B verantwortlich für schwarzes Pigment in den Haaren (b.. keine Pigment-Bildung) C verantwortlich für Umwandlung bestimmter farbloser Pigment-Vorstufen in farbige Produkte komplementäre Polygenie bei der Haar-Färbung Gen B Gen A B B B b b b Gen C C C A A C c c c C C A a C c c c C C a a C c c c weitere Beispiele: Kamm-Formen bei Hühnern BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

80 Aufgaben: 1. Stellen Sie ein Vererbungsschema (bis F2) für die Kreuzung der beiden extremen Phänotypen hinsichtlich der Körner-Färbung beim Weizen auf! 2. Beim Menschen wird die Hautfarbe (Pigmentierung) durch drei Gene (A, B und C) bestimmt, die jeweils dominant / rezessiv vererbt werden. Die dominante Allel-Form bewirkt jeweils immer ein Drittel der Pigmentierung, die von der Mutter und dem Vater weitergegeben werden. Stellen Sie ein vollständiges Vererbungs-Schema für die Kreuzung eines sehr weißen (nicht-pigmentieren) und eines sehr dunklen (stark pigmentierten) Eltern-Teils bis in eine theoretische (! wegen Ausschluß von Inzucht) F2-Generation auf! a) Wieviele verschiedene Phänotypen sind in der F1- und in der (theoretischen) F2-Generation zu erwarten? b) Wie häufig kommen die verschiedenen Geno- und Phänotypen statistisch vor) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

81 letale Merkmale Ein Holsteiner Bulle (s ) Bos taurus (Haus-Rind) wurde 1902 als Zuchttier von Deutschland nach Schweden verkauft. Der Bulle wurde in den nachfolgenden Jahren sehr häufig zur Deckung eingesetzt. U.a. auch bei seinen Töchtern. Dies ist in der Nutztier-Zucht ein häufig genutztes Verfahren zur Steigerung der positiven Nutz-Eigenschaften, die aus der männlichen Linie kommen. Gerade deshalb wurde das Tier, mit dem vielversprechenden Namen "Prinz Adolph", ja auch gekauft und zur Deckung genutzt. Bis ungefähr 1930 waren in Schweden rund 2000 von dem Bullen abstammende Tiere entstanden. In den vorherigen Jahren registrierte man eine bedenkliche Zunahme von Kälbern, die haarlos geboren wurden. Sie konnten ihre Körper-Temperatur nicht ausreichend regulieren und verstarben frühzeitig. Als Ursache fand man ein Merkmal, welches heterozygot, rezessiv mit "Prinz Adolph" eingeschleppt wurde. Da er vielfach auch zur Deckung seiner Töchter eingesetzt wurde, die das Merkmal nun auch teilweise heterozygot in sich trugen, kam es zur möglichen Homozygotie des rezessiven Merkmals. Bei 25 % der Nachkommen aus den heterozygoten Müttern und dem Zuchtbullen trat das Haarlos-Merkmal auf. Diese Nachkommen starben dann kurz nach der Geburt. Letale Faktoren können immer nur heterozygot weitergegeben werden, da es bei homozygoten Tieren nicht zur Fortpflanzung kommt / kommen kann. Derzeit wird nach heterozygoten letalen Merkmalen gesucht. Deren Existenz gilt als sehr wahrscheinlich. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

82 Bei Drosophila sind die Merkmale "Curly" (Cy; gekräuselt(e Flügel) / nach oben gebogene Flügel) und "Lobe" (L; gelappt(e verkleinerte Augen)) ebenfalls letal. Beide Merkmale liegen auf dem Chromosom II und werden jeweils dominant vererbt. Interessant ist das Überleben der seltenen doppelt heterozygoten Cy- und L-Fliegen. Nur in dieser Kombination können die beiden "letalen" Merkmale überhaupt in der Population verbleiben. Da die Merkmale nur in der doppelt heterozygoten Form bestehen können, muss ein Chromosom II (z.b. das mütterliche) das eine Merkmal tragen, während das andere letale Merkmal auf dem anderen (z.b. väterlichen) Chromosom II liegt. (s ) Drosophila melanogaster (Fruchtfliege) P: gekräuselte Flügel kl. gelappte Augen X gekräuselte Flügel kl. gelappte Augen Cy + + L Cy + + L Keimzellen Cy + + L Cy + Cy Cy Cy L + + L Cy + + L + + L L F1: Genotyp(en): Cy Cy + + Cy + + L + + L L theoretisch: proz. Häufigkeit: 25 % 50 % 25 % praktisch: Phänotyp(en): X proz. Häufigkeit: 100 % Keimzellen + + Cy Cy L L Cy L + F2: Genotyp(en): Cy L + theoretisch: proz. Häufigkeit: 50 % 50 % praktisch: keine Nachkommen BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

83 springende Gene parasitische Züge Exkurs: DAWKINS "Das egoistische Gen" konsequenter DARWINnist Gene sind das zentrale Element des Lebens sie sind der Gegenstand der Evolution Gen sind an ihrer eigenen Vervielfältigung interessiert dafür produzieren sie zuerst einmal Proteine, die nun für ihrer eigene Vervielfältigung sorgen; Evolution bevorzugt die Gene, die die besten Kopier-Enzyme produzieren Gene schließen sich zusammen, um sich noch perfekter zu kopieren in der nächsten Ebene entstehen Zellen; sie haben ebenfalls den vorrangigen Zweck, die Gene zu vervielfältigen; Evolution setzt jetzt bei den Zellen an und bevorteilt die Gene, die die bestgeeigneten Zellen als Kopier-Maschinen kodieren dann Fortsetzung auf Organismen-Ebene, die Gene bleiben der Kern, es geht nur um eine bestmögliche Reproduktion der Gene auch wir Menschen sind nur sehr gut geeignete Kopier-Maschinen für eine ganz bestimmte Gen-Ansammlung BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

84 5.2. weitere Vererbungs-Phänomene 5.2.x. extrachromosomale Vererbung folgt nicht den MENDELschen Regeln Maultier-Maulesel-Phänomen Maultier und Maulesel sind Art-Bastarde, haben also Eltern aus zwei verschiedenen Arten, typischerweise Fortpflanzungs-unfähig genetisch prinzipiell gleich, da ein Chromosomen-Satz von der Mutter und einer vom Vater stammt, trotzdem ähneln die Bastarde mehr der mütterlichen Tier-Art Kreuzung von Pferde-Stute und Esel-Hengst ergibt Maultier Kreuzung aus Esel-Stute und Pferde-Hengst ergibt Maulesel Maultiere sind sehr als Last- und Reit-Tier beliebt, folgsam und Leistungs-fähig Maulesel kleiner und meist Leistungs-schwächer Phänomen der mütterlichen Dominanz tritt auch bei anderen Organismen auf, Ursache ist die ungleichmäßige Beteiligung von Mutter und Vater an der befruchteten Eizelle, zwar sind genetisch gleichgroße Anteile vorhanden, aber von der Samenzelle wird bei der Befruchtung ausschließlich genetisches Material übertragen, das in der Samenzelle sowieso schon reduzierte Cytoplasma usw. verbleibt bei der Befruchtung außerhalb der Eizelle der Stoffwechsel, plastidische Erbinformationen, die entsprechenden Stoffwechsel- und Genexpressions-"Start"-Bedingungen stammen immer von der Mutter weil solche Start-Bedingungen in Eizellen und Samenzellen oder passenden Gentechnik-Produkten fehlen, werden die Eizellen meist nichts (Saurier-Zucht aus Resten von DNS-Material ist also wahrscheinlich unmöglich, selbst wenn man z.b. andere lebende Eizellen als Wirt für die Saurier-DNS benutzt) 5.2.x.1. plastidische extrachromosomale Vererbung (s ) Mirabilis jalapa (Wunderblume) Panaschierung, weiß-grün-scheckung BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

85 P: X X F 1 : P: X X F 1 : 5.2.x.2. mitochondrale extrachromosomale Vererbung betrifft das Erbgut der Mitochondrien. diese teilen sich durch Spaltung, in einer Zelle sind meist mehrere Hundert Mitochondrien vorhanden, selten sind alle von einem Gen-Defekt in der mtrna betroffen, dadurch bestimmt das Verhältnis der "gesunden" zu "beschädigten" Mitochondrien die Ausprägung eines Defektes bzw. einer Krankheit BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

86 5.3. Vererbung beim Menschen Human-Genetik Vererbung des Geschlechts Das Geschlecht eines Menschen wird durch das unterschiedliche Auftreten der Geschlechtschromosomen (Gonosomen) bestimmt. Ein Organismus mit den Geschlechtschromosomen XX ist weiblich, mit XY männlich. Besonders Geschlechts-bestimmend ist dabei das Y-Chromosom. Es enthält u.a. die Erb-Anlagen für das Hormon, dass die Herausbildung männlicher Merkmale bewirkt. Fehlt dieses Hormon, dann zeigen sich auch bei einem genetischen Mann (mit einem defekten Y-Chromosom) nur bzw. vorrangig weibliche Merkmale. Dazu später noch mal genaueres Während der Oogenese (Eizellenbildung) wird der weibliche diploide Chromosomensatz {2*22 +XX} halbiert. Es entsteht eine Eizelle mit dem haploiden Chromosomensatz {22 + X}. Die drei bei der Meiose ebenfalls gebildeten haploiden Hilfszellen vernachlässigen wir hier mal. Anders beim männlichen Geschlecht. Hier können jeweils zwei unterschiedliche haploiden Sätze {22 + X} und {22 + Y} entstehen. Somit ist die Bildung von zwei verschiedenen Kreuzungsprodukten möglich. Die Kreuzung von {22 + X} mit {22 + X} ergibt {2*22 + XX} - also ein Weibchen. Dem entsprechend ergibt sich aus {22 + X} und {22 + Y} eine genetisch männliche Anlage {2*22 + XY}. P: X X X X Y F1: Phänotyp(en): Keimzellen 22 X X 22 X X X X X 22 Y X Y X Y mögliche Zygoten Genotyp(en): X X X Y proz. Häufigkeit: 50 % 50 % (theoretisch) Die theoretische Wahrscheinlichkeit beträgt 50% für jedes Geschlecht. Dem stehen aber andere in der Praxis beobachtete - Zahlenverhältnisse für Befruchtung ( : = 135:100), die Embryonen (122:100) und die Geburten (105:100) entgegen. Zum Zeitpunkt der Geschlechtsreife dreht sich das Verhältnis zu Gunsten der Frauen auf 97:100. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

87 Aufgaben: 1. Stellen Sie Thesen zur Lage und Veränderung der Geschlechterverhältnisse während der frühen Entwicklungsphasen des Menschen auf! Nicht jede genetisch männliche Zygote entwickelt sich zum männlichen Organismus. Das Y- Chromosom trägt im Wesentlichen die Informationen für das männliche Geschlechtshormon Testosteron. Genau wie bei anderen Genen gibt es mindestens zwei Ausprägungsformen (Allele) für das Testosteron-Gen. Zum Einen das voll funktionstüchtige und zum Zweiten das defekte Gen. Im genetisch männlichen Organismus {2*22 + XY} kann bei defektem Testosteron-Gen kein männliches Geschlechts-Hormon nachgewiesen werden. Als Folge können keine männlichen Geschlechtsmerkmale entwickelt werden. Der Phänotyp ist somit weiblich. Solche XY-Weibchen besitzen aber eine höhere körperliche Leistungsfähigkeit als XX- Weibchen. Bei olympischen Sportwettkämpfen ist deshalb ein Nachweis der XX-Weiblichkeit zu erbringen. Dazu nutzt man das besondere Verhalten des einen (sozusagen überzähligen) X-Chromosom bei allen normalen XX-Weibchen aus. Es setzt sich an der Kernmembran als kondensierter Chromatin-Haufen fest. Durch einen Test wird das Vorhandensein - dieser nach ihrem Entdecker benannten - BARRschen Körperchen festgestellt. Ist es vorhanden, kann die Probandin in der Frauenklasse antreten. Abschließend sei noch auf einige Sonderfälle in der Geschlechtsvererbung hingewiesen. Durch ungleichmäßige Chromosomenverteilungen in der Meiose können einige seltene Kombination der Geschlechts-Chromosomen auftreten. Allen gemeinsam ist eine fehlende oder stark reduzierte Fertilität (Fruchtbarkeit, Zeugungsfähigkeit). X0 XXX XXXX XXY XYY Frau mit (ULLRICH-)TURNER-Syndrom Superweibchen (Triple-X-Frau, Triplo-X-Syndrom) Superweibchen (Tetra-X-Syndrom) Mann mit KLINEFELTER-Syndrom Supermännchen (Diplo-Y-Männer) Exkurs: BARR-Test für Schnelltest: aus Zellen der Haarwurzelscheide (es sind also nur wenige ausgerupfte Haare notwendig) werden Zellkerne isoliert Prüfung mit FEULGEN-Färbung: (nach FEULGEN und ROSSENBECK 1924) o diese werden mit Chlorwasserstoffsäure behandelt / hydrolysiert (Abspaltung von Zucker und Nucleinbasen) o die dabei gebildeten Aldehyde werden mit SCHIFFs-Reagenz (Fuchsinschweflige Säure) nachgewiesen kondensierte X-Chromosomen färben sich rot / blau-violett 1 BARR-Körperchen: normale Frau (X ) oder Mann mit KLINEFELTER-Syndrom (X Y) 2 BARR-Körperchen: Frau mit Triple-X-Syndrom (Super-Weibchen) (X ) keine BARR-Körperchen: normaler Mann (XY) oder Frau mit TURNER-Syndrom (X0) (od. anderen Abweichungen) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

88 Vererbung einfacher gut beobachtbarer Merkmale x. Schmecker und Nicht-Schmecker für Phenylthioharnstoff 1931 von FOX entdeckt; beim Umfüllen von Phenylthioharnstoff (auch: PTH od. PTC) klagten einige Mitarbeiter über einen bitteren Staub-Geschmack; er selbst konnte aber nichts schmecken keine Abhängigkeit von Geschlecht, Alter, Herkunft, regionale Geschmäcker usw. 63 % sind Schmecker (Allel: T) die restlichen 37 % sind Nicht-Schmecker (Allel: t) typischer dominant-rezessiver Erbgang gut geeignet um in Familien Stammbäume aufzunehmen; Test-Streifen mit PTH gibt es fertig zu kaufen od. lassen sich selbst herstellen BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

89 Vererbung der Blutgruppen beim Menschen gemeint ist hier das AB0-Blutgruppen-System (ISBT Nr. 001; ISBT = International Society of Blood Transfusion), was von der breiten Bevölkerung auch als das (einzige) Blutgruppen-System verstanden wird eins von rund 30 Blutmerkmalen, die bekannt sind und z.b. bei Transplantationen auch beachtet werden müssen für den einfachen Blut-Ersatz bei Blut- oder Plasma-Transfusionen braucht man nur wenige Merkmale beachten. Dazu gehören die AB0-Merkmale und der Rhesus-Faktor. Diese beiden werden wir nachfolgend genauer erläutern. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

90 kurze Einführung in die Immunologie Das Erkennen von Fremden und Eigenem ist eine der wichtigsten Merkmale des Lebens. Nur durch eine Unterscheidung von Zell- oder Körper-eigenen von fremden Anteilen kann verhindert werden, dass sich eine Zelle oder ein Organismus selbst auffrisst (abbaut). Zum Anderen müssen Fremd-Körper vor allem Parasiten und Krankheits-Erreger erkannt und abgewehrt werden. Wie wichtig gut und richtig funktionierende Immun-Reaktionen sind, merken wir spätestens wenn etwas schief läuft. Der Befall mit Parasiten ist biologisch gesehen eine vergleichsweise harmlose Sache. Erkrankungen, die durch Bakterien und Viren ausgelöst werden und auf die unser Körper zuerst oder gar nicht angemessen reagieren kann, stellen oft schon eine größere Bedrohung dar. Sehr gefährlich können auch fehlgeleitete Immun-Reaktionen sein, wie sie bei Allergien auftreten. Hier reagiert das Immun-System überzogen auf einen eigentlich harmlosen Auslöser. In der letzten Zeit treten auch immer mehr Autoimmun-Erkrankungen auf, bei denen das Immun-System negativ auf den eigenen Körper oder Teile von ihm reagiert. Bei Zellen und einfachen Organismen befinden sich auf der Zellmembran eine Vielzahl von Rezeptoren, mit denen die Zellen Kontakt zur Außenwelt aufnehmen können. Bei Kontakt mit potentiell gefährlichen Objekten sind viele Zellen und Procyten in der Lage angemessen zu reagieren. Eine solche Reaktion könnte z.b. die verstärkte Abgabe von Wasserstoff-Ionen (H + ) sein, wodurch die Zell-Umgebung saurer wird und einige potentielle Freßfeinde abschreckt. Bei anderen Zellen hat man z.b. eine erhöhte Schleim-Produktion festgestellt, wenn sie attackiert werden. Der Schleim schützt dann auch vor dem Zugriff durch Räuber oder gefährlichen Stoffen. Die immunologischen Vorgänge höherer Organismen beruhen zumeist auf sogenannten Antigen- Antikörper-Reaktionen. Antigene (engl.: Antibody generating = Antikörper-Generierer) sind immunologisch betrachtet Stoffe oder molekulare Merkmale, die vom Immunsystem erkannt und auf die durch Antikörper-Bildung reagiert wird. Meist sitzen die Antigene auf der Oberfläche der fremden Objekte. Der immunologische Begriff Antigen hat nichts mit dem genetischen Begriff Gen zu tun. Es handelt sich primär auch nicht um irgendwelche Antagonisten od.ä., wie die Vorsilbe "anti" es vielleicht suggeriert! Durch sehr ausgefeilte Prozesse werden die fremden Oberflächen (Objekte, Merkmale) erkannt und die Bildung spezieller hierfür passender Antikörper eingeleitet. Typische Antikörper kann man sich als Y-förmige Proteine (Glucoproteine) vorstellen. An den beiden Spitzen befinden sich zwei Rezeptor- Q: de.wikipedia.org (US GOV(Fvasconcellos)) Bereiche. Hier werden die Antigene mittels Schlüssel-Schloss-Prinzip erkannt und gebunden. Da es zwei Andock-Stellen gibt, kommt es häufig auch zur Verbindung von zwei (gleichartigen) Fremdkörpern (Antigenen) über einen Antikörper. Es kommt zur Inaktivierung und ev. auch zu einer Verklumpung der Antigene und Antikörper. Diese Klumpen bzw., die durch Antikörper markierten Fremdkörper können dann von speziellen Zellen (Fresse-Zellen, weißen Blut-Körperchen) entsorgt werden. Band-Modell eines Antikörper-Proteins Q: de.wikipedia.org (TimVickers) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

91 Vererbung der AB0-Blutgruppen Die Blutgruppen-Merkmale A und B sind Stoffe (Eiweiße), die auf der Oberfläche der roten Blutkörperchen liegen. Die Bildung dieser Proteine wird vererbt. Die Proteine sind in die Zellmembran der Erythrozyten (rote Blutkörperchen) integriert. Beim AB0-System ergeben sich vier Verteilungsmöglichkeiten der Antigene auf den Blutkörperchen. Kommen beide Antigene vor, sprechen wir von der Blutgruppe AB. Sind jeweils nur eine Art der Antikörper vorhanden, dann liegen die Blutgruppen A bzw. B vor. Die Erythrozyten der Blutgruppe 0 haben auf ihrer Oberfläche keine Antigene des AB0-Systems. Für andere Blutgruppen-Systeme sind die Antigene völlig unabhängig von den AB0-Antigenen verteilt! Im Blutplasma befinden sich gelöste Antikörper zu den nicht vorhandenen Antigenen. Blutgruppe AB Blutgruppe A Blutgruppe B Blutgruppe 0 D.h. mit anderen Worten, dass z.b. das Blut der Blutgruppe A im Plasma Antikörper für Antigene B enthalten. Das Blut der Blutgruppe AB enthält keine Antikörper und im Blut der Gruppe 0 findet man beide Antikörper-Arten. Die drei verschiedenen Blut-Gruppen-Merkmale werden über ein Gen vererbt. Das Gen kommt eben in drei verschiedenen Formen (Allelen) vor ( multiple Allelie). Das Allel A enthält die Informationen für das Protein A, welches auf der Erythrozyten-Oberfläche sitzt. Entsprechend verhält es sich mit dem Allel B. Im Fall, dass das Allel 0 auf dem Chromosom zu finden ist, wird kein Oberflächen-Protein gebildet. Da die entsprechenden Chromosomen wie üblich immer doppelt vorkommen sind sechs verschiedene Genotypen denkbar: Genotyp Oberflächen-Proteine Phänotyp (Antigene) A A A A A B A, B AB A 0 A A B B B B B 0 B B Die Antikörper sind nicht von Anfang an im Blut enthalten. Erst im Laufe des Lebens - ungefähr ab dem Lebensmonat entwickeln sich die Antikörper nach und nach. Erwachsene Menschen haben in jedem Fall Antikörper. Eigentlich dürften sich die Antikörper erst ausbilden, wenn Kontakt zu fremden Blut bestanden hat. Dies ist beim Menschen aber nicht die einzige Ursache für die Antikörper-Bildung gegen fremde Blutgruppen- Merkmale. Als vorrangige Ursache für die Ausbildung von Antikörpern hat man verschiedene Bakterien ausgemacht, die ähnliche Oberflächen-Merkmale (Proteine) besitzen, wie die roten Blutkörperchen. Antikörper und Antigen passen (räumlich, sterisch) zueinander, wie der Schlüssel zum Schloss (Schlüssel-Schloss-Prinzip). Sie bilden stabile Verbindungen. Dadurch wird der fremde Blut-Bestandteil markiert. An ihm hängt gewissermaßen das Fähnchen (Antikörper) zur Kennzeichnung eines Fremdkörpers. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

92 Da die Antikörper immer über zwei Kontaktstellen verfügen, kann es auch zur Verbindung mit zwei Antigenen kommen. Passiert dies mehrfach, dann kommt es zur Verklumpung (Agglutination). Die gebildeten Aggregate (Aggregationen, Verklumpungen) werden von anderen Blutzellen zerstört. Im "normalen" Blut passiert dagegen nichts, da Antikörper und Antigene eben nicht zueinander passen. In der nebenstehenden Abbildung ist dies beispielhaft für die Blutgruppen AB und A dargestellt. Die B-Antikörper (aus dem Blut der Blutgruppe A) können jetzt mit den Antigenen auf den Blutkörperchen (von AB) reagieren. Verklumpung der roten Blutkörperchen nach Mischung z.b. der Blutgruppen AB und A Gebildete Verklumpungen verstopfen zuerst die dünnen Kapillaren. Hier sind die Schadwirkungen meist noch klein, da alternative Versorgungswege (netzartige Struktur der Kapillaren) zur Auswahl stehen. Größere Aggregationen können auch Venen oder Arterien verstopfen, was dann zu größeren Versorgungsdefiziten führt. Das Ergebnis können Embolien oder Infarkte sein. Beim Mischen verschiedener Blutgruppen werden also andere Blutkörperchen als fremd erkannt und sie durch Verkleben "unschädlich" gemacht. Das AB0-System wurde 1901 vom Österreicher Karl LANDSTEINER als erstes Blutgruppen- System aufgeklärt erhielt er dafür den NOBEL-Preis für Medizin. Die Gruppen-Benennung mit 0, A, B, AB wurde international vereinbart. Im amerikanischen Sprachraum wird ein O statt der 0 geschrieben und gesprochen. In Russland und historisch zugehörigen Gebieten wird auch heute noch die Bezeichnung I, II, III und IV (für 0, A, B und AB) benutzt. Die Benennung mit römischen Zahlen stammt vom Tschechen Jan JANSKỲ, der das AB0-System unabhängig von LANDSTEINER entdeckte. Die Erkennung der Blutgruppe einer Person erfolgt fast ausschließlich über Agglutinations-Tests z.b. auf einer Tüpfelplatte. Dazu wurden einige Tropfen des zu testenden Blutes auf die Mulden verteilt und dann bekannte Antikörper (od. Blut mit bekannter Blutgruppe) zugetropft. Nach wenigen Sekunden verklumpen die nicht kompatiblen Blutgruppen sichtbar. Nur Blut, dem die gleichen Antikörper (od. das gleiche Blut) zugetropft wurden, verklumpt nicht. Moderne Tests nutzen monoklonale Antikörper, die besser handhabbar sind. Monoklonale Antikörper werden gentechnisch durch Klonung produziert. Dabei handelt es sich z.b. um Antikörper (von Mäusen) gegen die plasmagelösten menschlichen Blutgruppen- Antikörper. Diese fungieren jetzt als Antigene. moderne Blutgruppen-Karte mit Test-Bereich und Personendaten Q: commons.wikimedia.org (Apers0n (en.wikipedia.org)) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

93 Test mit Fremdblut Test mit Serum bekanntes Blut Anti- Test-Blut 0 A B AB Test-Blut A B AB 0 0 A B AB A B AB Wegen seiner großen Bedeutung wird auch immer gleich der Rhesus-Faktor (Anti-D) mit getestet. Mehr dazu später ( Vererbung des Rhesus-Faktor).Die genetischen Grundlagen des Blutgruppen-Systems AB0 wurden erst weit später aufgeklärt. Es handelt sich um eine monogene Vererbung d.h. es spielt nur ein Gen eine Rolle. Für dieses Gen sind drei (Haupt-)Allele bekannt. Wir haben es also mit einer multiplen Allelie zu tun. Genotypen 0 A B 0 00 A0 B0 A A0 AA AB B B0 AB BB Zwei der Allele (A und B) sind gleichermaßen dominant gegenüber dem dritten (0). So etwas wird Kodominanz (Codominanz, Co-Dominanz) genannt. Phänotyp(en) Da nun Mutter und Vater jeweils 0 A B AB ein Allel beisteuern, sind sechs 0 0 0; A B; 0 A; B Genotypen möglich. Je nach Kombination A 0; A 0; A 0; A; B; AB A; B; AB der Allele bilden sich eine B 0; B 0; A; B; AB 0; B A; B; AB der vier Blutgruppen als beobachtbarer AB A; B A; B; AB A; B; AB A; B; AB Phänotyp. Aufgaben: 1. Bestimmen Sie die Häufigkeits-Verteilung der Geno- und Phäno-Typen für die AB0-Blutgruppen-Vererbung! 2. Vergleichen Sie diese mit der realen Verteilung der Blutgruppen unter Europäern (s.a. nachfolgende Tabelle bzw. Tabelle am Ende des Abschnittes)! Genotyp Phänotyp Blutgruppe Häufigkeit (Europa) Genotyp Phänotyp Blutgruppe Häufigkeit (Europa) ,0 % B0 B 14,0% A0 A BB B 42,5 % AA A AB AB 6,5 % Die Antikörper werden erst im Laufe des ersten Lebensjahres ausgebildet. Praktisch existieren auch noch Untergruppen A 1, A 2, A 1 B, A 2 B und Varianten A 3 und A 4 für die Haupt-Allele. Formal gesehen sind das aber auch andere / neue Allele, nur ist deren Ausprägung relativ geringfügig anders. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

94 Die Vererbung erfolgt vollständig in Übereinstimmung mit den MENDELschen Regeln. (s ) Homo sapiens sapiens (Mensch) F1: Blutgruppe AB X Blutgruppe 0 AB 00 Keimzellen 0 0 A A0 A0 mögliche B B0 B0 Zygoten F2: Phänotyp(en): proz. Häufigkeit: 50 % 50 % Verhältnis 1 : 1 Genotyp(en): A0 B0 proz. Häufigkeit: 50 % 50 % Verhältnis 1 : 1 Aufgaben: 1. Bei der Betrachtung des obigen Erbganges kommen doch Zweifel (zwei verschiedene Nachkommen im Verhältnis 1 : 1) auf, ob hier wirklich eine Vererbung nach MENDEL abläuft, oder nicht? Begründen Sie Ihre Meinung und belegen Sie diese mit anderen Beispielen! 2. Setzen Sie obigen Erbgang fort (nach F3), in dem Sie zu mindestens theoretisch die Nachkommen der F1-Generation untereinander weiter kreuzen! Heute werden bei Transfusionen Plasma und Blutkörperchen unterschiedlich als Infusion gegeben, so dass man die Verträglichkeiten hier jeweils gesondert betrachten muss Übertragung von Vollblut Übertragung von Blutplasma (mit roter Blutkörperchen) Spender Spender Empfänger 0 A B AB Empfänger 0 A B AB 0 0 A A B B AB AB BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

95 Die moderne Medizin kennt ein besonderes Blut, welches phänotypisch der Blutgruppe 0 zugeordnet wird. Bei der Gabe von Blutplasma der eigentlich passenden normalen Blutgruppe 0 kommt es aber zur Agglutination. Auch die Gabe von Blut der Gruppen A und B sowie AB führen zum gleichen Effekt. Dieses Symptom wurde zum ersten Mal (1952) an einem Inder bemerkt. Es kommt innerhalb der Blutgruppe 0 mit einer Häufigkeit von 1 zu vor. Bei dem besonderen Blut handelt es sich um den sogenannten Bombay-Typ. Genotypisch liegt Blut der Blutgruppen A, B oder AB vor. Durch einen Gendefekt kann eine Vorgängersubstanz die Substanz H nicht produziert werden. Diese ist der gemeinsame Vorgänger der Antigen-Moleküle A und B für die Erythrozyten-Oberfläche. Da die Substanz fehlt, werden keine Oberflächen-Antigene produziert, was wiederum den Phänotyp 0 vortäuscht. Wird nun Blut übertragen, gelangen auch Moleküle der Vorgängersubstanz H in das Empfängerblut. Aus den nun vorhandenen Vorgängermolekülen werden umgehend die Antigene produziert, die genetisch determiniert sind. Im Ergebnis kommt es zur Agglutination zwischen den neu auftretenden Antigenen und den übertragenen oder vorhandenen Antikörpern. In jedem Fall kommt es zu einer Verklumpung. Praktisch kann für die Bluttransfusion nur Eigenblut oder Blut von einem anderen Bombay-Merkmalsträger verwendet werden. Aufgaben: 1. Wie sieht es mit der Möglichkeit aus, Blut der Blutgruppen 0, A, B und AB auf Empfänger mit den Blutgruppen 0, A, B und AB zu übertragen? Erklären Sie, warum bestimmte Kombinationen funktionieren und andere nicht! 2. Warum eignet sich das AB0-Blutgruppen-System nicht für eine sichere Vaterschaftserkennung? Begründen Sie Ihre Meinung unter Verwendung von Beispielen! 3. In der modernen Medizin wird bei geplanten operativen Eingriffen die vorherige Eigenblutspende favorisiert. Erläutern Sie die Vor- und Nachteile eines solchen Vorgehens aus ihrer Sicht! 4. In einer Klinik, die gerade ihr Geburts-Station neu ordnet, hat es in der Übergangs-Phase mehrere Geburten gegeben. Wie der Zufall es will, sind den 4 Neugeborenen die Blutgruppen A, B, AB und 0 festgestellt worden. Die Eltern-Paare hatten ihre Blut-Gruppen schon vorher angegeben. Kann eine Schwester die Neugeborenen eindeutig den Eltern-Paaren zuordnen? Wenn ja, wie, wenn nein warum nicht? Paar1: B x B Paar2: B x A Paar3: 0 x 0 Paar4: 0 x AB 5. Bei welchen der nachfolgenden Familien sind die Vaterschaften für eines oder mehrere Kinder unklar? Begründen Sie Ihre Aussagen! Blut-Gruppe (Phänotyp) Familie Mutter Vater 1. Kind 2. Kind 3. Kind 4. Kind 1 B A A B AB 0 2 AB 0 B B B 3 0 A B A AB 5 B B B 0 BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

