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NORDRHEIN-WESTFALEN ZENTRALABITUR 2012

Biologie Grundkurs Abitur Zusammenfassung der relevanten Themen

Autor: Christoph Hocks

NORDRHEIN-WESTFALEN ZENTRALABITUR 2012

Biologie Grundkurs Abitur Zusammenfassung der relevanten Themen

Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks

Inhaltsverzeichnis 1. DNA als Erbträger: Struktur und Funktion ...................................................................... 4 a. Experiment von Griffith (1928) und Avery (1944): Ansatz, Ergebnis, Aussage ........ 4 b. Regeln von Chargaff .................................................................................................... 5 c. DNA-Strukturmodell: Molekularer Aufbau (Bausteine, molekulare Anordnung, Polarität, etc.) .................................................................................................................... 5 d. Entwicklung des Doppelhelixmodells von Watson und Crick ................................... 6 2. Die DNA-Replikation ........................................................................................................ 7 a. Replikationsmodelle: konservativ, semikonservativ, dispers ................................... 7 b. Experimenteller Beweis für den Replikationsmodus: das Meselson-StahlExperiment ......................................................................................................................... 8 c. Ablauf und Enzyme der Replikation ........................................................................... 9 3. DNA-Analyse / DNA-Isolierung ...................................................................................... 11 a. Organisations- und Verpackungsebenen der DNA, Transportform versus Arbeitsform der DNA ....................................................................................................... 11 b. Erforderliche Maßnahmen zur Isolierung pflanzlicher DNA aus Tomate einschließlich der Bedeutung der Schritte und Chemikalien ......................................... 13 c. Die Polymerasekettenreaktion (PCR): Ablauf, Voraussetzungen, Anwendungen . 13 d. Sequenzierung von DNA: biochemische Reaktionen, Ablauf, Ergebnis ................. 15 e. Gelelektrophorese .................................................................................................... 16 4. Proteinbiosynthese ....................................................................................................... 16 a. Bau und Funktionen von RNA (mRNA, tRNA, rRNA) ............................................... 16 b. Überblick Proteinbiosynthese .................................................................................. 17 c. Genetischer Code (Eigenschaften, Code-Sonne) ..................................................... 17 d. Transkription (Phasen, Vorgänge, beteiligte Moleküle, Enzyme) ........................... 18 e. Translation (Phasen, Vorgänge, beteilige Moleküle, Enzyme) ................................ 19

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks f.

Vergleich Replikation und Proteinbiosynthese (Unterschiede und

Gemeinsamkeiten) .......................................................................................................... 21 g. Vergleich Proteinbiosynthese bei Eukaryoten und Prokaryoten (Ort, zeitlicher Ablauf, Spleißvorgang: Introns, Exons, alternat. Spleißen) ........................................... 22 5. Mutationen.................................................................................................................... 23 a. Historische Entwicklung des Genbegriffs: Was ist ein Gen? (Begriffe: Genom, proteinkodierendes Gen, RNA-kodierendes Gen erläutern) ......................................... 23 b. Mutagene (bestimmte Strahlungsformen und Chemikalien) ................................. 24 c. Überblick Mutationstypen (Genommutationen, Chromosomenmutationen, Genmutationen) .............................................................................................................. 26 d. Verschiedene Formen der Genmutationen und ihre Auswirkungen ...................... 26 e. Mutationen auf DNA-, Aminosäuren- und Proteinebene beschreiben und ihre Auswirkungen beurteilen können................................................................................... 27 f.

Beispiele: Sichelzellanämie, Mukoviszidose ............................................................ 29

6. Genregulation................................................................................................................ 30 a. Regulation bei Prokaryoten (Operon-Modell, Substratinduktion, Endproduktrepression).................................................................................................... 30 7. Klassische Genetik, Cytogenetik, Humangenetik .......................................................... 33 a. Mendelsche Regeln der Vererbung .......................................................................... 33 b. Grundlagen: Phänotyp, Genotyp.............................................................................. 35 c. Chromosomen und Karyogramme ........................................................................... 35 d. Genommutationen/Aneuploidie: autosomale (Trisomie 21), gonosomale (Turner, Klinefelter, etc.) ............................................................................................................... 36 e. Genetische Beratung, Pränatale Diagnostik: Amniozentese, Chorionzottenbiopsie, Polkörperchendiagnostik ................................................................................................ 42 f.

Meiose, Genkopplung, Crossing-Over, Erb- / Kreuzungsschema ............................ 45

g. Die Vererbung der Blutgruppen ............................................................................... 49

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks h. Analyse von Erbgängen: autosomal-dominant, autosomal-rezessiv, gonosomaldominant, gonosomal-rezessiv ....................................................................................... 51 i.

Kenntnisse zu den im Unterricht behandelten Erbkrankheiten ............................. 53

Literatur- und Quellenverzeichnis ............................................................................................ 54

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks

1. DNA als Erbträger: Struktur und Funktion a. Experiment von Griffith (1928) und Avery (1944): Ansatz, Ergebnis, Aussage Zu dieser Zeit war bekannt, dass sich die genetischen Informationen im Zellkern auf den Chromosomen befinden. Ansatz bei Griffith. Er entdeckte zwei Stämme von Pneumokokken (Bakterien): einen krankheitserregenden (virulenten) S-Stamm (S = smooth), der mit einer Polysaccharidkapsel umhüllt, und somit vor den Verteidigungsmechanismen des Immunsystems geschützt ist, und einen R-Stamm (R = rough), der durch Mutation die Fähigkeit zur Bildung der Schutzkapseln verloren hat und somit nicht virulent ist. Er führte vier verschiedene Teilversuche aus: 1. Er injizierte Mäusen lebende R-Zellen 2. Er injizierte Mäusen lebende S-Zellen 3. Er injizierte Mäusen hitzegetötete S-Zellen 4. Er injizierte Mäusen eine Mischung aus Bakterien des R-Stammes und hitzegetöteten, und damit ebenfalls nicht virulenten, S-Zellen

Abb. 1: Versuch von Griffith

Ergebnis bei Griffith. S-Zellen töteten die meisten Mäuse, R-Zellen hingegen waren ungefährlich. Auch die abgetöteten S-Zellen waren nicht virulent. Trotzdem beide Stämme in dieser Verfassung an sich nicht virulent waren, starben die Mäuse, wenn er ihnen die Mischung der Stämme injizierte. Aussage bei Griffith. Die toten S-Zellen waren in der Lage gewesen, die Eigenschaft, Kapseln zu bilden, auf die lebenden, nicht virulenten R-Zellen zu transformieren und sie damit zu virulenten S-Zellen umzuformen. Dieser Vorgang wird Transformation genannt.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Ansatz bei Avery. Averys Versuch baute auf den Erkenntnissen auf, die Griffith gewonnen hatte. Er trennte die abgetöteten S-Pneumokokken in ihre Bestandteile (Polysaccharide, Proteine, DNA) und setzte sie jeweils einzeln Kulturen von R-Pneumokokken zu. Ergebnis bei Avery. Unter den Nachkommen der R-Pneumokokken erzeugten nur diejenigen Polysaccharidkapseln, deren Kulturen mit DNA vermischt worden waren. Er wiederholte den Versuch, behandelte die zugesetzte DNA aber zuvor mit DNA-zerstörenden Enzymen. Die Kapseln wurden nicht mehr erzeugt. Aussage bei Avery. Er bewies mit seinem Versuch, dass die Informationen für die Ausbildung bestimmter Merkmale in der DNA der Bakterien enthalten sind und in dieser Form auf andere Zellen übertragen werden können.

b. Regeln von Chargaff 1. Die Gesamtmenge der Purinbasen (A+G) in einer Probe entspricht der Gesamtmenge der Pyrimidinbasen (C+T)  A+G = C+T 2. Die Menge an Adenin stimmt mit der Menge des Thymins überein. Cytosin ist stets in derselben Menge vorhanden wie Guanin  A = T ∧ C = G 3. Das Verhältnis von (A+T) zu (C+G) ist in den DNA-Proben aus verschiedenen Organismen unterschiedlich Purinbasen sind Adenin und Guanin, Pyrimidinbasen sind Cytosin und Thymin. Dies kann man sich mithilfe des „y“ in den Pyrimidinbasen merken.

c. DNA-Strukturmodell: Molekularer Aufbau (Bausteine, molekulare Anordnung, Polarität, etc.) Bausteine der DNA. Die DNA ist ein kettenförmiges, unverzweigtes Makromolekül. Sie besteht aus Desoxyribose, Phosphorsäure und vier verschiedenen organischen Basen, die neben Kohlenstoff- auch Stickstoffatome enthalten. Die Basen unterteilen sich in Purine und Pyrimidine und paaren sich über Wasserstoffbrückenbindungen. Sie sind für den Informati-

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks onsgehalt der DNA verantwortlich. Desoxyribose bildet einen Ring aus fünf C-Atomen, Phosphorsäure wirkt als Verbindungsstück zwischen den einzelnen Desoxyribose-Molekülen.  Pyrimidine (Cytosin, Thymin) – einfacher Ring aus sechs Atomen  Purine (Adenin, Guanin) – Doppelringsystem Molekulare Anordnung. Die Kettenglieder der DNA werden Nukleotide genannt. Sie bestehen aus je einem Molekül Desoxyribose, einer Phosphatgruppe und einer der vier Basen. Verbindungen aus Desoxyribose und einer der vier Basen nennt man Nukleoside. Ein DNA-Molekül besteht aus vielen Millionen Nukleotiden, wobei die Desoxyribosen stets über eine Phosphatgruppe miteinander verbunden sind. Dies wird das Zucker-Phosphat-Rückgrat genannt, woran die Basen angehängt sind. Polarität. Die C-Atome der Pentose-Ringe werden von 1‘ bis 5‘ durchnummeriert.

