Die Zelle 3. Teilung und Vererbung

Transkript

1 Die Zelle 3. Teilung und Vererbung Film und Beitrag: Anita Bach Inhalt Der Zellzyklus ist ein komplexer Prozess. Eine Gruppe Schüler will mehr darüber wissen und begibt sich auf die Suche. Unter dem Mikroskop betrachten die Jugendlichen Zellen der Zwiebel, das Blatt der Wasserpest und Schleimhautzellen des Menschen. Dann werden Informationen über Mitose und Meiose, Aufbau und Verdopplung der DNS, die Proteinbiosynthese und die Mendelschen Regeln gesammelt. Einblick in den Schaltplan des Lebens Besuch bei einem Genetiker: Er zählt die Chromosomen des Menschen auf dem Bildschirm und ordnet sie paarweise einander zu. Dann wird am Beispiel der Taufliege Drosophila und einer Maus gezeigt, wie Mutationen zustande kommen und wie sie sich auswirken können. Personen mit Down-Syndrom über ein zusätzliches Chromosom - das Chromosom 21 ist dreifach existent ("Trisomie 21"). Wenn das Erbgut geschädigt wird Dann werden die Gefahr mutagener Stoffe für den Menschen verdeutlicht. Wir zeigen auch, was geschehen kann, wenn die UVStrahlen der Sonne zur DNA der Hautzellen gelangen. Am Ende des Films wird die Frage nach der Bedeutung von Mutationen für die Evolution gestellt. Fakten Ein Chromosom zu viel Feinbau der DNS Die Genommutation beim Menschen ist ein weiteres Thema der Sendung. Wir erläutern sie mit Blick auf das Down-Syndrom, das nach dem englischen Mediziner John Langdon Haydon Down ( ) benannt ist. Anstatt der "ordnungsgemäßen" 23 Chromosomenpaare in allen menschlichen Zellen verfügen Der Feinaufbau der DNS wurde durch die Wissenschaftler James Watson und Francis Crick entschlüsselt. Die Baueinheit der DNA ist ein Nukleotid. Dies ist ein Phosphat, gebunden an einen Zucker, der Desoxyri1

2 bose. An der Desoxyribose ist eine organische Base angehängt. Die Desoxyribose eines kann sich mit dem Phosphat eines anderen verbinden. Auf diese Weise entsteht ein Strang, dessen Abfolge PhosphatZucker-Phosphat-Zucker usw. ist. In die Mitte ragen die Basen, die mit dem Zucker verbunden sind. Aus diesen Bestandteilen leitet sich auch der Name DNA für Desoxyribonukleinsäure (im englischen: Säure = acid) ab. Am Aufbau der DNA sind vier verschiedene Basen beteiligt: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Jede davon kann an die Desoxyribose gebunden sein. Die DNA besteht jedoch nicht aus einem Strang. Jeder DNA-Strang hat ein Pendant. Dessen Rückgrad besteht wieder aus der Abfolge von Phosphat-Zucker-Phosphat-Zucker... Die Basen in der Mitte passen jedoch nicht beliebig zusammen. Nur Adenin bildet mit Thymin zwei Wasserstoffbrücken aus und Guanin mit Cytosin drei Wasserstoffbrücken. Diese Basen sind zueinander komplementär. Die DNA ist also ein Doppelstrang, der einer gleicht. Die Holme bestehen aus der Phosphat-ZuckerAbfolge, die Sprossen der Leiter aus den komplementären Basen. Zur weiteren Stabilität des Erbfadens ist er noch schraubenförmig gedreht, dadurch entsteht eine Schraube, eine sogenannte Doppelhelix. In einem Karyogramm reiht man alle Chromosomen ihrer Größe nach auf. Vollzieht man dies mit allen im menschli chen Erbgut vorhandenen Chromosomen, zeigt sich, dass der Mensch über 23 homologe Chromosomenpaare verfügt. wenn der Körper wachsen soll oder Zellen erneuert werden müssen. Denn jeder