96 Blutgruppen-Häufigkeit [%] in verschiedenen Regionen bzw. Menschen-Gruppen Population / Menschengruppe 0 A B AB Deutsche 41,0 43,0 11,0 5,0 Europäer 37,0 42,5 14,0 6,5 Spanier 38,0 47,0 10,0 5,0 Ukrainer 37,0 40,0 18,0 5,0 Ägypter 33,0 36,0 24,0 7,0 Südafrikaner 45,0 40,0 11,0 4,0 Chinesen 29,0 27,0 32,0 12,0 Maya (Mittelamerika) 97,0 1,0 1,0 1,0 Indianer 79,0 16,0 4,0 1,0 Kaukasier / Weiße (USA) 45,0 40,0 10,0 5,0 Afro-Amerikaner (USA) 49,0 27,0 20,0 4,0 Daten-Q: de.wikipedia.org BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

97 Vererbung des Rhesus-Faktor Vollkommen eigenständig und unabhängig vom AB0-Blutgruppen-System wird der sogenannte Rhesus-Faktor vererbt. Rund 82% der Europäer wie auch Rhesus-Affen besitzen ein spezielles Protein, welches auf den Erythrozyten sitzt. Entdeckt wurde der Faktor 1940 von Karl LANDSTEINER und Alexander Solomon WIENER beim Experimentieren mit Blut von Kaninchen und Rhesus-Affen. Beim Mischen des Blutes beider Tiere kam es zur Verklumpung. Im Blut-Serum der Rhesus-Affen fanden die beiden Forscher dann einen die Verklumpung verursachenden "Faktor". Der Begriff Faktor steht in der Biochemie zumeist für ein Protein oder einen anderen Stoff, der ursächlich für nachfolgende Vorgänge ist. Wir unterscheiden zwei Phänotypen. Der dominante Typ Rh+ steht für das Vorhandensein eines speziellen Proteins auf der Zellmembran der roten Blutkörperchen. Im Blut von Rhesus-positiven Menschen befinden sich keine zu diesem Blutgruppen-System gehörenden Antikörper. Menschen, mit dem rezessiven Phänotyp rh- (Rhesus-negativ) besitzen kein Protein, dafür aber ev. Antikörper gegen das Protein. Eigentlich reicht die Schreibung Rh bzw. rh zur eindeutigen Erkennung. Da aber die Begriffe "Rhesus positiv" und "Rhesus negativ" sehr populär sind, verwenden wir hier die quasi gedoppelte Schreibung Rh+ und rh-. Bei der Vererbung des Rhesus-Faktors handelt es sich um einen klassischen dominant-rezessiven Erbgang. Das Gen D enthält die Informationen für das Rhesus-Protein. Somit ergeben sich für den Rhesus-positiven Phänotyp die zwei möglichen Genotypen DD und Dd. Der Genotyp dd bewirkt keine Ausbildung des Rhesus-Proteins (D-Protein). Eigentlich ist das Rhesus-System genetisch weitaus komplizierter. Neben dem D-Faktor gehört noch ein zweites Gen zum Rhesus-System. Dieses kommt in zwei Haupt-Allelen vor. Diese werden mit den Buchstaben C und E abgekürzt. Die Haupt-Allele C und E kommen in den zwei dominanten (C und E) wie auch in zwei rezessiven Varianten (c und e) vor. Alle vier Allele stehen für nachweisbare Proteine. Aufgrund unseres diploiden Chromosomen-Bestandes können wir insgesamt sechs verschiedene Genotypen tragen. Genotyp D d D DD Dd d Dd dd Phänotyp Rh+ rh- Rh+ Rh+ Rh+ rh- Rh+ rh- Das Rhesus-System ist das komplexeste Blutgruppen-System beim Menschen. Trotzdem beschränkt man sich im populär-wissenschaftlichen und schulbiologischen Umfeld meist nur mit dem bedeutsamsten Faktor dem Rhesus-Faktor. Genetisch ist dieser Blut-Faktor also wenig spektakulär. Immunologisch sieht es etwas anders aus. Eine werdende Rhesus-negative Mutter mit einem Rhesus-positiven Kind hat ein immunologisches Problem. (s ) Homo sapiens (Mensch) P: d d X D D :Genotyp (rh-) (Rh+) :Phänotyp F1: D d (Rh+) 100% oder: P: d d X D d (rh-) (Rh+) F1: D d d d (Rh+) (rh-) 50 % 50 % BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

98 Vor der ersten Schwangerschaft hat sie im Normal-Fall keine Antikörper im Blut. Auch während der Schwanger sind die Blutkreisläufe von Mutter und Kind praktisch getrennt. Über die Plazenta (Mutterkuchen) besteht nur die Möglichkeit kleine Moleküle zwischen beiden Kreisläufen auszutauschen. Die D-Proteine sind einfach viel zu groß. Dadurch bildet die werdende Mutter auch während der Schwangerschaft keine Antikörper aus, obwohl sie ja in ihrem Körper einen immunologischen Fremdkörper (mit D-Antigen) trägt. Spätestens bei der Geburt kommt es aber zum Kontakt von mütterlichen und kindlichen Blut. Innerhalb der nächsten Monate bildet die Mutter nun Antikörper sie immunisiert sich sozusagen. Eine zweite Schwangerschaft ist nun eine immunologische Katastrophe. Die Antikörper können die Plazenta-Schranke überwinden und bewirken im embryonalen Blut durch Auflösen der embryonalen Erythrozyten (Hämolyse) einen Sauerstoff-Mangel (Anämie). Die gelben und blauen Abbau-Produkte des Hämoglobins verursachen eine Gelbsucht. In der Folge kann es zu schweren Behinderungen oder gar zum Tod des Embryos kommen. Aber auch die Mutter ist gefährdet. Bei ihr kann es zu Agglutinationen kommen. Wir sprechen von einer Rhesus-Inkompatibilität. Heute lässt sich die Rhesus-Inkompatibilität behandeln. Nach einer Geburt führt man bei Rhesus-negativen Müttern mit Rh+-Kindern eine Anti-D-Prophylaxe durch. Eine gute Vorbeugung ist heute auch durch strikte Vermeidung von Rh+-Blut-Transfusionen auf Rhesusnegative-Frauen (Mädchen oder Gebärfähige). Die mögliche Ausbildung von Antikörpern soll dadurch verhindert werden. Nur in Lebens-bedrohlichen Situationen (und Mangel an passenden Blut-Konserven) angebracht. Nach einer Genesung erfolgt dann gleich eine Anti-D- Behandlung. Dabei werden die D-Antikörper aus dem Blut entfernt (Blut-Wäsche). Aufgaben: 1. Welcher Vater könnte der Erzeuger eines Kindes mit der Blut-Gruppe B / Rh sein, wenn die Mutter A / Rh hat? a) Mann1: 0 / rh b) Mann2: A / Rh c) Mann3: B / rh d) Mann4: AB / Rh e) Mann5: B / Rh d) Mann6: A / rh 2. Ordnen Sie die nachfolgenden Kinder den abgegebenen Elternpaaren zu! Begründen Sie Ihre Wahl! Kinder: a) Kind1: 0 / Rh b) Kind2: A / rh c) Kind3: A / Rh d) Kind4: AB / Rh Elternpaare: a) Elternpaar1: A / Rh x 0 / Rh b) Elternpaar2: 0 / Rh x AB / Rh c) Elternpaar3: A / rh x B / rh d) Elternpaar4: B / Rh x A / rh BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

99 Vererbung der MN-Eigenschaften Untergruppe des MNS-Blutgruppen-Systems, 1927 von LANDAUER und LEVINE entdeckt, später durch weitere Merkmale ergänzt, die alle dicht beieinander auf Chromosom 4 liegen beim MN-System zwei Allele eines Gen-Ortes, kodominant Antikörper gegen M oder N sind im menschlichen Blut sehr selten MN-System wird gern zum Ausschluss einer Vaterschaft (Paternität) genutzt, da bis auf den Fall, dass beide Elternteile heterocygot (MN) waren, ein eindeutiger Ausschluss von einem bestimmten (väterlichen) Phänotyp möglich ist P.-typ M MN N M M M N N N M MM MM MM MN MN MN M M MM MM MM MN MN MN MN N M MM MM MM MN MN MN N MN MN MN NN NN NN N MN MN MN NN NN NN N MN MN MN NN NN NN Vaterschaft-Ausschluss mit Hilfe der MN-Blutgruppen-Merkmale Mutter Kind möglicher Vater unmöglicher Vater M M M, MN N M MN MN, N M MN M M, MN N MN MN M, MN, N - - MN N MN, N M N MN M, MN N N N N, MN M Für eine Vaterschaft-Klärung über Blutgruppen-Merkmale werden 23 Eigenschaften getestet. Dadurch ist es möglich 97 % der Nicht-Väter eindeutig zu charakterisieren. Zur exakten Bestimmung der Vaterschaft (Abstammungs-Gutachten) mit einer (heute üblichen) 99,999 %igen Sicherheit werden nichtcodierende DNS-Sequenzen (Wiederholungszahl von bestimmten kurzen Nucleotid-Sequenzen) und ausgewählte Gene (üblich rund 12 bis 15 von ungefähr 20) untersucht. Bei den Genen werden bekannte Allele bestimmt und für eine statistische Auswertung verwendet. Eventuell kann die Anzahl untersuchter Gene erhöht werden, wenn es sich um häufig vorkommende Merkmals-Kombinationen handelt. Durch jedes zusätzliches Merkmal wird die statistische Sicherheit deutlich erhöht. Bei einer statistischen Wahrscheinlichkeit von 99,9 % spricht man von einer "praktisch erwiesenen Vaterschaft". Stimmen dagegen mindestens 3 von mindestens 15 untersuchten Merkmalen nicht überein, dann gilt die Vaterschaft als "praktisch ausgeschlossen". Der Ausschluss einer Vaterschaft ist zu 100 % sicher. Eine Sicherheit von 99,999 % einzelne Labore bieten auch bis zu 99,9999 % an bedeutet, dass bei (bzw ) Tests einer eine Falschaussage macht. Aufgaben: 1. Stellen Sie eine Tabelle zum Vaterschafts-Ausschluss für das Blutgruppen- System AB0 auf! Beurteilen Sie die praktische Verwendbarkeit für eine sichere Vaterschafts-Bestimmung! BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

100 Vererbung des Kell-Merkmals auch KELL-System, KELL-CELLANO-System, KC-System; KELL-Faktor KELL-negativ in Deutschland 91 %; restliche 9 % KELL-positiv; weltweit variieren die Verteilungen nur um 1 bis 2 % Genotypen: 1-2 % KK 8-10 % Kk % kk 3. wichtigstes System bei der Blut-Transfusion; genetisch derzeit von geringer Bedeutung, da Vererbung noch nicht vollständig geklärt ist; kodominante Vererbung 1946 bei einer Frau namens KELLACHER gefunden; ihr Kind zeigte Merkmale von zerfallenden roten Blutkörperchen; später durch LEVINE et al. auch bei einer zweiten Frau namens CELLANO COOMBS, MOURANT und RACE fand bei Untersuchungen dann einen speziellen Antikörper, der mit den roten Blutkörperchen des Kindes und des Ehemann reagierte obwohl viele Parallelitäten zum Rhesus-Faktor bestehen, ist keine Prophylaxe bekannt für jüngere Frauen werden bei Transfusionen KELL-negative Blutkonserven empfohlen Anti-Körper-Bildung schon nach mehrfacher Injektion von KELL-positiven Blut möglich getestet wird standardmäßig auf KEL1 insgesamt geht es aber um 34 Antigene Antigen K (KEL1; Kell) und Antigen k (KEL2, Cellano) mindestens zwei Allel-Paare Penney (K 3 = Kp a ) und Rautenberg (K 4 = Kp b ); Kp steht für Kell- Protein derzeit bekannt: 3 Genorte auf Chromosom 7, alle kodominant K / k Kp a / Kp b Js a / Js b in Mitteleuropa praktisch 100 % homozygot Kp b und Js b, deshalb spielen diese beiden Faktoren hier auch keine Rolle; somit nur das k-merkmal relevant kk-träger entwickeln zu 10 % anti-k Probleme bei der Versorgung mit KK-Erythrozyten-Konzentrate für anti-k-träger Anti-K Reak. mit Anti-k Anti-Kp a Anti-Kp b Genotyp Verteilung USA [%] + + K Kp b / K Kp b 0, K Kp b / k Kp b 9, K Kp b / k Kp a 0,1 + + k Kp b / k Kp b 88, k Kp a / k Kp b 2,1 + + k Kp a / k Kp a 0, / - - 0,003 MC LOUD-Typ besitzt abgeschwächte Kp b und Js b Kell-Antigene BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

101 Vererbung der Rot-Grün-Blindheit tritt bei Männer und Frauen in deutlich unterschiedlicher Häufigkeit auf daraus ist zu schließen, dass die Geschlecht-Chromosomen beteiligt sind da sowohl Männer als auch Frauen betroffen sein können kann das Y-Chromosom als Überträger ausgeschlossen werden Gen liegt auf X-Chromosom (X-autosomaler Erbgang), rezessive Vererbung, Frauen nur im doppelt rezessiven Fall betroffen Exkurs: Originaltext zur Farbenblindheit aus einem Brief vom 26. Mai 1777 von Mr J. SCOTT an Mr WHISSON (Trinity College, Cambridge, England): "Es ist ein altes Familienleiden: mein Vater hat genau dieselbe Schwäche; meine Mutter und eine meiner Schwestern konnte alle Farben fehlerfrei sehen, meine andere Schwester und ich in der gleichen Weise unvollkommen. Die letzte Schwester hat zwei Söhne, die beide an der Krankheit leiden, aber sie hat eine Tochter, die normalsichtig ist. Ich habe einen Sohn und eine Tochter, und beide sehen alle Farben ohne Ausnahme; so ging es auch ihrer Mutter. Meine Mutter Bruder hatte denselben Fehler wie ich Ich kenne kein Grün in der Welt; eine rosa Farbe und ein blasses Blau sehen gleich aus, ich kann sie nicht unterscheiden. Ein kräftiges Rot und ein kräftiges Grün ebenfalls nicht, ich habe sie oft verwechselt Ich habe meine Tochter vor einigen Jahren einem vornehmen Mann vermählt. Am Tage vor der Hochzeit kam er in einem neuen Mantel aus bestem Stoff in mein Haus. Ich war sehr gekränkt, dass er wie ich glaubte, in Schwarz kam. Aber meine Tochter sagte, dass mich meine Augen trögen. Er trug einen feinen, weinroten Mantel; dieser war für meine Augen schwarz." Aufgaben: 1. Erstellen Sie aus dem Brieftext einen Familienstammbaum! Verwenden Sie die folgenden Symbole! Gesunde(r) (weiblich, männlich) Kranke(r) (weiblich, männlich) ÜberträgerIn (weiblich, männlich) 2. Ermitteln Sie aus der Datenlage, um was für einen Erbgang es sich handeln müsste! Begründen Sie Ihre Meinung! Geben Sie auch Argumente gegen etwaige andere Möglichkeiten an! 3. Kann eine Rot-Grün-Farb-blinde Person bei einem Autounfall an einer roten Ampel für sich geltend machen, nicht die richtige Farbe erkannt zu haben? Begründen Sie Ihre Meinung! BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

102 weitere Erbgänge beim Menschen die Blut-Gruppen-Vererbung gehörte zu den ersten menschlichen Erbgängen, die aufgeklärt wurden (1901) es folgte 1902 die Alkaptonurie, rezessiver Erbgang 1903 wurde der Albinismus als rezessiver Erbgang bekannt Kurzfingrigkeit (1905) angeborener Grauer Star wurde die Vermutung geäußert, dass auch die blaue Augenfarbe rezessiv vererbt wird, das genaue Schema konnte aber noch nicht dargestellt werden, heute wissen wir, dass die Augenfarbe, wie auch die Hautfarbe über mehrere Gene (polygen) vererbt wird. Chorea HUNTINGTON und Muskeldystrophie vom Typ DUCHENNE Rot-Grün-Blindheit und die Bluter-Krankheit als Geschlechts-spezifisch vererbbare Krankheiten, rezessiv Aktuelle Untersuchungen zeigen, dass sich die verschiedenen Menschen mit ihren Rassenund Kultur-Merkmale sehr stark unterscheiden. Dabei sind zwei Menschen z.b. aus verschiedenen Rassen zueinander unterschiedlicher (genetisch verschieden) als z.b. zu anderen Arten (z.b. Menschen-Affen). Penetranz (Ausprägungshäufigkeit): wie häufig taucht das betreffende Merkmal in den Nachkommens-Generationen auf Manifestationshäufigkeit, Angabe üblich in Prozent (bezogen auf den Erwartungswert lt. MENDELschen Regeln) vollständig bis teilweise Expressivität (Ausprägungsgrad): wie stark tritt das betreffende Merkmal auf besonders bei polygenen Erbgängen interessant Manifestationsstärke eines Gens z.b. additive Polygenie bei der Vererbung der Hautfarbe (Pigmentierung) beim Menschen rund 1500 monogene Erbleiden bekannt; rund 800 autosomal-dominant, 600 autosomal-rezessiv und über 100 gonosomale Abweichungen (meist rezessiv) autosomal dominant ALZHEIMER-Erkrankung Chorea-HUNGTINTON (Veittanz) Kurzfingrigkeit MARFAN-Syndrom (Spinnenfingrigkeit) rezessiv Mucoviscidose Phenylketonurie (PKU) Sichelzellen-Anämie Albinismus gonosomal Nystagmus (Schläfrigkeit, Augenzittern) Hämophilie (Bluter-Krankheit) DALTONismus (Rot-Grün-Sehschwäche) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

103 pleiotrope Vererbung Von pleiotropen Genen hängen wie wir es schon allgemein erläutert haben ( Pleiotropie) mehrere phänotypische Merkmale ab. Damit besteht auch die Gefahr, dass bei Veränderungen des Gens auch mehrere Phänomene beobachtbar werden. Beispiele: PKU (Phenyketonurie) MARFAN-Syndrom bei Heterozygoten ist die Synthese des Kollagen gestört Verminderung der Festigkeit des Binde-Gewebes verlängerte Extremitäten Gelenk-Übersteckbarkeit Spinnen-Fingrigkeit unterentwickelte Muskelatur Herzklappen-Fehler Erweiterung der Aorta Schlottern der Augen-Linse Deformation des Augapfels Kurzsichtigkeit vermehrte Ausscheidung von Hydroxyprolin-Peptiden vermehrte Ausscheidung von Glycosaminoglykanen (Mäuse-Geruch des Urins) Mukoviszidose (Mucoviscidose) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

104 polygene Vererbung In der Natur findet man auch phänotypische Merkmale, die von mehreren Genen abhängig sind (polygene Vererbung). So wird z.b. die Augenfarbe des Menschen von drei Genen festgelegt. Der genaue Mechanismus ist aber noch nicht abschließend geklärt. Bei Babys ist die Augenfarbe häufiger blau. Die entgültige Farbe wird zumeist erst am Ende des ersten Lebensjahres erreicht. Selten kann sich die Farbe auch noch bis zum Ende der Pubertät ändern. Die braune Farbe entsteht durch die Überdeckung der "normalen" blauen Farbe durch Melanin-Einlagerung und ist dominant. Melanin ist ein Farbstoff-Protein (braun), das Licht absorbiert. Die Ausbildung blauer Augen ist nur dann möglich, wenn kein Melanin produziert oder in das Iris- Gewebe eingelagert wird. Der Verlust der Melanin-Bildung ist nur für Nordeuropäer evolutionär haltbar, da hier die Lichteinstrahlung weitaus geringer als in den Tropen ausfällt. Q: de.wikipedia.org (Steve Jurvetson) (Stefan Schroeder) Q: de.wikipedia.org (NordNordWest) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

105 Vererbung der Hautfarbe beim Menschen Auch die Pigmentierung der Haut (Hautfarbe) ist ein Merkmal, welches wahrscheinlich über eine Vielzahl von Genen vererbt wird. Hier sind derzeit noch nicht einmal alle Gene identifiziert, so dass über die genauen Vorgänge kaum weiterführende Aussagen gemacht werden können. Q: de.wikipedia.org (Renato Biasutti + Dbachmann) Tendenziell kommen die stärker pigmentierten Hauttypen in den Regionen vor, die unter starker Lichteinwirkung und UV-Strahlung leiden müssen. Da das Melanin ein starker Schutzfaktor ist, kann sicher davon ausgegangen werden, dass eine stärkere Pigmentierung ein Evolutionsvorteil ist. Interssanterweise ist die Vermischung der Hautpigmentierung entgegen der Erwartungen relativ stabil. Trotz größerer Mobilität der Menschen haben sich die Hautfarben nicht so stark vermischt und ausgeglichen, wie man es vererbungsbiologisch erwarten sollte. Scheinbar kommt ein psychologischer Effekt dazu, der bewirkt, dass bei der Partnerwahl solche Pigmentierungen bevorzugt werden, die der heimatlichen Region und frühkindlichen Bezugspersonen entsprechen. Ein solcher Effekt wurde jedenfalls vom amerikanischen Anthropologen und Psychologen Jared DIA- MOND in Anlehnung an eine ähnliche These von Charles DARWIN beobachtet. Nebenstehend ist die Vererbung der Hautpigmentierung modellhaft dargestellt. Das Modell geht von drei Genen aus. Wahrscheinlich sind es aber 4 bis 6 Gene, die einen Q: Einfluß haben. Grundsätzlich also für die Einzel-Gene scheinen aber auch hier die MENDELschen Regeln zu gelten. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

106 Aufgaben: 1. In Großbritannien gebar 1994 eine weiße (schwach pigmentierte) Frau Zwillinge mit unterschiedlicher Haut-Farbe und unterschiedlichem Geschlecht! Der Vater war ein stärker pigmentierter Mann, dessen Eltern ursprünglich aus der Karibik stammten. Das erste (Einzel-)Kind des Paares war mittelstark pigmentiert (bezüglich der Hautfarbe der Eltern). a) Erklären Sie das unterschiedliche Geschlecht der Zwillinge! Geht das überhaupt? b) Kann der Familienvater der biologische Vater aller Kinder sein? Wenn ja, dann zeigen Sie anhand eines Kreuzungs-Schemas (P- und F1-Generation), wie dies gehen soll! Wenn nein, dann geben Sie eine Beweis-Kette zu Begründung an! BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

107 weitere autosomal-dominante Erbgänge Merkmals-Träger (Mutter oder Vater) frei tauschbar Grundschema für einen dominanten, autosomalen Erbgang Q: de.wikipedia.org (Kuebi) Merkmal Beschreibung, Symptome Häufigkeit(en) Schwielen vermehrte Schwielen-Bildung 1 : 75 Vielfingrigkeit überzählige Finger od. Zehen 1 : Veitstanz Chorea- HUNGTINTON Nervenkrankheit, bewirkt Muskelkrämpfe tanzartige Bewegungen 1 : : chondrodystropher Knorpelbildung ist unterentwickelt Verkürzung 1 : Zwergwuchs der Beine und Arme (sehr kurz) Spaltfuß, Spalthand Verwachsung von Fingern od. Zehen 1 : erbliche Nachtblindheit 1 : Kurzfingrigkeit Verwachsung von Fingerglieder ein od. mehrere Finger kürzer 1 : erblicher Augenkrebs Retina-Zerfall 1 : Uringeruch nach 1 : Spargelgenuß Spinnenfingrigkeit 1 : MARFAN-Syndrom überdehnbare Bindegewebsfasern überlange Gliedmaßen, Plattfüße, Kurzsichtigkeit, 1 : Chorea-HUNGTINTON (Veittanz, HUNGTINTON-Erkrankung) Defekt auf kurzem Arm von Chromosom 4 BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

108 weitere autosomal-rezessive Erbgänge beide Merkmals-Träger (Mutter und Vater) müssen das Merkmal jeweils versteckt oder ausgeprägt tragen ein Partner homozygot und einer heterozygot Merkmals-Träger, dann Verteilung 50% homozygot und 50% heterozygote (versteckte) Merkmals-Träger beide Partner homozygot Merkmals-Träger, dann sind 100% der Nachkommen Merkmals-Träger Grundschema für einen rezessiven, autosomalen Erbgang Q: de.wikipedia.org (Kuebi) Merkmal Beschreibung, Symptome Häufigkeit(en) Hasenscharte Oberlippe gespalten 1 : Taubstummheit 1 : Phenylketonurie 1 : Albinismus 1 : Galaktosämie Galaktose (z.b. aus Milchzucker) kann 1 : nicht zu Glucose umgewandelt werden Leberschäden, Gehirnschäden, Schwachsinn Kretinismus 1 : Fructose-Intoleranz Fructose kann nicht verwertet werden 1 : Schwachsinn, Linsen-Star Alkaptonurie Homogentisinsäure (ein Abbau-Produkt des Tyrosins) kann nicht weiter abgebaut werden vermehrte Ausscheidung über Urin (Homogentisinsäure ist braun gefärbt) 1 : Sichelzellenanämie 1 : Mucoviscidose Drüsenzellen stellen nur zähflüssigen 1 : Schleim ab Probleme beim Atmen, Abhusten, Funktion des Verdauungstraktes negativ beeinträchtigt 1 : 1 : BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

109 weitere gonosomal-dominante Erbgänge Grundschema für einen dominanten, gonosomalen Erbgang (über das mütterliche X-Chromosom) Q: de.wikipedia.org (Kuebi) Grundschema für einen dominanten, gonosomalen Erbgang (über das väterliche X-Chromosom) Q: de.wikipedia.org (Kuebi) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

110 Merkmal Beschreibung, Symptome Häufigkeit(en) 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : Epilepsie wird als Symptom bei rund 25 monogenen Erbleiden beschrieben durch medizinischen Fortschritt wird die Häufigkeit von Genleiden erhöht, da immer mehr geschädigte die geschlechtliche Reife erreichen und sich auch fortpflanzen, dagegen werden durch Vorsorge-Untersuchungen und die genetische Beratung in belasteten Familien die Verbreitung von Erbkrankheiten verringert (Abtreibung und freiwillige Sterilisation bzw. Schwangerschaftsvermeidung) kein Problem der Biologie (die würde mit Auslese usw. antworten), sondern medizinisches, moralisches und gesellschaftliches Problem die gesellschaftliche Moral und Akzeptanz bestimmt hier, ebenfalls mitbestimmend die persönliche Fähigkeit und Aufopferungsbereitschaft (z.b. bei Katzenschrei-Syndrom (Cri-duchat-Syndrom) schnell ausgeschöpft) Wo wird die Grenze zwischen Eutanasie und Vermeidung von problematischen Leben gezogen (Geschlechtsauswahl, Auswahl bestimmter Merkmale, ) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

111 weitere gonosomal-rezessive Erbgänge Grundschema für einen rezessiven, gonosomalen Erbgang (über das mütterliche X-Chromosom) Q: de.wikipedia.org (Kuebi) Grundschema für einen rezessiven, gonosomalen Erbgang (über das väterliche X-Chromosom) Q: de.wikipedia.org (Kuebi) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

112 Familienstammbaum (Ausschnitt) von Queen Victoria und der Bluter-Krankheit (Hämophilie) Daten-Q.: de.wikipedia.org, BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

113 Merkmal Beschreibung, Symptome Häufigkeit(en) Bluter Gerinnungs-Störung des Blutes (Fehlen eines od. mehrerer Gerinnungs-Faktoren) 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : 1 : Zusatz-Informationen: Im Jahr 2010 drohte zwei Betriebskrankenkassen der Bankrott, weil sie neben einer kleinen (nur rund Mitglieder) und überalterten (mehr als die Hälfte über 60 Jahre alt) Kundenschaft auch noch zufällig Bluter-kranke Patienten zu ihren Versicherten zählten. Für so kleine Krankenkassen sind die enormen Behandlungs- und Medikamenten-Kosten (je nach Art der Gerinnungs- Störung sollen es bis zu 1,2 Mill. Euro pro Jahr sein) kaum zu tragen. Einen Ausgleich für solche schweren Fälle soll eigentlich ein Ausgleichs-Fond schaffen. Dieser beinhaltet allerdings nur rund 80 schwere Erkrankungen und die Ausgleichszahlungen für ältere oder chronisch bzw. mehrfach erkrankte Menschen decken nicht die Mehrkosten für die Kasse. Neuerdings wird für Bluter ein Risikostrukturausgleich von Euro pro Jahr bezahlt, was für gut aufgestellte Krankenkassen reicht intermediäre Erbgänge Haarform des Menschen gg.. glatte Haare gk.. gewellte Haare kk.. krause Haare letale Faktoren rezessive letale Faktoren dominante letale Faktoren BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

114 da sowohl der homocygote dominante und auch der heterocygote Fall betroffen sind, können sich solche letalen Allele nicht in der Population halten ( das HARDY-WEINBERG- Gleichgewicht für Erbgänge mit Letalfaktoren). Zumeist handelt es deshalb beim Auftreten der Erkrankungen um Neu-Mutationen. z.b. HUTCHINSON-GILFORD-Progerie (HGPS) monogene letale Faktoren letale Skelett-Dysplasien polygene letale Faktoren z.b. Neuralrohr-Anamalien BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

115 Früh-Erkennung und Nachweis von vererbten Krankheiten derzeit häufig getestete Erbleiden: Krankheit Alzheimer Azoospermie Dickdarmkrebs Eierstockkrebs Eisenspeicherkrankheit (Hämochromatose) Faktor V Leiden - Mutation (Gerinnung) Familiäre Hypercholesterinämie Familiäre Hyperlipoproteinämie Typ III typische Merkmale keine Samen-Zellen im Ejakulat Informationen zum Gentest / getestetes Gen E4-Allels des Apolipoprotein-E-Gens auf Chromosom 19 Test auf 31 Mutationen auf dem CFTR-Gen auf Chromosom 7 Test aller theoretisch möglichen MLH1- und MSH2- Mutationen Test aller theoretisch möglichen BCRA 1- und BCRA 2-Mutationen Nachweis des Austausches der DNS-Basen Guanin zu Adenin an Position 845 und von Cytosin zu Guanin an Position 187 des HFE- Gens auf Chromosom 6 Test auf Leiden-V-Mutation Test auf fast alle Mutationen im Low-Density- Lipoprotein-Rezeptor-Gen und im Exon 26 des Apolipoprotein-B-Gens E-2-Allels des Apolipoprotein-E-Gens auf Chromosom 19 Familiärer Brustkrebs instabile Abschnitte im FMR-1-Gen Fragile X-Syndrom instabile Abschnitte im FMR-1-Gen Mukoviszidose (Cystische Fibrose) Muskeldystrophie Osteoporose Test auf 31 häufigste Mutationen und somit über 87% der Merkmalsträger für diese Erkrankung in Deutschland Mutation (Basenaustausch von Guanin zu Thymin) im Intron 1 des Kollagen TypI Alpha-1-Gens" Mutation (Basenaustausch von Guanin zu Thymin) im Intron 1 des Kollagen TypI- Alpha1-Gens Heilungs- / Verzögerungs-Chancen nach Kenntnis Daten-Q: BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