Abb. 2: Aufbau der DNA

Demnach steht immer das C-5‘-Atom eines Desoxyribosemoleküls über eine Phosphatgruppe mit dem C-3‘-Atom des nächsten Zuckermolekülrests in Verbindung. Die Polarität besteht darin, dass das DNA-Molekül an seinem 5‘Ende eine Phosphatgruppe und am 3‘-Ende eine OH-Gruppe trägt.

d. Entwicklung des Doppelhelixmodells von Watson und Crick Durch die Untersuchung mit Röntgenstrahlen haben Watson und Crick erkannt, dass die DNA eine schraubenförmige Struktur (Strickleiter) haben muss. Sie nahmen an, dass zwei DNA-Ketten über die gesamte Länge des Moleküls schraubig umeinander gewunden sind, also eine Doppelhelix bilden. Als Durchmesser der Doppelhelix berechneten Sie 2nm.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Die weitere Untersuchung der Basenpaarung von Watson und Crick zeigte, dass sich Thymin mit Adenin und Cytosin mit Guanin zusammenschließen. Zwischen Adenin und Thymin bilden sich zwei Wasserstoffbrückenbindungen und zwischen Guanin und Cytosin eine stärkere Bindung mit drei Wasserstoffbrücken. Die beiden DNA-Einzelstränge sind zueinander komplementär. Die Stränge sind antiparallel, weil die 5‘ 3‘-Richtung entgegengesetzt läuft. Heute weiß man, dass die Basen der Nukleotide die Buchstaben des genetischen Alphabets darstellen. Sie kodieren die Erbinformationen durch ihre Reihenfolge.

2. Die DNA-Replikation a. Replikationsmodelle: konservativ, semikonservativ, dispers Es gibt drei verschiedene denkbare Modelle der Replikation, wobei der tatsächliche Replikationsmodus semikonservativ ist. Konservativ. Das ursprüngliche DNA-Molekül bleibt vollständig erhalten und das Tochtermolekül besteht aus zwei neu gebildeten Strängen. Semikonservativ. Es entstehen genau genommen zwei neue DNAMoleküle, die jeweils aus einem Strang der ursprünglichen DNA und einem neu synthetisierten Strang

Abb. 3: Replikationsmodelle

bestehen. Dispers. Die beiden ursprünglichen DNA-Stränge sind in Bruchstücke zerfallen und werden nach der Replikation wieder verbunden. Nach der Replikation besteht jeder der beiden DNAMoleküle aus einer gestückelten Mischung aus neuer und alter DNA.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks b. Experimenteller Beweis für den Replikationsmodus: das MeselsonStahl-Experiment Fragestellung. Meselson und Stahl wollten herausfinden, welcher Replikationsmodus beim Erbgut vorliegt, also nach welcher oben genannten Methode die DNA identisch verdoppelt wird.

Abb. 4: Meselson-Stahl-Experiment

Durchführung. Meselson und Stahl ließen Bakterien auf einem Nährboden wachsen, der das schwere Stickstoffisotop 15N enthielt. Dieses Isotop enthält ein Neutron mehr als üblich, wodurch es eine größere Masse und eine höhere Dichte aufweist. Die auf diesem Nährboden gezüchteten Bakterien enthielten so schweren Stickstoff in beiden DNA-Strängen. Durch die Dichtegradientenzentrifugation, ein physikalisches Trennverfahren, lassen sich verschieden schwere Moleküle voneinander trennen, dadurch dass die Zentrifugalkraft die schwereren weiter nach unten in das Röhrchen drückt. Bei der Zentrifugation sedimentierte sich die 15NDNA so weiter nach unten. Für die Dauer einer Zellteilung wurden diese Bakterien nun in ein Medium mit leichtem 14N-Stickstoff überführt. Anschließend ließen sie die DNA ein weiteres Mal replizieren.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Ergebnis. Die auf dem leichten Nährboden replizierte DNA war zunächst mittelschwer, d.h. die Dichte der Bakterien-DNA lag nun zwischen der schweren 15N-DNA und der leichten 14NDNA, die alten DNA-Stränge waren nicht erhalten geblieben. Nach der zweiten Replikation fanden die Forscher zwei gleich starke Banden: eine auf mittlerer Höhe und eine auf der Höhe der 14N-DNA. Aussage. Da die Bande nach der ersten Replikation in der Mitte lag zwischen schwerer und leichter DNA, muss die neu replizierte Bakterien-DNA zu gleichen Teilen aus der schweren und der leichten DNA bestehen. Die DNA-Stränge blieben nicht erhalten, die konservative Replikation war widerlegt. Eine Bande auf Höhe der 14N-DNA nach der zweiten Replikation ist nur möglich, wenn die DNA-Stränge bei der Replikation vollständig erhalten bleiben und als Vorlage zur Synthese neuer Stränge dienen. Somit war die disperse Replikation widerlegt, und die semikonservative Replikation gleichzeitig belegt.

c. Ablauf und Enzyme der Replikation Das Grundprinzip der Replikation. Die Vervielfältigung der DNA beruht auf der komplementären Basenpaarung. Dadurch, dass jede Base nur mit der jeweils komplementären Base gepaart werden kann, kann ein einzelner Strang als Matrize zur Synthese des Komplementärstranges dienen. Ziel ist die genetisch identische Verdopplung des DNA-Doppelstranges. Komponenten der Replikation. 

DNA-Strang als Matrize



Nukleosidtriphosphate (ATP, GTP, CTP, TTP)



Primer, an die die ersten Nukleotide geknüpft werden



Enzyme mit spezifischer Funktion:

Enzym Topoisomerase

DNA-Helicase

Funktion Setzt gezielt Schnitte um Entwindung zu erleichtern, verknüpft Trennstellen später wieder und verhindert Torsionen (Spannungen im Molekül) Trennung der DNA-Stränge und Entwindung des DNA-Moleküls

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Primase DNA-Polymerase III DNA-Polymerase I DNA-Ligase

Bildung der Primer Heftet in 5‘-3‘-Richtung Nukleotide an den Primer Entfernt die RNA-Primer und ersetzt sie durch Desoxyribonukleotide Schließt die Lücken zwischen den OkazakiFragmenten

Abb. 5: Die Replikation

Ablauf der Replikation. Zuerst vermindert die Topoisomerase die Verdrillung der DNA. Sie setzt gezielt Schnitte (spaltet das Zucker-Phosphat-Rückgrat), um die Entwindung der DNA zu erleichtern. Die Trennstellen verknüpft sie später wieder. Dann entwindet die DNA-Helicase den Doppelstrang und spaltet unter ATP-Verbrauch die Wasserstoffbrückenbindungen der DNA-Stränge. SSB-Proteine (single-strand binding proteins) verhindern, dass sich die Stränge nicht sofort wieder verbinden. So entsteht eine Replikationsgabel, wie beim Öffnen eines Reißverschlusses. Dies geschieht an mehreren Orten gleichzeitig, wodurch sich sogenannte Replikationsblasen bilden, die immer größer werden, bis sie verschmelzen. Nun dienen die Einzelstränge als Vorlage. Die Primase, eine RNA-Polymerase, erstellt ein kurzes RNA-Stück, das zu der DNA-Vorlage komplementär ist. Dieser Primer dient als Startpunkt für die eigentliche Replikation. Die DNA-Polymerase III setzt nun an dem Primer an und verlängert den neuen Strang in 5‘-3‘-Richtung, wobei sie im Zellplasma frei schwimmende Desoxyribonukleotide an die 3‘-OH-Gruppe des Zuckers am Ende eines wachsendes DNA-

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Stranges anfügt. Deshalb kann die Polymerase III nur an einem der beiden Stränge der Helicase folgen und ihn kontinuierlich verlängern. Diesen Strang nennt man Leitstrang. Am anderen Elternstrang synthetisieren die Polymerasen den Folgestrang von der Replikationsgabel weg. Somit muss die Polymerase am Folgestrang immer wieder direkt hinter der Helicase ansetzen und kann nur diskontinuierlich synthetisieren. Es entstehen kurze DNA-Fragmente, die man Okazaki-Fragmente nennt. Die DNA-Polymerase I ersetzt die RNA-Primer durch vollwertige Desoxyribonukleotide. Das Enzym DNA-Ligase verknüpft die Okazaki-Stücke, die nach ihrem Entdecker, einem japanischen Biochemiker, benannt sind, sodass ein zusammenhängender Strang entsteht. Wenn sich nun die Proteine entfernen, bilden sich automatisch wieder Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basenpaaren und zwei DNA-Doppelstränge, jeweils zur Hälfte aus alter und neu synthetisierter DNA bestehend, sind entstanden.

3. DNA-Analyse / DNA-Isolierung a. Organisations- und Verpackungsebenen der DNA, Transportform versus Arbeitsform der DNA Notwendige Fachbegriffe. Fachbegriff Chromosomen

Bedeutung Sind bei Eukaryoten die Träger der Erbinformationen und bestehen aus zwei identischen DNA-Doppelsträngen (Chromatiden) und Proteinen (Histone). Chromosomen können in unterschiedlicher Form vorliegen. Jede menschliche Körperzelle besitzt 23 homologe Chromosomenpaare, wobei je ein Partner der Paare von Vater bzw. von der Mutter geerbt ist.

Chromatin

Ist das Material, aus dem die Chromosomen bestehen. Es handelt sich um einen Komplex aus DNA und Proteinen, u.a. Histone.

Nukleosom

Organisationseinheit bestehend aus von

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Histonen aufgebauten Proteinkomplexen, um die die DNA gewunden ist. Histon

Stark basische Proteine, die im Zellkern Komplexe mit der DNA ausbilden und damit zur Ausbildung der typischen Chromosomenstruktur beitragen.