Mensch wächst von der Befruchtung ab von einer Zelle bis auf mehrere Billionen Zellen. Mitose und Meiose Setzt man sich mit Zellteilung auseinander, muss man streng zwischen der Teilung von Körperzellen und der von Keimzellen unterscheiden. Jede Körperzelle muss über die gleiche Anzahl Chromosomen verfügen. Wenn sich eine Zelle teilt, bleibt also die Anzahl der Chromosomen erhalten. Zu den Keimbahnzellen gehören Eizelle bzw. Samenzelle, aus deren Kombination wieder ein neues Leben entsteht. Hier ist es wichtig, dass jeweils die Hälfte der Chromsomen an die nächste Generation weitergegeben wird. Ansonsten würde sich die Anzahl der Chromosomen von Generation zu Generation aufsummieren und nicht konstant bei 46 gehalten werden. Der Vorgang der Zellteilung von Körperzellen heißt Mitose, der von Urkeimbahnzellen, die in den Geschlechtsorganen liegen und aus denen Keimzellen hervorgehen, heißt Meiose. Die Mendelschen Regeln Der erste, der sich statistisch bereits 1856 mit der Vererbungslehre beschäftigte, war der Augustinermönch Gregor Mendel. Sein Untersuchungsobjekt war die Gartenerbse. Er züchtete reinerbige Linien von Gartenerbsen, die über mehrere Generationen immer nur weiße Blüten hervorbrachten oder solche, die purpurrote trugen. Einzige Ausnahme bilden die Geschlechtschromosomen XY bei einem Mann, während bei der Frau mit XX zwei echte Homologe existieren. Chromosomen sind allerdings nur sichtbar, wenn sich eine Zelle teilt. Dies ist immer dann der Fall, Nun führte er durch künstliche Bestäubung die Befruchtung der weißen mit den roten Garten2

3 erbsen herbei. Die Samen der gekreuzten Eltern brachte er aus und wartete ab, welche Blütenfarbe sie hätten. Alle Nachkommen, die erste Tochtergeneration, hatten rote Blüten! Daraus schloss er zweierlei: 1. Die rote Blütenfarbe ist dominant über die weiße. 2. Alle Nachkommen von reinerbigen Eltern sehen bezüglich eines Merkmals gleich, uniform aus. Diese Uniformitätsregel für die erste Tochtergeneration reinerbiger Eltern gilt bis heute, solange sie sich auf ein Merkmal - in diesem Fall die Blütenfarbe- bezieht. Reinerbige Eltern haben auf beiden Genen dieselbe Ausprägung des Gens. Bei der roten Blütenfarbe ist dies R/R und bei der weißen, die nicht dominant sondern rezessiv ist, r/r. Dies sind die Genotypen der Eltern. Bilden die Eltern Keimzellen, enthalten der Pollen und die Eizelle im Fruchtknoten jeweils nur ein Gen, da der Chromosomensatz in der Meiose halbiert wird. Die Pflanze mit den roten Blüten bringt deshalb nur Pollen und Eizellen mit R hervor, die Pflanze mit den weißen Blüten nur r. Werden diese nun gekreuzt, tragen die Pflanzen der Tochtergeneration den Genotyp R/r und haben das äußere Erscheinungsbild, auch Phänotyp genannt, des dominanten Elternteils. Im Unterschied zu den roten der Elterngeneration sind sie jedoch nicht R/R reinerbig, sondern R/r mischerbig. Mendel kreuzte anschließend Individuen der Tochtergeneration untereinander. Dabei zeigten einige Nachkommen dieser Generation wieder den weißen Phänotyp! Genetisch betrachtet entstehen bei den mischerbigen Pflanzen der ersten Tochtergeneration Keimzellen, die entweder R oder r haben. In der zweiten Tochtergeneration erhält man somit verschiedene Kombinationen. Reinerbige R/R und r/r -Pflanzen, aber auch mischerbige R/r. Der Phänotyp ist bei r/r weiß. Danach benannte Mendel seine Spaltungsregel die auch immer noch gilt: Nachkommen einer bezüglich eines Merkmals mischerbigen Generation spalten sich in einem bestimmten Verhältnis wieder auf. 3