116 Zwillings-Forschung Auftreten der verschiedenen natürlichen Zwillings-Arten Zwillinge allg.: 1 : 80 eineiige Zwillinge: 1 : 250 zweieiige Zwillinge: Drillinge: eineiige Drillinge: 1 : mehreiige Drillinge: Vierlinge: eineiige Vierlinge: 1 : mehreiige Vierlinge: HELLIN-Formel: 85 hoch (Mehrlingsanzahl minus 1) gilt nur für natürliche Schwangerschaften Abschätzung Mehrlings-Art HELLIN- Häufigkeit Formel Zwillinge : 85 Drillinge : Vierlinge : Fünflinge : Sechslinge : Siebenlinge : nur ein beschriebener Fall von Lebendgeburt (Kaiser- Schnitt) derzeit sind die Mehrlings-Geburten weitaus häufiger, da vermehrt bei künstlichen Befruchtungen zur Sicherheit mehrere Embryonen eingesetzt werden durchschnittliche Differenzen der absoluten Werte eineiige Zwillinge zweieiige Zwillinge Merkmal zusammen aufgewachsen getrennt aufgewachsen zusammen aufgewachsen getrennt aufgewachsen Körpergröße (cm) 1,7 1,8 4,4 Körpermasse (kg) 1,9 4,5 4,5 Schädellänge (cm) 2,9 2,2 6,2 Schädelbreite (cm) 2,8 2,9 4,2 Augenfarbe 0 0 0,5 (50 %) Daten-Q: /25, S. 132/ BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

117 Erkrankung / Syndrom Konkondanz Erläuterung zur Erkrankung bzw. zum Syndrom eineiige Zw. zweieiige Zw. Angiocardiopathie 0,14 0,12 Blinddarm-Entzündung 0,29 0,16 gemeint ist Entzündung des Wurmfortsatzes Bronchial-Asthma 0,33 0,06 Diabetes 0,84 0,37 Essentielle Hypertonie 0,50 0,23 Hüft-Luxation 0,41 0,03 Koronar-Sklerose 0,19 0,09 Manische Depression 0,80 0,19 Micro-Cephalie 0,25 0,28 Schielen 0,92 0,26 Tuberkulose 0,69 0,25 Tumore, gleicher Art 0,59 0,24 Blut-Gruppe 0 1,00 0,50 Blut-Gruppe A 1,00 0,41 Blut-Gruppe B 1,00 0,22 Blut-Gruppe AB 1,00 0,14 Daten-Q: /30, S. 456/ x. Wird Intelligenz vererbt? Übereinstimmung des IQ Bedingungen Verwandschaftsgrad getrennt aufgewachsen nicht verwandt 1 % 25 % verwandt (Geschwister) 35 % 50 % Zwillinge, zweieiig 42 % 55 % Zwillinge, eineiig 80 % 90 % zusammen aufgewachsen Intelligenz wird im Wesentlichen (schätzungsweise 70 %) vererbt. Die genaue Ausprägung (restliche 30 %) ist aber auch von diversen Umweltbedingungen abhängig und diese können sich auch dramatisch auswirken. Man denke in diesem Zusammenhang an Problemen bei der Geburt (sehr häufig beim Zweitgeborenen), Erkrankungen (z.b. Hirnhaut-Entzündung) oder Unfällen bzw. Zufällen (z.b. traumatische Erlebnisse). BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

118 Exkurs: der Intelligenz-Quotient (IQ) Der Intelligenz-Quotient wird zur Charakterisierung der Intelligenz einer Person benutzt. Ihm liegen standardisierte Tests zugrunde, die an einer ausreichend großen Personen-Gruppe ausgetestet und "geeicht" wurden. Die Fragen sind stark gemischt. Sie testen die Merkfähigkeit, mathematische Fähigkeiten, sprachliche Ausdruckfähigkeit, das logische Denken, Abstraktionsvermögen, räumliches Verstellungsvermögen und Sachkenntnisse. Der IQ steht seit seiner Einführung in der Kritik. Kleinere Bevölkerungsgruppen sind aufgrund ihres kleineren Anteils an der Eich-Gruppe ev. benachteiligt. Bestimmte Fragen setzen Vorkenntnisse voraus, die z.b. in der Schule aber zeitversetzt unterrichtet werden können. IQ Benennung Grobabstufung % der Bevölk. 20 schwer schwachsinnig schwachsinnig 0, mittelschwer schwachs. 0, leicht schwachsinnig 2, minderbegabt minderbegabt wenig begabt normal 15, durchschnittlich begabt gut begabt 15, hochbegabt hochbegabt höchstbegabt höchstbegabt 2 Da keine absolute Frage-Festlegung erfolgen kann, ist der Test manipulierbar. Durch Training oder Vorbereitung (z.b. von Eltern, die nur das Beste für ihre Kinder wollen) lassen sich bis zu 20 Punkte mehr erreichen. Als einen von mehreren Tests kann der IQ aber Anhaltspunkte zur geistigen / intellektuellen Entwicklung einer Person geben. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

119 Aufgaben: Aufgaben-Komplex 1: 1. Prüfen Sie mit Hilfe von PTH-Schmeck-Streifen, wieviele Personen Ihrer Lern-Gruppe / Klasse / über die Schmeckfähigkeit für PTH (Phenylthioharnstoff) verfügen! 2. Vergleichen Sie die Ergebnisse mit den Durchschnitten für Deutschland (63 % Schmecker, 37 % Nichtschmecker)! 3. Stellen Sie ein aussagekräftiges Vererbungs-Schema auf, aus dem man die typischen Kombinations-Fälle ersehen kann! 4. Um welche Art von Erbgang (dominant-rezessiv oder intermediär) handelt es sich hier? Begründen Sie Ihre Aussage! 5. Ordnen Sie dem Erbgang die Begriffe autosomal, gonosomal, beides oder unbestimmt zu und begründen Sie ihre Aussage! 6. Informieren Sie sich über die Entdeckung der PTH-Schmeckfähigkeit und sammeln Sie weitere Informationen zu diesem Phänomen! 7. Nehmen Sie Test-Streifen für Ihre Familie (ev. auch für Großeltern und eigene Kinder) mit nach Hause und prüfen Sie deren Schmeckfähigkeit! Stellen Sie einen Familienstammbaum hinsichtlich der PTH-Schmeckfähigkeit auf! Für welche Familien-Mitgleider können Sie den genotyp eindeutig bestimmen? Begründen Sie Ihre Aussagen! PTH (Phenylthioharnstoff) = PTC (Phenylthiocarbamid) Aufgaben-Komplex 2: 1. Die Haarform des Menschen wird intermediär vererbt. Dabei treten die Phänotypen (glatt, wellig und kraus) auf. Als Symbole für die Allele sind die Buchstaben G bzw. g und K bzw. k zu benutzen. Stellen Sie ein Vererbungs-Schema für eine Mutter mit krausen und einen Vater mit glatten Haaren auf! 2. Sommersprossen werden dominant-rezessiv vererbt (Allel-Symbolik: S bzw. s). Stellen Sie das Vererbungs-Schema für eine Mutter ohne und einen Vater mit Sommersprossen (alle väterlichen Groß-Eltern und die eigenen und väterlichen Geschwister haben Sommersprossen) auf! 3. Mit welchen Merkmals-Kombinationen und Chancen müssen eine Frau und ein Mann mit Sommersprossen (heterocygot) und gewelltem Haar "rechnen"? Beide Gene liegen auf verschiedenen Chromosomen. Erklären Sie genau! weitere untersuchbare erbliche Merkmale beim Menschen: seitliche Schneide-Zähne Augenfarbe BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

120 6. Speicherung der Erbinformation die DNS 6.1. submikroskopische Lokalisierung der Erbinformationen Der genaue Aufbau der Chromosomen bzw. des Chromatins blieb auch lange nach dem Aufstellen der Chromosomen- Theorie der Vererbung ein Rätsel. Nach und nach konnten die einzelnen Stoffe an sich identifiziert werden, aus denen die Chromosomen bestanden. Das Chromatin besteht im Wesentlichen aus Proteinen und der DNS. Eine Isolierung der DNS gelang zuerst Friedrich MIESCHER ( ) aus Eiterzellen. Später konnte dann die gesamte stoffliche Zusammensetzung aufgeklärt werden. Die DNS setzt sich danach aus den drei Bestandteilen Kohlenhydrat ( -D-Desoxiribofuranose, kurz auch: Desoxyribose), Phosphorsäure und verschiedenen Stickstoffbasen (Adenin, Cytosin, Guanin od. Thymin) zusammen. Die genaue Anordnung dieser Bestandteile war bis zur Mitte des 20.Jahrhunderts völlig ungeklärt. Wie ein Blitz schlug 1953 ein kleiner bescheidener Beitrag von CRICK und WAT- SON in der Zeitschrift "NATURE" ein. Durch Auswertungen von RÖNTGEN-Struktur- Analysen war es den beiden gelungen, die chemische Natur eines Teils des Chromatins, der Desoxyribonukleinsäure (DNS; engl.: DNA (Desoxyribonucleic acid)), zu entschlüsseln. Q: de.wikipedia.org Q: de.wikipedia.org Neben WATSON und CRICK erhielt auch der oft vergessene Maurice WILKINS den NOBEL- Preis für die bahnbrechende Struktur-Aufklärung. Einen wesentlichen Beitrag zur Strukturaufklärung wurde auch durch Rosalind FRANKLIN geleistet. Sie erhielt den Preis aber nicht, da sie vorher starb. Laut den NOBEL-Preis-Statuten dürfen nur lebende Personen den Preis erhalten. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

121 Die Aufklärung der molekularen Struktur der Erbinformationen sowie deren Umsetzung in der Zelle läutete die Phase der molekularen Genetik ein. Das DNS-Molekül kann man sich wie eine fast unendliche Spirale (Helix) vorstellen. Eigentlich sind es zwei Spiralen, die ineinander geschraubt sind. Vergleichbar ist der Bau der DNS mit einer Strickleiter, die verdreht wurde. Die Spiralgänge sind unterschiedlich voneinander entfernt. Ein kleiner und ein größerer Abstand (Fuge) wechseln ständig. Jede Spirale (Seil) selbst besteht abwechselnd aus einem Kohlenhydrat- und einem Phosphorsäure-Molekül. Die beiden Spiralen sind dabei gegenläufig, d.h. der Wechsel von Zucker und Phosphorsäure beginnt bei dem einen Strang oben, bei dem anderen entsprechend unten. : P : Z C G Z P P Z A = T Z P P Z T = A Z P P Z G C Z : P : Zwischen zwei gegenüberliegenden Kohlenhydraten sind jeweils zwei Nuclein-Basen - quasi wie Leiterstufen - angeordnet. (Abb. rechts) Die Basen haben entweder einen Purin- oder Pyrimidin-Grundkörper. Sie sind sehr stickstoffhaltig und werden deshalb oft auch als Stickstoff-Basen bezeichnet. In einer Sprosse sind immer jeweils ein Purin- und ein Pyrimidin-Körper kombiniert. Purin- und Pyrimidin-Grundkörper Q: de.wikipedia.org (Sponk, NEUROtiker) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

122 Nuclein-Base und der Zucker (Desoxyribose) bilden zusammen ein Nucleosid. In der DNS kommen die nachfolgenden Nucleoside vor: Desoxy-Adenosin Desoxy-Cytidin Desoxy-Guanosin Desoxy-Thymidin Nucleosid Thymidin (Adenin + Desoxyribose) (Cytosin + Desoxyribose) (Guanin + Desoxyribose) (Thymin + Desoxyribose) : = A Z : Desoxy-Adenosin da : C Z : Desoxy-Cytidin dc : G Z : Desoxy-Guanosin dg : = T Z : Desoxy-Thymidin dt Bestandteile der DNS Base Nucleosid Nucleotid Adenin Ade Desoxy-Adenosin da Desoxyadenosinmonophosphat damp Cytosin Cyt Desoxy-Cytidin dc Desoxycytidinmonophosphat dcmp Guanin Gua Desoxy-Guanosin dg Desoxyguanosinmonophosphat dgmp Thymin Thy Desoxy-Thymidin dt Desoxythymidinmonophosphat dtmp In der RNS (Ribonucleinsäure; engl.: Ribonucleic acid (RNA)) einer der DNS sehr ähnlichen Substanz kommt statt dem Thymin die Base Uracil vor. Die RNS ist nur einsträngig, d.h. es fehlt der gegenläufige Strang. Beim Zucker handelt es sich um (originale) Ribose. Somit gibt es auch noch das Nucleosid: : = U Z : Uridin U Uridin (Uracil + Ribose) Bestandteile der RNS Base Nucleiosid Nucleotid Adenin Ade Adenosin A Adenosinmonophosphat AMP Cytosin Cyt Cytidin C Cytidinmonophosphat CTP Guanin Gua Guanosin G Guanosinmonophosphat GTP Uracil Ura Uridin U Uracilmonophosphat UTP BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

123 Nimmt man die Phosphorsäure als Bauelement dazu, spricht man von einem (Mono-)Nucleotid (s.a. z.b. Abb. rechts). Für die oben besprochenen Nucleoside ergeben sich somit die Nucleotide: Desoxy-Adenosin-Monophosphat Desoxy-Cytidin-Monophosphat Desoxy-Guanosin-Monophosphat Desoxy-Thymidin-Monophosphat und für die RNS: Uridin-Monophosphat damp dcmp dgmp dtmp UMP : = T Z P : Nucleotid Desoxythymidinmonophosphat dtmp Nucleosid Stickstoff-Base - Pentose - Phosphorsäure (Mono-)Nucleotid Jeweils die Nuclein-Basen Adenin und Thymin sowie Cytosin und Guanin bilden für sich ein Paar. Die N-Basen sind untereinander über Wasserstoffbrücken (H-Brücken-Bindung) verbunden. Adenin und Thymin bilden zwei solcher Brücken aus (A=T), Cytosin und Guanin drei (C G). Da nur diese Paarungen in der DNS zugelassen sind, verhalten sich die beiden (Seile) wie Positiv und Negativ zueinander. Werden die beiden Stränge getrennt, dann lässt sich jede fehlende Seite 100%ig rekonstruieren. Auf diesem Prinzip beruht auch die Verdopplung des genetischen Materials ( 6.1. Replikation der DNA (Reduplikation)). : P : Z A = T Z : P : BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

124 In den verschiedenen Phasen der Zellteilung ist die DNA unterschiedlich stark spiralisiert. Es werden A-, B- und Z-DNA unterschieden. Die variable Kompaktheit (A-DNS) bzw. Zugänglichkeit (B- u. Z- DNS) ist für die verschiedenen zellulären Prozesse sehr wichtig. Bei der Mitose (beim DNS-Transport) ist eine sehr stark komprimierte DNS (A-DNS) notwendig und vorteilhaft. Soll dagegen die genetische Information für die spätere Protein-Synthesen abgelesen werden, dann wird eine offenere Form der DNS gebraucht. Aus den gesammelten Erkenntnissen kann man nun ein umfassendes Bild vom Bau eines Chromosoms aufstellen. Die DNA ist um kugelförmige Eiweiße gewickelt. Das Ganze sieht wie eine Perlschnur aus. Diese bildet so dann mehrfach spiralisiert den Chromatiden in seiner ganzen Ausdehnung. Der Verkürzungs-Faktor im Vergleich zum entspiralisierten Chromatin beträgt 10'000. Wo die DNA-Perlschnur besonders dicht liegt, gibt es durch spezielle Färbe- Methoden (Banding-Verfahren) besonders deutliche Farbstreifen. Im X-förmigen Zwei-Chromatiden- Chromosom während der Mitose (besonders Meta- und Ana-Phase) liegen die zwei DNS-Stränge besonders stark komprimiert vor. Zwei identische (weil duplizierte) Chromatiden liegen nebeneinander. Da sie in einem mittleren Bereich am sogenannten Centromer - verbunden sind, ergibt sich ein grob X-förmiges Aussehen. Am Centromer setzen die Mikrotubuli des Spindelapparates bei der Mitose an. Den Kontakt zwischen Centromer und dem Tubulin-Fasern stellen sogenannte Kinetochore her. Dies sind recht komplexe Protein-Gebilde. Die beiden Chromatiden können dann auf die Zellhälften verteilt werden. A-, B- und Z-DNA Q: de.wikipedia.org Nucleosom (die DNS ist um ein Histon-Protein gewickelt) Q: en.wikipedia.org (Thomas Splettstoesser) Gesamt-Übersicht zum Bau eines Chromosoms Q: de.wikipedia.org (Phrood (US-NIoH)) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

125 Wie sind aber die Erbinformationen auf der DNS abgespeichert? Von unserem Testosteron- Beispiel wissen wir schon, dass irgendwie die Substanz bzw. die Bauanleitung für diese abgespeichert sein muss. Aus Strukturanalysen weiss man, dass gleiche Aminosäure-Sequenzen (Polypeptide) ähnliche Abschnitte auf der DNS als Vorlage hatten. Bei leicht veränderten Proteinen sind auch leicht veränderte Nucleotid-Sequenzen beobachtet worden. Alle Proteine bestehen aus Aminosäuren. Insgesamt sind 20 verschiedene Aminosäuren bekannt, die in Proteine vorkommen (protenogene Aminosäuren). Für jedes Protein ist die Sequenz der am Bau beteiligten Aminosäuren immer gleich. Aus den bekannten Informationen konnte man schließen, dass in der DNS sowohl die Art der Aminosäure als auch ihre Reihenfolge gespeichert sein muss. Da es allgemein auch bei den verschiedenen Lebewesen mehr Merkmale als Chromosomen gibt, müssen die Codierungen für die Proteinen (Aminosäure- Sequenzen auch mit einem Start- und einem Ende-Kennzeichen versehen sein. Das zu codierende Alphabet besteht also aus mindestens 22 Zeichen 20 Zeichen für Aminosäuren und 2 Zeichen für Start und Ende. Proteinogene L-Aminosäuren mit internationaler Drei- und Einbuchstabenabkürzung: Aminosäure Abkürzung Aminosäure Abkürzung Alanin Ala A Leucin Leu L Arginin Arg R Lysin Lys K Asparagin Asn N Methionin Met M Asparaginsäure Asp D Phenylalanin Phe F Cystein Cys C Prolin Pro P Glutamin Gln Q Serin Ser S Glutaminsäure Glu E Threonin Thr T Glycin Gly G Tryptophan Try W Histidin His H Tyrosin Tyr Y Isoleucin Ile I Valin Val V Exkurs: Bau und chemische Struktur von Proteinen Proteine setzen sich aus Aminosäuren zusammen. In der Natur werden praktisch nur 20 verschiedene Aminosäuren zum Aufbau von Proteinen benutzt. Aminosäuren besitzen immer zwei funktionelle Gruppen, die auch Namens-gebend sind. Dies ist zum Einen die basische Aminogruppe (-NH 2 ) und zum Anderen die saure Carboxyl-Gruppe (Säure- Gruppe, -COOH). Die einzelnen Aminosäuren unterscheiden sich im restlichen Molekül-Bau. Da diese an den elementaren Reaktionen nicht teilnehmen werden sie zumeist nur als Rest (z.b. R 1, R 2 usw. usf.) geführt. O H C - OH \ N C - H / H R 1 Amino- Säure-Gruppe Für unsere Zwecke reicht es, sich eines einfachen Modells für Aminosäuren zu bedienen. Häufig findet man in Schul-Lehrbüchern dafür einen Winkel. Er soll mit seinen Schenkeln die beiden funktionellen Gruppen darstellen.l Beim Aufeinandertreffen von zwei Aminosäure-Molekülen können diese miteinander reagieren. Unter zellulären Bedingungen passiert dies nur in Anwesenheit von Katalysatoren also Enzymen oder Ribosomen. + + Aminosäure Aminosäure Dipeptid Wasser BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

126 Die Amino-Gruppe der einen Aminosäure reagiert mit der Carboxyl-Gruppe der anderen zu einem sogenannten Dipeptid. Für Peptide ist die Peptid-Gruppe (-NH-CO-) als innere funktionelle Gruppe charakteristisch. O H C - OH \ N C - H / H R 1 + H R 2 \ N C - H / H C - OH O H H O H R \ N C - C - N C - H / H R C - OH O + H 2O Da an den Enden des Dipeptides immer noch freie funktionelle Gruppen vorhanden sind, kann es mit weiteren Aminosäuren weiterreagieren. Nach und nach kommt es dadurch zu immer längeren Ketten, die je nach Anzahl der enthaltenen Aminosäure-Reste Tri-, Oligo- und Poly- Peptide genannt werden. + + Dipeptid Aminosäure Tripeptid Wasser Die Polypetid-Kette wird auch die Primär-Struktur eines Proteins genannt. Die chemischen Eigenschaften der Reste sorgen in Folge für eine weitere charakteristische Anordnung. So bilden sich in bestimmten Abschnitten sogenannte Faltblatt- oder Helix-Strukturen. Diese nennt man Sekundär-Strukturen. Sie entstehen im Wesentlichen aufgrund von Anziehungs- und Abstoßungs-Kräften. Die unterschiedlichen Aminosäure Reste können auch direkt miteinander reagieren. Dabei entstehen unterschiedlich feste Brücken. Dazu gehören z.b. auch die relativ lockeren Wasserstoff-Brücken- Bindungen. Besonders fest sind sogenannte Disulfid-Brücken aus zwei Schwefel-Atomen. Die so gestalteten Strukturen werden als Tertiär-Struktur bezeichnet. In den meisten Fällen sind die Proteine in dieser Form schon funktionsfähig. Viele Tertiär-Strukturen kombinieren sich zu sogenannten Quartiär-Strukturen. Sie stellen die real vorkommenden Proteine in der Zelle dar. Ein schönes Beispiel ist das Hämoglobin unser roter Blutfarbstoff das aus vier z.t. unterschiedlichen Hämoglobin-Einzel-Molekülen zusammengesetzt (Tertiär-Strukturen) ist. Tertiär-Struktur eines Enzyms mit gelb-gefärbten Faltblatt-Strukturen und purpurnen Helices Q: aus einem United Devices-Projekt Modelle eines Faserförmigen Proteins (Collagen) rechts mit verschiedenfarbigen Tertiär-Strukturen Q: Modell eines Rezeptor (für Adrenalin); dieser besteht nur aus einem Monomer (Quartiär-Struktur also gleich Tertiär-Struktur) Q: Band-Modell des Hämoglobin-Moleküls (Quartiär-Struktur) die einzelnen Tertiär- Strukturen sind in verschiedenen Farben dargestellt Q: BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

127 Organismen-Gruppe Organismus Basen-Paare Gesamt- Länge [µm] Viren Polyoma / SV ,7 (1978) Phage X (1977) l-phage / Bakteriophage Lamda (1982) T2-Phage Vaccinia Zusatzinformationen (Zeitpunkt) Archäen Archaeglobus fulgidis (1997) Schwefel-Bakterium Bakterien Mycoplasma Echerichia coli (E. c.; E. coli) kd (1997) Eukaryoten Mitochondrium (des Menschen) (1981) Chloroplast (Tabak) (1986) Saccharomyces cerevisae (Hefe) (1996) Hefe Arabidopsis thaliana (Pflanze) (2000) Drosophila melanogaster (D. m.) (2000) Caenorhabditis elegans (Plattwurm) (1998) Mensch / Homo sapiens s (2001) Daten-Q: /3, S. 90/ + BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

128 Wenn man nun davon ausgeht, dass nur einer der beiden Stränge eine Vorlage für ein Merkmal darstellt, dann könnten die 4 Nucleotide A, C, G und T genau 4 1 = 4 Aminosäuren (abgek.: AS) codieren. A C G T AS 1 AS 2 AS 3 AS 4 Nun hatten wir aber auch festgestellt, dass eine Start- und ein Stop-Zeichen notwendig sind. Somit würde man also nur noch 2 Aminosäuren mit den 4 Nucleotiden kodieren können. Benutzt man dagegen zwei aufeinanderfolgende Nucleotide in der Form AA, AC, AG, AT, CA,..., TT - so ließen sich schon 4 2 = 16 Zeichen (Aminosäuren und Steuerinformationen) codieren. Aber auch das sind immer noch zu wenig. AA AC AG AT CA CC CG CT GA TT AS 1 AS 2 AS 3 AS 4 AS 5 AS 6 AS 7 AS 8 AS 9 AS 16 Bleibt als nächstes die Möglichkeit 3 Nucleotide zu nutzen. Hier ergeben sich dann 4 3 = 64 verschiedene Varianten. Anfang der 60ziger Jahre konnte man diese theoretischen Überlegungen für die lebende Natur praktisch bestätigen. Man entschlüsselte den genetischen Code der Organismen. Interessanterweise gilt dieser Code für fast alle Lebewesen. Für Biologen ist dies ein Beweis für einen gemeinsamen Ursprung aller Lebewesen. Eine Gruppe aus drei zusammengehörenden Nucleotiden z.b. ACT od. CCG wird als Triplett oder Codogen bezeichnet. Der genetische Code (hier: Anticodone bzw. Matrizencodone) 2. Nucleotid 1. Nucleotid Thymin Cytosin Adenin Guanin 3. Nucleotid TTT Phe TCT Ser TAT Tyr TGT Cys Thymin Thymin TTC Phe TCC Ser TAC Tyr TGC Cys Cytosin TTA Leu TCA Ser TAA ochre TGA opal Adenin TTG Leu TCG Ser TAG amber TGG Try Guanin CTT Leu CCT Pro CAT His CGT Arg Thymin Cytosin CTC Leu CCC Pro CAC His CGC Arg Cytosin CTA Leu CCA Pro CAA Gln CGA Arg Adenin CTG Leu CCG Pro CAG Gln CGG Arg Guanin ATT Ile ACT Thr AAT Asn AGT Ser Thymin Adenin ATC Ile ACC Thr AAC Asn AGC Ser Cytosin ATA Ile ACA Thr AAA Lys AGA Arg Adenin ATG Met ACG Thr AAG Lys AGG Arg Guanin GTT Val GCT Ala GAT Asp GGT Gly Thymin Guanin GTC Val GCC Ala GAC Asp GGC Gly Cytosin GTA Val GCA Ala GAA Glu GGA Gly Adenin GTG Val GCG Ala GAG Glu GGG Gly Guanin ochre, amber, opal... Stopcodonen (Nichtsinncodonen) Startcodonen: ATG, GTG bei Prokaryoten ; ATG bei Eukaryonten BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

129 Beim genauen Betrachten der Codetabelle fällt auf, dass alle Tripletts benutzt werden. Viele Aminosäuren haben verschiedene Codes. In der Kodierungs-Theorie wird ein Code, der mit solchen überflüssigen Symbolen ausgestattet ist, als redundant genannt. Die überzähligen Triplettcodes dienen der Übertragungssicherheit. Im gewissen Sinn handelt es sich um eine einfache Art der Fehler-Korrektur. Für die Codierung einiger Aminosäuren (z.b. Valin und Leucin) werden eigentlich nur die ersten beiden Nucleotide benötigt. Die dritte Base ist wahlfrei und keinen Einfluss. Diese werden Wobble-Basen genannt (wobble, engl.: schwanken). Der genetische Code ist fast für alle Organismen gleichartig. Ausnahmen gibt es nur in sehr wenigen Organismen-Gruppen. Diese betreffen auch nur einzelne Codes bzw. Aminosäuren. Für viele Nicht-Biologen und vor allem "moderne" Kreationisten wird dieser Fakt gerne als Argument für eine nicht-natürliche (nicht-evolutionäre) Entwicklung herangezogen. Biologen halten dagegen, dass eine Veränderung in einer isolierten Organismen-Gruppe aber auch durch Mutation erklärbar ist. Wie dieser Code in eine Aminosäure-Sequenz umgesetzt wird, soll später geklärt werden. Vorher wollen wir erst einmal die Verdopplung des Erbmaterials anschauen. Ein solcher Prozess ist Voraussetzung für die Zellteilung. In der Interphase der Mitose muss das genetische Material verdoppelt werden, sonst würde eine Tochterzelle leer ausgehen bzw. das Material ungleichmäßig verteilt werden. Betrachtet man den genetischen Code aus informatischer (kryptographischer) Sicht, dann hat dieser einige interessante Eigenschaften: Merkmal Beschreibung / Bedeutung Triplett-Code Ein Code-Wort (Aminosäure-Codierung) besteht immer aus 3 Zeichen / Code-Buchstaben (Nucleotiden). Universalität Der genetische Code gilt für alle Organismen. Es gibt nur sehr wenige Ausnahmen. Eindeutigkeit Jedes Triplett bestimmt immer genau eine Aminosäure oder ein Hilfszeichen (Start bzw. Stop). Code ist Leerzeichen-frei Die Code-Wörter folgen hintereinander ohne Rastersprünge oder Zwischenzeichen. Code ist nicht-überlappend Jedes Nucleotid (Code-Zeichen) ist immer nur Teil eines Code-Wortes. Degeneration Die meisten Klar-Wörter (Aminosäuren) werden durch mehrere Code-Wörter verschlüsselt. Redundanz Bei Mehrfach-Kodierungen sind meist nur 2 Zeichen codierend, dass 3. Zeichen ist variabel. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

130 Aufgaben: 1. Erstellen Sie eine Tabelle und ein Diagramm in denen die Anzahl der Codone pro Aminosäure gegen die Anzahl der Aminosäuren (die soundsoviele Codone haben) darstellt! 2. Prüfen Sie, ob es einen Zusammenhang zwischen der Anzahl der Codone pro Aminosäure und deren Essentiellität (für Menschen) gibt! Erläutern Sie, warum das das von Ihnen gefundene Ergebnis (Zusammenhang bzw. Nichtzusammenhang) aus Ihrer Sicht einen biologischen Sinn macht! 3. Informieren Sie sich, wie z.b. die Daten-Sicherheit (Schutz vor versehendlicher oder beabsichtigter Manipulation) für die folgenden Kennzeichen organisiert ist: a) ISBN-Nummer von Büchern (ISBN 10 und ISBN 13) b) Personal-Ausweis-Nummern c) EBAN-Kontonummern (22stellige Kontonummern für deutsche Bankkonten) d) Identcode der Deutschen Post Exkurs: Evolution des genetischen Codes Scheinbar hatten früher lebende Organismen nur einen 2-Buchstaben-Code. Dies würde bedeuten, dass diese Lebewesen mit ungefähr 14 eiweißbildenden Aminosäuren ausgekommen sind. Es wäre aber auch denkbar, dass bestimmte Aminosäuren an bestimmten Stellen einfach variabler eingebaut wurden. Man könnte sich das wie begrenzte Joker- Positionen vorstellen. Mit dieser Vermutung könnte man z.b. erklären, warum es zu bestimmten Zeiten der Erdgeschichte (z.b. im Kambrium (vor 500 Mio. Jahren)) zu gewaltigen Entwicklungs-Beschleunigungen in der Evolution gekommen ist. Viel Variabilität in den Proteinen bedeuten auch viele verschiedene Organismen. Völlig ungeklärt ist, wie dann irgendwann der Übergang vom 2-Buchstaben- zum 3- Buchstaben-Code erfolgte. Eine einfache Erweiterung ist nicht denkbar, da in diesem Augenblick wegen der Schlüssel-Schloss-Passung der Enzyme und Ribosomen diese alle mit einem Mal unbrauchbar geworden wären. Damit das Leben mit dem neuen Code weitergehen kann, hätte bei fast allen gleichzeitig eine geeignete Mutation (im zugrunde liegenden genetischen Material) eintreten müssen. Ein schleichender Übergang ist wegen der hohen Wahrscheinlichkeit fehlerhafter oder unbrauchbarer Eiweiße ebenfalls nicht vorstellbar. Derzeit ist diese These deshalb auch noch sehr umstritten. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