Ebenen der DNA-Verpackung. Die Verpackung der DNA vollzieht sich in mehreren Schritten. Zunächst bilden DNA und Histonproteine ein Nukleosom. Die perlschnurartig aufgereihten Nukleosomen lagern sich dann zu einer Faser von ca. 30 nm Durchmesser zusammen. Die 30nm-Faser kann sich ihrerseits wiederum zu übergeordneten Strukturen auffalten. Die exakte Geometrie des Chromatins jenseits der 30nm-Faser ist nicht bekannt und möglicherweise nicht genau definiert. Die höchste Verpackungsdichte erreicht das mitotische Chromosom (ganz unten), das im Verlauf einer jeden Zellteilung ausgebildet wird. Transportform versus Arbeitsform der DNA. Die als Chromosomen verdichtete DNA besitzt

Abb. 6: Verpackungsebenen der DNA

den Zweck der Komprimierung und ist als Transportform bekannt. Die DNA-Fäden des Menschen wären dekomprimiert ca. 2 Meter lang, sodass es notwendig ist, die Moleküle stark zu verdichten, um sie transportieren zu können. Muss jedoch mit der DNA gearbeitet werden, muss sie also z.B. repliziert werden, so kann die Basenabfolge nur dann abgelesen werden, wenn die DNA zuvor entspiralisiert, also entpackt wurde.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks b. Erforderliche Maßnahmen zur Isolierung pflanzlicher DNA aus Tomate einschließlich der Bedeutung der Schritte und Chemikalien Notwendige Schritte und ihre Bedeutung. 1. Wasser, Spülmittel und Kochsalz in einem Becherglas mischen. 2. Tomate verkleinern und ggf. zerdrücken, um die Zellwände der Pflanzenzellen aufzubrechen. 3. Die Tomatenstücke zur Mischung hinzugeben. Das Spülmittel bricht die Zellmembranen sowie die Zellkernwand auf, sodass die DNA freigelegt wird. Das Salz erhöht die Löslichkeit der DNA während der Präparation. 4. Erwärmen des Becherglases und der Mischung auf 60 Grad, um den Prozess zu beschleunigen und um DNA abbauende Proteine denaturieren zu lassen (DNAsen). 5. Mischung in Eisbad abkühlen lassen, um eine Schädigung der DNA zu verhindern. 6. Filtrieren der Mischung, um die festen Zellwandbestandteile von der DNA zu trennen. 7. Hochprozentiges kaltes Ethanol hinzugeben, um die DNA zu färben und sie sichtbar zu machen.

c. Die Polymerasekettenreaktion (PCR): Ablauf, Voraussetzungen, Anwendungen Voraussetzungen. Zur Durchführung der PCR benötigt man neben der zu vervielfältigenden DNA die vier Desoxyribonukleotide, zu der zu vervielfältigenden DNA passende Primer und die Taq-Polymerase, eine DNA-Polymerase III, die aus heißen Quellen gewonnen wird und so auch eine Erhitzung über 94°C übersteht. Ablauf. Die PCR ist im Grunde genommen ein künstliches Verfahren, das die Replikation nachahmt. Ein PCR-Zyklus besteht aus drei sich wiederholenden Schritten. 1. Denaturierung 2. Hybridisierung 3. Polymerisation

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Zunächst wird die Probe auf 94°C erhitzt, um eine Denaturierung der DNA zu erreichen, sodass die Doppelhelix sich trennt und Einzelstränge vorliegen. Eine normale DNA-Polymerase III würde bei dieser Temperatur auch denaturieren und unbrauchbar werden. Deshalb verwendet man die Taq-Polymerase, eine aus heißen Quellen gewonnene DNA-Polymerase III, die auch hohe Temperaturen unbeschadet übersteht. Die Probe wird auf 65°C abgekühlt um eine erneute Zusammenlagerung der Einzelstränge zu verhindern. Anschließend lagern sich die zuvor synthetisierten DNA-Primer an die Einzelstränge an, sie hybridisieren. In einem dritten Schritt erfolgt bei einer Temperatur von 72°C (Temperaturoptimum der Taq-Polymerase) die DNA-Synthese, indem die Taq-Polymerase an die Primer bindet und sie in 5‘-3‘-Richtung verlängert. Zu beachten ist, dass die Polymerase nicht stoppen kann, sodass sie einen Teil der DNA repliziert, der nicht gebraucht wird. So entstehen erst am Ende des dritten Zyklus doppelsträngige DNA-

Abb. 7: Die PCR-Methode

Stücke, die nur die Zielsequenz enthalten. Anwendungen. Das bekannteste Feld der Anwendungen ist die Kriminaltechnik. Die PCR wird eingesetzt, um eine geringe Menge gefundener DNA zu vervielfältigen und in der Lage zu sein, ein genetisches Profil des Täters zu erstellen. In der Lebensmittelanalytik kann man mithilfe der PCR fremde Gene in Lebensmitteln nachweisen und auch in der Evolutionsbiologie kommt die PCR-Methode zum Einsatz. Mit ihr kann der Verwandtschaftsgrad zwischen verschiedenen Arten und Gattungen relativ genau bestimmt werden. Auffällig ist also die Vielfalt der Möglichkeiten, die die PCR-Methode mit sich bringt.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks d. Sequenzierung von DNA: biochemische Reaktionen, Ablauf, Ergebnis Biochemische Reaktionen. Die Sequenzierung von DNA beruht auf dem Prinzip der DNAReplikation, mit dem Unterschied, dass nur ein Einzelstrang benötigt wird, der dann von der DNA-Polymerase repliziert wird. Die DNA-Polymerase III verlängert den Primer, indem sie die Desoxyribonukleotide an die 3‘-OH-Gruppe anfügt. Wenn jedoch ein verändertes Nukleotid (Didesoxyribonukleotid) eingefügt wird, bricht der Vorgang ab, denn durch die fehlende OHGruppe kann die DNA-Polymerase III keine Nukleotide mehr anfügen. Ablauf. Zunächst wird die DNA durch Denaturierung in Einzelstränge gespalten, die man dann mit radioaktiv markierten Primern hybridisiert. Diese Primer sind speziell hergestellt worden und sind komplementär zum 3‘-Ende des DNA-Stranges. Die Probe wird auf vier Reagenzgläser verteilt, wobei in jedem Reagenzglas die vier DNANukleosidtriphosphate und eine geringe Menge je eines der modifizierten Nukleosidtriphosphate enthalten. Die DNAPolymerasen III verlängern nun die Primer in 5‘-3‘-Richtung und bauen zufällig intakte oder modifizierte Nukleosidtriphosphate ein, sodass die Replikation

Abb. 8: DNA-Sequenzierung nach F. Sanger

entweder durchläuft oder abbricht. So bilden sich unterschiedlich Lange DNA-Stränge in jeder Probe. Die DNA-Stränge aus den vier Ansätzen werden dann durch parallele Gelelektrophorese aufgetrennt. Durch die radioaktiv markierten Primer lassen sich die Banden leicht sichtbar machen und durch den Vergleich der vier Bandenreihen lässt sich die Basensequenz direkt ablesen, wobei sie komplementär zur Sequenz der DNA-Matrize ist.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks e. Gelelektrophorese Die Gelelektrophorese ist ein biochemisches Trennverfahren. Dabei werden Moleküle auf einem Trägermaterial in einem elektrischen Feld getrennt. DNA-Abschnitte, die bei der DNASequenzierung entstanden sind, wandern aufgrund ihrer negativen Ladungen in dem elektrischen Feld, das in einem Gel angelegt wird, zum Pluspol zur anderen Seite des Gels. Je nach Größe der Abschnitte legen sie in einer bestimmten Zeit verschiedene Wegstrecken zurück, sodass die DNA-Fragmente aufgefächert werden. Um dann die Banden sichtbar zu machen, die die DNA-Abschnitte im Gel bilden, arbeitet man beispielsweise mit den radioaktiven Primern, oder mit Färbung durch ein Färbungsbad. Dadurch, dass die Länge der zurückgelegten Strecke abhängig ist von der Länge der DNA-Abschnitte, kann man die Reihenfolge problemlos ablesen.

4. Proteinbiosynthese a. Bau und Funktionen von RNA (mRNA, tRNA, rRNA) RNA allgemein. Ribonukleinsäure besteht aus Ribose und einer der Basen Adenin, Guanin, Cytosin oder Uracil. RNA und ihre Funktion. Fachbegriff mRNA (messenger RNA)

tRNA (transfer RNA)

rRNA (ribosomal RNA)

Funktion Transportiert die genetischen Informationen zu den Ribosomen, den Orten der Proteinsynthese Ein Vermittler. Transportiert die Aminosäuren zu den Ribosomen und sorgt dafür, dass sie in der richtigen Reihenfolge miteinander verknüpft werden können Sie stellt neben Proteinen den Hauptbestandteil der Ribosomen dar.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks b. Überblick Proteinbiosynthese Bei der Proteinbiosynthese wird die Information, die in der Basensequenz der DNA verschlüsselt ist, in die spezifische Aminosäurensequenz von Proteinen übersetzt. Dies geschieht in zwei Schritten: 1. Transkription: die Basensequenz der DNA, die für die Bildung eines Proteins benötigt wird, wird in eine mRNA umgeschrieben, was bei Eukaryoten im Kernplasma stattfindet. 2. Translation: Die in der mRNA enthaltene Information wird an den Ribosomen im Cytoplasma in die entsprechende Aminosäurensequenz umgesetzt. DNA

TRANSKRIPTION

mRNA

TRANSLATION

Protein

c. Genetischer Code (Eigenschaften, Code-Sonne) Eigenschaften des genetischen Codes. 

Die Abfolge von drei Basen (Basentriplett, Codon) stellt die verschlüsselte Einheit zum Einbau genau einer Aminosäure in den Polypeptidstrang dar.