4 Didaktische Hinweise Die Sendung ist für den Einsatz im Biologieunterricht ab der 9. Jahrgangsstufe geeignet. Lernziele Die Schülerinnen und Schüler sollen den Zellkern als Träger der Erbinformation kennen lernen; den Aufbau der DNS beschreiben können; Mitose und Meiose verstehen; die Proteinbiosynthese skizzieren können; Genmutation und Genommutation unterscheiden; Ursachen und Folgen von Mutationen nennen können; die Mendelschen Regeln kennen. Anregungen zur Unterrichtsgestaltung Die Sendung eignet sich besonders für den Einsatz in den 9. und 10.Jahrgangsstufen der Haupt- und Realschule. Da der Film versucht, die Grundlagen der Genetik von der Zellteilung bis zur Vererbungslehre darzustellen, sollte er am Stück nur dann eingesetzt werden, wenn die Schüler bereits Grundwissen haben. Er könnte dann als Zusammenfassung dieser Unterrichtseinheit dienen. Die Sendung ist klar gegliedert, so dass sie im Unterricht auch abschnittweise eingesetzt werden kann. Zu den einzelnen Abschnitten könnten folgende Fragen ausgegeben werden. Zur Festigung des Lernstoffs könnten jeweils Arbeitsgruppen gebildet werden, die jeweils das Genetik-Domino spielen. 1. Verschiedene Zellen, Bauplan einer pflanzlichen bzw. einer tierischen Zelle Welche Bestandteile einer pflanzlichen Zelle lassen sich im Mikroskop erkennen? Welche Zellbestandteile findet die Schülerin in der Sendung beim Mikroskopieren der Zelle der Wasserpest, die in der Zwiebelzelle nicht vorhanden sind? Wie ist eine tierische Zelle aufgebaut? Welche Zellen werden im Film erwähnt? Worauf können menschliche Zellen spezialisiert sein? 2. Chromosomen und DNS Wie viele Chromosomen sind in einer menschlichen Zelle? (Arbeitsblatt 1) Wie ist ein Chromosom aufgebaut? Was ist ein Gen? Woraus besteht die DNS? Wie ist die Struktur der DNS? Was versteht man unter dem genetischen Code? 3. Zellteilung, Mitose und Meiose (Arbeitsblatt 2) Was geschieht mit den Chromosomen bei einer Zellteilung? Was geschieht mit den Chromosomen bei der Meiose? In welchen Zellen findet die Meiose statt? Wie unterscheiden sich Mitose und Meiose? Was bedeutet: die DNS kopiert sich selbst? 4

5 4. Vererbung Woher stammt die Information für die Produktion von Proteinen im Zellplasma? Wie ist der Verlauf der Proteinbiosynthese? Woran liegt es, dass Kinder Ähnlichkeiten mit ihren Eltern, Geschwistern oder auch Großeltern haben? Wer war Gregor Mendel? Womit hat Gregor Mendel experimentiert? Was hat Gregor Mendel bei seinen Kreuzungsversuchen beobachtet? Wie lässt sich erklären, dass Kinder ihren Großeltern ähnlich sehen? Was bedeutet die Aussage: die rote Blütenfarbe ist dominant, weiß ist rezessiv? 