131 6.1. Replikation der DNA (Reduplikation) Einführend sei hier vermerkt, dass viele Aussagen zu den molekularen Vorgängen noch im Dunkeln liegen. Besondere Probleme bestehen bei der Aufklärung dieser Vorgänge in eukaryontischen Zellen. Für die Prokaryoten sind die Erkenntnisse besser gesichert. Es spricht aber viel dafür, dass die meisten Vorgänge ähnlich in Pro- und Eukaryonten ablaufen. Für die Mitose benötigt eine Zelle von jeder DNS ein Duplikat. Jede Tochterzelle soll ja den vollständigen Satz an Erbinformationen erhalten. Wenn wir Menschen die DNS kopieren sollten, dann würden wir wohl ohne groß zu überlegen, die Doppelliste aus Positiv- und Negativ-Nucleotidsequenz nehmen und sie von oben nach unten abschreiben. Ein für diesen Vorgang verantwortliches Enzym bräuchte also bloß oben oder unten anfangen und die Nucleotidpaarung ablesen, sich die Bauteile aus dem Cytoplasma nehmen und diese dann zu verbinden. Dann müsste noch die kopierte Stufe an die vorher kopierten Stufen angehängt werden - und fertig. Bedenkt man die Fehlerhäufigkeit und die fehlende Korrekturmöglichkeit bei einem solchen Vorgehen beim menschlichen Erbgut z.b. rund 200 Millionen Paarungen fehlerfrei abgeschrieben werden dann sind Fehler und Vertauschungen wohl sehr wahrscheinlich. Da ist es verständlich, dass man bald nach einem besseren und sicheren Weg suchen würde. Die Natur hat einen solchen Weg gefunden. Statt jedes Mal eine völlig neue DNS zu machen, wird die alte einfach der Länge nach aufgeschnitten (natürlich durch ein Enzym (s.a. Abb.: Teil 1: Helicase)) und dann der fehlende Strang schrittweise ergänzt. Die ATP-getriebene Helicase arbeitet sich dabei an dem Strang vorwärts, der von 3' nach 5' der DNS-Struktur läuft (in Abb. blau). Die herandiffundierenden komplementären Nucleotide (2) werden von einem weiteren Enzym (3: Polymerase III) an dem einen Mutterstrang angebaut. Nucleotid für Nucleotid wird so kontinuierlich in den neuen Strang (Leitstrang, Vorwärtsstrang, 5' 3'-Strang) eingebaut (in Abb. grün). Die Nucleotid-Anbindung kann immer nur an einem freien 3'-Ende passieren. Am zweiten Mutterstrang (in Abb. rot) müsste das Enzym sozusagen rückwärts (am 5'- Ende) polymerisieren. Dies ist scheinbar nicht so ohne weiteres möglich bzw. in der Natur realisiert worden. Ablauf der Replikation (Y-Modell) 1.. Helicase, 2.. Nucleotide, 3.. DNA-Polymerase III, 4.. OKAZAKI-Fragment, 5.. DNA-Polymerase I unten: Lückenschluss durch die DNA-Ligase (6) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

132 DNA-Ligase Q: (geänd.: dre) An diesem Strang verarbeitet ein Enzym (5: Polymerase I) schon kleine vorgefertigte Gegenstücke (die sogenannten OKAZAKI-Fragmente (4) (auch: OKAZAKI-Stücke), in der Abb. hellblau). Die OKAZAKI-Fragmente entstehen an dem freigelegten (nackten) Mutterstrang. Die Polymerase I synthetisiert sie in der üblichen 5' 3'- Richtung bis die Lücke zum schon fertigen 5'-Ende geschlossen werden kann. Die eigentliche Verbindung des OKAZAKI-Fragmentes mit dem 5'-Ende erledigt dann die DNA-Ligase (6). Der so gebildete zweite Strang (Rückwärtsstrang, Folgestrang, in Abb. grün) vervollständigt den zweiten Mutter-Strang zum zweiten DNS-Molekül. Insgesamt sind bei der Replikation mindestens drei bei Eukaryonten sogar fünf DNA-Polymerasen beteiligt. Die Polymerase II ist für Reparaturen zuständig ( Mutationen und Genreparatur). Die Benennung der Polymerasen erfolgte in der Reihenfolge ihrer Entdeckung. Die entstandene Kopie wird anschließend von speziellen Enzymen auf Unregelmäßigkeiten geprüft und notfalls repariert. Insgesamt ist die Kopiersicherheit extrem hoch. Nur 1x pro Nucleotiden wird ein Fehler gemacht (Dies entspräche nur einem Abschreibfehler auf 333 vollbeschriebenen Schreibmaschinenseiten. Dabei müssten man aber auch noch die ganzen Seiten in einer Minute abtippen.). Bei jeder Replikation wird also die eine Hälfte (s.a. Abb. rechts: rot und blau) der Original-DNS um neues Material ergänzt. Der jeweils neue Anteil wird in einer anderen Farbe (1. Nachkommensgeneration: grün; 2. Generation: grau) dargestellt. Schon in der 2. Nachkommens-Generation beträgt der Original-Anteil nur noch 2 * 12,5 % = 25 %. Die restliche DNS wurde in den Interphasen jeweils neu synthetisiert. Aufgabe für FREAKS: Welche Fehler können beim Kopieren der DNS auftreten und wie könnten sie repariert werden? Schätzen Sie auch die Effektivität solcher Reparaturen ab! Die Replikation der DNS kann immer nur im entspiralisierten Zustand erfolgen. Ansonsten ist das DNS-Molekül durch die starke Helikalisierung und Faltung sowie dem großen Anteil an Strukturproteinen nicht zugänglich. Die DNS wird also nur zum Zwecke der Zellteilung (Mitose od. Meiose) in X-Form-Chromosomen verpackt. Sie stellen die Transportform der DNS dar. Man stelle sich vor, es sollen zwei lange ineinander vertüttelte Bindfäden durch Auseinanderziehen getrennt werden. Da sind Knoten unausweichlich. Entwirrt man das große Knäuel zuerst, dann ist die Verteilung der Knäuelhälften hinterher einfacher. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

133 Exkurs: Replikation im Detail Eine etwas weiter gefasste Übersicht gibt die nachfolgende Zeichnung: Q: de.wikipedia.org (LadyofHats + tikurion) OKAZAKI-Fragmente sind bei Prokaryoten schon mal Nucleotide und bei Eukaryonten um die 200 Nucleotide lang. meist 1000 Nucleotide pro Sekunde verbaut, beim Menschen 100 Bei vielen Bakterien und Eukaryonten erfolgt die Replikation in beide Richtungen. Beim ringförmigen DNS-Material solcher Bakterien entsteht dadurch ein charakteristisches Muster: Q: Replikation von E. coli (kurz für: (A ) Escherichia coli (Darmbakterium)) benötigt 30 min. Dabei werden die Windungen der DNS von einer Polymerase nachvollzogen, was einer Rotationsgeschwindigkeit von rund Umdrehungen pro min entspricht. Bei der Größe des Enzyms ist dies schwer vorstellbar. Außerdem würde sich der Folge- oder Tochterstrang um den Original- oder Mutterstrang winden. Stellt man sich dagegen das Enzym als feste Position vor, dann müsste sich die DNS drehen. Dies ist aber wegen der Ringform BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

134 schwierig. Praktisch ist die eine Verdrillung der DNS wohl nur zu verhindern, wenn ab und zu einmal ein Strang bricht, die DNS entdrillt und dann wieder der Strangbruch geschlossen wird. Internet-Links: sehr gute dynamische Darstellung (Animation) (in Deutsch): (??? BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

135 7. Realisierung der Erbinformationen Über die Art der übertragenen Informationen haben wir uns schon sehr früh Gedanken gemacht. Aus logischen Gesichtspunkten heraus, konnten wir das von der Natur verwendete Prinzip verstehen. Auch wie die Information abgespeichert ist und wie sie verdoppelt wird, ist uns nun klar. Aber wie wird aus einer abstrakten Nucleotid-Sequenz ein biologisches Merkmal? Ein heute unter Biochemikern als 1. Hauptsatz der Molekularbiologie gehandeltes zentrales Dogma ("Ein-Gen-ein-Protein"-Prinzip, blaue Wege) lässt sich schematisch so darstellen: Genotyp Phänotyp Gen Genprodukt Bis zu diesem Modell war es ein langwieriger, schwerer Weg mit vielen natürlichen und künstlichen Hindernissen (40iger Jahre). Die heutigen Forschungsergebnisse bestätigen dieses Modell weitestgehend. Sehr neue Forschungen bestätigen eine weitere These vieler Biologen. Sie sagten voraus, dass verschiedene Proteine nicht nur eine einzelne Funktion übernehmen, sondern an verschiedenen Stellen in der Zelle auch unterschiedliche Funktionen erfüllen können. Heute wissen wir auch, dass aus einem Gen mehrere verschiedene Proteine entstehen können ( Exkurs: Alternatives Splicing). BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

136 7.1. die Ein-Gen-ein-Protein-Hypothese Schon im Jahre 1902 vermutete der Arzt Archibald GARROD bei einer Erbkrankheit (Alkaptonurie), dass es sich bei ihr um einen ganz speziellen Defekt im Stoffwechsel handeln müsse. Bei der Alkaptonurie scheiden die Merkmals-Träger dunklen Urin aus. Das Erbleiden wird autosomal-rezessiv vererbt konnten George BEADLE und Edward TATUM diese Vermutung beweisen. Sie bestrahlten Schimmelpilze ((s ) Neurospora crassa) und erzeugten damit Abkömmlinge, die spezielle Defekte hatten. So konnten einige bestimmte Stoffwechsel-Produkte nicht mehr bilden (oder verarbeiten). Aus anderen Forschungs-Arbeiten wusste man schon, dass die verschiedenen Stoffe bestimmten Stoffwechsel-Wegen folgten. Die verschiedenen Mutanten wurden nun auf verschiedenen Nährböden gezüchtet. Diesen waren bestimmte Stoff zugesetzt oder es fehlten genau diese oder alle speziellen Stoffe (Mangel-Nährböden). Durch abwechselnde Kultur auf einen Minimal-Nährboden der kein Arginin enthielt und einem Voll-Nährboden gelang es den beiden Forschern sogenannte Arginin-Mangel- Mutanten von Neurospora zu isolieren. Diese konnten die Aminosäure Arginin nicht selbst bilden. Finden diese Mutanten kein Arginin in ihrer Umgebung vor, dann können sie sich nicht entwickeln. BEADLE und TATUM züchteten die Neurospora-Mutanten auf Nährböden, die vermutlich bestimmte Zwischenstufen für das Endprodukt Arginin oder das Arginin selbst enthielten. Neurospora-Typ Minimal- Nährboden Wachstum auf Minimal-Nährboden mit Arginin Citrullin Ornithin Wildtyp Typ I Typ II + + Typ III + Einige der mutierten Pilze konnten auf einzelnen Nährböden das Arginin nun doch bilden und sich vermehren. Daraus schlossen BEADLE und TATUM, dass immer spezielle Stellen im Stoffwechsel gestört wurden. Aus anderen Forschungen wusste man schon, dass Enzyme (damals noch Fermente genannt) eine fördernde Wirkung z.b. auf bestimmte Stoffwechsel-Stellen haben. Da beim Zusatz bestimmter Stoffwechsel-Zwischenprodukte die Defizite aufgehoben waren, blieb als geschädigtes Objekt im Stoffwechsel nur das Enzym also genau das Protein, was in einem geschädigten (künstlich mutierten) Gen codiert war. Aus den Ergebnissen konnte das nebenstehende Schema aufgestellt werden. Die "Ein-Gen-ein-Protein"-These war geboren. Fehlte ein Enzym, weil deren Gen beschädigt war, konnte der Schimmelpilz nur existieren, wenn man von außen den Stoff zusetzte, den das fehlende Enzym eigentlich produzieren sollte. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

137 Im Beispiel der Alkaptonurie ist es das Enzym Homogentisat-Dioxygenase, das geschädigt (arbeitsunfähig) ist. Deshalb funktioniert die Umwandlung des Stoffes Homogentisinsäure in Cohlendioxid und Wasser nicht und die schwarz-braune Homogentisinsäure wird vermehrt über den Urin ausgeschieden. Ausschnitt aus dem Stoffwechsel mit mehreren bekannten Fehlstellen und den zugehörigen Krankheitsbildern Q: de.wikipedia.org (Pacelchen) Interpretieren wir die Aussagen nun hinsichtlich des Hauptsatzes der Molekular-Genetik. Die Replikation od. Selbstverdopplung der DNS produziert das genetische Material für die Tochterzellen. Sie haben wir gerade in Kapitel 7.6. besprochen. Das Leben basiert auf Proteinen, die entweder die Strukturen (z.b. Kollagen, Aktin + Myosin, ) oder die Funktionen in Prozessen (Enzyme, Biokatalysatoren) bestimmen. Hier kommt die RNS (Ribonucleinsäure) ins Spiel. Sie ist der Mittler zwischen Nucleinbase-Welt und Protein-Welt. Die DNA muß also zuerst in RNS umgeschrieben (transkripiert) werden. Dies ist ein gerichteter Vorgang. Nur wenige Viren verfügen über ein ganz besonderes Enzym die "reverse Transkriptase". Mit ihr können sie ihr genetisches Material (in RNS-Form) in den Wirtzellen in DNS umwandeln und diesen Zellen dann als scheinbar eigenes Erbmaterial unterjubeln. In (den echten) Lebewesen kommt dieses Enzym sonst nicht vor. Heute ist sich die Wissenschaft sicher, dass die RNS evolutionär die erste Erbsubstanz war. Dafür spricht, dass alle wesentlichen Vorgänge der Vermehrung der Erbsubstanz sowie die Umsetzung in konkrete Proteine nur über RNS-Moleküle möglich sind. Bestimmte RNS- Moleküle können sogar wie Enzyme fungieren und z.b. sich selbst reproduzieren. Warum und wie dann später die DNS in Spiel gekommen ist, wird derzeit noch nicht verstanden. Für die DNS spricht aber eine wesentlich bessere molekulare Stabilität und höhere Informations- Sicherheit. Die RNS muss letztendlich noch aus der Nucleinbasen-Sprache in die Aminosäuren-Sprache übersetzt (translatiert) werden. Für diesen Prozess gibt es in unserem gesamten Wissensbereich keinen umkehrenden Vorgang. Insgesamt ergibt sich also in den lebenden Zellen eine Art Einbahnstraße von der DNA zum Protein. Diese Straße nennen wir "zentrales Dogma der Molekularbiologie". In der lebenden Welt gibt es keine bekannten Abweichungen von diesem Dogma (Lehrsatz, Regel, Grundsatz (Festlegung)). Für die Produktion von Mikro- od. Makromolekülen brauchen Zellen Enzyme ( Stoff- u. Energiewechsel). Diese sind größtenteils aus Polypeptidketten (Aminosäure-Ketten) zusammengesetzt. Die Informationen zum Bau solcher Enzyme sind auf der DNS gespeichert. Für die Struktur- und Funktions- Eiweiße sind die Erbinformationen auf den Strukturgenen gespeichert. Oftmals unterscheidet davon die Regulator-Gene, die Proteine codieren, deren vorrangige Aufgabe in der Regulation und Steuerung der verschiedensten Stoffwechsel- und Vererbungsvorgänge zu suchen sind. Die Umsetzung der genetischen Information in konkre- BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

138 te Proteine ist prinzipiell immer gleich. Regulator-Gene stehen eher für veränderliche / dynamische Merkmale. Aus der Kenntnis der Vererbung bestimmter Merkmale / Fähigkeiten des Organismus bzw. der Zelle und der Lokalisation eines entsprechenden Gen's für dieses Merkmal auf der DNS entstand die: Ein-Gen-Ein-Enzym-These (BEADLE und TATUM (1941)). Folgt man dieser These, dann wird durch jeweils ein Gen die Information für den Bau eines Enzyms repräsentiert. Letztendlich bestimmt das Enzym od. auch das entstandene Struktur-Protein dann ein konkretes Merkmal der Zelle / des Organismus. Im obigen Schema ist mit roten (unterbrochenen) Pfeilen dar 2. Hauptsatz der Molekularbiologie gekennzeichnet. Nach diesem ist zwar die Rückwandlung von RNS zu DNS möglich (reverse Transkription) nicht aber die Umwandlung von Proteinen in RNS oder DNS. Da kommen wir auf unser am Anfang des Abschnittes (Genetik) formulierte Prinzip der Vererbung von Regeln zurück. Es wird nicht die spezielle Eigenschaft selbst vererbt, sondern das Mittel, um diese Eigenschaft zu erreichen. Das Hilfsmittel sind zumeist eben diese Enzyme. Enzyme sind diejenigen Stoffe, die den Stoffwechsel in bestimmte Richtungen drängen. Heute ist das zentrale Dogma durch viele aktuelle Forschungen eingeschränkt worden. So weiß man, das ein Gen ohne weiteres einige mehr oder weniger gleiche Enzyme kodieren kann. Andere Enzyme werden wieder aus Polypeptid-Ketten zusammengesetzt, die von verschiedenen Genen abstammen. Auch konnte man einen Einfluß von Proteinen auf die Gene beobachten (genetische Prägung; Imprinting). Dieser Prozess spielt z.b. bei der Vererbung der Geschlechter und bei sexuellen Vorgängen eine sehr wichtige Rolle, wie man heute weiß. In Zellen findet man praktisch ungefähr doppelt so viele Proteine, wie Gene. Im Wesentlichen kann man aber der obigen These folgen, was wir hier auch der Einfachheit halber machen wollen. Aus dem obigen Schema sind uns zwei Prozesse noch unbekannt die Transkription und die Translation. Aufgaben für die gehobene Anspruchsebene: 1. Skizieren Sie sich einen einfachen Stoffwechselweg mit 4 aufeinanderfolgenden Stoffen (A, B, C und D) und den drei zugehörigen Enzymen E1, E2 und E3! a) Wie verhalten sich die Stoffmengen, wenn kontinuierlich Stoff A zugefügt und Stoff D entfernt wird? Zeichnen Sie ein passendes Stoffmengen- bzw. Konzentrations-Zeit-Diagramm. b) Durch Bestrahlung soll nun das Gen für Enzym 2 geschädigt sein. Wie verändern sich die Stoffmengen / Konzentration nun? Skizieren Sie die Veränderungen in ein neues (vergleichbares) Diagramm! Erklären Sie Ihre Vermutungen! BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

139 7.2. die Transkription: Die Informationen, die in der DNS notiert sind, werden nicht im Zellkern sondern im Endoplasmatischen Retikulum (ER) benötigt. Hier findet nachweislich an den Ribosomen (raues ER) die Eiweißsynthese statt. Von der DNS - das im Endeffekt einem superdicken Buch entspricht, und selbst nicht ständig transportiert werden kann - wird der jeweils benötigte Teil auf einen handlichen Zettel (RNS) abgeschrieben. Die RNS ist ein Molekül, das in wesentlichen Zügen der DNS entspricht. Sie ist allerdings nur einsträngig und dadurch auch nicht helikal gebaut. Zum Anderen ist der Zuckerbestandteile (Ribose) am C 2 -Atom nicht desoxidiert. Eine der Nucleotidbasen - das Thymin - ist in der RNS durch Uracil ersetzt. Uracil ist dem Thymin strukturell ähnlich und kann sich ebenfalls mit Adinin paaren. Die DNS (1) wird zum Abschreiben an der Stelle, wo sich das Gen für das aktuell notwendige Enzym befindet, blasenartig geweitet. Solche Start-Stellen werden jeweils durch eine spezielle DNS-Sequenz (auch: Promotor) gekennzeichnet. Transkription 1.. DNA, 2.. RNA-Polymerase, 3.. nichtkodierender Strang, 4.. mrna Ein Enzym (2; Transkriptase, RNA-Polymerase) zertrennt die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Nucleotiden und legt den codogenen (blau) und den nicht-codogenen Strang (rot) der DNS frei. Anders, als man es vielleicht erwartet, werden nun am nicht-kodierenden Strang die komplementären Nucleotide angelagert. Dadurch enthält die Zelle eine exakte Kopie des codogenen Strangs. In der Kopie (RNA) ist lediglich Thymin durch die sehr ähnliche Nucleinbase Uracil ersetzt. Der RNS-Matrix-Strang wird am Schluß (beim Auftreten einer Terminator- Sequenz) abgetrennt. Hinter der sich langsam den DNS-Strang hocharbeitenden (3' 5'-Richtung) RNA- Polymerase werden die beiden DNS-Stränge wieder zusammengeführt. Die Blase der getrennten DNS- Stränge ist ungefähr 17 Nucleotide lang. Die gebildete RNS (4) ist eine Positiv-Kopie des codogenen Strangs der DNS. Sie stellt sozusagen den Transport-Notiz-Zettel des gebrauchten Gens dar. Diese spezielle Form der RNS wird auch als Nachrichten-RNS (engl.: messenger-rna; abgek.: mrna) bezeichnet. RNA-Polymerase (blau, grün) bei der Transkription (DNA (orange); mrna (rötlich)) Q: da.wikipedia.org (Giac83) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

140 Die Positiv-Kopie der DNS in Form der mrns wird auch als Codon bezeichnet. Die mrns wird durch die Poren des Zellkerns zum rauen Endoplasmatischen Retikulum transportiert. Dort wird die mrns zwischen die beiden Teile eines Ribosoms auf die Startposition der mrna gebracht und es beginnt die Biosynthese des Eiweißes (Polypeptides) - die Translation. RNA-Polymerase (blau, Bänder-Modell) mit geweiteter DNA (orange-braun) und gebildeter mrna (grün)q: da.wikipedia.org (Thomas Splettstoesser) Aufgaben: 1. Erläutern Sie anhand der nachfolgenden Abbildung die Transkription! (National Genome Research Institute) Q: 2. Gegeben ist die folgende DNA-Sequenz eines "Gens". Ermitteln Sie die Sequenz der zugehörigen mrna! 3' ATGAGCCCTCCAGGACAGGCTGCATCAGAAGAGGCCATCAAGCAGGTCTGTTCCAAGGGCCTTTGCTAGTGA TACTCGGGAGGTCCTGTCCGACGTAGTCTTCTCCGGTAGTTCGTCCAGACAAGGTTCCCGGAAACGATCACT 5' BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

141 mrna-biosynthese bei Bakterien (Übersicht) Q: BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

142 7.3. die Umsetzung der Erbinformationen in die Stoffwechsel-Welt Bisher konnten wir in der Nucleinsäure-Welt nur klären, wie das genetische Material aufgebaut, vermehrt und ausgelesen wird. Aber wie wird nun die genetische Information in Stoffwechsel umgesetzt oder wie arbeitet das genetische Material in der Zelle, damit sie mit Leben erfüllt ist? Die Ribosomen bestehen selbst zu einem Großteil aus RNS. Damit hätten wir schon mal einen praktischen Zweck. Die Ribosomen sind aber auch die entscheidenden Glieder bei der Umsetzung von genetischer Information in Proteine. Die Proteine sind ja die eigentlichen Arbeiter in der Zelle. Als Enzyme, Rezeptoren, Baustoffe, Transporteure usw. erfüllen sie spezifische Aufgaben. Die Proteine können in zwei große Gruppen eingeteilt werden. Da sind zum Einen die Enzyme und Struktur-Proteine (dazu gehören auch Rezeptoren, Farbstoffe, Transport-Proteine usw. usf.). Sie stellen gewissermaßen das arbeitende Volk im Staate der Zelle dar. Die Informationen für ihren Aufbau sind in den sogenannten Struktur-Genen gespeichert. Die Informationen für Proteine mit regulierenden oder steuernden Funktionen sind in den Regulator-Genen abgelegt. Diese übergeordneten Gene sind Ein- und Aus- Schalten anderer Gene (meist Struktur-Gene) verantwortlich. Durch ihr Wirken wird aus einer omnipotenten (auch: totipotenten) Zelle eine spezielle Zelle mit speziellen Aufgaben. Solche Zellen können z.b. Leber-Zellen oder Nerven-Zellen sein. Wie man sich heute diese Steuerungs- und Regulations-Funktionen von Genen erklärt, wurde schon vorher bei der Transkription ( 7.1. die Transkription:) und wird später noch weiter erläutert ( 7.3. Gene steuern Gene Hox-Gene). Exkurs: ein Verständnis-Modell für Replikation, Transkription und Translation Vielfach erscheinen die genetischen Vorgänge als überorganisiert, undurchsichtig und zu schwierig. Als einfaches Modell könnte man sich das Kochen nach Großmutters Rezept- Buch vorstellen. Das gute alte Rezeptbuch von Oma mit all ihren leckeren Rezepten ist noch in altdeutscher Schrift geschrieben. Das Rezeptbuch ist das familiäre Koch-Wissen, welches an die Nachkommen vererbt werden soll. Jeder der Nachkommen soll möglichst eine Version erhalten, die dem Original am Nächsten kommt. Also wird Omas Rezeptbuch einfach vollständig kopiert. Dieses Kopieren also die Herstellung von Repliken ist die sogenannte Replikation. In der Natur wird das genetische Material (genetische Information) in der DNS gespeichert. Die Schrift sind die Nucleotide. Jede der Tochterzellen erhält während der Zellteilung (Mitose) den gesamten Gen-Bestand (Rezepte). Welches dieser Rezepte dann später genutzt wird, entscheidet jede Zelle für sich. Bei Omas Nachkommen wird später auch nicht jeder jedes Rezept nachkochen. Selbst Oma hat das gute alte Steckrüben-Suppen-Rezept nie wieder gekocht, nachdem sie sich früher (nach dem Krieg) daran übergegessen hat. Im Rezeptbuch verbleibt es aber bis auf alle Ewigkeiten. Will man nun eines von Omas Rezepten kochen, dann muss zuerst das passende Rezept abgeschrieben werden. Niemand will die wertvollen Repliken bzw. das Original beim Kochen verschmutzen oder beschädigen. Außerdem wird das Rezept für uns moderne Deutsche in die lateinische Schriftzeichen übersetzt. Aus dem riesigen Rezeptbuch wird jetzt ein einzelnes gut leserliches Rezept, welches gerade gekocht werden soll. Der altdeutsche Text (DNS) wurde in eine nutzbare Form (mrns) umgeschrieben (Transkription). Mit diesem Rezept können wir uns nun aus der Bibliothek (Zellkern bzw. Kernäquivalent) in die Küche (zu den Ribosomen) begeben. Die Ribosomen stellen gewissermaßen den Koch-Ort (Herd) dar. Am Herd wird nun die papierne (rein informative) Form unseres Rezeptes in echtes Essen übersetzt. Das Rezept enthält ja selbst nichts Essbares. Erst durch die Überführung (Translation) in die Lebensmittelwelt einschließlich irgendwelcher Behandlungen (Faltung, Slicing, ) entsteht etwas Nutzbares. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

143 Protein-Biosynthese die Translation Start (Initiation, Initialisierung): Die mrns wird über spezielle Transportmechanismen durch die Zellkernporen zum Endoplasmatischen Retikulum gebracht. Sie dockt nun an einer kleinen Untereinheit (30S-Einheit) eines Ribosoms an (a)). Aminosäure und Triplett passen aber in keiner Form zusammen. Sie stammen jeder aus einer anderen stofflichen Welt und können nicht miteinander "kommunizieren" (reagieren). Es bedarf eines Mittlers, der sowohl die Triplettinformationen versteht und zugleich die passende Aminosäure kennt. Diese Aufgabe haben spezielle Transport-RNS-Moleküle (transferrna). Die transfer-rna (abgek.: trna, trns) hat eine kleeblattartige Sekundärstruktur, die natürlich im Molekülbau (Tertiärstruktur, hier die höchste Strukturform) nicht mehr zu sehen ist. Ribosom von "oben" (große Einheit (blau); kleine Einheit (grün)) Q: trns für Phenylalanin (gelb) Anticodon (grau) (Raumstruktur und Schema) Q: de.wikipedia.org (Yikrazuul) Das dem Stiel gegenüberliegende "Blättchen" besitzt an einer auch von außen zugänglichen Stelle das Anticodon zum Triplett auf der mrna. Das Anticodon passt wie der Schlüssel zum Schloss (b)). Die Seitenblättchen sind nach innen eingerollt und stützen die mehr oval-kugelige Raumstruktur der trns. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

144 Am Stiel des "Kleeblattes" ist die zum Anticodon gehörende Aminosäure angekoppelt (c)). Für das Start-Triplett ist die "passende" Aminosäure das Methionin. Diese wird am Ende der Kettenbildung abgespalten. Jede Aminosäure hat ihre ganz spezielle trns. Die nun ankoppelnde große Untereinheit (50S-Einheit) eines Ribosoms (c)) macht die Protein-Produktionsstätte (70S- Ribosom) komplett (d)). Die große Untereinheit des Ribosoms besitzt zwei besonders wichtige Regionen. Die erste ist die Akzeptorregion (Erkennungs-Region; in Abb.: E). In ihr wird das jeweils nächste Triplett der mrna freigelegt (e)). Start der Translation (mrna (rot), trna (gelb)) Q: Dieses entspricht als Negativ ja genau dem Originaltriplett auf der DNS und es ist ein Code für eine Aminosäure (s.a. genetischer Code). Im genetischen Code fällt auf, dass für die Kodierung vieler Aminosäuren eigentlich die ersten beiden Nucleotide ausreichen. Nach der Wobble-Hypothese gibt es für solche Aminosäuren auch nur eine trna, deren Anticodon mit zwei Nucleotiden codiert. Das letzte (3.) Nucleotid kann bei ihnen wechseln (wackeln: engl. wobble) kann. Die Wackelbasen-Hypothese wird dadurch gestützt, dass man bis jetzt nur rund 41 verschiedene trna-moleküle gefunden hat. Kettenverlängerung (Elongation): In der Akzeptorregion kann sich die komplementäre trna (mit der anhängenden Aminosäure) (e)) an der mrna anlagern (f)). In diesem Augenblick transportiert das Ribosom die mrns genau ein Triplett weiter (g)). Die Akzeptorregion wird für die nächste trna frei und die gerade angelagerte trna befindet sich in der Bindungsregion (in Abb.: B). In dieser Region wird die mitgebrachte Aminosäure an die vorhergehenden Aminosäure angeknüpft (Peptidbindung) und die nun überflüssige trna abgespalten (g)). Im Cytoplasma wird die trna durch spezielle Enzyme wieder mit der passenden Aminosäure aufgeladen (h) unten). Die Vorgänge also das Heranwandern, Anpassen, Verknüpfen, Weiterrücken und Abspalten wiederholen sich jetzt entsprechend der Anzahl der Tripletts (mrna). In einer Sekunde kommt es zur Anbindung von ungefähr zwei Aminosäuren. Somit dauert die Produktion eines Protein-Moleküls zwischen einigen Sekunden und wenigen Minuten. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