20 verschiedene Aminosäuren sind durch die Codons kodiert



Der genetische Code ist degeneriert, das heißt, es gibt für viele Aminosäuren mehrere verschiedene Codons



Der genetische Code ist kommafrei, das heißt, die Codons schließen lückenlos aneinander



Der genetischer Code ist prinzipiell universell, das heißt, er gilt für fast alle Lebewesen (Ausnahme: z.B. DNA der Mitochondrien)

Die Code-Sonne. Mithilfe der Code-Sonne lässt sich jedem Basentriplett der mRNA eindeutig eine

Abb. 9: Die Code-Sonne

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Aminosäure zuordnen. Die Code-Sonne gibt die Sequenz der mRNA an und wird von innen nach außen gelesen. Mit dem Startcodon AUG beginnt die Proteinbiosynthese, die StoppCodons UAA, UAG und UGA beenden sie.

d. Transkription (Phasen, Vorgänge, beteiligte Moleküle, Enzyme) Phasen im Überblick. 

Initiation



Elongation



Termination

Grundlagen. Die Gene in unserem Erbgut sind größtenteils Anleitungen für den Bau von Proteinen. Weil die Proteine jedoch in eukaryotischen Zellen im Zellplasma gebildet werden und die DNA den Zellkern nicht verlassen kann, erstellt die Zelle von den Genen Arbeitskopien. Die mRNA dient dabei als Bote zwischen Zellkern und Zellplasma. Prokaryoten benutzen dasselbe Prinzip, obwohl sie keinen Zellkern besitzen. Ablauf. Bei der Initiation bindet die RNA-Polymerase an eine Basensequenz, die den Start der Transkription markiert (Promotorsequenz). Auf den Promotor folgt entlang des codogenen (= Proteine kodierenden) Stranges in 3‘-5‘-Richtung der zu transkribierende Bereich. Die RNA-Polymerase umschließt dabei einen Bereich von etwa 30 Basenpaaren. Der DNADoppelstrang wird dann in einer Länge von ca. 15 Basenpaaren von der RNA-Polymerase aufgetrennt. Sich frei in der Zellflüssigkeit bewegende RNA-Nukleotide binden gemäß ihrer Komplementarität zufällig an den codogenen Strang, wonach sie von der RNA-Polymerase verknüpft werden. Es folgt die Elongation (Verlän-

Abb. 10: Vorgang der Transkription

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks gerung), bei der der mRNA-Strang in 5‘-3‘-Richtung verlängert wird. Dabei bewegt sich die RNA-Polymerase an der DNA entlang und bewirkt das weitere Auftrennen der Doppelhelix. Es lagern sich weitere RNA-Nukleotide an, die verknüpft werden. Der so wachsende mRNAStrang löst sich am anderen Ende der Transkriptionsblase vom codogenen Strang, sodass sich die Doppelhelix dort wieder schließen kann. Die Termination erfolgt schließlich bei der Transkription der Terminator-Sequenz, die ein Signal für die RNA-Polymerase darstellt, die Verlängerung der mRNA einzustellen. Das mRNA-Molekül löst sich schließlich von der DNA und wird von der RNA-Polymerase freigegeben. Gleichzeitig löst sich die Überdrehung der Doppelhelix, die Stränge lagern sich wieder zusammen und die RNA-Polymerase löst sich von dem DNA-Doppelstrang. Ergebnis. Die RNA-Polymerase hat eine Arbeitskopie des Bereiches erstellt, der für die Herstellung eines Proteins kodiert.

e. Translation (Phasen, Vorgänge, beteilige Moleküle, Enzyme) Phasen im Überblick. 

Initiation



Elongation



Termination



Faltung des Proteins

Grundlagen. Die Übersetzung des genetischen Codes der mRNA in eine Aminosäurensequenz nennt man Translation. Sie erfolgt in den Ribosomen (Zellorganell), die aus ribosomaler RNA (rRNA) und Proteinen bestehen. Die Aminosäuren werden von der Transfer-RNA transportiert, die in einem zweidimensionalen Schema eine typische Kleeblattstruktur aufweist, sich aber tatsächlich zu einem L-förmigen Molekül windet. An dessen langem Arm liegt das Anticodon: ein Basentriplett, das im Ribosom an ein bestimmtes Codon der mRNA bindet. Die zu diesem Codon passende Aminosäure hängt am kurzen Arm der tRNA.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Ablauf. Bei der Initiation bindet zunächst die kleine Untereinheit eines Ribosoms an eine spezifische Bindungsstelle am 5‘-Ende der mRNA. Anschließend bewegt sie sich in 5‘-3‘Richtung an der mRNA entlang, bis ein Startcodon (AUG) erreicht wird. Die sich in der Zellflüssigkeit frei bewegenden tRNAs lagern sich zufällig an die mRNA an, wobei das Anticodon komplementär zum Codon der mRNA sein muss. Sobald die Start-tRNA (mit der Aminosäure Methionin) an das Startcodon bindet, tritt die große Untereinheit des Ribosoms hinzu. Das zusammengesetzte Ribosom besitzt zwei Bindungsstellen für tRNAs, die direkt über benachbarten Basentripletts der mRNA liegen.

Abb. 11: Der Vorgang der Translation

Die Start-tRNA besetzt zu Beginn der Elongation den Ausgang P (Peptidyl-Bindungsstelle), das folgende freie Triplett liegt im Eingang A (Aminoacyl-Bindungsstelle). Hier lagert sich nun eine der mRNA komplementäre tRNA an, die mit einer entsprechenden Aminosäure beladen ist. Die beiden Aminosäuren, die an die tRNAs in P und A gebunden sind, werden durch eine Peptidbindung miteinander verknüpft. Die Bindung zwischen der Aminosäure (Methionin) und der Start-tRNA wird aufgelöst und die freie tRNA verlässt den Ausgangsbereich. Sie kann im Zellplasma erneut mit der dazugehörigen Aminosäure beladen werden. Das Ribosom bewegt sich anschließend um ein Basentriplett weiter in 5‘-3‘-Richtung, sodass der Eingangsbereich, also die Aminoacyl-Bindungsstelle frei wird und eine weitere dem Codon des Basentripletts im Eingangsbereich tRNA binden kann. So bewegt sich das Ribosom an der mRNA entlang, wobei kontinuierlich neue Aminosäuren von tRNAs hinzugefügt werden und die Aminosäurenkette wächst, bis das Ribosom ein Stoppcodon (UAA, UAG, UGA) erreicht. Die Termination beginnt, denn für die Stoppcodons gibt es keine tRNA mit komplementärem Anticodon. Befindet sich also ein Stoppcodon im Eingangsbereich A, so besetzt statt der tRNA ein Enzym, der so genannte RF (release factor) den Eingang A. Er spaltet das fertige

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Polypeptid von der letzten tRNA. Es trennt sich außerdem das Ribosom von der abgelesenen mRNA und zerfällt wieder in seine Untereinheiten. Die mRNA wird früher oder später in ihre Einzelnukleotide zersetzt. Es folgt die Faltung des Proteins. Hierbei nimmt das freigesetzte Polypeptid seine spezifische Raumstruktur ein. Ergebnis. Die durch die Basenfolge der mRNA kodierten Informationen wurden übersetzt und als Bauanleitung eines Proteins genutzt.

f. Vergleich Replikation und Proteinbiosynthese (Unterschiede und Gemeinsamkeiten) Gemeinsamkeiten. Beim Vergleich der beiden Vorgänge sind kaum Gemeinsamkeiten zu finden. Bei beiden Vorgängen wird die Komplementarität der Basenpaarung ausgenutzt und in beiden Vorgängen synthetisieren Polymerasen, jedoch zu unterschiedlichen Zwecken. Die Transkription entspricht dem Prinzip der Replikation, d.h. eine DNA-abhängige RNAPolymerase verknüpft Ribonukleotide komplementär zur Vorlage der einsträngig vorliegenden DNA. Unterschiede. 1. Es wird nicht die gesamte DNA einer Zelle verdoppelt bzw. kopiert, sondern nur ein kleiner Teil, nämlich ein Gen oder ein Operon, eine kleine Gruppe von Genen 2. Bei der Replikation werden beide Stränge der Doppelhelix kopiert. Bei der Transkription wird nur von einem der beiden Stränge ein Transkript (eine Abschrift) angefertigt 3. Bei der Replikation entsteht neue DNA. Die Abschrift, die bei der Transkription entsteht, ist chemisch abgewandelte DNA, so genannte RNA 4. Bei der Replikation verbleibt die Kopie im Zellkern, bei der Transkription dagegen wandert die neu synthetisierte RNA in das Zellplasma, wo sie sich mit Ribosomen zusammenlagert 5. Durch die Synthese eines RNA-Stranges bei der Transkription wird, anders als bei der DNA-Synthese bei der Replikation, kein Primer benötigt

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks g. Vergleich Proteinbiosynthese bei Eukaryoten und Prokaryoten (Ort, zeitlicher Ablauf, Spleißvorgang: Introns, Exons, alternat. Spleißen)