5. Mutationen Welche Mutationen werden im Film gezeigt? Was ist eine Genmutation? Wie kommt eine Genmutation zustande? Was ist unter Genommutation zu verstehen? Welche Krankheiten haben ihre Ursachen in einer Mutation? Wodurch können Mutationen ausgelöst werden? Welchen Sinn könnten Mutationen haben, die positiv für ein Individuum sind? Internettipps Anleitung zum Mikroskopieren Informationen zur Genetik Gregor Mendel Kommentartext Mikroskopische Untersuchungen haben dazu beigetragen, den Aufbau von Lebewesen zu verstehen. Pflanzen, Tiere und Menschen bestehen aus Zellen. Die Zellen sind spezialisiert auf ganz unterschiedliche Aufgaben im Organismus. Die Zwiebelzellen dienen als Speicher und sorgen für Festigkeit. Mit unseren Sinneszellen im Auge, im Mund und in der Nase, oder auch im Ohr können wir bestimm te Reize aus der Umgebung wahrnehmen, sehen, schmecken, riechen oder hören. Sinneszellen in der Haut lassen uns fühlen. Dank der Muskelzellen können wir uns bewegen. Nervenzellen leiten Reize zum Gehirn weiter, wo sie verarbeitet werden. Menschliche Schleimhautzellen aus der Mundhöhle helfen mit bei der Verdauung. Für die Fortpflanzung haben wir Geschlechtszellen. - Wird eine Eizelle von einer Samenzelle befruchtet, entsteht durch viele aufeinander folgende Teilungen ein Keim aus lauter gleichen Zellen, daraus entwickelt sich zunächst ein Embryo und schließlich ein Mensch. In ihrem Bauplan gleichen sich die Zellen von Mensch und Tier. 5

6 Die äußerste Hülle ist die Zellmembran. Das Innere bilden die Zellflüssigkeit, das Zellplasma und der Zellkern. Über die zahlreichen Poren in der Kernmembran steht der Zellkern mit dem Zellplasma in Verbindung. Im Inneren des Kerns befinden sich die Chromosomen. Die Träger der Erbanlagen. Jedes Lebewesen besitzt in seinem Zellkern eine bestimmte Anzahl von Chromosomen. Genetiker können diese sichtbar machen. Der Mensch besitzt 46 Chromosomen. Sie lassen sich paarweise zuordnen. Die Chromosomen 1 bis 22 sind doppelt vorhanden, - jeweils eines vom Vater und eines von der Mutter, hinzu kommen zwei Geschlechtschromosomen, 2 x bei der Frau oder X und Y beim Mann. Jedes Chromosom besteht aus 2 Chromatiden die am so genannten Centromer zusammengehalten werden. Grundbestandteil ist ein schraubig gewundenes Riesenmolekül, die Desoxyribonucleinsäure, kurz: DNS. Bestimmte Abschnitte darauf bilden die Gene. Durch besondere chemische Verfahren können Genetiker Zellen so aufschließen, dass die DNS sichtbar wird.- Alle Zellen enthalten in ihrem Kern die gleichen Chromosomen, dieselbe DNS.- Und das ist der Faden, an dem alles Leben hängt, die Information zum Überleben. Etwa 2 Billionen Zellen besitzt ein Kind zu Beginn seines Lebens- etwa 100 Billionen, wenn es erwachsen ist. Wächst der Organismus, vermehren sich die Zellen indem sie sich teilen. Zu Beginn jeder Zellteilung sind die Chromosomen sichtbar. Zwei Pole bilden sich. Die Hülle um den Zellkern löst sich auf. So genannte Spindelfasern ziehen die Chromosomen in die Mitte des Zellkerns. Nun werden die Chromatiden in entgegen gesetzte Richtung auseinander gezogen und zum vollständigen Chromosom ergänzt.- Um jeden der neuen Kernbereiche entsteht eine neue Hülle zwei neue Zellen. Damit nicht beide Eltern ihre gesamten Chromosomen an ein Kind weitergeben und damit es nicht zu einer Verdopplung kommt, wird die Anzahl der Chromosomen bei der Entstehung von Ei- und Samenzellen, in den Geschlechtsdrüsen von Mann und Frau halbiert. Hier findet die Meiose statt. Die Kernmembran löst sich auf, wie bei der Mitose, doch dann: der Unterschied. Die Chromosomen ordnen sich paarweise in der Äquatorialebene an. Von den Spindelfasern werden sie nun auseinander gezogen. Die neuen Kernbereiche