145 Wenn man sich den Vorgang unter der Benutzung von Molekül-Modellen ansieht, dann wird die genaue Zuordnung der Einzelschritte schon schwieriger (siehe folgende Abb.). Schließlich handelt es sich eher um fortlaufende Vorgänge als um schrittweise ablaufende Arbeitstakte. Vorgänge der Kettenverlängerung (Elongation) während der Translation Q: Kaum ist die mrna einige Syntheseschritte vorgerückt (i)), setzt sich auch schon das nächste Ribosom auf die nun freie Startposition (2). So bildet sich sehr schnell eine perlschnurartige Struktur, die auch in elektronenmikroskopischen Aufnahmen sichtbar ist und als Polysom (Abb. rechts) bezeichnet wird. Alle Teilabschnitte der Proteinbiosynthese laufen hier wie am Fließband ab (1..Träger-Membran (ER); 2..Start; 3..Kettenverlängerung; 4..Abbruch). Polysom (schematisch) Abbruch (Termination, Terminierung): Die Prozedur wiederholt sich so lange, bis ein Abbruchcodon (i)) + (j))auftaucht und die Polypeptid-Kette durch einen speziellen Faktor (RF, engl.: releasing factor) vom Ribosom abgetrennt wird. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

146 Die große Untereinheit wird abgespalten und die mrns freigesetzt. U.U. wird sie am nächsten Polysomen-Komplex weiterverwendet oder im Cytoplasma in seine Bestandteile zerlegt. Diese können dann im Zellkern wieder für den Aufbau einer neuen mrns benutzt werden. Nachlaufende Prozesse: Die von den Ribosomen gebildeten Polypeptide werden durch weitere Enzyme zurechtgeschnitten, verändert und neu kombiniert. Die Start- Aminosäure Methionin wird abgespalten. Die produzierte Polypeptid-Kette (Primär- Struktur) beginnt sich nun zu verknäulen (l)) oder zu falten. Termination (gebildetes Polypeptid (violett)) Q: Dabei fallen häufig zwei Bereiche besonders auf. Zum Einen sind das Faltblatt-artige Bereiche. In so einer Faltblatt-Struktur ordnen sich die Aminosäure-Reste in einer ebenen Struktur aus. Der zweite gut erkennbare Bereich sind helikale (spiralige) Strukturen. In diesen zeigen die Aminosäure-Reste mehr nach außen und die Peptid-Sequenz bildet eine innere Spirale. Helix und Faltblatt-Strukturen werden der Ebene der Sekundär-Strukturen zugeordnet. Zwischen den verschiedenen Aminosäure-Resten (basisch, sauer, aromatisch, ) bilden sich verschiedene chemische Kontakte. Damit bildet und stabilisiert sich die räumliche Struktur des Proteins (Tertiär-Struktur). In vielen Fällen verbinden sich mehrere dieser proteinoiden Strukturen (Tertiär-Strukturen) miteinander zu endgültig fertigen Enzymen usw. (Quartär- Struktur). Das fertige Protein erfüllt dann bis zu seinem Abbau die entsprechende Funktion. Nach unserem Verständnis produziert so ein Enzym z.b. nun einen Stoff im Stoffwechsel der Zelle oder des Organismus. Dieser Stoff (z.b. ein Farbstoff) ist dann das von uns phänotypisch beobachtbare Merkmal z.b. Farbe der Blüte. Das Merkmal steht dann für das Gen, welches mittels Transkription abgelesen wurde. In Eukaryonten gestalten sich die Prozesse noch etwas komplizierter. Hier treten immer häufiger je höher die Organismen entwickelt sind sogenannte nichtcodierende Sequenzen innerhalb oder benachbart am eigentlichen codierenden Teil der DNS / mrns auf. Die eigentlichen Gene (codierende Sequenz) ist praktisch zerstückelt. Die eingelagerten Stücke werden Introns genannt. Die eigentlichen codierenden Stücke nennt man Exons. Abgelesen wird das gesamte Gen mit Intron- und Exon-Inhalten (Transkription). Die gebildete RNS wird prä-mrns genannt. Zur Bildung der "reifen" mrna werden die unsinnigen Stücke (nicht benötigten Introns) herausgeschnitten und die eigentlichen Sequenzen wieder zusammengesetzt. Man nimmt an, dass diese zusätzlichen Genabschnitte durch zufällige Einlagerungen (s.a. später ) während der Transkription (Verdopplung der DNS oder bei Crossing over) entstanden sind. Wie aber die Zelle diese "falschen" DNA-Abschnitte erkennt und dann selektiv herausschneidet, ist noch ein Rätsel. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

147 Praktisch findet man in Zellen rund doppelt so viele Proteine, wie Gene. Da einige Gene mit ziemlich großer Wahrscheinlichkeit nur ein einzelnes Protein (meist mit zentraler Bedeutung) codieren, müssen andere Gen-Sequenzen die Produktions-Vorlage für mehrere Proteine enthalten. Q: de.wikipedia.org (Hoffmeier) Ein bestimmtes Allel eines Gens steht also für ein konkretes Enzym, das z.b. einen Farbstoff herstellen kann. Ein anderes Allel dieses Gens realisiert ein ähnliches Enzym, das entweder nicht funktioniert - und damit keinen Farbstoff produziert - oder den Metabolismus leicht verändert und dieser dann nur einen ähnlichen Farbstoff produzieren kann. Der fehlende oder veränderte Farbstoff ist für uns dann phänotypisch beobachtbar. Nun ist sie aber endgültig da, die Frage, die uns schon ständig bewegte - aber immer wieder verdrängt wurde: Wie entstehen denn nun unterschiedliche Allele eines Gens? weitere Bilder zum Thema: Polysom EM-Aufnahme Q: BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

148 Exkurs: Bedeutung der Proteine für das Leben Wir stellen die einzelnen Protein-Gruppen und Funktionen hier nur kurz vor. Sie finden aber immer Hinweise auf andere Scripte, in denen Bau und Funktionen wesentlich weiterreichender dargestellt werden. Enzyme Enzyme sind die wohl wichtigsten Proteine in Zellen. Sie sorgen dafür, dass die chemischen Reaktionen des Stoffwechsels unter Zell- Bedingungen ablaufen können. Dazu gehören z.b. die typischen Temperaturen von nur 0 40 C, das wässrige Millieu und ein ph- Wert um den Neutralpunkt. Enzyme sind praktisch Katalysatoren, die einzelne Reaktionen (Reaktions-Schritte) beschleunigen bzw. verlangsamen. Am Ende der Reaktion liegen sie unverbraucht vor und können wiederum die gleiche Reaktion durchführen. Die Ausgangsstoffe werden in einer speziellen Kontaktstelle (aktives Zentrum) abgelagert. Dadurch wird das Enzym aktiv und verändert den Stoff (/ das Substrat). Die oder das Endprodukt(e) werden abgespalten. Ev. muss das Enzym noch durch spezielle Stoffe (Coenzyme) oder Energie-Träger (z.b. ATP) aktiviert werden. Dann steht es wieder für eine Wiederholung der Reaktion bereit. Ein wesentlich weiter reichende Darstellung der Enzyme finden Sie in den Scripten Biologie Stoff- und Energiewechsel bzw. Ernährungslehre Stoff- und Energiewechsel. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

149 Rezeptoren Über Rezeptoren werden im Wesentlichen Informationen (Reize) aus der Umgebung erfasst. Dabei handelt es sich zumeist um irgendwelche Stoffe, die für die Zelle interessant sind. Neben Nährstoffen können das chemische Signale von anderen Zellen sein, aber auch das Vorhandensein von gefährlichen Stoffen (oder Umgebungs- Bedingungen). Allgemein spricht man von (primären) Messengern oder Substraten. Rezeptor-Proteine besitzen i.a. mindestens zwei verschiedene Bereiche (Domänen). Mit der einen nehmen sie Kontakt zu den relevanten Stoffen auf. Dies erfolgt meist das Schlüssel-Schloß-Prinzip. Der Stoff passt also irgendwo genau in die Rezeptor-Domäne und bewirkt dann eine strukturelle Veränderung des gesamten Proteins. Diese führt dann an einem anderen Bereich der Signal-Domäne zu einer Stoffwechsel- Reaktion oder zum Abspalten eines anderen Signalstoffes (sekundärer Messenger; z.b. G- Protein). Der interne Signalstoff beeinflusst nun direkt bestimmte Stoffwechsel-Vorgänge, z.b. dadurch, dass er ein Enzym blockiert oder aktiviert. Signalstoffe / Hormone / Transmitter Diese Proteine dienen vor allem der Informations- Übertragung über größere Entfernungen. Einzeller müssen sich in ihrem Lebens-Millieu z.b. über weite Entfernungen informieren. In Mehrzellern bedarf es der Kommunikation verschiedener Organe oder Organ-System z.t auch über größere Entfernungen und längere Zeiträume hinweg. Viele Signalstoffe dienen aber auch der intrazellulären Kommunikation. Da ist die Gruppe der G-Proteine eine der Wichtigsten. Allen Signalstoff gemeinsam ist, dass sie selbst nicht arbeiten usw. usf. Sie informieren nur. Dadurch beeinflussen sie die Stoffwechsel-Vorgänge eher in der Funktion eines Befehls-Gebers oder Überbringers. Die Wirung von Pheromonen also Sexual-Lockstoffen (z.b. bei Schmetterlingen) ist legendär. Dort reichen wenige Moleküle um ein Männchen anzulocken. Diese können die duftenden Weibchen über Kilometer hinweg riechen und auch finden. Das Funktionieren von Signalstoffen, Transmittern, Hormonen usw. ist fast immer an zugehörige Rezeptoren geknüpft. In den Scripten Biologie - Cytologie und Biologie - Neurophysiologie finden Sie weitere Details und ausführliche Darstellungen der ablaufenden Prozesse bezüglich Rezeptoren, Signalstoffen und Transmitter. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

150 Baustoffe Proteine, die als Baustoffe dienen finden wir vor allem im sogenannten Zell-Skelett. Dieses besteht aus verschiedenen Arten von Fasern, die aus Millionen von Protein-Bausteinen allgemein Monomere genannt aufgebaut sind. Recht gut kann man das in der nebenstehenden Abbildung am Actin-Filament (Actin-Faser) erkennen. Jedes einzelnes blauer Kügelchen ist ein Actin-Monomer. Erst als Polymer (- also mit "unendlich" vielen Bausteinen -) kann es seine Aufgaben realisieren. Faser-förmige Protein-Strukturen dienen zur Versteifung und Verspannung der Zellen. Die anderen in der Abbildung dargestellten Stoffe sind ebenfalls Proteine. Andere Fasern (Tubulin-Fibrillen) sind gleichzeitig auch Transport-Wege, an denen sich Bewegungs-Proteine entlang hangeln. Weiterhin gehören z.b. die Kollagene, die Keratine od. die Seiden-Proteine zu den häufig vorkommenden Proteinen mit Baustoff-Funktionen. Weitere Informationen zur Zell-internen Bau-Proteinen und deren Funktionieren können Sie im Script Biologie - Cytologie nachlesen. Bewegungs- / Motor-Proteine (kontraktile Proteine) Das Myosin ist eines der wichtigsten Bewegungs- Proteine in unserem Körper. Es ist der eigentlich aktive Teil in unserer (quergestreiften) Skelett- Muskelatur. Gruppen von Myosin- und Actin- Monomeren bilden langestreckte Strukturen, in denen dann letztendlich die Miniatur-Struktur- Veränderungen am Myosin zu großen Muskel- Kontraktionen zusammengefasst werden. Andere Motor-Proteine in der Zellwand von Bakterien treiben die Drehbewegung der Geißeln an. Deren schraubige Bewegung bewirkt dann die Vorwärts-Bewegung des Bakterium. Die Motor-Proteine Dynein und Kinesin hangeln sich z.b. an Tubulin-Fasern durch die Zelle. An ihnen angebunden können kleine oder größere Moleküle, aber auch für ihre Verhältnisse sehr große Bläschen (Vesikel) sein. Diese werden dann durch die Zelle gezogen. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

151 Transport-, Kanal- und Pumpen-Proteine Die meister Transport-Proteine sind integrale Proteine der verschiedenen Membranen. Im Falle der Zellmembran stellen sie z.b. den Stoff-Austausch zwischen der Außenwelt und dem Zellplasma her. Sie arbeiten fast immer selektiv, d.h. sie lassen nur bestimmte Stoffe passieren und bei einigen ist auch nur eine Transport-Richtung möglich. Wir unterscheiden passive und aktive Transport-Proteine. Die aktiven benötigen für ihre Areit zusätzliche Energie, die passiven nicht. Der erhöhte Energie-Einsatz wird z.b. dafür genutzt, Konzentrations-Gefälle aufzubauen (Pump-Funktion). Praktisch wird noch mehr von dem ausgewählten Stoff auf die Seite transportiert, die sowieso schon mehr enthält. Passive Transporter realisieren nur den Konzentrations-Ausgleich (selektive Permeation). Eine große Bedeutung haben die Ionen-Pumpen in unseren Nervenzellen. Hier sorgen sie für die notwendigen Potential-Bildungen (elektrische Spannung), damit Erregungen transportiert werden können. In den Scripten Biologie - Cytologie und Biologie - Neurophysiologie finden Sie weitere Details und ausführliche Darstellungen der ablaufenden Prozesse. Abwehrstoffe / Antigene / Toxine (Abwehr-Proteine) Diese Klassen der Proteine beschäftigen sich mit der Abwehr von Fremden. Dazu gehören (Art- )fremde Proteine genauso, wie fremde Organismen (z.b. Parasiten, Krankheits-Erreger, ). Bei Antigenen handelt es sich nicht dirket um Gene, sondern es sind Erkennungs-Merkmale gemeint, die zur Unterscheidung von Eigenem und Fremden dienen. Sie sind meist protogener Natur und befinden sich an den Außen-Seiten von Zell- Membran usw. beginnende Verklumpung von roten Blutkörperchen durch Antikörper (dunkelblau) Beim Menschen kennen wir die Antigene der Blut-Gruppen. Dies sind Proteine, die in den Zell-Membranen der roten Blutkörperchen sitzen und diese sozusagen markieren. Anti-Körper sind genau zu den Antigenen passende Gegenstücke (Schlüssel-Schloß- Prinzip). Sie setzen sich an die Antigene und blockieren diese dadurch. Da die Anti-Körper zumeist zwei Andockstellen (Y-förmiger Bau) besitzen kann es nach und nach zur Verklebung (Glutination) mehrerer Antigen-behafteter Objekte kommen. Die Antikörper dienen auch als Signal-Markierung für Freß-Zellen, die dann die fremden Objekte zerstören. Toxine sind Proteine, die bei fremden Organismen zumeist dramatische Stoffwechsel- Veränderungen hervorrufen. Praktisch wird die fremde Zelle / der fremde Organismus damit vergiftet. Toxine werden auch aktiv zur Jagd eingesetzt. Viele Toxine (z.b. Butulinus-Toxin) sind so giftig, dass man mit wenigen Milligramm die gesamte Erd-Bevölkerung ausrotten könnte. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

152 Farbstoffe Farbstoffe dienen primär gar nicht der Färbung von Zellen oder Organismen. Vielmehr sind Farbstoffe entweder Licht- Empfänger (z.b. Chlorophyll, Melatonin) oder erst in zweiter Instanz farblich bedeutsam. Das Melatonin ist der braune / schwarze Farbstoff in unserer Haut, der uns vorrangig gegen zu starkes UV-Licht schützt. Ein bekannter Farbstoff aus unserem Blut ist das Hämoglobin. Seine Funktion liegt primär im Sauerstoff-Transport. Die rote Farbe ist eher ein Nebeneffekt, der dann aber auch wieder andere Funktionen übernehmen kann. Denken wir da z.b. an die Signalgebung beim Erröten. Bei anderen Tieren ist der Blutfarbstoff z.b. blau oder grün. Die primäre Funktion ist aber die gleiche, wie beim Hämoglobin. Viele Farbstoffe, wie z.b. die Blüten-Farben oder die Körper- Farben haben natürlich wirklich eine Farb-Funktion. Sie locken andere Organismen an oder schrecken sie ab. Sonnenblumen Violetter Rötelritterling Speicherstoffe Jeder kennt das Eiklar (Eiweiß) der Hühner-Eier. Natürlich ist dies primär nicht dazu da, um uns als Nahrungs-Quelle fürs Frühstück zu dienen. Die eigentlichen Speicherstoffe (Ovalbumine) sind natürlich für die heranwachsenden Küken gedacht. Es ernährt sich von diesen Reserven, welche die Henne ihren Nachkommen als Start-Hilfe mit auf den Weg gibt. Ähnlich verhält es sich mit gespeicherten Proteinen in den Samen vieler Pflanzen (z.b. Bohnen, Soja, Getreide, ). Häufig vorkommende Speicher-Proteine sind: Globuline, Legumine und Viciline (Hülsenfrüchte), Prolamine und Gluteline (Süßgräser), Casein (Milch von Säugetieren), Ein besonderes Protein ist das Ferritin, das große Mengen von Eisen-Ionen speichert. Weiterhin sind auch noch ganz andere Proteine und Protein-Gruppen bekannt. Deren Funktionsweisen gehen z.t. aber weit über das für dieses Script angedachte Niveau hinaus. Zu diesen Proteinen gehören z.b. die Chaparone die Faltungs-Proteine. Sie falten die aus den Ribosomen kommenden Polypeptid-Ketten (Primärstrukturen) zu Proteinen, welche danach dann erst ihre eigentliche Funktionen ausfüllen können. Dem Namen nach erwähnenswert sind auch Blutgerinnungs-Faktoren, Zeitgeber-Proteine und auto-fluoreszierenden Proteine (z.b. bei Quallen und Bakterien). Durch immer tiefergehende Forschungen werden immer neue z.t. auch völlig überraschende Funktionen bekannt. In Zukunft werden hier dann bestimmt auch mehr Protein- Gruppen näher ausgeführt werden. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

153 Protein-Biosynthese bei Bakterien (Übersicht) Q: BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

154 Exkurs: Alternatives Splicing Lange Zeit konnte man sich überhaupt nicht vorstellen, wozu Introns eigentlich dienen könnten. Und nach evolutionsbiologischen Gesichtspunkten müsste die Natur solchen Unsinn eigentlich schnell aussortieren. Aber scheinbar machen die Introns doch Sinn. Man hat entdeckt, dass die codierenden RNA-Abschnitte scheinbar unterschiedlich zusammengesetzt (splicing; engl.: zusammenfügen, verbinden) werden. Auf diese Weise entstehen dann aus einem Ursprungs-Gen in der Translation verschiedenartige Proteine mit wahrscheinlich anderen Funktionen in der Zelle. Q: de.wikipedia.org (Hoffmeier) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

155 Aufgaben: 1. Erläutern Sie an Hand der Abbildung den Ablauf der Proteinbiosynthese! BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

156 7.4. Gen-Regulation Histone Nicht-Histon-Proteine NHP MikroRNA reguliert / steuert die Verwendung der mrna, dockt an und bewirkt dann die Zerstörung der mrna einfache Vorstellungen zur Gen-Regulation Ausbildung von Puff's (Aufblähungen) besonders gut bei den Riesen- Chromosomen von Drosophila melanogaster beobachtbar stellen die Bereiche dar, die gerade zur Transkription freigelegt wurden Hormon-Rezeptor-Proteine enzymatisch aktive Nicht-Histon-Proteine BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

157 das Operon-Modell der Gen-Regulation Operon Cistron Regulon Exkurs: Transkription im Detail das Lac-Operon Heute wissen wir, dass Gene noch zusätzlich Introns, Promotoren und Operatoren beinhaltet. Die Promotoren dienen der Erkennung des Beginns eines Gens (codogenen Abschnitts). Die Gesamtheit aus codogenen Abschnitten (Strukturgene), zugehörigen Operator und Promotor bezeichnet man als Operon. Von JACOB und MONOD (1961) stammt ein Modell für die Regulation des Lactose-Abbaus bei (A ) E. coli. Für den Abbau von Lactose sind drei Enzyme notwendig. Die Gene liegen direkt hintereinander auf der DNS. Genau genommen handelt es sich bei E.coli natürlich um RNS. Wir können aber davon ausgehen, dass die Regulation bei Eucyten (dann mit DNS) im Prinzip genau so abläuft, wie bei E.coli. Vor den Strukturgenen liegt der sogenannte Operator. Ein Operator ist ein DNS-Abschnitt, auf dem ein recht großes Molekül (Repressor) andocken kann. Sitzt der Repressor auf dem Operator, dann kann eine auf dem Promotor angekoppelte Transkriptase nicht arbeiten sie wird blockiert. Repressor (blau) blockiert Operon (DNA-Molekül (rot)) Q: da.wikipedia.org (Giac83) Der Repressor hat eine Ankoppelregion für Lactose. Ist Lactose in ausreichender Konzentration vorhanden, dann können mehrere Moleküle (wahrscheinlich 4) am Repressor ankoppeln. Die Raumstruktur des Repressors ändert sich so, dass er nun nicht mehr am Operator festhalten (andocken) kann. Die Strukturgene werden für die Transkriptase frei und können nun von dieser abgelesen werden. In der Proteinbiosynthese werden aus der gebildeten mrns die codierten Lactoseabbauenden Enzyme hergestellt. Nach und nach bauen die Enzyme die Lactose ab. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

158 Dabei wird auch die Lactose vom Repressor mit abgebaut. Der Repressor ändert nachdem die "letzte" Lactose abgewandert ist seine Raumstruktur wieder zurück. Nun kann der Repressor wieder am Operator ankoppeln. Der blockierte Operator verhindert das weitere Ablesen der DNS und damit die Neubildung neuer mrns für die ja nun nicht mehr gebrauchten (Lactose-abbauende) Enzyme. Überschüssige Enzyme werden von der Zelle nach und nach abgebaut und als Bausteine (Aminosäuren) für andere Proteinen (Enzyme) zur Verfügung gestellt. Auf diese Art werden also nur dann und soviele Enzyme produziert, wie sie notwendig sind. Die Lactose-basierte Regulation des Lactose-Operon ist ein Beispiel für eine negative Rückkopplung. Man nimmt heute an, dass die Regulation bei allen Organismen prinzipiell so ähnlich abläuft. Bei Eukaryonten sind die Verhältnisse aber noch lange nicht durchgehend aufgeklärt. Internet-Links: gute dynamische Darstellung (Animation): Aufgaben: 1. Erläutern Sie anhand des kybernetischen Schema's, wie die Regulation des Laktose-Abbaus funktioniert! für die gehobene Anspruchsebene: 2. Wieviele negative Kopplungen muss ein Regulationsschema (kybernetisches Schema / Pfeil-Diagramm) enthalten, damit es insgesamt negativ (selbstbegrenzend) rückkoppelt? BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

159 Exkurs: Transkription im Detail das Trp-Operon Im Falle des lac-operons haben wir es mit einem Ausgangsstoff-regulierten Vorgang zu tun. Man spricht auch von Subtrat-Indikation. Es sind aber auch Regulator-Systeme bekannt, die über die An- bzw. Abwesenheit eines Reaktions-Produktes (Endstoff eines Metabolismus) funktionieren. Sie werden als Endprodukt-Repressionen bezeichnet. Ein Beispiel für eine Endprodukt- Repression ist das trp-operon (Tryptophan-Operon). Das trp- Operon reguliert die Synthese der Aminosäure Tryptophan. Der trp-repressoer ist allerdings im "Normal"-Fall nicht aktiviert. Mit anderen Worten, er liegt nicht an der Operator-Region des genetischen Materials an. Die RNA-Polymerase (Transkriptase) kann also am Promotor ansetzen und die Struktur-Gene hier sind es fünf ablesen. Auf der Basis der gebildeten mrna werden dann (fünf) Enzyme für die Tryptophan- Synthese gebildet ( Protein- Biosynthese). Mit Hilfe der Enzyme kann nun reichlich Tryptophan produziert werden. Ein gewissermaßen überschüssiges Tryptophan- Molekül kann sich dann an das Repressor-Molekül setzen und dieses aktivieren. Der Repressor setzt sich nun auf dem Operator fest und blockiert so die erneute Transkription. Erst wenn durch verschiedenste Vorgänge der Tryptophan- Spiegel sinkt, dann wird auch das Tryptophan-Molekül vom Repressor "gebraucht". Ist das Tryptophan vom Repressor abwandert, wird dieser wieder inaktiv und gibt das Operon für die weitere Transkription frei. Aufgaben: 1. Erläutern Sie anhand des kybernetischen Schema's, wie die Regulation der Tryptophan-Synthese funktioniert! 2. Erstellen Sie ein kybernetisches Schema (Pfeil-Diagramm) für die Regulation am Trp-Operon! BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

160 Exkurs: Lac-Operon die Zweite (camp-steuerung) Das Bakterium (s ) Echerichia coli veratmet im Normal-Fall Glucose (Glc, Gluc) zur Energie- Gewinnung (ATP). Für Nicht-Eingeweihte soll hier kurz das ATP-System erläutert werden. ATP (Adenosintriphosphat) ist (einer) der Energie-Träger in der Zelle. Bei Prozessen, die Energie benötigen, wird ATP zu ADP (Adenosindiphosphat) und einem Phosphat-Rest (Abk. Ph oder (P)) umgewandelt. Bei besonders Energie-zehrenden Vorgängen wird sogar noch ein weiterer Phosphat-Rest abgespalten und es bildet sich AMP (Adenosinmonophosphat). Durch das Enzym Adenylylcyclase (AC) wird AMP zum leicht abgewandelten camp (cyclisches AMP). Dieses dient vor allem als Signalstoff ((sekundärer) Messenger) in der Zelle. Bei Glucose-Mangel kann E. coli zur Milchsäure-Gärung übergehen. Um die hierfür notwendigen Enzyme bereitzustellen müssen zwei Signale vorhanden sein. Als erstes muß camp vorliegen. Dieses entsteht bei ATP-Mangel und damit einem ADPbzw. AMP-Überschuß aus dem sehr Energie-armen AMP. camp-gesteuerte Transkription (Glucose-)Hunger-Signal bei Bakterien Q: de.wikipedia.org (7and) Das camp aktiviert das Protein CAP (). Dieses bindet dann an der Promotor-Region und fördert dadurch die Transkription. Das zweite Signal ist die Lactose, die ja nun als Substrat (Ausgangsstoff) dienen soll. Lactose bindet am Repressor (REP) und dieser löst sich daraufhin von der Operator-Region. Damit sind die Gene zur Transkription freigegeben. Daneben phosphoryliert (aktiviert) ein Glucose-Transport-Molekül (TP-P) normalerweise die Glucose, um deren Abbau zu beginnen. Da aber keine Glucose vorhanden ist, reagiert das Transport-Protein nun mit der Adenylylcyclase und aktiviert dadurch zusätzlich die camp- Bildung. Steht irgendwann wieder Glucose als natürliche Energie-Quelle zur Verfügung, dann blockiert diese das Enzym AC (Adenylylcyclase). Da nun kein weiteres camp gebildet wird, geht auch der aktivierende Effekt des CAP verloren. Der Promotor wird nicht mehr weiter aktiviert. Die weitere Transkription der Lac-Gene unterbleibt und nach und nach werden auch die noch vorhandenen Lactose-verarbeitenden Enzyme abgebaut. Unter Labor- oder Produktions-Bedingungen kann das Lac-Operon gezielt durch den synthetischen Induktor IPTG (Isopropyl-β-D-thiogalactopyranosid) beeinflusst werden. IPTG wirkt ersatzweise für Lactose am Repressor. Der Repressor wird inaktiv, wandert vom Operator ab und gibt so die Transkription frei. Nun kann und wird reichlich Lactose umgesetzt. Das IPTG selbst wird aber nicht durch die Lac-Enzyme abgebaut, so dass dadurch der Induktor eine längerfristige und Lactose-unabhängige Aktivierung des Lac-Operon realisiert. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

161 BRITTON-DAVIDSON-Modell der Gen-Regulation noch weitgehend spekulativ berücksichtigt aber Beobachtungen der Merkmals-Differenzierung bei vielen Organismen Argumente für Modell es ist ökonomisch (Minimalismus-Prinzip der Evolution) Prinzipien sind für bestimmte Merkmale / Organe / Funktionen beobachtet worden die meisten Gene in Eucyten wirken genregulativ einfaches kaskadisches Steuerungs-Prinzip Vorteile des zugrunde liegenden Prinzips Redundanz der Rezeptor-Gene Redundanz der Integrator-Gene selektive Aktivierung ist optimaler als selektive / weitgehende Reprimierung Hox-Gene das Auftauchen ganzer Organe an falschen Stellen oder der Ersatz eines Organs durch ein anderes läßt sich mit einfachen genetischen Theorien nicht erklären Merkmale wurden nicht ererbt (im Sinne der Vererbungs-Regeln), treten u.u. aber immer mal wieder auf, werden dann zumeist weiter vererbt (nach MENDELschen Regeln) bei Fruchtfliege z.b. statt ein Paar Flügel und einem Paar Schwingkölbchen (Halteren) werden zwei Paar Flügel gebildet bei Insekten wurden statt einem Auge z.b. ein (zusätzlicher) Fühler gebildet; an einem sonst Bein-losen Segment bilden sich ein Paar vollständig benutzbare Gliedmaßen Fruchtfliege ((s ) Drosophila melanogaster) mit zwei Paar Flügeln Q: Hox-Gene oder auch homöotische (homeotische) Gene Hox kommt von homöotischer Box homöotische Box ist ein DNA-Abschnitt mit ungefähr 180 Basen-Paaren; relativ kurz; sehr stabil, Abweichungen zu anderen Arten sehr gering die resultierenden Proteine besitzen also auch fast immer 60 Aminosäuren und sind fast ausschließlich Transkriptions-Faktoren BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