Abb. 12: Vergleich der Proteinbiosynthese bei pro- und eukaryotischen Zellen

Ort. Während die mRNA bei der eukaryotischen Proteinbiosynthese nach der Transkription aus dem Zellkern heraus in das Zellplasma transportiert werden muss, um zu den Ribosomen zu gelangen, sind Transkription und Translation bei Prokaryoten nicht räumlich voneinander getrennt, da prokaryotische Zellen keine Kernmembran besitzen. Zeitlicher Ablauf. Die Translation kann bei eukaryotischen Zellen erst starten, nachdem die Transkription abgeschlossen ist. Dies ist durch die räumliche Trennung der Vorgänge bedingt. Anders bei Prokaryoten: hier beginnt die Translation bereits, während die mRNA noch transkribiert wird. Processing. Im Unterschied zu der DNA der Prokaryoten, besteht die DNA von Eukaryoten nicht nur aus Sequenzen, die für die Kodierung des Genprodukts erforderlich sind. Bei der Transkription werden so auch Sequenzen in die mRNA aufgenommen, die nicht erforderlich, also überflüssig sind. Diese Bruchstücke der mRNA werden Introns genannt, während die kodierenden Abschnitte Exons genannt werden.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Weil die mRNA der eukaryotischen Zelle noch einen Reifungsprozess durchlaufen muss, wird sie auch prä-mRNA genannt. Der Reifungsprozess, Processing genannt, beginnt damit, dass nach der Transkription am 5‘-Ende der prä-mRNA ein besonderes Nukleotid angebaut wird, die „cap“ (Kappe). Sie erleichtert die spätere Bindung der Ribosomen an die mRNA. Am 3‘Ende der prä-mRNA werden 100-200 Adenin-Nukleotide angeheftet, weshalb man von einem Poly(A)-Schwanz spricht. Er ist notwendig, weil die mRNA im Zellplasma außerhalb des Zellkerns abgebaut wird. Während der Translation wird somit der Poly(A)-Schwanz abgebaut, sodass die kodierende Sequenz verschont bleibt. Anschließend beginnt der Spleißvorgang, bei dem die Introns aus der prä-mRNA herausgeschnitten werden. Dies übernehmen spezielle Enzyme, die selbst aus RNA und Proteinen bestehen. Man nennt sie Spleißosomen. Nach dem Spleißvorgang liegt die reife mRNA vor, die nun durch die Kernporen ins Zellplasma außerhalb des Zellkerns zu den Ribosomen gelangt. Die Translation beginnt. Alternatives Spleißen. Man geht mittlerweile von weniger als 25 000 Genen beim Menschen aus. Das ist insofern paradox, als dass der menschliche Organismus mehr als 90 000 verschiedene Proteine herstellt. Durch die Intron-Exon-Struktur der eukaryotischen Gene ist alternatives Spleißen möglich, was die Variabilität enorm erhöht. Jedes primäre RNATranskript eine Gens enthält mehrere Introns. Beim alternativen Spleißen werden nicht nur die Introns, sondern Introns zusammen mit einem oder mehreren Exons aus der prä-mRNA herausgeschnitten. Das Ergebnis: mehrere verschiedene Möglichkeiten einer reifen mRNA pro Gen.

5. Mutationen a. Historische Entwicklung des Genbegriffs: Was ist ein Gen? (Begriffe: Genom, proteinkodierendes Gen, RNA-kodierendes Gen erläutern) Historische Entwicklung. In der Frühphase der Genforschung hatte man vor allem an Bakterien erkannt, dass jeder Teilschritt innerhalb einer Genwirkkette durch Enzyme katalysiert wird. Dies führte 1941 zur Formulierung der Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese. Das Gen war also nicht, wie vor dieser Zeit, als Einheit der Merkmalsausprägung definiert. Später erkannte man, dass nicht alle Gene für Enzyme, sondern auch für andere Proteine kodieren. Auch

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks sind häufig komplexere Proteine aus mehreren Polypeptidketten aufgebaut, für die jeweils ein Gen kodiert. Es folgte daraufhin die Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese. 1977 wurde jedoch auch dieses Konzept erschüttert, als revolutionäre Fortschritte in der Molekularbiologie es möglich machten, auch eukaryotische Gene zu untersuchen. Man fand auf der DNA Regionen, die nicht in eine Polypeptidsequenz übersetzt wurden, obwohl sie innerhalb der für das Gen kodierenden Regionen lagen. Dies war die Entdeckung der unterbrochenen Gene (vgl. Exons und Introns) der Eukaryoten. Man fand außerdem Gene, die die Synthese gleich mehrerer Polypeptide durch differenzielles Spleißen von einem Genort aus steuern. So kann man sagen, dass ein Gen als Abschnitt zwischen einer Promotor- und einer Terminator-sequenz definiert ist, was für viele Gene stimmt. Auch hier gibt es Ausnahmen, weshalb wir heute auf eine klare Gendefinition verzichten müssen. Man kann das Gen als Abschnitt der DNA sehen, der ein funktionelles Produkt kodiert. Das Genom. Als Genom wird die Gesamtheit der Erbanlagen eines Lebewesens bezeichnet. Es umfasst den Gesamtbestand an Basenpaaren in der DNA eines Individuums, den kodierenden (mit den Informationen für die Synthese der einzelnen Eiweiße) wie den nichtkodierenden Teil. Protein- und RNA-kodierende Gene. Wie schon bei der historischen Entwicklung ersichtlich ist, kodiert nicht jedes Gen für Proteine. Die Protein-kodierenden Gene machen nur ca. 3 % des menschlichen Genoms aus, während ca. 95 % aller Nukleotide nichtkodierend sind. Es gibt Gene, die RNA kodieren und so die Informationen für den Bau von z.B. der für den Translations-Vorgang unerlässlichen tRNA enthalten. Diese Gene nennt man RNAkodierende Gene.

b. Mutagene (bestimmte Strahlungsformen und Chemikalien) Allgemein. Die meisten Mutationen entstehen nicht durch Ablesefehler bei der Replikation der DNA, sondern sie entstehen durch äußere Einflüsse. Dazu gehören Mutagene. Das sind Stoffe, die im Erbgut von Organismen Mutationen auslösen können.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Strahlungsformen. Zu den physikalischen Einflüssen, die Veränderungen im Erbgut auslösen können, gehören energiereiche Strahlen, z. B. UV-Strahlen, radioaktive Strahlung und Röntgenstrahlen. Durch kurzwellige UV-Strahlen (z. B. Sonnen- und Höhenstrahlung) werden benachbarte Thyminbasen eines DNA-Strangs verknüpft. Diese können sich dann nicht mit den komplementären Basen Adenin paaren. Die genetische Information kann an diesen Stellen nicht mehr genau abgelesen werden. Radioaktive Strahlung und Röntgenstrahlen wirken nicht unmittelbar auf die DNA ein. Sie bilden allerdings in den Zellen sehr reaktionsfreudige Radikale, die mit der DNA im Weiteren chemische Reaktionen eingehen. Dadurch kann es möglicherweise zu Brüchen im Einzeloder Doppelstrang der DNA kommen. Die Folge können ein Basenaustausch oder der Ausfall eines Nukleotids innerhalb der DNA sein. Chemikalien. Zu den chemischen Stoffen, die Veränderungen im Erbgut auslösen können, gehören z. B. Teerstoffe, Basenanaloga und salpetrige Säure. Teerstoffe in Tabakwaren wirken krebserregend. Sie besitzen ein Molekül mit Ringsystem und schieben sich zwischen die Nukleotide. Dabei täuschen sie eine Base zu viel vor. Bei der Replikation der DNA wird an diese vorgetäuschte Base eine beliebige andere angelagert. Dieser DNA-Strang ist dadurch um ein Nukleotid länger. Basenanaloga besitzen in ihrer chemischen Struktur eine gewisse Ähnlichkeit mit den normalen Basen der DNA und können diese deshalb vertreten und sogar ein Basenpaar bilden. Bromuracil z.B. ähnelt in der Struktur den Purin- und Pyrimidinbasen. Bei der Replikation der DNA wird Thymin durch Bromuracil ersetzt, wodurch es zu einer Mutation kommen kann. Salpetrige Säure verändert in der ruhenden DNA Cytosin. Cytosin wird dadurch in Uracil umgewandelt. Dieses Uracil ist nicht mehr komplementär zu Guanin sondern zu Adenin. Kommt es zu einer Replikation der DNA, wird dann später im Doppelstrang das Basenpaar C-G durch das Basenpaar U-A ersetzt. Daraus entstehen Replikationsfehler, wodurch ein Protein wirkungslos wird.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks c. Überblick Mutationstypen (Genommutationen, Chromosomenmutationen, Genmutationen) Genommutationen. Genommutationen sind Veränderungen der Chromosomenzahl (Aneuploidie, Polyploidie). Sie können nach Nichttrennung homologer Chromosomen oder Chromatiden während der Meiose oder der Mitose auftreten, oder durch Verlust von Chromosomen. Besonders bei Pflanzen liegt oft eine Vervielfachung ganzer Chromosomensätze vor. Folgen von Genommutationen sind beispielsweise Trisomien, wie die Trisomie 21 (DownSyndrom). Chromosomenmutationen. Chromosomenmutationen sind Strukturveränderungen einzelner Chromosomen. Man beobachtet Verlust von Chromosomenteilen (Deletion), Verdoppelung (Duplikation), Hinzufügung (Insertion), Drehung um 180° (Inversion) und Translokationen von Chromosomenteilen oder ganzer Chromosomen. Folgen von Chromosomenmutationen sind beispielsweise Syndrome wie das Katzenschrei-Syndrom, dem eine Deletion zugrunde liegt. Genmutationen. Genmutationen sind Veränderungen innerhalb eines Gens, und deshalb mikroskopisch nicht sichtbar. Auch Genmutationen sind, wie bei den Chromosomenmutationen, unterteilt in Deletion, Duplikation, Insertion, Inversion und Translokation. Häufig sind Genmutationen ohne Folgen, weil sie an einer funktionell unwichtigen Stelle des Gens auftreten. Folgen von Genmutationen sind beispielsweise das Marfan-Syndrom und die Sichelzellanämie.

d. Verschiedene Formen der Genmutationen und ihre Auswirkungen Formen. Man unterscheidet zwei Formen der Genmutationen. Unter einer Punktmutation versteht man den Ersatz eines Nukleotids und seines komplementären Partners im DNAStrang. Diese Basenpaarsubstitution kann sehr unterschiedliche Auswirkungen haben. Die andere Form, eine Rasterschubmutation, liegt dann vor, wenn durch Deletion oder Insertion das Leseraster geändert wird. Da bei der Translation immer drei Basen für eine Aminosäure

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks kodieren, erfolgt durch Hinzu- oder Wegnahme von Basen eine Verschiebung des Leserasters. Auswirkungen. Rasterschubmutationen haben meist extreme Auswirkungen, unabhängig davon, ob eine Deletion oder eine Insertion vorliegt. Durch eine Verschiebung des Leserasters werden völlig andere Aminosäuren kodiert und angebaut, sodass der sinnvolle Aufbau von Proteinen kaum möglich ist. Anders ist es bei Punktmutationen. Die Auswirkungen von Punktmutationen sind vielfältig und unterscheiden sich stark. Man unterscheidet zwischen verschiedenen Formen der Punktmutation anhand ihrer Auswirkungen. Im folgenden Abschnitt sind die Auswirkungen anhand der verschiedenen Formen exemplarisch anhand eines Beispiels aufgezeigt. Formen der Punkt- und Rasterschubmutation.

mRNA Aminos. mRNA Aminos. mRNA Aminos. mRNA Aminos. mRNA Aminos. mRNA Aminos.