bilden sich. Die auf diese Weise neu entstehenden Zellen, die Ei- bzw. Samenzellen enthalten nur die Hälfte der Chromosomen der Ausgangszelle. Wie die Grundsubstanz der Chromosomen, die DNS aufgebaut ist, haben 1953 die Engländer James Watson und Francis Crick herausgefunden. Wie eine schraubig gewundene Strickleiter sind chemische Moleküle miteinander verbunden. Die Holme bestehen aus Phosphorsäure und Zuckermolekülen - der Desoxyribose- im Wechsel, die Sprossen werden gebildet von vier so genannten Basen, wobei jeweils die Base Adenin und Thymin und Guanin und Cytosin sich miteinander paaren. Bei jeder Zellteilung- bei Pflanzenzellen, genauso wie bei tierischen Zellen, wird eine exakte Kopie der DNS an die Tochterzellen weitergegeben. Dazu öffnet sich mithilfe eines Enzyms der Doppelstrang wie ein Reißverschluss. - An jedem Einzelstrang, der als Vorlage dient, wird dann der zweite Strang ergänzt- Die DNS kopiert sich selbst.-- So entstehen zwei völlig identische D N S-Doppelstränge, die wieder zu Chromatiden verpackt werden. Dass Kinder Ähnlichkeiten mit ihren Eltern haben und sich Geschwister gleichen, das liegt auf ihren Genen. Ihr Bauplan, wie auch der von Tier oder Pflanze, steckt verschlüsselt in der Abfolge der Basen der DNS. Für die Herstellung arteigener Proteine in den Zellen wandert eine Kopie der DNS aus dem Zellkern ins Zellplasma, Je drei der Basen bilden ein Basentriplett und stehen jeweils für eine bestimmte Ami 6

7 nosäure. Diesem genetischen Code entsprechend werden Aminosäuren, die aus dem Zellplasma hierher transportiert werden, der Reihe nach zu einem Protein verbunden. Aus nur 20 verschiedenen Aminosäuren stellt der Körper alle seine Proteine her. Proteine sind nicht nur beteiligt am Aufbau und der Farbe der Haare oder der Haut, als Enzyme oder als Hormone sind sie wichtige Regulatoren im Stoffwechsel. Es ist der Code in den Genen, der die Vielfalt der Organismen bedingt, Der bestimmt, ob jemand weiß oder schwarz, groß oder klein ist. Wer Tiere oder Pflanzen züchtet, will bestimmte Merkmale weitervermehren und lässt passende Männchen und Weibchen sich miteinander paaren. Für Tauben gelten da die gleichen Gesetze wie für Hühner und alle Tiere und Pflanzen. Solche planmäßigen Paarungen nennt man Kreuzungen. Die Vererbung von Merkmalen von den Eltern auf die Nachkommen folgt festen Regeln. Der wohl bekannteste Vererbungsforscher war in der Vergangenheit der Augustinerpater Gregor Mendel. Um 1860 baute Mendel in seinem Klostergarten verschiedene Sorten von Erbsen an. Er experimentierte mit grünen und gelben Erbsen. Gregor Mendel kreuzte die Erbsen, indem er die Pollen einer rotblütigen Pflanze auf die Narben einer weißblütigen übertrug und umgekehrt. Das Ergebnis überraschte: die Nachkommen blühten einheitlich rot. Die Anlage für weiße Blüten trat zurück, sie wurde offensichtlich von der Anlage für rote Blüten überdeckt, rot war dominant. Mendel kreuzte die Erbsen der 1. Tochtergeneration untereinander, jetzt kamen die Eigenschaften der Großeltern wieder zum Vorschein. Die Pflanzen waren mischerbig und trugen auf ihren Chromosomen beide Anlagen. Rot dafür steht groß R - war dominant, weiß- klein r- war rezessiv. Manchmal kann es auch sein, dass Merkmale oder Eigenschaften auftreten, die in früheren Generationen nie