162 aktivieren oder verhindern Gen-Expression also die Ablesung anderer Gene Hox-Gene enthalten den Code für Proteine, die über die Expression anderer Gene bestimmen, sie blockieren oder aktivieren die Gen-Expression anderer Proteine und damit auch deren Produktion und Vorkommen in den entsprechenden Zellen Meister-Kontroll-Gene derzeit rund 1000 Homöoboxen bekannt, die sich durch alle Organismen-Reiche ziehen (z.b. einfache Pilze, Pflanzen, Tiere) erstmals von Edward B. LEWIS nachgewiesen Antennapedia-Mutation von (s ) Drosphila melanogaster ist durch Bildung von vollständigen Beinen anstelle der Fühler phänotypisch gekennzeichnet HoxC-Mutation Phänotyp Antennapedia Q: en.wikipedia.org (toony) Homeo-Domäne (hier: Antennapedia bei (s ) Drosphila melanogaster Q: en.wikipedia.org (Opabinia regalis) schwer fassbar, da sie nur in sehr kleinen Mengen in den Zellen vorkommen zur Erkennung und Beobachtung sind modernste genetische Beobachtungs-Methoden notwendig (Polymerase-Ketten-Reaktion, Fluoreszenz-Mikroskopie, Gen-Sonden, ) Schwämme (praktisch Einzeller, die in Kolonien leben) haben noch kein Hox-Gen ein einzelnes Hox-Gen findet man bei den einfachsten mehrzelligen Organismen ( - Amöben-ähnliche Mehrzeller), hier sorgt es wahrscheinlich für eine Differenzierung von "oben" und "unten" Lanzetfischchen (Schädel-loses Wirbeltier) besitzt ein Hox-Cluster aus mehreren abgestuft bzw. kaskadisch wirkenden Einzel-Hox-Genen BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

163 die aufgereihten Hox-Gene eines Clusters aktivieren sich der Reihe nach in der Gruppe der Wirbeltiere hat sich die Anzahl der Hox-Cluster bzw. Hox-Gene insgesamt zweimal verdoppelt einzelne Gene sind in den verschiedenen Organismen-Gruppen später dann verloren gegangen vereinzelte Gene haben neue Aufgaben "übernommen" (sind für neue Bildungen verantwortlich) allgemein kann man feststellen, je mehr Hox-Gene man im Genom eines Organismus findet, umso komplizierter ist der Organismus gebaut BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

164 homeotische Gene vermitteln einer Zelle Informationen zu ihrer räumlichen Lage und Ausrichtung in einem Organismus beginnende Polarisierung, Ausrichtung vorne und hinten, zumeist besonders intensives Wachstum am hinteren Ende Ausbildung der Körper-Längs-Achse Aktivierung weiterer Hox-Gene, neue zusätzliche Expressions-Zentren, die nun regional Wirkung zeigen z.b. Differenzierung spezieller Organe / Einstülpungen usw. an einem oder beiden Enden Nach Aktivierung eines oder mehrerer weiterer Hox- Gene differenziert sich eine Vorder- und Rück-Seite (Bauch und Rücken, oben und unten) heraus. In den verschiedenen Körper-Regionen kommt es zu spezifischen und charakteristischen Verteilungen von Hox-Proteinen oder aus ihnen resultierenden Wirkungen. Dadurch entwickeln sich die Zellen an diesen Orten jeweils ganz spezifisch und ihrer Lage entsprechend. nach und nach bilden sich deutlich unterscheidbare Polarisierungen und Bereich bzw. Körperabschnitte weitere Hox-Gene aktivieren nun wieder weitere Bildungen und Differenzierungen Besonders gut lässt sich die Wirkung von Hox-Genen untersuchen, wenn spezielle Mutanten verfügbar sind. So gibt es bei Drosophila melanogaster spezielle Mutanten, die z.b. kein Brust-Teil besitzen. Wieder andere bilden wie oben schon gezeigt zwei Paar Flügel aus. Mutanten, bei denen z.b. statt eines Fühlers ein vollständiges Bein wächst (Antennapedia- Mutante) sind u.a. darum möglich, weil sich die Nucleotid-Sequenzen der einzelnen Homeoboxen nur geringfügig unterscheiden. Wird dann ein so mutiertes Hox-Gen angeschaltet, wenn eigentlich ein Fühler dran ist, dann kann schon ein völlig unpassendes Expressions-Resultat auftauchen. Das mutierte Hox-Gen steuert nun an der Fühler-Bildungs- Stelle die Ausbildung eines Beines. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

165 Wildtyp Arg Arg Gly Arg Gln Thr Tyr Thr Arg Ultrabithorax Arg Arg Arg Gly Arg Gln Thr Tyr Thr Arg Antennapedia Arg Lys Arg Gly Arg Gln Thr Tyr Thr Arg Tyr Gln Thr Leu Glu Leu Glu Lys Glu Phe Tyr Gln Thr Leu Glu Leu Glu Lys Glu Phe His Asn Tyr Leu Thr Arg Arg Arg His Thr Asn His Tyr Leu Thr Arg Arg Arg His Phe Asn Arg Tyr Leu Thr Arg Arg Arg Arg Ile Glu Ala Ala Leu Cys Leu Arg Ile Glu Met Ala Tyr Ala Leu Cys Leu Arg Ile Glu Ile Ala His Ala Leu Cys Leu Thr Glu Arg Gln Ile Lys Ile Trp Phe Gln Thr Glu Arg Gln Ile Lys Ile Trp Phe Gln Thr Glu Arg Gln Ile Lys Ile Trp Phe Gln Asn Arg Arg Met Lys Lys Lys Glu Asn Arg Arg Met Lys Leu Lys Lys Glu Ile Asn Arg Arg Met Lys Trp Lys Lys Glu Asn Hox-Gene der Fruchtfliege ((s ) Drosophila melanogaster) und deren Expression am erwachsenen Tier Q: de.wikipedia.org (PhiLiP) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

166 Lage der Hox-Gene und Cluster auf einem Chromosomen-Arm Q: de.wikipedia.org (Squidonius) Expression der Hox-Gene bei Fruchtfliegen- Larve und frühem Maus-Embryo Q: beim Menschen ist die Entwicklung der Wirbel näher aufgeklärt worden von Hox-Genen gesteuert Wirbel entstehen aus sogenannten Somiten nach und nach wachsen die Wirbel ausgehend vom Kopf bis zum Schwanz und differenzieren sich entsprechend ihrer Lage aus, so dass immer der passende Wirbel entsteht auch Wirbel-Zahl ist von Hox-Genen bestimmt, Cdx-Gene Cdx steuern wiederum auch andere Hox- BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

167 Gene, die scheinbar nachfolgende Differenzierungen determinieren übergeordnete Hox-Gene können aber auch wieder mutierte oder blockierte Cdx-Gene überstimmen dies hat man ja vielleicht auch schon geahnt, wenn man sich daran erinnert, dass z.b. Säugetiere immer 7 Halswirbel besitzen interessant und dazu passend ist die offensichtliche Parallelität (Kolinearität) zwischen der Reihenfolge der Hox-Gene in einem Cluster und der Reihenfolge der "zugehörigen" Wirbel durch Hox-Gene kommt es zur Ausbildung einer Körper-Achse beim Embryo dieser wächst durch intensivere Zellteilung vor allem am hinteren Ende, neue Zellen bekommen durch die Kombination der verschiedenen Hox-Signale eine bestimmte Stelle / Funktion im Körper zugewiesen (Gen-Programm) durch mitotische Teilung ist eine Zell- Vermehrung möglich, bei der aber immer wieder Zellen mit dem gleichen Gen- Programm gebildet werden kommt es zur Verzögerung oder Beschleunigung der Zellteilung, dann unterliegt die Zelle einer andersartigen Signal- Kombination und das bedeutet eine Beeinträchtigung der Funktion oder eine Fehlbildung das Protein Geminin übernimmt die Synchronisierung zwischen Hox-Gen-Expression und Zell-Teilungs-Zyklus das Geminin ist Bestandteil diverser anderer Proteine (Multi-Protein-Komplexe), die jeweils für sich in Zellteilung und Hox-Gen- Expression eingreifen HOX-Gene als Art-übergreifendes Steuerungs-Prinzip in der Differenzierung Q: (GEO-Grafik, H. Blanck) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

168 Chromosom 7 Chromosom 17 Chromosom 12 Chromosom 2 HoxA HoxB HoxC HoxD HoxA1 HoxB1 HoxD1 HoxA2 HoxB2 HoxA3 HoxB3 HoxD3 HoxA4 HoxB4 HoxC4 HoxD4 HoxA5 HoxB5 HoxC5 HoxA6 HoxB6 HoxC6 HoxA7 HoxB7 HoxB8 HoxC8 HoxD8 HoxA9 HoxB9 HoxC9 HoxD9 HoxA10 HoxC10 HoxD10 HoxA11 HoxC11 HoxD11 HoxC12 HoxD12 HoxA13 HoxB13 HoxC13 HoxD13 interessante Links: Sammlung / Wiki zu Homeobox-Gene etc. Animation mit guten Skizzen und vielen Informationen BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

169 Regulation der Genaktivität durch die MikroRNA begekürzt mirna, mir (?µrna) erstmals 1993 erwähnt, Name microrna erst ab 2001 benutzt MikroRNA ist nur wenige Nucleinbasen lang (21 bis 23 Nucleotide (nt)) größere pre- bzw. pri-rna-moleküle mit 60 und mehr Nucleotiden zerfallen in kleinere Einheiten um die 20 nt diese sind dann aktiv wahrscheinlich mehrere Hundert bis wenige Zehntausend verschiedene mirna in Zellen möglich Haarnadel-Struktur (Sekundär-Struktur) einer pri-microrna Q: de.wikipedia.org (Opabinia regalis) setzt sich an überflüssige / nicht benötigte mrna und bewirkt deren Abbau wenige Moleküle der mirna bewirken Zerstörung von sehr vielen mrna-molekülen, deshalb ist auch Forschung sehr schwierig (Suche praktisch nach Einzel-Molekülen) wirken wahrscheinlich auch bei der Entstehung von Krebs mit ( Oncomir) bei anderen Krebs-Arten wird auch eine Störung der Regulationsaufgaben der microrna beobachtet mirna wahrscheinlich auch für die Omnipotenz (Pluripotenz) von Keim-Zellen in frühen Teilungs-Stufen (2- bis 4- (selten bis 16-)Zell-Stadium) verantwortlich BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

170 7.5. Was bestimmt unser Leben die Gene oder die Umwelt? sind wir Gen-Reproduktions-Maschinen mit einem festem Programm, von dem wir eigentlich gar nicht abweisen können, vielleicht wird uns eine "freie" Entscheidbarkeit nur genetisch vorgegaugelt ist Entwicklung von der Umwelt abhängig? 7.5.x. Zwillings-Forschung Auftreten von Krankheiten bei Zwillingen, die unter gleichen Bedingungen aufgewachsen sind eineiige Zwillinge zweieiige Zwillinge (gleichgeschl.) Krankheit Konkordanz [%] Diskordanz [%] Konkordanz [%] Diskordanz [%] Keuchhusten Blinddarmentzündung Tuberkulose Diabetes Tumore (gleichartig) gemeinsames Auftreten von Krankheiten eineiige Zwillinge zweieiige Zwillinge Krankheit [%] [%] Klumpfuß 23 2 Masern Rachitis Scharlach Tuberkulose Zuckerkrankheit (Diabetes) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

171 7.6. Differenzierung von Zellen Transkritom ist die Gesamt aller zu einem Zeitpunkt abgelesen bzw. eingeschalteten Gene. Von diesen Genen existieren somit mrns-äquivalente und zugehörige Proteine bzw. rrns- Fragmente junge Zellen bzw. die ersten Nachkommen einer Eizelle sind fast immer totipotente / omnipotente Zellen, d.h. aus ihnen kann durch Differenzierung noch jede beliebige Zell-Art werden auch Ursache für die Entstehung von eineiigen Zwillingen, die Eizelle hat sich einmal mitotisch geteilt und die Ei-Zellen haben sich voneinander getrennt praktisch noch bis zur nächsten mitotischen Teilung möglich eineiige Vierlinge danach verliert sich die Omnipotenz und bei späterer Abspaltung der Einzelzellen können aus diesen keine vollständigen Organismen mehr entstehen Differenzierung pflanzlicher Zellen Teilungs-fähige Zellen nur an den Sproß- und Wurzel-Spitzen vorhanden, nur sie teilen sich (mitotisch), differenzielle Gen-Aktivität bewirkt Ausbildung von Pflanzen-Organen weitere Teilungs-fähige Zellen können noch in der Wachstums-Schicht (Kambrium) des Stammes oder in Knospen(-Spitzen) vorhanden sein BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

172 Differenzierung tierischer Zellen Gewebe / Organ durchschn. Lebensdauefähifähig Mitose- Meiose- Dünndarm (Epithel) 1,4 Tage ja nein Magenausgang (Epithel) 1,8 Tage ja nein Enddarm (Epithel) 6,2 Tage ja nein Hautepidermis 19,2 Tage ja nein Harnblase (Epithel) 66,5 Tage ja nein Rote Blutkörperchen 120 Tage nein nein Leber (Drüsenepithel) 222 Tage ja nein Lymphozyten 5 Tage bis Jahre ja nein Knochenzellen Jahre ja nein Nervenzellen keine oder nur nein nein sehr seltene Erneuerung Eizellen (Oozyten) keine Erneuerung nein ja Schweißdrüsenzellen keine Erneuerung nein nein Daten-Q: BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

173 Exkurs: Modell-Organismus Caenorhabditis elegans Plattwurm 6 Chromosomen-Paare mit rund Genen und daraus resultierenden über Proteinen besteht am Ende der Ausdifferenzierung aus genau 959 Zellen 131 Zellen begehen in der Entwicklung einen programmierten Zelltod für jede einzelne Zelle ist Entwicklung determiniert Reife von Ei bis Ei in drei Tagen, Lebensfähigkeit 2 bis 3 Wochen bei idealen Bedingungen bm: body muscle cc: coelomocyte dtc: distal tip cell g: neuron or glial cell i: intestine lc: linker cells se: seam set: tail seam sv: seminal vesicle sy syncytial um1: type 1 uterine muscle um2: type 2 uterine muscle vh: ventral hypodermal cell vm1: type 1 vulval muscle vm2: type 2 vulval muscle BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

174 8. Veränderung von Merkmalen Jede Veränderung des Erbmaterials wird als Mutation bezeichnet. Die Abweichungen werden normalerweise von uns in irgendeiner Form beobachtbar sein. So könnte z.b. die Farbe von Früchten (z.b. Erbsen) oder Blüten (z.b. Wunderblume) verändert sein. Auch die Veränderung von Blatt-Formen oder Stengel-Querschnitten haben wir schon besprochen. Die schier unendlichen Merkmals-Arten bei Drosophila melanogaster sind die Forschungs- Grundlage der modernen klassischen Genetik. Veränderungen im Stoffwechsel wirken sich in unterschiedlichen Leistungs-Möglichkeiten der Organismen oder als Krankheiten aus. In den meisten Fällen konnten wir unterschiedliche Merkmale bestimmten Genen oder Allelen zuordnen. Eine Frage, die diesbezüglich noch gar nicht gestellt wurde, ist die Frage nach dem "Wie". Wie können unterschiedliche Allele überhaupt entstehen? Praktisch ist aber auch nicht jede sichtbare Veränderung eines Merkmals durch unterschiedliche genetische Anlagen verursacht. Auch Umwelt-Bedingungen verändern die Ausprägung von Merkmalen. Bei der Untersuchung von eineiigen Zwillingen, die genetisch zu 100% übereinstimmen Für jede einzelne Organismen-Art und für jedes Merkmal muss einzeln untersucht werden, ob es sich um genetisch- oder Umwelt-bedingte Veränderungen von Merkmalen handelt. Man kann zwar in vielen Fällen auf Erfahrungswerte zurückgreifen, aber die Natur hält immer mal wieder die eine oder andere Überraschung bereit ( besondere Beispiele für Modifikationen) variable Ausprägung vererbter Merkmale Modifikation Betrachten wir die Ernte von einem Beet oder einem Baum. An z.b. einer einzigen Erdbeerpflanze - alle haben Teile haben die gleichen Erbinformationen erhalten - wachsen Blätter, Blüten und Früchte die sich ein wenig voneinander unterscheiden. Als Ursache für solch unterschiedliche Ausprägung bestimmter Merkmale konnten die einwirkenden Umweltfaktoren erkannt werden. Das eine Blatt liegt mehr in Richtung Sonne als ein anderes. Das besonnte Blatt kann seine genetischen Anlagen wesentlich besser ausnutzen als das andere. Auch andere Faktoren beeinflussen die Merkmalsausprägung eines ansonsten gleichen Erbmaterials. Besonders stark wirken die abiotischen Faktoren Wasserangebot, Temperatur, Lichtdauer und Strömung (Wind u./od. Wasser). Aber auch biotische Faktoren wie Räuber, Nahrungsangebot (Beute), Parasiten und Symbionten können Wirkungen zeigen. Das eine oder andere Lebewesen bekommt etwas mehr oder weniger von den positiven oder den negativen Entwicklungsfaktoren mit. Es entwickelt sich etwas besser oder schlechter als ein vergleichbares (z.b. Zwillings- oder geklontes) Lebewesen. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

175 Solche, in relativ kleinen Grenzen schwankenden Ausprägungen des gleichen Genotyps bezeichnet man als Modifikation. I.A. sind die betrachteten Merkmale normalverteilt, d.h. es gibt sehr viele Individuen oder Teile mit mittlerer Größe und sehr wenige besonders kleine oder große Individuen oder Teile. Die Form der Kurve eines Ausprägungsmaß-Häufigkeits- Diagramms entspricht den bekannten Toleranz-Kurven aus der Ökologie. (Der zur ökologischen Tolerenz zugehörige genetische Begriff ist die Modifikation.) Betrachten wir z.b. die Größe von Kartoffelknollen. Die Knollen einer Pflanze oder einer Sorte sind unterschiedlich groß. Anzahl ,0-0,9 1,0-1,9 2,0-2,9 3,0-3,9 4,0-4,9 5,0-5,9 6,0-6,9 7,0-7,9 8,0-8,9 9,0-9,9 10,0-10,9 11,0-11,9 12,0-12,9 13,0-13,9 14,0 - Größen-Klassen Da viele Sorten so z.b. auch bei den Kartoffeln vegetativ vermehrt werden, handelt sich in bei den Pflanzen praktisch um genetisch gleiche Individuen (Klone). Die genetische Ausstattung kann also nicht dir Ursache für die unterschiedlichen Knollen-Größen sein. Nimmt man jetzt zur Aussaat auf je einem Feld einmal gleichviele kleine, mittlere bzw. große Kartoffeln, so bekommt man zur Ernte auf jedem Feld wieder normalverteilte Knollen. 200 Die Variabilität ist aber nicht unbegrenzt. Meist existiert eine obere oder auch untere 100 Grenze, die nicht überschritten werden kann. Die Breite der Ausprägung eines Merkmals 0 nennt man Reaktionsnorm Größen-Verteilung der nachfolgenden Knollen-Ernte bei Verwendung kleiner mittelgroßer großer Saatkartoffeln. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

176 Die Grenzen der Reaktionsnormen sind genetisch (meist durch verschiedene Gene) bestimmt. Besonders deutlich wird die Abhängigkeit der Ausprägung eines beliebigen Merkmals, wenn man die Umwelt-Bedingungen ändert. Bei unserem Kartoffel-Beispiel könnten wir die Kartoffeln auf verschieden gut geeigneten Feldern auslegen. Um die wissenschaftlichen Prinzipien für das Experimentieren einzuhalten, verwenden wir gleichgroße Saat-Kartoffeln für alle Felder. Nun unterscheiden sich die Ertragskurven deutlich voneinander. Je günstiger die Umweltbedingungen (z.b. die Licht-Stärke) sind (Abb. oben und mittig), umso besser entwickeln sich die Organismen. Im Falle der Kartoffeln wachsen sie stärker und entwickeln größere (und ev. auch mehr) Kartoffeln- Knollen zur Ernte. Wenn die Umwelt- Bedingungen aber zu stark ausgeprägt sind (Abb. unten), dann wirken sich diese meist negativ auf die Entwicklung der Organismen aus. Bei unserer Kartoffel könnte z.b. ein Zuviel an Licht zu einer verstärkten Verdunstung oder zur Verbrennungen der Blätter führen. Im Ergebnis müssen wir mit einer kleineren (und wahrscheinlich auch geringeren) Ernte rechnen. Wird ein Merkmal ohne Abstufungen variiert, so wie wir es hier bei den Kartoffel-Knollen vorliegen haben, dann sprechen wir von fließender Modifikation. In anderen Fällen kommt es zu stufigen Veränderung von Merkmals-Ausprägungen. In diesen Fällen sprechen wir von umschlagender Modifikation. Die Bildung von Winter- und Sommer-Gefieder oder Fellen sind typisch für diese Art der Modifikation. Bei vielen Pflanzen unserer Breiten muss für die Blüten-Bildung am Tage mehr als 12 Stunden Licht einwirken. Man nennt sie deshalb Langtag-Pflanzen. Bringt man diese Pflanzen unter tropischen Bedingungen zum Wachsen, dann bilden sich aufgrund der Licht-reichen Bedingungen zwar sehr große Pflanzen, aber niemals Blüten. In den Tropen sind die Tage und Nächte ungefähr gleichlang. Man spricht von Kurztags- Bedingungen. Das Saatgut für solche Pflanzen muss dann regelmäßig aus den gemäßigten Breiten importiert werden BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

177 Dagegen kommen Kurztags-Pflanzen aus tropischen Ländern bei uns nur in den Übergangs-Monaten zum Blühen. Sie benötigen zur optimalen Entwicklung Tages- und Nachzeiten von rund 12 Stunden. Ein schönes Beispiel sind die Weihnachtssterne ((s ) Euphorbia pulcherrima). Sie blühen nur unter Kurztags-Bedingungen. Das gilt auch für die Ausbildung der normalerweise rötlichen Hoch-Blätter, die nicht Teil der Blüte sind. In Europa werden Weihnachststerne in riesigen Gewächshäusern gezüchtet. Rechtzeitig (rund 2 Monate) vor der Advents-Zeit und Weihnachten werden die Pflanzen nur rund 8 Stunden dem (natürlichen) Licht ausgesetzt. Weihnachtssterne von oben fotographiert, die kleinen weiß-gelben Blüten liegen unscheinbar im Zentrum der roten Hochblätter Q: de.wikipedia.org (US DoA (Scott Bauer)) Um starke Kurztags-Bedingungen zu erzeugen, werden die Pflanzen die restlichen Stunden abgedunkelt gehalten. In der niederen Tierwelt gibt es viele Beispiele für die modifikatorische Geschlechts-Bestimmung. Sie ist ein besonderer Fall der umschlagenden Modifikation. Wasserflöhe ((s ) Daphnia spec.) vermehren sich den ganzen Sommer (unter optimalen Lebensbedingungen) pathenogenetisch, d.h. durch Jungfern-Zeugung. Die Nachkommen sind praktisch Klone und immer weiblich. Wasserfloh im normalen Durchlicht-Mikroskop (rechts abgeblendet) Q: de.wikipedia.org (Mike Krüger) Erst zum Winter hin, wenn die Bedingungen schlechter werden, dann bilden sich vereinzelt Männchen. Diese paaren sich mit Weibchen und lassen befruchtete Eier (Latenz- od. Winter- Eier) entstehen, welche dann überwintern können. Im Frühjahr schlüpfen wieder nur Weibchen aus den Eiern und zeugen in Unmengen Nachkommen. Die Weibchen der Mississippi- Alligatoren legen nach der Paarung rund 50 Eier in ein Nest. Dort werden die Eier durch die Umgebungswärme sowie durch Verrottungs-Wärme von Pflanzen-Resten ausgebrütet. Die Brut- Temperatur bestimmt dabei das Geschlecht der Jungtiere. Bei einer Temperatur bis um 30 C entstehen vorrangig Weibchen. Steigt die Temperatur aber auf ungefähr 34 C, dann bilden sich fast nur Männchen. In Zeiten der Klima-Erwärmung kommen da auf die Männchen immer größere Probleme entgegen. Weibchen werden statistisch einfach immer seltener. Mississippi-Alligator beim Sonnen Q: (Frank Peters) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

178 So ähnlich verhält es sich auch mit der Geschlechts-Determinierung bei vielen Schildkröten- Arten. Aufgaben: 1. Berechnen Sie den Durchschnitt für den mittleren Durchmesser der Knollen (bei Bedarf verwenden Sie unten stehende Datentabelle)! 2. Skizzieren Sie die Häufigkeitsverteilung ab und ergänzen Sie die Hüllkurve! Erklären Sie das Zustandekommen einer solchen Häufigkeitsverteilung! 3. Wie würde sich bei folgenden Situationen die Hüllkurve verändern? a) gleiche Sorte mit weniger geernteten Knollen (gleich gute Anbaubedingungen) b) gleiche Sorte mit gleichviel geernteten Knollen (bessere Anbaubedingungen) c) eine andere Sorte mit ungefähr gleichvielen Knollen (gezüchtet auf ausgeprägte Knollengröße um 5 cm) 4. Welche Knollengröße (von der Original-Sorte) wird man aus ökonomischen Gründen für die nächste Aussaat verwenden? Durchmesser [cm] Anzahl Durchmesser Anzahl Durchmesser Anzahl 1 1, , , , , , , , , , , ,9 2 BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

179 besondere Beispiele für Modifikationen Chinesische Primel: Blütenfarbe hat normalerweise rote Blüten, bei einer kurzzeitigen Haltung bei über 30 C kurz vor dem Aufblühen führen zu weißen Blüten (Blütenfarbe bleibt auch erhalten, wenn sich die Temperatur nach dem Aufblühen ändert) Russen-Kaninchen: Fellfarbe ist Zuchtform des Haus-Kaninchens, Sommerform (Haltung im warmen Stall nach dem Wurf) weißes Fell, Winterform (Haltung in kälteren Ställen) kalte Körperteile (Ohren, Läufe, Schwanzspitze) zeigen dunkle Färbung werden die Haare an den exponierten Teilen entfernt und andere Temperatur-Bedingungen angesetzt, dann bilden sich neue Haare entsprechend der Haltungstemperatur Mensch: Anzahl der roten Blutkörperchen die Anzahl roter Blutkörperchen ist abhängig vom Partialdruck des Sauerstoffs, in größeren Höhen nimmt der Partialdruck ab und es werden mehr Blutkörperchen gebildet, um eine ausreichende Sauerstoffversorgung zu gewährleisten Nutzung für Doping- Zwecke im Leistungssport: Training in großen Höhen über einen ausreichend langen Zeitraum kurz vor einem Wettkampf, die vermehrte Erythrozytenzahl ermöglicht eine überoptimale Sauerstoffversorgung im Wettkampf in niederer Höhenlage Zahl der Blutkörperchen [Mio./µl] Höhe ü.n.n. In der DDR existierte z.b. ein Trainingszentrum mit riesigen Unterdruck-Räumen. Für Leistungs-Sportler wurde hier die Sauerstoff-Mangel-Situation in großen Höhen nachgebildet und die Nachbildung von roten Blutkörperchen angeregt. Heute ist diese Form des Blut-Dopings eingeschränkt. Borstenwurm Ophryotrocha: Geschlechts-Determinierung Bei (s ) Ophryotrocha puerilis wird das Geschlecht von der Anzahl der Körper-Segmente bestimmt. Junge Tiere haben relativ wenige Körper-Segmente. Sie sind zuerst immer männlich. Steigt die Segmentzahl bei guten Lebens-Bedingungen auf über 20, dann wird das Tier weiblich. Dass es sich wirklich um eine Abhängigkeit von der Segmentzahl handelt, kann man durch Abtrennen der hinteren Körper-Segmente experimentell prüfen. Innerhalb von zwei Tagen wird aus dem überlebenden vorderen Teil (mit wenigen Segmenten) ein Männchen. Nach einem entsprechenden Wachstum kann dann auch wieder ein Weibchen aus dem Tier werden. Ähnlich Ergebnisse erzielte man auch durch Hunger-Streß oder leichter Vergiftung mit Cupfer-Ionen. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

180 Wanderheuschrecke Schistocera gregaria: Verhalts- und Farb-Dimorphismus Die Wanderheuschrecke kommt in zwei Formen vor. Beide unterscheiden sich vor allem deutlich hinsichtlich ihres Verhaltes. Die eine Form lebt im Wesentlichen an einem Ort, ist ein Einzelgänger und wenig mobil. Die andere Form ein afrikanischer Alptraum ahmen Bewegungen nach, wandern gern und weit und sind gesellig. Die wandernde Form ist durch verstärkte Farbstoff-Einlagerung in ihren Chitin-Panzer dunkler gefärbt. Wenn man im Experiment die stationäre Form Berührungs-Reizen aussetzt, dann wandelt sie in die mobile Form. In der freien Natur werden solche Berührungs-Reize wahrscheinlich immer dann häufiger, wenn die Tiere wegen Nahrungs-Mangel in der Gegend herumsuchen. Die Nachkommen der mobilen Form können sich bei geringerer Berührungs-Reiz-Häufigkeit zu stationären Tieren entwickeln. mariner Igelwurm Bonellia viridis: Geschlechts-Dimorphismus Nach dem Schlüpfen aus dem Ei sucht sich die Larve des marinen Wurmes Bonellia ein "Wirts-Tier" aus der eigenen Art. Findet es ein Weibchen als Wirt, dann setzt sie sich unterhalb des Rüssels fest und entwickelt sich zu einem extrem kleinen Männchen. Bestimmte vom Weibchen gebildete Stoffe steuern die Geschlechts-Ausbildung. An einigen Weibchen sind bis zu 80 parasitierende Männchen gefunden worden. Findet die Larve kein Weibchen als Wirt, dann entwickelt sie sich selbst zu einem Weibchen. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