Beispielsatz AUG CAA GAU AAA CAU UGA Met Gin Asp Lys His * AUG CAG GAU AAA CAU UGA Met Gin Asp Lys His * AUG CAC GAU AAA CAU UGA Met His Asp Lys His * AUG CAA GAU UAA CAU UGA Met Gin Asp * AUG CCA AGA UAA ACA UUG A Met Pro Arg * AUG_AAG AUA AAC AUU GA Met Lys Lle Asn Lle

Mutationstyp Ausgangspunkt  Keine Mutation Keine Auswirkungen  Stumme Mutation (silent) Aminosäure verändert  Missense Mutation Stoppcodon eingebaut  Nonsense Mutation Insertion  Rasterschubmutation Deletion  Rasterschubmutation

e. Mutationen auf DNA-, Aminosäuren- und Proteinebene beschreiben und ihre Auswirkungen beurteilen können Anhand eines Klausurbeispiels wird die Beschreibung und Beurteilung von Mutationen im Folgenden deutlich gemacht. Gegeben ist ein DNA-Doppelstrang: 5’ C A A G T C C G A C A T 3’ [codogener gesunder Strang] 3’ G T T C A G G C T G T A 5’

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks 5’ C A A C T C C G A C A T 3’ [codogener mutierter Strang] 3’ G T T G A G G C T G T A 5’ Aufgabe: Geben Sie an, um welche Mutation es sich handelt! Vorgehen zum Lösen der Aufgabe: 1) Art der Mutation angeben (DNA-Ebene!): G zu C mutiert  Punktmutation 2) mRNA des gesunden Stranges bilden (komplementär zum codogenen Strang) 3’ G U U | C A G | G C U | G U A 5’ 4.AS

3.AS

2.AS

1.AS

3) Aminosäurensequenz aus der Codesonne ablesen M e t – S e r – A s p – L e u AUG

UCG

GAC

UUG

4) mRNA des mutierten Stranges bilden und die Aminosäurensequenz ablesen 3’ G U U | G A G | G C U | G U A 5’  M e t – S e r – G l u – L e u 4.AS

3.AS

2.AS

1.AS

AUG

UCG

GAG

UUG

5) Vergleich der beiden mRNA-Stränge und Benennung der Mutation Was verändert sich?  das dritte Basentriplett! (G A G statt G A C) Mit welchen Auswirkungen?  andere Aminosäure kodiert (G l u statt A s p) Benennung der Mutation: Missense-Mutation, da das Austauschen der Base die Kodierung einer anderen Aminosäure zur Folge hat. Wichtig: Da man die mRNA des codogenen Stranges bildet, liegt diese in 3’-5’-Richtung vor! Also muss die Aminosäurensequenz hier rückwärts bestimmt werden!  Immer in 5’-3’-Richtung

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks f. Beispiele: Sichelzellanämie, Mukoviszidose Sichelzellanämie. Bei Sichelzellanämie nehmen die Erythrocyten in sauerstoffarmem Blut eine sichelförmige Gestalt an. In dieser Form sind sie weniger elastisch, weshalb sie die Blutkapillaren verstopfen und die Organe nicht mehr ausreichend mit Sauerstoff versorgt werden. Außerdem platzen sie leichter und werden schneller abgebaut, als neue Zellen entstehen. Aufgrund des Erythrocytenmangels kommt es zur Anämie, einer verminderten Transportfähigkeit des Bluts vor allem für Sauerstoff. Die Krankheit verläuft meist tödlich. Abb. 13: Sichelzellförmige Erythrocyte

Die Verformung der roten Blutzellen wird durch eine Variante des Blutfarbstoffs Hämoglobin verursacht. Im Sichelzell-Hämoglobin ist an einer Stelle die Aminosäure Glutaminsäure gegen Valin vertauscht, somit ist Sichelzellanämie die Folge einer missensen Punktmutation. Sichelzellanämie wird rezessiv vererbt. Heterozygote sind durch das Sichelzell-hämoglobin resistent gegen Malaria, denn sobald Malaria-Erreger in die Erythrocyten eindringen, verformen sich die Zellen und Kaliumionen strömen vermehrt aus den Sichelzellen aus. Malariaerreger brauchen jedoch ein kaliumreiches Milieu. Sie können sich somit in den Sichelzellen nicht vermehren. Mukoviszidose. Mukoviszidose ist eine rezessiv vererbte Krankheit, bei der in verschiedenen Organen erhöhte Mengen sehr zähflüssiger Düsensekrete gebildet werden. Die Betroffenen leiden schon früh an Atemnot, chronischer Bronchitis und häufigen Lungenentzündungen. Hinzu kommen Mangelerscheinungen infolge von Verdauungsstörungen. Ursache hierfür ist der Defekt eines Kanalproteins für Chloridionen. Normalerweise sorgt dieser Ionenkanal dafür, dass Chloridionen zusammen mit dem Drüsensekret aus der Epithelzelle transportiert werden. Da Chloridionen osmotisch Wasser anziehen, bleiben die Sekrete dünnflüssig. So können beispielsweise Schleim, Staub und Bakterien aus der Lunge

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks befördert werden. Unterbleibt der Ionentransport, wird der Schleim dick und zähflüssig und verstopft die Bronchien. Der betreffende Ionenkanal wird mit der Abkürzung CFTR (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator) bezeichnet. Das CFTR-Gen ist auf Chromosom 7 lokalisiert. Es gibt über 600 Mutationen in diesem Gen, die zu unterschiedlich schweren Fällen von Mukoviszidose führen. In etwa 70 % der Fälle fehlen drei Nukleotide im Exon 10, was zum Ausfall der Aminosäure Phenylalanin an Position 508 des Proteins führt. Aufgrund seiner veränderten Tertiärstruktur kann das Protein das ER nicht verlassen und wird abgebaut. Andere Mutationen erlauben zwar die Herstellung des Proteins und seinen Einbau in die Zellmembran, ver-

Abb. 14: CFTR-Kanal

hindern aber ein korrektes Funktionieren.

6. Genregulation a. Regulation bei Prokaryoten (Operon-Modell, Substratinduktion, Endproduktrepression) Allgemein. François Jacob und Jacques Monod haben in den 1960er Jahren das An- und Abschalten von Genen bei Bakterien erforscht. Das Darmbakterium Escherichia coli findet in seiner Umgebung vor allem den Zucker Glucose und stellt Enzyme zum Abbau her. Überführt man solche Bakterien in ein Nährmedium mit Lactose statt Glucose, so beginnen die Bakterien nach kurzer Verzögerung, die Lactose als Energiemedium zu nutzen. Jacob und Monod schlossen daraus, dass es Gene geben muss, die für Enzym zum Abbau des seltenen Substrats kodieren, die aber normalerweise nicht in Funktion sind. Es war offensichtlich möglich,

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks bestimmte Gene an- und abzuschalten. Die beiden Forscher entwickelten ein Modell, das inzwischen durch molekularbiologische Versuche bestätigt wurde. Das Operonmodell. Zellen benötigen nur bestimmte Proteine (Enzyme) kontinuierlich, andere werden erst bei Bedarf gebildet. Dies entspricht dem Grundsatz der Ökonomie. Die Regulation der Enzymneubildung erfolgt dabei auf Transkriptionsebene. Folgende Elemente sind Teil des Modells, das Jakob und Monod entwickelten: Elemente Strukturgene Regulatorgen Repressor Operator Promotor Operon

Merkmale Enthalten die genetischen Informationen zur Bildung der Enzyme Enthält die Information zur Bildung des Repressorproteins Protein, das die Enzymsynthese unterbinden kann DNA-Abschnitt, an den das Repressorprotein reversibel binden kann DNA-Abschnitt, an den die RNA-Polymerase bindet Begriff für DNA-Abschnitt aus Promotor, Operator und Strukturgenen

Beim Lac-Operon heißen die Strukturgene, die die genetische Information zur Bildung der Enzyme enthalten, lacZ, lacY und lacA. Das 

lacZ-Gen kodiert für das Enzym β-Galactosidase, welches Lactose in Galactose und Glucose aufspaltet



lacY-Gen kodiert für das Enzym Permease, welches sich in die Zellmembran des Bakteriums setzt und für den Transport der Lactose in die Zelle hinein verantwortlich ist



lacA-Gen kodiert für das Enzym Transacetylase. Die Funktion dieses Enzyms ist zurzeit noch nicht vollständig bekannt, sicher ist nur, dass das Enzym eine Acteylgruppe auf die Lactose überträgt