vorhanden waren. Derartige Abweichungen im Erbgut heißen dann Mutationen. Bei dieser Maus wurde die Entwicklung der Wirbelsäule beeinflusst. Das Röntgenbild zeigt die vermehrte Anzahl der Schwanzwirbel. Mutationen sind in den seltensten Fällen positiv für den Betroffenen. Schon wenn nur ein einzelner Baustein der DNS verändert wird, kann ein Gen eine andere Bedeutung bekommen. Ist ein Fehler in der DNS, wird dieser Fehler übertragen und hat Auswirkungen auf die Proteinbiosynthese. Durch nur eine veränderte Base kann sich der Codebegriff ändern. Bei der Proteinbiosynthese wird dann an dieser Stelle eine andere Aminosäure in das Protein eingebaut. Die Folge: Der Bau und die Funktion eines Proteins werden dadurch wesentlich verändert. Die Veränderung eines einzelnen Buchstaben kann den Sinn einer Aussage vollständig ändern. In einem Gen, ähnlich wie in diesem Satz. Auf einer Genmutation beruhen zum Beispiel auch die weiße Fellfarbe bei Mäusen, weiße Glockenblumen. Genmutationen sind für Genetiker ein interessantes Forschungsgebiet. Gut erforscht sind diese Chromosomen, sie gehören der Fliege Drosophila, man nennt sie auch Tau- oder Fruchtfliege. Unter den Nachkommen normal rotäugiger Fliegen traten plötzlich Fliegen mit weißen Augen auf. Die Ursache fanden die Forscher in der Veränderung eines Gens. Eine Genmutation führte zu der veränderten Augenfarbe. Oft sind Mutationen harmlos oder werden in der Zelle repariert. Manche Mutationen aber können schwere Erkrankungen zur Folge haben. Sie sind Ursache für zahlreiche Erbkrankheiten. Eine der bekanntesten ist die sog. Rot-Grün-Sehschwäche. 7

8 Menschen mit dieser Krankheit sehen die Farben Rot und Grün lediglich als Grautöne. Bei ihnen ist ein Gen für die Bildung bestimmter Sinneszellen des Auges defekt. Kinder mit dem so genannten Down-Syndrom haben ein überzähliges Chromosom in ihren Körperzellen. Genetiker sprechen von einer Genommutation. Davon Betroffene haben ein besonderes Aussehen und sind zeitlebens behindert. - Werden diese Kinder besonders gefördert, können sie beim Lernen dennoch beachtliche Erfolge erzielen. Betrachten Genetiker die Chromosomen der Körperzellen eines Menschen mit Down-Syndrom unter dem Mikroskop, stellen sie fest: wie bei jedem Menschen sind die Chromosomen paarweise vorhanden. - Nur das Chromosom mit der Nummer 21 liegt dreifach vor. Mutationen entstehen im Erbgut der Zellen oft spontan. Sie können aber auch durch Umwelteinflüsse ausgelöst werden. Beispielsweise kann die UV-Strahlung der Sonne sich erbgutverändernd auf die Hautzellen auswirken. Dann ist nicht nur ein Sonnenbrand die Folge. Die Zellen werden dauerhaft geschädigt. Melanome entstehen - Hautkrebs - und der ist lebensgefährlich. Auch mutagene Verbindungen schaden dem Erbgut. Man fand eine ganze Reihe davon im Tabakrauch, auch Alkohol gehört dazu. Mutationen müssen nicht, aber sie können den Tod für die Zellen bedeuten. Ist eine Mutation zufällig vorteilhaft, weil zum Beispiel ein Insekt mit einem längeren Rüssel ausgestattet ist und sich dadurch eine neue Nahrungsquelle erschließt, kann das Individuum einen evolutionären Vorteil erlangen. Vererbt werden Mutationen nur, wenn sie in den Keimzellen stattfinden. Sie sind der Rohstoff für die Evolution und haben den Artenreichtum auf der Erde erst ermöglicht. 8