181 8.1. Mutationen Modifikationen werden also nicht vererbt. Vererbt wird die Fähigkeit zur Modifikation. Mutationen sind dagegen bleibende Veränderungen direkt im Erbmaterial. Ursachen für Mutationen können physikalischer, chemischer oder biochemischer Natur sein. Als physikalische Mutationsauslöser (Mutagene) kommen vor allem die höherenergetischen, elektromagnetischen Wellen (UV-, RÖNTGEN- und radioaktive Strahlungen) und Teilchenstrahlungen (Elektronen-, Protonen- und Neutronenstrahlen) in Frage. Bei den chemischen Stoffen ist die Spannbreite riesig und fast unüberschaubar. Zu den gefährlichsten Stoffen gehört wohl das Dioxin (TCDD; 2,3,7,8-Tetrachlordibenzodioxin), das schon in Mengen von 10µg pro kg Körpergewicht (Mensch) tödlich giftig (LD 50 ) ist. Sogenannte cancerogene (krebserzeugende) Stoffe können auch in Körperzellen das genetische Material beschädigen. U.U. bilden sich dann Krebsgeschwüre ( Exkurs: Krebs Zellwachstum außer Kontrolle). Biologische Mutagene entstammen besonders aus dem Bereich der Viren-DNS oder - RNS. Auch das von Viren mitgelieferte Enzymbesteck kann ganz erheblichen Schaden anrichten (Zerschneiden von Wirts-DNS und -RNS). Die Mutationsrate, d.h. wie oft eine bestimmte Mutation auftritt, wurde z.b. beim Zwergwuchs des Menschen mit 1 auf Individuen ermittelt (echte Neumutationen; keine vererbten Merkmale!). Heute geht man von einer durchschnittlichen Rate von 1 auf bis aus. Dabei ist die Häufigkeit der betroffenen Merkmale nicht gleich. Die folgende Tabelle zeigt die Mutationsraten für bestimmte Eiweiße und Insulin: Stoff / Stoffgruppe Anzahl getauschter AS in 100 Mill. Jahren pro 100 AS Fibrinpeptide 83,0 Ribonuclease 21,0 Hämoglobin 12,0 Myoglobin 8,9 Insulin 4,4 Cytochrom C 2,2 Histon H4 0,1 Q: PIECHOCKI 1987 Stoff / Stoffgruppe Anzahl getauschter AS in 100 Mill. Jahren pro 100 AS Aufgaben: 1. Geben Sie eine Erklärung für die unterschiedlichen Mutationsraten! Hilfe: Beachten Sie die Funktion der Stoffe! Prinzipiell gibt es drei Richtungen der Mutation. Eine Mutation kann die genetischen Anlagen des betroffenen Organismus zum gegebenen Zeitpunkt verbessern (positive Mutation). Nicht immer muss dieses gleich auffallen. Oft wird die verbesserte Merkmalsanlage erst bei Veränderung der Umgebungsbedingungen oder in der homozygoten Situation spürbar. Von allen Mutationen, die eintreten können, sind das statistisch gesehen rund 2-3 von Bei der Bewertung einer Mutation muß immer beachtet werden, dass sich der Wert immer für die aktuelle Umwelt-Situation ergibt. Nur wenn es bezüglich der geltenden Umwelt-Bedingungen eine bessere Fortpflanzungs- Chance ergibt, dann kann die Mutation zu diesem Zeitpunkt als positiv bewertet werden. Mutationen, die erst in zukünftigen Generationen einen positiven Effekt bringen, bedeuten heute mehr Aufwand für das mutierte Lebewesen, und damit ist es in der aktuellen Situation eher benachteiligt. Ungefähr von den sind sogenannte neutrale Mutationen. Sie zeigen keine Wirkung im betreffenden Organismus. So kann die Mutation in z.z. unbenutzten DNS- Abschnitten erfolgen, oder es können die Wobble-Basen betroffen sein. Die restlichen Mutationen sind mehr oder weniger schädlich für den Organismus. Das erscheint auf den ersten Blick extrem verschwenderisch. Bedenkt man aber, das sich die Wertung einer Mutation (positiv, neutral, negativ) immer auf die derzeitigen Lebensbe- BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

182 dingungen beziehen, so kann eine hohe Flexibilität bei der Anpassung erreicht werden. Eine gestern negativ bewertete Mutation kann morgen schon unter veränderten Umweltansprüchen sehr vorteilhaft werden. Zum anderen wäre bei einer geringeren Anzahl negativer Mutationen die Ausrottung der positiven durch Räuber und Krankheiten wahrscheinlicher. Vorteilhafte Mutanten würden seltener den Daseins-Kampf bestehen und die Evolution würde wesentlich langsamer voranschreiten. Mutationen werden nach der Größe des betroffenen Materials bzw. dem Ort der Veränderung eingeteilt in: Chromosomensatz- oder Genom-Mutationen Chromosomen-Mutationen Gen- oder Punkt-Mutationen. Auch weitere Einteilungen in Sinn-, Nichtsinn-, Fehlsinn-Mutationen usw. werden beschrieben (HAGEMANN 1984). Man findet auch die Einteilung nach positiv, neutral und negativ bezogen auf die Wirkung bei den Nachkommen. Die letzten beiden Einteilungsmöglichkeiten beziehen sich meist direkt auf die Ebene der Gen- bzw. Punkt-Mutationen. Folgen wir dem oben genannten Einteilungsprinzip nach der Größe und dem Ort der Veränderung: Chromosomensatzmutationen sind sehr selten. Bei ihnen wird die Ploidie - also die Anzahl gleicher Chromosomensätze - verändert. Es kann sowohl zur Haploidie kommen als auch zur Polyploidie. Viele unsere Nutzpflanzen sind polyploid. So enthalten Tomate und Weizen oft den vierfachen Chromosomensatz, sie sind tetraploid. Die Polyploidie ist bei Pflanzen i.a. leistungssteigernd. In der freien Natur steigt der Anteil polyploider Pflanzen-Arten zum Nordpol hin deutlich an. Für Europa und angrenzende Gebiete kann man als Faust-Regel ungefähr die geographische Breite als Prozentsatz für polyploide Pflanzen-Arten ansetzen. Wenn Organismen aus natürlichen Ursachen heraus überzählige Chromosomen-Sätze enthalten, dann sprechen wir von Autoploidie. Das Gegenteil tritt häufig bei polyploiden Tieren ein. Sie sind zumeist extrem geschädigt. Polyploide Embryonen sterben schon frühzeitig im Mutterleib. Bei einzelnen Körper-Zellen (z.b. in der Leber) konnte man lokal auftretende und auch stabil existierende polyploide Zellverbände beobachten können. Besonders bei sehr Stoffwechsel-aktiven Zellen scheinen sich solche Zellen auch gegenüber den anderen Zellen im Verband durchsetzen können. Die extrem seltenen triploiden Kleinkinder, die beim Menschen geboren werden, weisen schwere Schäden z.b. im Zentralnervensystem und dem Genitalsystem auf. Ihre Lebenserwartung ist sehr gering. Schon das Vorhandensein eines einzelnen dritten Chromo- Down-Syndrom-Fälle je Geburten som's (Trisomie) erzeugt hier schwere 250,0 Schäden. Verändert sich die Zahl einzelner Chromosomen, 200,0 dann sprechen wir 150,0 von nummerischer Aberration. Nur wenige solcher 100,0 Mutanten sind stabil genug, um zu überleben. Die meisten 50,0 sterben schon in frühen Phasen ihrer On- 0, togenese. Beispiele beim Menschen sind Alter der Mutter BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

183 das LANGDON-DOWN-Syndrom (3x Chromosom 21), das PÄTAU-Syndrom (Trisomie 13) und das EDWARDS-Syndrom (Trisomie 18). Die Gesamthäufigkeit von veränderten Chromosomenzahlen liegt bei menschlichen Neugeborenen bei 1 : 160. Benennung Trisomie 13 Trisomie 18 Trisomie 21 PATAU- EDWARDS- DOWN- Syndrom Syndrom Syndrom Mongolismus Häufigkeit 1 : : : 600 Symptome Taubheit; Augendefekte; Gaumenspal- Sterblichkeit te; anormale Hände und Füße; anormales Herz und Kleinhirn; anormale Nieren 50 % bis Ende des 1. Lebensmonats länglicher, schmaler Schädel; anormale Finger und Ohren; Herz- Fehler; schwere Entwick- lungs- Verzögerung (schwachsinnig) 50 % bis Ende des 2. Lebensmonats kurzer Schädel; kurze, flache Nase; dicke Zunge, ständig geöffneter Mund; kleine Ohren; verkürzte Finger; schmale Lid-Spalte; Herz-Fehler; schwachsinnig 50 % bis Ende des 10. Lebensjahres Nicht zu vergessen, die Veränderung der Anzahl der Geschlechtschromosomen ( 5.1. Vererbung des Geschlechts beim Menschen). Die Ursache für die veränderten Chromosomenzahlen ist immer in einer nicht ordnungsgemäß verlaufenen Meiose ( 4.2. Meiose (Reife-Teilung, Reduktions-Teilung)) zu suchen. In der ersten Reife-Teilung entstehen Tochterzellen mit 22 und mit 24 Chromosomen. D.h. ein Chromosomen-Paar wurde nicht getrennt. In der zweiten Reife-Teilung wird das überzählige Zwei-Chromatiden-Chromosom ganz normal geteilt, so dass letztendlich in den Geschlechtszellen 24 Ein-Chromatiden-Chromosomen vorliegen. Die meisten der Geschlechtszellen können zwar in Befruchtungs-Vorgänge eingehen, die Zygoten mit zuvielen oder zuwenigen Chromosomen sind aber nur in Ausnahmefällen (bekannte Trisomien) überlebensfähig. Veränderungen an größeren Teilen eines Chromosoms bezeichnen wir als Chromosomenmutationen. Sie werden auch strukturelle Aberrationen genannt. So unterscheidet man hier die Deletion (Verlust), Inversion (Drehung), Duplikation (Verdopplung), Translokation (Verlagerung) und den Schwestern-Chromatiden-Austausch (crossing over). Diese Mutationen sein hier nur kurz dargestellt. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

184 Die Bildung eines neuen aktiven Centromers führt zu dicentrischen Chromosomen. Diese können scheinbar ohne größere Auswirkungen in den Zellen benutzt (abgelesen und kopiert) und weiter vererbt werden. Von stabilen Ring-Chromosomen wird selten berichtet. Beim Menschen sind vor allem für das Chromosom 13 solche Veränderungen beschrieben worden. Bevor der Ring gebildet wird, verliert das Chromosom End-Stücke an allen Chromatiden. Es verbleiben "klebrige Enden" ( ), die sich miteinander verknüpfen. Endständige Gene gehen bei der Ring-Bildung verloren. Das Katzenschrei-Syndrom (Cri-du-chat-Syndrom) z.b. entsteht durch eine Deletion am kurzen Arm des 5.Chromosom's. Die Träger dieses Defektes sind schwer geschädigt. Ihre akustische Kommunikation beschränkt sich fast ausschließlich auf ein Katzen-artiges Schreien. Dieses ist so durchdringend und z.t. auch eintönig, dass selbst die Eltern dieser Kinder es nicht lange aushalten können. Viele Fälle mit DOWN-Syndrom besonders bei jüngeren Eltern (Müttern) sind durch eine Translokation eines großen Teils des Chromosom 21 auf das Chromosom 14 bzw. 15 verursacht. Hier spricht man von einer Translokations-Trisomie. Da die Schädigungen sehr unterschiedlich sein können, kann diese Art der Mutation auch weitervererbt werden. Von großer Bedeutung und sehr häufig sind Punktmutationen bzw. Gen-Mutationen. Auslöser können schon kleine Mengen an hochenergetischer Strahlung oder geringe Menge verschiedenster Substanzen (Cacerogene (Kanzerogene), Gifte, Medikamente, Chemikalien, ) sein. Praktisch kann schon ein Molekül einer solchen Substanz den Schaden verursachen. Durch die Triplett-Codierung kann die Veränderung einer Base von großer Wirkung sein. Hier einige Beispiele allgemeiner Natur: Matrizenstrang GGA GGT GCA GAA TGA transskripierter Strang CCT CCA CGT CTT ACT Transskription mrns: GGA GGU GCA GAA UGA Translation AS: Gly Gly Ala Glu opal Wildtyp, stille Sinn- od. Sinn- od. Nichtsinnoriginal Mut. Fehlsinn- Fehlsinn- Mutation Mutation Mutation Aber nicht nur unsere Umwelt ist mutagen. Auch die zelleigenen Prozesse sind nicht fehlerfrei. Man muss sich vergegenwärtigen, dass innerhalb einer Minute rund Nucleotide kopiert werden. Dabei kommt es durchschnittlich zu einem Kopier-Fehler. Wäre der Nucleotid-Text (Alphabet: A, C, G, T) der DNS ein Schreibmaschinen-Text, dann würde das bedeuten, dass 333 vollgeschriebene Seiten in einer Minute geschrieben / kopiert werden müssten. Ob wir das mit nur einem Fehler hinbekommen würden? Häufig wird vor allem das Lese- (Triplett-) Raster zerstört. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

185 Dies soll hier einmal modellhaft an einem Satz aus Dreibuchstaben-Wörtern gezeigt werden. Die Dreibuchstaben-Wörter sollen dabei für die Tripletts stehen. Der Modell-Satz lautet: DER HUT IST ROT UND TUT MIR WEH Durch Einfügung oder Entfernung eines einzigen Buchstaben (Nucleotids) verändert sich der Modell-Satz dramatisch. mit Mutation an Position 8: einfügen DER HUT IxS TRO TUN DTU TMI RWE H bzw. entfernen (hier S von Pos. 8) DER HUT ITR OTU NDT UTM IRW EH Der Modell-Satz wird hinter der Änderungs-Position unleserlich. Letztendlich werden dann andere Aminosäuren in die Polypeptid-Kette eingebaut und es ändern sich die Primär- bis Quartär-Strukturen des Proteins - ebenso wie der Modellsatz - bis zur Unkenntlichkeit. Solche Proteine sind dann selten überhaupt funktionsfähig. Die Schadensmöglichkeiten am DNS- Molekül sind recht vielfältig. Die Konsequenzen lassen sich aber selten allgemein voraussagen. Beim Betrachten von Mutationen müssen wir zwischen Mutationen in Körperzellen (somatische Mutation) und solchen in Keimzellen (Keimbahn-Mutation) unterscheiden. Während Körperzellmutationen i.a. auf den betreffenden Organismus beschränkt bleiben, können Keimzellmutationen ganze Reihen von Nachkommen betreffen. Keimbahn-Mutationen sind zuerst in den meisten Fällen rezessiv. Nur wenige zeigen sich gleich dominant im Phänotyp. Dies kann z.b. dann der Fall sein, wenn die nur einfach vorkommenden Geschlechtschromosomen betroffen sind ( gonosomale Vererbung). Meistens sind aber die Körper-Chromosomen betroffen. Hier kommt es zu autosomalen Vererbung (übliche Vererbung nach MENDEL). Schadensmöglichkeiten an der DNS (B... Bromuracil) Relativ häufig dauert es viele Generationen, damit eine rezessive Anlage homozygot wird und dann voll zur Ausprägung kommt. Das Merkmal muss sich ja erst einmal so verbreiten, dass dann Mutter und Vater das rezessive Merkmal in den Vererbungsvorgang einbringen. Einige rezessive Merkmale sind im homozygoten Fall tödlich, weil z.b. ein lebenswichtiges Enzym fehlt. Solche Merkmale bezeichnet man als Letalfaktoren. Aufgaben: 1. Wiederholen Sie den Vorgang der Meiose! Skizzieren Sie ein Schema für eine gestörte Meiose, bei der es zu einer Trisomie kommt! BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

186 Durch den Einbau der falschen Base Bromuracil kommt es in den nachfolgenden Replikationen zu einem Basen-Austausch, so dass sich die genetische Information nachhaltig verändert. Aus der ursprünglichen Basen-Paarung A=T wird nach drei Replikationen G C. Dies betrifft aber nur den DNS-Strang und deren spätere Kopien, bei denen T durch Bromuracil ersetzt wurde (temporäre Paarung: A = B). : : T A G C A T C G C G A T : : unbeschädigtes Original 1. Replikation : : T A G C A T C G C G A T : : : : T A G C A B C G C G A T : : Fehler! (Einbau einer falschen Base) 2. Replikation : : T A G C A T C G C G A T : : : : T A G C A T C G C G A T : : : : T A G C A T C G C G A T : : "repariert" : : T A G C G B C G C G A T : : 3. Replikation weiter alles normal : : T A G C G C C G C G A T : : falsch repariert : : T A G C G B C G C G A T : : dauerhaft beschädigt Die nun folgenden Mutations-Beispiele beschreiben nur solche Mutationen, die eine gewisse Stabilität besitzen und ihren Träger nicht so stark schädigen. Die meisten Mutationen werden schon in den ersten Entwicklungswochen ausgelesen, weil sie nicht Überlebens-fähig sind. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

187 Mutations-Beispiele bei Pflanzen BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

188 Mutations-Beispiele bei Tieren Industrie-Melanismus beim Birken-Spanner Birken-Spanner (s ) Biston betularia normalerweise optimal an seinen Wirt die Birke angepasst helle, leicht dunkel durchsetzte, Flügel-Beschuppung in England (Manchester, Mitte bis Ende 19. Jhd.) zuerst entdeckt eine dunkle Form (Morph, carbonaria- Morph) mit nur leicht weiß durchzogener Schuppung hier starke Industrialisierung mit durch rauchige Abgase (Ruß) stark abgedunkelten Birken-Rinde die Fress-Feinde diverse Sing-Vögel fressen immer vornehmlich die eher auffälligeren Falter dunkle Färbung durch verstärkte Melanin-Bildung, deshalb wird Effekt Melanismus genannt, bei Gen-Analysen hat man zudem festgestellt, dass das carbonaria-gen, welches für die erhöhte Melanin- Bildung verantwortlich ist, erst in jüngster Zeit entstanden ist (also ev. Mitte des 19. Jhd.), dies bestätigt die von vielen Biologen vertretende These, dass eine Art-Bildung innerhalb weniger Generationen erfolgen kann bei mindestens weiteren 70 Schmetterlings-Arten wurden ähnliche Verdunklungs-Tendenzen beobachtet helle und dunkle Morphe des Birken-Spanners Q: de.wikipedia.org (Olaf Leillinger) KETTLEWELL-Experimente (1955) Versuchs-Ort Versuchs-Bedingungen helle Form dunkle Form Bemerkungen Dorset nicht-industrielle, Wald-reiche Gegend typischer Birkenwald prozentualer Anteil Birken-Rinde ausgesetzt wieder eingefangen prozentualer Anteil 12,5 6,3 Birmingham industriell geprägte Landschaft mit starker Ruß-Verschmutzung prozentualer Anteil Birken-Rinde ausgesetzt wieder eingefangen prozentualer Anteil 13,1 27,5 Daten-Q: /25, S. 60/ BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

189 Mutations-Beispiele bei Menschen rund 40 % der Gesamtsterblichkeit in der Bevölkerung wird durch genetische Störungen verursacht 1 % der Neugeborenen tragen einen mongen bedingten Gen-Defekt 0,5 % eine Chromosomen-Aberration () 4 5 % multifaktoriell bedingte Störung oder Mißbildung derzeit über 300 numerische und strukturelle Chromosomenaberrationen bekannt derzeit über 3000 monogen bedingte Krankheiten bekannt, viele davon aber sehr selten vorkommend 1500 monogen autosomal 1100 autosomal rezessiv 200 X-chromosomal Sterblichkeit der Zygoten 90 % Sterblichkeit der Embryonen 25 % 15 % der Schwangerschaften enden nach dem 1. Monat durch Spontan-Abort (70 % dieser Aborte zeigen schwere genetische Schäden) im 2. und 3. Monat weisen 60 % der Embryonen (der Aborte???) chromosomale Anamalien auf neben genetischen Ursachen auch allgemeine (Umwelt-bedingte, zufällige) Entwicklungs- Störungen relevant Bei Kindern mit Entwicklungs-Schäden sind nur bei 5 20 % genetische Ursachen vorhanden. Für geistig retardierte (zurückgebliebene) Kinder sind es nur 3 % genetische Gründe. 7 % der Kinder mit Behinderungen und rund 50 % der Todesfälle haben genetische Gründe multifaktorielle Störungen sehr weit verbreitet rund 40 % der Bevölkerung leiden unter essentieller Hypertonie () rund 1 % an Schizophrenie rund 5 % an Diabetes (mit epidemischem Charakter) empirische Erb-Prognose Berechnung über Häufigkeit in der Bevölkerung (Region, Volksstamm, Nationalität) und MENDELschen Regeln möglich bei einer Gefährdung von 1 : 100 wird Risiko als gering eingeschätzt, bei 1 : 10 als hoch; aus Stammbaumanalysen sind auch Aussagen von 1 : 4 bis 1: 1 machbar!!! hier ist dann entweder von einer Schwangerschaft abzuraten, eine künstliche Befruchtung mit Fremd-Samen und eine pränatale Diagnostik anzuraten auch für multifaktorielle Störungen sind Aussagen möglich, aber wenig Aussage-kräftig, da sie deutlich unter 1 : 100 bis 1 : liegen (für eine einzelne Störung) da aber viele verschiedenen Störungen durch unzählige Kombinations-Möglichkeiten denkbar sind summieren sich die Einzel-Häufigkeiten zu oben erwähnten Prozentzahlen BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

190 Siebtests (Screening) Massen-Screening für Phenylketonurie (GUTHRIE-Test), Störungen der Neuralrohr- Entwicklung (AFP-Spiegel ( -Fetoprotein)) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

191 Ein Beispiel ist die Sichelzellen-Anämie des Menschen. Menschen, die dieses Merkmal tragen, besitzen veränderte rote Blutkörperchen (Erythrozyten) durch ein verändertes Hämoglobin. Lediglich eine einzige Aminosäure ist in der -Kette ausgetauscht worden. An der Position sechs befindet sich nun Glutaminsäure statt Valin in der Peptid-Kette. Die normalerweise bikonkave Form der Erythrozyten kann nicht aufgebaut werden. Stattdessen entsteht ein schlaffes, sichelförmiges Gebilde, das nur sehr wenig Sauerstoff transportieren kann. Heterozygoten bilden beide Formen der Erythrozyten, so dass eine noch ausreichende Sauerstoffversorgung realisiert werden kann. normale und sichelförmige rote Blutkörperchen (Erythrozyten) Q: Aminosäure Glutaminsäure Q: de.wikipedia.org (NEUROtiker) Aminosäure Valin Q: de.wikipedia.org (NEUROtiker) Der Erbgang zwischen einem gesunden (normalen) Homozygoten und einem Heterozygoten (Überträger der Krankheit, Konduktor) sieht so aus: (s ) Homo sapiens (Mensch) P: normale Erythrozyten (bikonkav) Phänotyp X normale und sichelförmige Erythrozyten + + reinerbig Genotyp mischerbig + s F1: Phänotyp(en): Häufigkeit: 3 1 proz. Häufigkeit: 75 % 25 % Hat ein Elternteil die genetische Anlage für die Sichelzellen-Anämie (mischerbig), dann ist wieder eins von vier Kindern Träger des Merkmals. Problematischer ist der Fall, wenn beide Elternteile Träger des Merkmals sind. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

192 P: normale und sichelförmige Erythrozyten Phänotyp X normale und sichelförmige Erythrozyten + s mischerbig Genotyp mischerbig + s F1: Phänotyp(en): Häufigkeit: proz. Häufigkeit: 25 % 50 % 25 % (letal) Im homozygoten Fall sind die Betroffenen nicht lange lebensfähig (erreichen selten Geschlechtsreife). (Ironie des Schicksals: die Heterozygoten sind unanfälliger gegen Malaria. Homozygoten leiden wesentlich weniger an Malaria. Warum könnte das so sein?) Aufgaben: 1. Überprüfen Sie das Auftreten der zwei Phänotypen in beiden obigen Kreuzungsschemata mit Hilfe vollständiger Schemata! Welche Genotypen entstehen jeweils? Prüfen Sie die Gültigkeit der 1. und 2. MENDELschen Regel! Sichelzellanämie kommt im Prinzip nur in Malaria- und angrenzenden Gebieten vor. Heterozygote Menschen haben sowohl normale als auch sichelförmige rote Blutkörperchen. In der dunkelhäutigen (negriden) Population der USA kommt das Gen heute nicht vor (nur in einem vernachlässigbaren Anteil mit nachgewiesener afrikanischer Quelle (Einwanderung/Versklavung/Einschleppung vor rund 250 Jahren)). 2. Erklären Sie das Phänomen der Verbreitung für die Sichelzellanämie! 3. Welche Auswirkungen auf die Verbreitung der Malaria hätte eine vollständige Ausrottung der Sichelzellanämie z.b. durch Gentherapie? Veränderte Gene (Allele) sind also nichts anderes, als fehlerhafte Kopien oder anderweitig beschädigte Originale. Viele Mutationen lassen sich beim Menschen oder bei gezüchteten Organismen durch Familiengeschichten oder Stammbäumen über mehrere Generationen verfolgen. Zur Darstellung von solchen Erbkrankheiten wird hier ein allgemeiner Modellstammbaum verwendet. Jedes Paar hat jeweils vier Nachkommen, die jeweils möglichen Merkmalskombinationen repräsentieren. Der Zufall bei der Gametenauswahl wird also nicht beachtet. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

193 besonders wirksame Mutagene Akridin-Farbstoffe zerstören A-T-Paarung durch Umwandlung des Thymin Basen-Verlust in einem Strang der DNS weitere Gefahren durch unkalkulierbare Synergie-Effekte; zu erwarten sind normal entweder additive oder multiplikative Effekte, von einigen Faktoren-Kombinationen sind bis zu 1000facher Verstärkungs-Effekte bekannt UV-Licht wird besonders für die Dimer-Bildung zwischen zwei benachbarten Thymin- Nucleotiden verantwortlich gemacht RÖNTGEN-Strahlung bewirkt sehr häufig Strangbrüche BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

194 8.2. weitere spezielle Mutationen beim Menschen und ihre physiologischen Konsequenzen 1. Beispiel: autosomal rezessiv vererbtes Merkmal (z.b. Phenylketonurie (PKU)) Krankheitsbild: bei Nichtbehandlung leicht mongoloides Aussehen mit Schädigung des Gehirns; Urin riecht nach Mäusekot s.a. Exkurs: Phenylketonurie (PKU, Brenztraubensäure- Schwachsinn) Aufgaben: 1. Skizzieren Sie den Modellstammbaum (Phenylketonurie) so ab, dass noch Genotypen ergänzt werden können! 2. Geben Sie für alle Organismen im Stammbaum den jeweiligen Genotyp an! Verwenden Sie folgende Zeichen: +.. Wildtyp, normal p,p.. verändertes Allel?.. unklares Allel 2. Beispiel: autosomal dominant vererbtes Merkmal (z.b. Vielfingerigkeit (Polydaktylie)) Krankheitsbild: Q:de.wikipedia.org (Drgnu23) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

195 Aufgaben: 1. Skizzieren Sie den Modellstammbaum (Vielfingerigkeit) ab! 2. Geben Sie für alle Organismen im Stammbaum den jeweiligen Genotyp an! Verwenden Sie folgende Zeichen: +.. Wildtyp, normal v,v.. verändertes Allel?.. unklares Allel BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

196 Exkurs: Phenylketonurie (PKU, Brenztraubensäure-Schwachsinn) auch: FÖLLING-Syndrom; Phenylurie, Oligophrenia phenylpyruvica, engl.: phenylketonuria, phenyluria Symptome (Merkmale, Beschwerden, Krankheitsbild): geistige Behinderung (Schwachsinn -> Idiotie, nur 5% normal), Schädigung der Nervenzellaktivität (wegen Aminosäure-Mangel), verzögerte körperliche Entwicklung, Krampfanfälle, Hautekzeme, helle Komplexion, reduzierte Resorption im Darm, geringere Lebenserwartung Kinder kranker Mütter zeigen meist folgende Symptome: allgemeine Retadierung, Minderwuchs, Anfälle, Zerebralschäden, Mikrozephalie, Gesichtsfehlbildungen, Herzfehler (Erkennung): Neugeborenen-Screening u.a. mit GUTHRIE-Test ((a ) Bacillus subtilis in einem Minimalnährmedium mit Hemmstoff ( -2-Thienylalanin; ist Antimetabolit zu Phenylalanin); die akterien entwickeln sich nicht oder nur minimal; bei Zugabe von Phenylalanin (als Probenmaterial oder zur Kontrolle) wird Hemmung aufgehoben, das Phenylalanin verdrängt den Hemmstoff von bestimmten Enzymen, diese können nun arbeiten und die Bakterien sich normal entwickeln; Entwicklung der Bazillen ist Indiz für nicht abgebautes Phenylalanin; je mehr desdo gefährlicher), bei normaler Geburt schon 24 Stunden nach erster Milchgabe nachweisbar Eisenchlorid-Probe Nährboden mit Hemmstoff + Bakterien + gesundes Blut kein Bakterien-Wachstum Test negativ (keine PKU) Nährboden mit Hemmstoff + Bakterien + Phenylalanin-haltiges Blut Bakterien- Wachstum Test positiv (es liegt (wahrscheinlich) PKU vor) (physiologische) Ursache(n): Störung der Oxidation von Phenylalanin zu Tyrosin durch Defekt des Enzyms Phenylalanin- 4-hydroxylase (Phenylanalinase) Phenylalanin-4-hydroxylase: Oxidoreductase der Leber L-Phenyalanin + Tetrahydropteridin + O 2 L-Tyrosin + Dihydropteridin + H 2 O Therapie (Behandlung): z.b. mit (strenger) Phenylalanin-armer Diät (bis zum Abschluss der Gehirnentwicklung / Lebensjahr, selten nur für 1. Lebensjahr notwendig) bei früher Erkennung und Therapie gut Prognose; nur Behandlung der Symptome möglich, da genetisch veranlagt Behandlung (Phenylalananin-Reduzierung) auch während Schwangerschaft notwendig Epidemiologie (Verbreitung): Verbreitung in Population 1 : (Geburten) (einigen Regionen 1 : 5.000) Heterozygoten-Anteil 1 : 50; d.h. jeder 50zigste ist zu 50% Überträger des Gens zur Zygote autosomal-rezessiv Vorbeugung: Humangenetische Beratung Chorionzottenuntersuchung: Schwangerschaftswoche Fruchtwasserunetersuchung (Amniozentese): Schwangerschaftswoche BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

197 normaler Metabolismus von Phenylalanin: gestörter Metabolismus: Internet-Links: Störung der Metabolismen bei Tyrosinose, Alkaptonie und Albinismus /15, S. 100/ BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

198 3. Beispiel: X-gonosomal rezessiv vererbtes Merkmal (z.b. Bluterkrankheit A (Hämphilie)) Hinweis: gestorben heißt entweder gleich bei der Geburt oder vor der Geschlechtsreife oder selten auch später, aber direkt ursächlich am geerbten Merkmal (alle anderen Organismen sind oder werden auch sterben (aus natürlichen Gründen) Überträgerin wird Konduktorin genannt; Häufigkeit 1 : bei männlichen Nachkommen; meist Neumutationen; nur 30 Fälle bei Frauen bekannt; manifestiert sich zum ersten Mal im frühen Kindesalter bei Nasenbluten, Zahnextraktion, größere Verletzungen usw. Aufgaben: 1. Skizzieren Sie den Modellstammbaum (Bluterkrankheit A) ab! 2. Geben Sie für alle Organismen im Stammbaum den jeweiligen Genotyp an! Verwenden Sie folgende Zeichen: +.. Wildtyp, normal b,b.. verändertes Allel?.. unklares Allel Mutationen in Körperzellen wirken sich sehr verschieden aus. Wie bei den Keimzellen sind nur wenige Mutationen so stabil, dass die Zellen überleben können. Die meisten Veränderungen werden sofort durch die Natur ausgelesen. Die Zellen sterben ab und die Bestandteile werden einfach von den Nachbarzellen absorbiert. Von den wenigen stabilen Mutanten sind nur einige wirklich gefährlich (z.b. gutartige Wucherungen / Geschwüre). Wenn bei ihnen z.b. die Teilungsfähigkeit nicht mehr intern reguliert wird, kommt es zur Bildung von Geschwüren. Bösartige Geschwüre bezeichnen wir dann auch als Krebs. Die Entstehung von Krebs ist nach heutigem Wissens häufig erblich veranlagt. Ob ein Krebs ausbricht, hängt aber von Unmengen innerer und äußerer Faktoren ab. Viele unserer heutigen Lebensgewohnheiten schädigen das innere Immunsystem so gewaltig, dass fast zwangsläufig eine Anlage auch zur Ausprägung kommt. Der Schutz aller Lebewesen und der Menschheit vor Mutagenen wird eine der wichtigsten Aufgabe unserer und künftiger Generationen sein. Ansonsten, und das ist unausweichlich, wird sich die wohl intelligenteste Art auseinander mutieren, degenerieren und von diesem Planeten unwiderruflich verschwinden. Das Leben auf der Erde wird auch ohne den Menschen weiter existieren. Irrtümer und (für den großen Zweck) ungeeignete Mutanten werden schon seit rund 3,5 Milliarden Jahren einfach und systematisch von der Natur eliminiert. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