Substratinduktion. Wird die Bildung eines Enzyms erst bei

Abb. 15: Vorgang der Substratinduktion

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Anwesenheit eines bestimmten Substrats (Induktor) ausgelöst, spricht man von Substratinduktion. Das Repressorprotein sitzt, gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip, an der Operatorregion und verhindert so die Transkription der Strukturgene. Es besitzt ein allosterisches Zentrum, in das sich kleinere Moleküle hineinsetzten können. Wenn die LactoseKonzentration in der Zelle steigt, steigt gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit, dass ein LactoseMolekül sich in das allosterische Zentrum des Repressors setzt. Wenn dies geschieht, verändert sich die Proteinstruktur des Repressors, der folglich nicht mehr an die Operatorregion binden kann. So fungiert Lactose als Induktor, der es möglich macht, die Strukturgene zu transkribieren. Wenn nun Lactose durch β-Galactosidase abgebaut wurde und keine weiteren Lactose-Moleküle mehr in die Zelle dringen, so wird auch die Wahrscheinlichkeit geringer, dass sich Lactose in das allosterische Zentrum des Repressors setzt. Somit wird bei abnehmender Lactose-Konzentration die Transkription der Strukturgene wieder gehemmt. Endproduktrepression. Häufig werden aber auch aktive Gene „abgeschaltet“. Die Synthese der Aminosäure Tryptophan wird beispielsweise so reguliert. Bei dieser Endproduktrepression bewirkt das Regulatorgen die Herstellung eines inaktiven Repressors. Die Transkription der Strukturgene kann also ungehindert

Abb. 16: Vorgang der Endproduktrepression

stattfinden. Das Tryptophan dient als Corepressor, d.h. wenn die Konzentration des Endproduktes Tryptophan ansteigt, so ist auch die Wahrscheinlichkeit höher, dass Tryptophan an das allosterische Zentrum eines Repressorproteins bindet. In diesem Fall wird die Struktur des Proteins verändert, sodass es gemäß dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an die Operatorregion binden kann, und die Transkription der Strukturgene verhindert wird. Dies ist, wie auch bei der Substratinduktion, reversibel.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks

7. Klassische Genetik, Cytogenetik, Humangenetik a. Mendelsche Regeln der Vererbung Mendel und die Gartenerbse. Gregor Mendel führte im 19. Jahrhundert Kreuzungsversuche mit der Gartenerbse durch. Das Versuchsobjekt erwies sich dabei als besonders geeignet. Die Gartenerbse bietet 

Einen kurzen Generationszyklus, d.h. bereits nach kurzer Zeit liegen die Nachkommen (Samen) einer Kreuzung vor



Hohe Nachkommenzahl, d.h. es liegt ausreichend großes Zahlenmaterial vor, um die Ergebnisse statistisch abzusichern



Zahlreiche, einfach zu unterscheidende Merkmale, wie z.B. Samenfarbe und –form



Die Möglichkeit der Selbstbestäubung, sodass Reinerbigkeit (Homozygotie) gewährleistet ist



Die Möglichkeit der Fremdbestäubung mit der Folge der Mischerbigkeit (Heterozygotie)

Die Mendelschen Regeln der Vererbung. 1. Uniformitätsregel: Kreuzt man zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal reinerbig unterscheiden, so sind die Nachkommen in der Tochtergeneration (1. Filialgeneration) untereinander gleich. Dabei ist es gleichgültig, welcher der beiden Rassen Vater oder Mutter angehören. 2. Spaltungsregel: Kreuzt man die Individuen der 1. Filialgeneration untereinander, so spaltet sich die

Abb. 17: Monohybrider Erbgang – 1. und 2. Mendelsche Regel

F2-Generation im Zahlenverhältnis 3:1 auf.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks 3. Unabhängigkeitsregel: Kreuzt man Individuen einer Art, die sich in mehreren Merkmalen unterscheiden, so werden die Anlagen getrennt und unabhängig voneinander vererbt. Es gilt also die Uniformitäts- und die Spaltungsregel für jedes Merkmal. Erklärung der Mendelschen Regeln. Die Entschlüsselung dieser Gesetzmäßigkeiten der Vererbung gelang Gregor Mendel durch die Erfassung der zahlenmäßigen Verteilung. Die Aufspaltung der F2-Generation im Verhältnis 3:1 lässt sich nur unter folgenden Annahmen erklären: 

Die Anlagen für Merkmalsausprägun-

Abb. 18: Dihybrider Erbgang – 3. Mendelsche Regel

gen müssen in jedem Individuum doppelt vorliegen. Heute wissen wir, dass es sich um Gene homologer Chromosomen handelt, die als Allele bezeichnet werden. Liegen gleiche Allele eines Gens vor, spricht man von Homozygotie, verschiedene Allele eines Gens führen zu Heterozygotie. 

Ein Allel kann das andere Allel in seiner Wirkung auf den Phänotyp überdecken, es ist dann dominant. Das überdeckte Allel nennt man rezessiv. Die Gesamtheit der Erbfaktoren, hier also die Allelkombinationen,

Abb. 19: Intermediärer Erbgang

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks bezeichnet man als Genotyp. Dominante Allele werden mit Großbuchstaben versehen, rezessive Allel erhalten denselben Buchstaben, jedoch kleingeschrieben. Intermediäre Erbgänge. Ist keines der beiden Allele eines Gens dominant, so liegt ein intermediärer Erbgang vor. Die Merkmalsausbildung in der F1-Generation liegt zwischen der beider Eltern. Ein klassisches Beispiel ist die Vererbung der Blütenfarbe der Wunderblume. Während die F1-Generation uniform ist, spaltet sich die F2-Generation im Geno- und Phänotypenverhältnis im Zahlenverhältnis 1:2:1 auf. Typisch ist also, dass Genotyp und Phänotyp stets übereinstimmen.

b. Grundlagen: Phänotyp, Genotyp Phänotyp und Genotyp. Unter dem Genotyp versteht man den vollständigen Satz von Genen, den ein Organismus geerbt hat. Zum Phänotyp eines Lebewesens gehören nicht nur die äußerlichen Merkmale, sondern auch Lage und Größe der inneren Organe sowie Verhaltensmerkmale und physiologische Werte wie Blutzuckerspiegel. In der Praxis bezieht man die Begriffe "Phänotyp" und "Genotyp" immer auf Teilaspekte des Organismus, und nicht auf die Gesamtheit.

c. Chromosomen und Karyogramme Chromosomen. Chromosomen bestehen aus DNA und speziellen Proteinen (siehe Organisationsund Verpackungsebenen der DNA) und sind im Zellzyklus unterschiedlich dicht gepackt. In der Metaphase der Mitose erreichen sie mit ihrer größten Dichte auch eine kennzeichnende Gestalt aus identischen Chromatiden und

Abb. 20: Karyogramm eines normalen Mannes

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks dem Centromer, der Ansatzstelle der Spindelfasern. Diploide Körperzellen des Menschen enthalten 46 Chromosomen (2n=46). Dabei wird zwischen 2 Typen unterschieden. Einerseits den Autosomen, welche sowohl in weiblichen, als auch in männlichen Zellen enthalten sind. Jeder Mensch besitzt 44 Autosomen, d.h. je 22 homologe Chromosomen von Vater und Mutter. Andererseits spezifizieren die Geschlechtschromosomen (Gonosomen) das Geschlecht des Individuums. Frauen besitzen ein aus 2 großen X-Chromosomen bestehendes Chromosomenpaar. Bei den Männern hingegen finden sich ein X-Gonosom und ein kleineres Y-Gonosom. Somit hat jeder Mensch einen gesamten Chromosomensatz von 46 Chromosomen, 44 Autosomen und 2 Gonosomen. Karyogramme. Ein Karyogramm ist die schematische Darstellung der Chromosomenpaare nach Größe und Gestalt. Dabei werden die Chromosomen (je paarweise) der Größe nach abfallend angeordnet. Anschließend folgt die Angabe der Gonosomen.

d. Genommutationen/Aneuploidie: autosomale (Trisomie 21), gonosomale (Turner, Klinefelter, etc.) Trisomie 21. Ist die beim Menschen häufigste Chromosomenstörung, der eine Genommutation, nämlich das dreifache Vorhandensein von Chromosom 21, zugrunde liegt. Neben geistiger Retardierung ist das DownSyndrom durch ein breites Spektrum von Auffälligkeiten im Kopf- und Gesichtsbereich charakterisiert. Im Vordergrund der

Abb. 21: Karyogramm bei einer Trisomie 21

inneren Organfehler stehen angeborene Herzfehler. Weiterhin sind Fehlbildungen im Bereich des Magen-Darm-Traktes charakteristisch, sowie Abnormitäten im Skelett, und viele kleinere Abnormitäten wie Ver-

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks änderungen der Hand- und Fußlinien. Leukämie im Kindes- und Säuglingsalter tritt häufig auf. Man kennt eine Reihe weiterer autosomaler Trisomien, die zur Geburt eines Kindes führen, aber im Säuglingsalter letal sind. Beispiele Hierfür sind die

Abb. 22: Typische Merkmale bei einer Trisomie 21

Trisomie der Chromosomen 13 und 18. Grundsätzlich können alle Autosomen trisom auftreten, Embryonen mit einer Trisomie der großen Chromosomen abortieren allerdings vor der Implantation in den Uterus, andere wiederum führen zu Aborten innerhalb der ersten frei Monate der Schwangerschaft. Ursache für all diese Trisomien ist ein Nichttrennen (Non-disjunction) homologer Chromosomen in der Meiose in den Keimzellen der Eltern, überwiegend in der weiblichen Meiose. Dies führt dann zu Keimzellen mit einem überzähligen Chromosom, was nach der Befruchtung schließlich in einer Trisomie resultiert. Folgende Abbildungen verdeutlichen diese Nondisjunction, wobei a) die Nichttrennung bei der 1. Reifeteilung, und b) die Nichttrennung bei der 2. Reifeteilung bei der Frau darstellt, und c) und d) das selbige beim Mann.