199 Aufgaben: Die abgebildeten Stammbäume stammen aus nachfolgendem Lehrbuch: KAHN, Fritz: Das Leben des Menschen Eine volkstümliche Anatomie, Biologie, Physiologie und Entwicklungsgeschichte des Menschen.-Band I.-Stuttgart: Kosmos, Gesell. d. Naturfreunde, Franck'sche Verl.-handlung Interpretieren Sie die Stammbäume jeweils für sich! 2. Vergleichen und bewerten Sie die Stammbäume miteinander! Chorea-HUNGTINTON (Veittanz, HUNGTINTON-Erkrankung) Beispiel für eine Duplikation Normal im codogenen Bereich aufeinander folgende CAG-Nukleotide im HUNGTINTON-Protein findet man dann entsprechend viele Wiederholungen von Glutamin bei Erkrankten sind es ; je mehr CAG-Nukleotide, umso stärker ist die Krankheit ausgeprägt und umso früher beginnt sie autosomal, dominanter Erbgang BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

200 ALZHEIMER-Erkrankung ("ALZHEIMER") mutiertes APP-Gen auf Chromosom 21 BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

201 8.3. Reparatur-Mechanismen für bestimmte DNS-Schäden Scheinbar sind die in den Organismen vorhandenen Reparatur-Mechanismen evolutionär sinnvoll verteilt. Bei Organismen, die kurze Generations-Phasen mit entsprechenden kurzen Lebens-Zeiträumen besitzen, werden zumeist wenige Reparatur-Mechanismen beobachtet. Wir Menschen oder andere langlebige Organismen besitzen vergleichsweise viele Mechanismen. 8.3.x. Rück-Mutation 8.3.x. Excisions-Reparatur von Dimeren auch als Abschnitts-Reparatur bezeichnet bei vielen Organismen beobachtet BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

202 8.3.x. Reparatur-Mechanismen beim Menschen verschiedene Untersuchungen lassen den Schluss zu, dass es bei höheren und länger lebenden Organismen besonders viele und z.t. sehr präzise Reparatur-Mechanismen gibt fehlende Reparatur-Mechanismen werden z.t. als Krankheiten sichtbar Beispiel: Xeroderma pigmentosum (XP) relativ selten durch UV-Strahlung kommt es sehr schnell zu Haut-Rötungen mit ev. nachfolgender Tumor- Bildung an der bestrahlten Stelle Betroffene (Homocygote) sterben meist schon vor dem Schulalter extremer Hautschutz notwendig (Haut-Cremes mit sehr hohem Lichtschutz-Faktor), verringerter Auffenthalt im Freien, keine unbedeckten Hautstellen im Freien Ursache ist fehlendendes Enzym Endonuclease, welches eigentlich die schadhaften Stellen herausschneiden soll in Folge treten immer mehr nicht reparierte T-Dimere auf BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

203 9. weitere Fach-Gebiete der Genetik 9.1. Populations-Genetik Art Fortpflanzungsgemeinschaft von Organismen, die gleichartige, Fortpflanzungs-fähige Nachkommen zeugt Population ist die Gesamt aller Organismen einer Art in einem abgegrenzten Lebensraum Gen-Pool ist die Ansammlung aller Gene und ihrer Allele einer Population BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

204 das HARDY-WEINBERG-Gesetz / das HARDY-WEINBERG- Gleichgewicht Schon gleich nach der Wieder-Entdeckung der MENDELschen Regeln (um 1900) entwickelte sich eine Diskussion darüber, ob sich ein dominantes Gen nach und nach in einer Population durchsetzen würde. An dieser Diskussion waren maßgeblich u.a. die brittischen Mathematiker Karl PEARSON ( ) und Gofrey Harold HARDY ( ) beteiligt. HARDY stellte dann 1908 eine einfache statistische Berechnungs-Grundlage für das Problem auf. Unabhängig von HARDY fand auch der deutsche Arzt Wilhelm WEINBERG diese mathematischen Zusammenhänge (1908, sogar kurz vor HARDY). Zur Betrachtung der Grundlagen verwenden wir als Beispiel einen imaginären Erbgang des Merkmals A. Wie wir in der Gameten-Tabelle sehen können, handelt es sich um einen dominant-rezessiven Erbgang. (Um 1900 war dies auch Stand der Dinge.) Gehen wir zuerst mal von einem einzigen Päarchen aus. A a A AA Aa a Aa aa Bei seien mischerbig für das Merkmal. Für beide Allele besteht eine 50 %ige Chance in der zukünftigen Zygote vertreten zu sein. In der Mathematik arbeitet man statt mit Prozentzahlen mehr mit Häufigkeiten. Diese lassen sich aber immer schnell in Prozent- Werte umsetzen. Eine Häufigkeit von 100 % entspricht der dem nummerischen Wert 1,0. Die 0,0 steht dementsprechend für 0 %. Die Allele in unserem Beispiel haben also eine Häufigkeit von jeweils 0,5. Für z.b. das mütterliche Allel A besteht nun auch wieder eine 50 %ige Chance auf das väterliche Allel A zu treffen. Insgesamt ergibt das eine Chance von 25 % für die Allel-Kombination AA bzw. eben 0,25. Genauso verhält es sich auch für die einzelnen Kombinationen der mütterlichen und väterlichen Allele. Addiert man nun noch die Häufigkeiten für den mischerbigen Fall, dann liegt dessen Gesamt- Häufigkeit bei 0,5 oder 50 %. A 0,5 a 0,5 A a 0,5 0,5 AA Aa 0,25 0,25 Aa aa 0,25 0,25 Genotyp (F 1 ) Häufigkeit Anzahl AA 0,25 1 Aa 0,50 2 aa 0,25 1 Diese Ergebnisse decken sich exakt mit den Aussagen der zweiten MENDELschen Regel. Diese Gen-Verteilung wurde auch von PEARSON noch vor HARDY als eine stabile Situation erkannt. Weitere Aussagen konnte PEARSON aber nicht machen. WEINBERG und HARDY fielen dabei bestimmte mathematische Zusammenhänge auf. So addieren sich die Häufigkeiten der möglichen Allele immer zu 1,0 also 100 %: In der Literatur findet man häufig auch die Buchstaben p und q als Häufigkeiten für die Allele, so wie es HARDY auch getan hat. Da aber die Zuordnung nicht eindeutig ist, verwenden wir hier eindeutige mathematische Symbole. Weiterhin ergibt sich bei der Summierung der Häufigkeiten in der F 1 -Generation: Dabei ist h Aa doppelt so groß, wie h AA oder h aa. Das Zahlenverhältnis der einzelnen Allel- Kombinationen (Genotypen) entspricht genau dem 1 : 2 : 1, welches uns schon aus den MENDELschen Regeln bekannt ist. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

205 WEINBERG und HARDY gingen nun von größeren Populationen aus. Sind alle wie im obigen Einzel- Beispiel angenommen, dann ändert sich praktisch garnichts. Nur wird dann bei den Nachkommen eine wesentlich größere Zahl stehen. Am Verhältnis wird sich aber nichts ändern. In einem nächsten Schritt kann man nun annehmen, dass bestimmte Allele mit einer geringeren Häufigkeit anzutreffen. Ganz besonders für rezessive Merkmale ist das einsichtig. Tritt z.b. ein rezessives Merkmal neu auf, dann kann man sicher erst einmal davon ausgehen, dass es sehr selten vorkommt. Zuerst wird es sehr wahrscheinlich auch nur heterozygot anzutreffen sein. Nur wenige Organismen besitzen das rezessive Merkmal und bringen dessen Gen in die Kreuzungstabelle ein. A 0,8 a 0,2 A a 0,8 0,2 AA Aa 0,64 0,16 Aa aa 0,16 0,04 Genotyp (F 1 ) Häufigkeit Anzahl AA 0,64 16 Aa 0,32 4 aa 0,04 1 Damit ergibt sich für die gesamte Population ein anderes Bild für die Allel-Verteilung. Im nebenstehenden Beispiel sei die Häufigkeit der weiblichen oder männlichen Gameten mit dem Allel A mit 0,8 angenommen. Die restlichen 20 % werden dementsprechend vom Allel a eingenommen, was einer Häufigkeit von 0,2 entspricht. Die einzelnen Summen ergeben keine neuen Erkenntnisse: Die Summen-Gleichungen sind also allgemeingültig. Auch in nachfolgenden Generationen ändert sich daran nichts! Bei ist aber von den folgenden Bedingungen auszugehen: die Population ist sehr groß (auch seltene Gene sind häufig genug) alle Individuen einer Population haben die gleiche Chance sich fortzupflanzen es findet nur geschlechtliche Fortpflanzung statt und die Paarung der Individuen erfolgt zufällig, Weibchen und Männchen sind gleichverteilt jede Generation wird für sich einzeln betrachtet, d.h. sie überlappen nicht / es gibt keine Generations-übergreifende Paarungen es finden keine Mutationen statt es gibt keine Faktoren, die eine der Allel-Formen bevorzugt Wir haben es also mit einer stabilen nicht-mutierenden Population in einer unveränderlichen Umwelt zu tun. Eine solche Situation ist nur theoretisch man spricht auch von einer idealen Population. Die letzte Gleichung (Verteilung der Genotypen in der F1-Generation) lässt sich auch auf die ursprüngliche Allel-Verteilung umschreiben: Für nicht-mathe-affine Biologen kann man auch eine nicht-funktionelle, quasi-graphische Lösung der Aufgabe realisieren. Wir gehen dabei von der gleichen Häufigkeit der Allele, wie in der Rechnung oben aus (). Um diese realisieren zu können brauchen wir mindestens eine 5 x 5-Tabelle. Diese kann das Allel-Verhältnis von 0,8 zu 0,2 genau abbilden. Zur besseren Einsicht verwenden wir eine 10 x 10-Tabelle. Jeweils 20 % der mütterlichen und väterlichen Gameten tragen das rezessive Allel. In der Tabelle werden sie zusätzlich noch durch eine Hintergrundfarbe hervorgehoben. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

206 Bei den weiblichen Gameten haben wir noch ein wenig Zufall mit reingebracht, was den eigentlichen stochastischen Charakter der Vererbungs-Vorgänge ein wenig andeuten soll. Zählt man nun die F1- Allel-Kombinationen durch dann kommen wir exakt zu den Häufigkeiten, wie sie das HARDY- WEINBERG-Gleichgewicht gebracht hat. h A A A A A A A A A a a A AA AA AA AA AA AA AA AA Aa Aa A AA AA AA AA AA AA AA AA Aa Aa A AA AA AA AA AA AA AA AA Aa Aa A AA AA AA AA AA AA AA AA Aa Aa A AA AA AA AA AA AA AA AA Aa Aa a Aa Aa Aa Aa Aa Aa Aa Aa aa aa A AA AA AA AA AA AA AA AA Aa Aa A AA AA AA AA AA AA AA AA Aa Aa a Aa Aa Aa Aa Aa Aa Aa Aa aa aa A AA AA AA AA AA AA AA AA Aa Aa Die Berechnungen nach HARDY-WEINBERG bzw. eine passende graphische Lösung kann man nun für mehrere nachfolgende Generationen machen. Dabei ergibt sich ein einfacher Graph: Allel-Häufigkeit 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Allel A Allel a Generationen Es ergibt sich keine Veränderung, was auch die langläufige Bezeichnung als Gleichgewicht erklärt. Wendet man dagegen eine stochastische Simulation (Monte-Carlo-Methode) an, dann schwanken die Allel-Häufigkeiten mehr oder weniger stark. Je größer die simulierte Nachkommenschaft für jede Generation ist, umso näher liegt die stochastische Kurve am HARDY- WEINBERG-Gleichgewicht. h a BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

207 Die HARDY-WEINBERG-Gleichung kann trotz ihrer Gültigkeits-Beschränkung sehr gut für die Berechnung der Häufigkeiten für die einzelnen Genotypen benutzt werden. Häufig kennt man nur die Häufigkeit des homozygoten rezessiven Fall z.b. bei vielen Erb- Krankheiten. Nehmen wir z.b. die Phenylketonurie (PKU) mit einem Auftreten von 1 zu Die Frage ist nun, wiehäufig sind die einzelnen Allele in der Population verteilt? Es gelten zuerst einmal: und P? p? P p?? PP Pp Pp pp 0, Genotyp (F 1 ) Häufigkeit Anzahl PP? Pp? pp 0, Da wir die Häufigkeit der homozygoten rezessiven Fälle also berechnen: - kennen, können wir leicht Nun setzen wir diesen Wert in die erste HARDY- WEINBERG-Gleichung ein und können berechnen: P 0,99 p 0,01 P p 0,99 0,01 PP Pp 0,9777 0,0111 Pp pp 0,0111 0, Zum Schluss berechnen wir noch die Genotyp- Häufigkeiten und stellen ein passendes Zahlen- Verhältnis auf. Es ergibt sich dann nebenstehendes Schema mit entsprechenden Gameten- und Genotyp- Verteilungen. Genotyp (F 1 ) Häufigkeit Anzahl PP 0, Pp 0, pp 0, Wollen wir nun noch wissen, mit welcher Wahrscheinlichkeit eine Person (weiblich oder männlich) heterozygot ist (also praktisch ein potentieller Überträger), dann müssen die Häufigkeit nur halbieren. Dies ergibt 0,011, was nichts anderes bedeutet, als dass auf 91 weibliche oder männliche Personen ein Heterozygoter kommt. Für die verschiedensten Gen-Merkmale und genetische Erkrankungen findet Sie Informationen und Verteilungs-Häufigkeiten im Kapitel 5.3. Vererbung beim Menschen Human- Genetik. Weitere Beispiele und Zusatzinformatonen zu humangenetischen Krankheitsbildern sind in /15, S. 154 ff, 191 ff/ zu finden. Geographische, kulturelle, politische, religiöse aber auch diverse andere Gründe (millitärische Sicherheit) können Genfrequenz um ein bis zwei Zehnerpotenzen verschärfen. So kommt / kam z.b. das PELGER-Syndrom in einem Erzgebirgsdorf mit 1 : 100 vor, während normal 1 : bis 1 : beobachtet wurden. Als wirkende Ursachen sich hier geographische und religiöse Isolation zu nennen. Die moderne Medizin und Labortechnik biete viele Möglichkeiten, schon im Vorfeld schwere genetische Erkrankungen zu erkennen, bzw. bei einer gewissen Erwartungs-Chance (z.b. familiäre Vorgeschichten, Merkmals-Träger) nach ihnen zu suchen. Die genetische Familienberatung versucht mit Hilfe von Familien-Stammbäumen und Berechnungen die Wahrscheinlichkeit für genetische Schäden zu ermitteln. Dafür werden z.b. auch die HARDY-WEINBERG-Formeln verwendet. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

208 Mit Massen-Screening-Tests werden alle (freiwilligen) Personen nach bestimmten Erkrankungs-Merkmalen untersucht. Besonders erwähnenswert ist hier das seit Jahrzehnten bewährte Screening nach PKU (Phenylketonurie) zu nennen. Alle Neugeborenen sind in dieses Screening eingeschlossen. Seit einigen Jahren wird auch immer stärker auf die pränatale Diagnostik gesetzt. Hier gibt es aber wegen der Missbrauchs-Gefahr (ev. Suche nach Wunsch-Eigenschaften des Kindes) klare gesetzliche Grenzen. Verschiedene pränatal diagnostisch erfassbare Stoffwechseldefekte sind in /15, S. 172 ff/ zu finden. Aufgaben: 1. Ermitteln Sie die Verteilung der Allele für einen dominant-rezessiven Erbgang, bei dem der rezessive Phänotyp auf 250 Individuen einmal vorkommt! für die gehobene Anspruchsebene: 2. Ermitteln Sie die Verteilung der Allele für einen dominant-rezessiven Erbgang, bei dem der dominante Phänotyp bei von Individuen ausgeprägt ist! 3. In einem Lehrbuch findet man die folgende Aufgabe: In einer Generation einer Population sei das rezessive Merkmal bei 900 von Individuen vorkommend. Berechnen Sie die Verteilung der Merkmal p und q sowie die Allel-Verteilung! Ist eine solche Situation (Überzähligkeit der rezessiven Merkmals-Träger) in einer Population überhaupt möglich? Begründen Sie Ihre Meinung! Wenn das möglich ist, dann lösen Sie die Lehrbuch-Aufgabe! Wenn nicht, dann nehmen Sie den wahrscheinlichsten Fall an und lösen Sie die so korrigierte Aufgabe! (Gen-)Frequenz Häufigkeit eines Gens / Merkmalsträgers bezogen auf die Gesamtzahl der Individuen einer Population Inzidenz Häufigkeit eines Gens / Merkmalsträgers bezogen auf eine Altersklasse der Population (bzw. den Neugeborenen dieser Altersklasse) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

209 das HARDY-WEINBERG-Gleichgewicht für intermediäre Erbgänge BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

210 das HARDY-WEINBERG-Gleichgewicht für Erbgänge mit Letalfaktoren Bei manchen Erbgängen ist der homocygote rezessive Genotyp nicht Lebens-fähig. Dies wurde als Letal-Faktor schon erläutert ( letale Merkmale). Die Frage ist nun, wie beeinflusst ein solcher Faktor das HARDY-WEINBERG- Gleichgewicht bzw. kann man es überhaupt anwenden. E e E EE Ee e Ee ee ( ) Da das rezessive Merkmal in der Eltern-Generation vorhanden war (also keine Neu- Mutation), muss die Gleichung: weiterhin gelten. Für die zweite Gleichung müssen wir nun einbeziehen, dass gleich Null ist. Schließlich ist der homocygote Fall ja letal. Die Gesamt-Population (also unsere 100 %) reduziert sich um den "gestorbenen" Anteil. Damit bleibt die folgende Gleichung übrig: Zur Normalisierung auf die Gesamt-Population (100 %) dividieren wir die Gleichung durch. Der resultierende Term: kann nun für ein späteres Vereinfachen ein wenig umgeformt werden. Die ersten Kürzungen und Vereinfachungen nehmen wir aber auch hier schon vor: da: gilt: und da: sowie: Nun können die überschüssigen Teile raus gekürzt werden: Da das Allel e in der heterocygoten Kombination nur zu 50 % vorkommt, halbieren wir den mittleren Summanden noch und erhalten eine nutzbare Formel: BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

211 bzw. Für eine konkrete Berechnung zu einem bestimmten letalen Faktor brauchen wir z.b. die Sterbe- Häufigkeit. Diese entspricht ja genau der Häufigkeit für den homocygoten rezessiven Fall. Für die E? e? E e?? EE Ee Ee ee Genotyp (F 1 ) Häufigkeit Anzahl EE? Ee? ee der Einfluss der Selektion auf das HARDY-WEINBERG-Gleichgewicht Z.B. bedeutet eine genetische Fitness von 0,15 für den Genotyp ff, dass sich der Genotyp ff nur zu 15 % (also bei 15 von 100) der Nachkommen wiederfinden lassen wird. oft auch als Selektions-Vorteil S beschrieben Rückgriff auf die Aufgabe 3 von Kapitel BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

212 9.2. Verhaltens-Genetik Lern-Gene Bezüge zu Neurophysiologie ( Bahnung) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

213 10. moderne genetische Methoden, Theorien und Erkenntnisse 10.x. Züchtung basierend auf MENDELsche Regeln: Auslesezüchtung bestimmte Merkmale werden beobachtet, Tiere (Eltern) nach besonderen Ausprägungen dieser Merkmale ausgesucht; mit den Nachkommen aus der F1-Generation werden dann Rück-Kreuzungen (zumeist mit der väterlichen Linie) unternommen, um das merkmal zu stabilisieren Züchtung neuer Rassen / Sorten bei Kartoffeln dauert dies in der klassischen Form rund 10 Jahre bei Einbeziehung eines 2. oder 3. Merkmales usw. also Nutzung der 3. MENDELschen Regel spricht man von Kombinationszüchtung; gesucht wird das seltene meist vollständig rezessive Nachkommens-Induviduum bei der Mutationszüchtung werden die Eltern während der Keimzellbildung mutagenen Faktoren ausgesetzt, alle Nachkommen werden dann auf bestimmte oder zufällige Merkmale / Merkmalskombinationen / Merkmalsausprägungen hin untersucht (gescannt); dann weitere Versuche mit diesen Induviduen unter normelen Bedingungen zur Abprüfung der genetischen Veranlagung und Stabilität Vorteilhaft sind bei Pflanzen z.b. Polyploidien (entstehen bei Fehlern während der Meiose) F1-Effekt, Hybriden-Züchtung, Heterosiszüchtung: bei vielen Pflanzen (aber auch bei Tieren) sind F1-Hybriden (aus zwei Rassen / Sorten) besonders leistungsfähig, bei Verwendung der Hybriden als Saatgut etc. bilden sich in der nächsten Generation wieder F1-Hybriden und Eltern-Typen, meist geht dann der Leistungsvorteil der F1-Hybriden in der Masse unter modern Protoplasten-Fusion: nackte Zellen, denen man die Zellwände entfernt hat werden zum Verschmelzen gebracht (z.b. mechanisch über Mikro-Glaskanülen oder durch elektrische Induktion (im elektrischen Feld)) z.b. Josta-Beere: Fusionsprodukt aus Johannisbeere und Stachelbeere Gewebekulturen zur Erzeugung von Massen an Nachkommen (Klonierung) nackte oder frühe Zellstadien werden zur Teilung angeregt; aus der Gewebekultur werden Einzelzellen oder kleine Gewebefragmente entnommen und auf Nährböden (unter sterilen Bedingungen) mittels Hormone zur Ausbildung von Wurzeln und Trieben angeregt; Setlingen werden dann ausgepflanzt; praktisch nur bei Pflanzen realisiert (Erdbeeren, viele andere Kulturpflanzen (z.b. für Gewächshäuser)) künstliche Besamung Embryo-Transfer BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

214 10.x. Klonen Klonen bedeutet ursprünglich Aufsetzen, Aufpfropfen. Pflanzen-Züchter beherrschen die Technik des Pfropfens schon seit vielen Jahrhunderten. Dabei werden "edle" Knospen oder Zweige auf "unedle" Zweige oder Stämme gesetzt. Der unedle Unterbau zeichnet sich meist durch bessere Wurzelbildung und Stamm-Stabilität aus, während die edlen Teile bessere Früchte tragen. Die meisten unserer Obst-Gehölze sind so entstanden. Auch bei den Rosen- Züchtern wurde die Veredlung bis zur Perfektion getrieben. Beim Pfropfen handelt e sich um eine vegetative also ungeschlechtliche Vermehrung. Andere Formen des natürlichen "Klonens" sind die Bildung von Auslegern (z.b. Erdbeeren) oder Seiten-Trieben (z.b. Himbeeren). Aber auch Tiere beherrschen die ungeschlechtliche Fortpflanzung, wenn es darum geht in kürzester Zeit viele gleichartige Nachkommen zu erzeugen. Die Invasionen von Blattläusen in unseren Gärten oder landwirtschaftlichen Flächen sind die Resultate einer extremen ungeschlechtlichen Vermehrung. Wie die Blattläuse, so erzeugen auch die Wasserflöhe, unter günstigen Umweltbedingungen Hunderte bis Millionen von Nachkommen aus unbefruchteten Eiern. Da keine männlichen Partner für diese Form der Vermehrung notwendig und alle Nachkommen den Müttern genetisch und phänologisch äquivalent sind, nennt man diese Art der Vermehrung Jungfernzeugung. Alle Nachkommen der "Jungfern" sind genetische Klone. Erst unter schlechter werdenden Umwelt-Bedingungen nehmen die Weibchen die aufwändigere geschlechtliche Fortpflanzung auf sich. Bei höheren Tieren kennt man die ungeschlechtliche Fortpflanzung nicht mehr. Aus noch nicht näher geklärten Gründen, ist für die Vermehrung hier immer die Partnerschaft zweier Geschlechter notwendig. Im Labor kann man die normalen Abläufe der Befruchtung austricksen. Durch Anstechen unbefruchteter Eizellen mit einem Platin-Draht, kann man die Zellteilung induzieren. Allerdings bilden sich auch nur haploide Organismen, die zudem auch deutlich anfälliger und instabiler sind. Meistens sterben sie frühzeitig gelang es den britischen Forschern um ein Schaf zu klonen. Dolly so wurde das Schaf getauft war damit das erste geklonte Säugetier überhaupt. aus somatischer Zelle (Euter-Zelle), durch schwache elektrische reizungen zur Zellteilung angeregt somatisches und therapeutisches Klonen 10.x. Viren die ersten Gentechniker 10.x.x. Viren gegen Krebs BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

215 spezielle Viren, die schon Millionen von Jahren im Menschen leben und nach derzeitigem Stand dort keinen Schaden anrichten, werden so manipuliert, dass sie besonders auf Krebs- Zellen ansprechen, diese werden dann zerstört wird therapeutisch mit chirurgischer Entfernung kombiniert, Entfernung konzentriert sich auf den Kern (vollständiger Durchsatz mit Krebszellen), die Randbereiche, die früher ebenfalls (großzügig) chirurgisch entfernt wurden, werden jetzt den Viren überlassen, ist weniger schädliche für das gesunde Gewebe und wesentlich gründlicher, weil Viren die Chance haben auch wirklich alle Krebs-Zellen zu finden (ist praktisch in ihrem eigenen Interesse) 10.x. Gen-Therapie 10.x.x. Gen-Therapie mit Viren aktuell große PRO- und KONTRA-Diskussion Pro: mögliche Behandlung z.b. bei fehlenden oder fehlerhaften Genen z.b. Mukoviszidose Kontra: Gefahr der Verselbstständigung der Viren human-akzeptable Viren könnten dann auch mit Fremd-Genen beim Menschen angreifen 10.x. Gen-Technik(en) TATA-Boxen klebrige Enden 10.x.x. PCR - Polymerase-Kettenreaktion polymerase chain reaction gezielte Vervielfältigung von (ausgewählten) DNA-Abschnitten mittlerweile Basistechnologie für moderne genetische Forschung und Anwendungen (genetischer Fingerabdruck, Aufklärung des menschlichen Genoms (Human Genom Project), ) BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

216 1986 von K.B. MULLIS eingeführt 1. Denaturierung des DNS-Stückes (Spaltung der Stränge) (bei 94 C) 2. Anlagerung eines Primer mit einer speziellen oder definierten Nucleotid-Sequenz (Oligonucleotid) (bei 70 C) 3. Nachbildung des fehlenden Strangs ausgehend vom Primer (Verlängerung der Primer) (gearbeitet wird mit der DNS-Polymerase thermostabiler / thermophiler Bakterien (aus heißen Quellen)) 4.weiter mit 1. bis genug Material für die Untersuchungen vorhanden ist (üblich: 25 Runden) exponentielle Vermehrung des gewünschten DNS-Abschnittes heute arbeitet man in den Laboren mit automatisierten Geräten, welche die Temperatur- Wechsel automatisch nach einem Zeit-Programm vornehmen und so völlig selbsttätig DNS- Stücke kopieren können Aufgaben: 1. Von einem Tatort wurde eine DNA-Probe entnommen. Diese enthält DNA von drei Personen (Täter, Opfer und Zeuge). In den folgenden Betrachtungen wird davon ausgegangen (theoretisch), dass jeweils 2 DNA-Moleküle von jeder Person in der genommenen Probe enthalten sind. Wieviele DNA- Abschnitte sind nach einer typischen Polymerase-Kettenreaktion von den einzelnen Personen in der Proben-Flüssigkeit enthalten? Begründen Sie Ihre Aussagen hinsichtlich der Anzahl und zum Vorhandensein der einzelnen DNA-Abschnitte (für Täter, Opfer und Zeuge)! 10.x.x. Aufklärung der Nucleotid-Sequenzen / Aminosäure-Sequenzen 10.x. der genetische Fingerabdruck (DNA-Fingerprint) vor über 25 Jahren am 12. August 1988 das erste Mal ein Vergewaltiger und Mörder in Deutschland mittels genetischem Finger-Abdruck überführt, hat dann gestanden (eine Nutzung des genetischen Fingerabdrucks als Gerichts-verwertbarer Beweis in diesem Fall deshalb nicht notwendig) weil die Leiche einige Tage alt war, konnte keine direkte Überprüfung mehr durchgeführt werden, Sperma-Spuren waren damals nur wenige Tage nutzbar BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre

217 10.x. Aufklärung der vollständigen Erbinformationen 10.x.1. Nachweis von Mutterschaft und Vaterschaft Vaterschafts-Tests sind heutzutage ein Standard-Verfahren. In Fällen von toten, irgendwo abgelegten Säuglingen werden aber auch Nachweise von Mutterschaften gefordert. Prinzipiell ist dabei zu beachten, dass immer jeweils nur die Mutter- oder Vaterschaft einer Person getestet wird. Besonders gut funktioniert der Nachweis, wenn vom anderen Elternteil eine DNA-Probe vorliegt. Aber auch der einfache Test ist schon sehr aussagekräftig. Mittels einfacher Vortests kann schon mal eine grobe Aussage getroffen werden. Hierzu gehört z.b. ein Blut-Gruppen-Abgleich. Wie wir schon gesehen haben, sind bei bestimmten Eltern-Blutgruppen nur bestimmte Kinds-Blutgruppen möglich ( Vererbung der Blutgruppen beim Menschen). Besteht nach solchen Vortests überhaupt die Möglichkeit einer Elternschaft, dann kann mit Hilfe der PCR-Kettenreaktion genug genetisches Material für eine Elektrophorese hergestellt werden. In der Gel-Elektrophorese werden dann die DNS-Fragmente aufgrund von verschiedenen Eigenschaften (vorrangig Größe und Ladung) getrennt. Da sie unterschiedlich schnell und weit im Gel wandern, entstehen Banden von DNA-Fragmenten, die dann nach einem Färben (mit Ethidiumbromid) per UV-Licht sichtbar gemacht werden. Heute verwendet man auch andere Farbstoffe, da Ethidiumbromid giftig ist und als cancerogen / Frucht-schädigend gilt. Leider sind diese noch sehr viel teuerer, was ihren Masseneinsatz erschwert. Ethidium-Ion Q: de.wikipedia.org (NEUROtiker) Passen ausreichend viele Banden mit dem Material des Probanden zusammen, dann kann mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit von einer Elternschaft ausgegangen werden. BK_SekII_Biologie_Genetik.docx (c,p) lsp: dre