Abb. 23: Nichttrennung des 21. Chromosomenpaares bei 1. Reifeteilung der Frau

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Abb. 25: Nichttrennung des 21. Chromosomenpaares bei 2. Reifeteilung der Frau

Abb. 24: Nichttrennung des 21. Chromosomenpaares bei den Reifeteilungen des Mannes

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Turner-Syndrom. Beim Turner-Syndrom weisen die Körperzellen in der Regel statt der üblicherweise doppelt vorhandenen Geschlechtschromosomen nur ein Chromosom X auf. Diese als Monosomie X bezeichnete Anomalie ist nicht erblich. Die Betroffenen sind immer weiblichen Geschlechts; ihre Geschlechtsentwicklung ist jedoch durch das fehlende zweite XChromosom gestört. Die Folgen dieser Monosomie sind vielfältig. Äußerlich auffällig sind Turner-Syndrom-Patienten wegen ihrer geringen Körpergröße, einer breiten Brust, einem großen Abstand zwischen den Brustwarzen, kurzen Fingern und oft geschwollenen Händen und Füßen. Innerlich sind die Folgen unterentwickelte Eierstücke, ein Ausbleiben der Menstruation und Unfruchtbarkeit. Außerdem kann es zu folgen Problemen kommen: Herzprobleme, hoher Blutdruck, Hörprobleme, Kurzsichtigkeit, Lernschwierigkeiten, Schilddrüsenprobleme, Nierenprobleme, Diabetes, Osteoporose. Auch hier liegen die Ursachen bei einer Nichttrennung der Chromosomen während der Meiose. In den folgenden Abbildungen sind diese Nichttrennungen aufgeführt, wobei sich a) auf die Nichttrennung der Gonosomen beim Mann bezieht und b) auf die Nichttrennung der Gonosomen bei der Frau. Beides ist noch einmal unterteilt in 1. Und 2. Reifeteilung.

Abb. 26: Nichttrennung der Gonosomen bei der Keimzellenbildung des Mannes

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Abb. 27: Nichttrennung der Gonosomen bei der Keimzellenbildung der Frau

Klinefelter-Syndrom. Als Klinefelter-Syndrom werden die Auswirkungen einer angeborenen Chromosomenstörung bei Männern bezeichnet, bei der zusätzlich zum normalen Chromosomensatz 46,XY ein weiteres X-Chromosom vorliegt. Dadurch ergibt sich der Chromosomensatz 47,XXY. Mögliche Körperliche Besonderheiten sind schmale Schultern, Brüste, breite Hüften, lange Arme und Beine, dünner oder gar kein Bartwuchs, ein weibliches Muster der Geschlechtsbehaarung und kleine Hoden. In der Regel sind die betroffenen Männer unfruchtbar. Häufig treten außerdem Entwicklungsstörungen der Sprache auf, sowie Verhaltensauffälligkeiten und Kontaktarmut. Auch hier liegen die gleichen Ursachen wie bei den oben aufgeführten Erkrankungen zugrunde. Man kann das Klinefelter-Syndrom, um es sich zu merken, als Gegensatz des TurnerSyndroms sehen, denn in beiden Fällen werden körperliche Merkmale ausgeprägt, die einen andersgeschlechtlichen Phänotyp hervorrufen. Natürlich darf man dabei nicht vergessen, dass die beiden Krankheiten weitreichendere Folgen haben als äußerlich erkennbar sind. So sind Betroffene unfruchtbar und haben Probleme mit ihren inneren Organen. Folgende Abbildung verdeutlicht die Ursachen des Klinefelter-Syndroms.

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Abb. 28: Nichttrennung der Gonosomen beim Mann und bei der Frau

Andere Aneuploidien. Neben diesen gängigen Aneuploidien können noch weitere auftreten, wie folgende Abbildung verdeutlicht. Auch die Folgen einer solchen Aneuploidie ist in der Abbildung dargestellt.

Abb. 29: mögliche Kombinationen der Geschlechtschromosomen und ihre Folgen

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks e. Genetische Beratung, Pränatale Diagnostik: Amniozentese, Chorionzottenbiopsie, Polkörperchendiagnostik Indikationen. Das Risiko einer genetisch bedingten Erkrankung oder Fehlentwicklung ist nicht bei allen Elternpaaren gleich groß. Deshalb wird genetische Beratung nur bei folgenden Indikationen durchgeführt: 

Einer der Ratsuchenden ist von einer Erbkrankheit betroffen



In der Familie eines Ratsuchenden kommt ein Betroffener einer Erbkrankheit vor



Gesunde Eltern haben ein betroffenes Kind



Die Eltern haben ein erhöhtes Alter



Es liegt eine Verwandtenehe vor



Vor oder während der Schwangerschaft sind schädliche Umwelteinflüsse eingetreten

Genetische Beratung. Die genetische Beratung klärt Familien, die in die oben genannten Kategorien fallen, darüber auf, wie hoch das Risiko ist, dass die Erbkrankheit auf das Kind übertragen wird. Sie verfolgt folgende Ziele: 

Medizinische Fakten einschließlich der Diagnose, den vermutlichen Ablauf der Erkrankung und die zur Verfügung stehenden Behandlungsmethoden erfassen



Den erblichen Anteil an der Erkrankung kennen und das Risiko für die einzelnen Familienmitglieder, Träger des betreffenden Gens zu sein



Mit einem möglichen Risiko umgehen



Eine Entscheidung treffen, die ihrem Risiko, ihren familiären Zielen, ihren ethischen und religiösen Wertvorstellungen entspricht, und in Übereinstimmung mit dieser Entscheidung handeln

Diagnostik. Neben den klassischen Verfahren der Stammbaumanalyse spielt die pränatale Diagnostik eine zentrale Rolle. Man unterscheidet hierbei zwischen nicht-invasiven und invasiven Methoden. Zu den nicht-invasiven Eingriffen zählen die Ultraschalluntersuchung und die Untersuchung des mütterlichen Blutes. Invasive Eingriffe sind die Amniozentese, Chorionzottenbiopsie und Nabelschnurpunktion. Des Weiteren unterscheidet man zwischen diagnostischen Methoden bei einer bestehenden Schwangerschaft, nämlich die hier bereits auf-

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks geführten, und den Methoden bei Befruchtung im Reagenzglas. Diese Methoden sind die Polkörperchendiagnostik und die Präimplantationsdiagnostik. Ultraschalluntersuchungen. Werden im Rahmen der Vorsorgeuntersuchungen dreimal durchgeführt. Ziel ist es, den Entwicklungsstand zu beurteilen, die Lage des Fetus in der Gebärmutter und dessen Größe, sowie das Geschlecht zu bestimmen. Die Untersuchung birgt keinerlei Risiken, ist jedoch zu ungenau, um eine sichere Diagnose von Fehlbildungen zu gewährleisten. Serumuntersuchung. Bei der Serumuntersuchung des mütterlichen Blutes in der 15.-19. Schwangerschaftswoche lässt sich im Blut Alpha-Feto-Protein (AFP) nachweisen. Bei schweren Fehlbildungen der Wirbelsäule ist die Konzentration dieses Proteins höher. Beim TripleTest werden verschiedene Komponenten untersucht, er gibt Aufschluss über das Risiko für die Trisomien 18 und 21. Das geringe Risiko für Mutter und Kind geht jedoch auch mit einer schwierigen Interpretation der Testergebnisse einher. Amniozentese. Hierbei werden in der 15.-20. Schwangerschaftswoche mit einer 0,7mm dünnen Nadel, die unter Ultraschallüberwachung durch die Bauchhöhle eingestochen wird, aus der Gebärmutter etwa 20ml Fruchtwasser entnommen. Ab diesem Zeitpunkt enthält die Amnionflüssigkeit ausreichend abgelöste Zellen des Fetus. Nach 9-14 Tagen liegen dann so viele Zellen in einer Kultur vor, dass ein Karyogramm erstellt werden kann, sodass Chromosomenanomalien sicher diagnostiziert werden können. Mit molekularbiologischen Methoden lassen sich außerdem krankheitsverursachende Genmutationen di-

Abb. 30: Amniozentese

rekt feststellen. Die biochemische Analyse des Fruchtwassers erlaubt es, sehr sichere Aussagen über rezessiv vererbte Stoffwechselkrankheiten zu treffen. Allerdings ist die Methode mit einem Fehlge-

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks burtsrisiko von 0,5-1 % verbunden. Für einen Schwangerschaftsabbruch ist der Zeitpunkt zu spät. Chorionzottenbiopsie. Hierbei werden Zellen aus der sich bildenden Placenta untersucht. Sie kann bereits zwischen der 10. Und 12. Schwangerschaftswoche durchgeführt werden. Mithilfe eines 1-2mm dünnen Katheters, der i.d.R. durch die Scheide eingeführt wird, entnimmt man Chorionzottengewebe, an dem die gleichen Untersuchungen wie bei der Amniozentese sofort durchgeführt werden können. Die Aussagesicherheit gleicht sich, der Eingriff kann aber bis zu 8 Wochen früher erfolgen. Das Fehlgeburtsrisiko wurde früher mit 4-8 % angegeben, liegt jedoch bei erfahrenen Ärzten nicht höher als bei der Amniozentese.

Abb. 31: Chorionzottenbiopsie

Polkörperchendiagnostik. Bei dieser Methode werden ein oder mehrere Polkörperchen kurz vor der Befruchtung einem Gencheck unterzogen. Sie gilt als rechtlich unbedenklich, da noch kein Embryo im Sinne des Embryonenschutzgesetzes vorliegt. So wird eine chromosomale Analyse, ein Gencheck und eine biochemische Analyse veranlasst.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Präimplantationsdiagnostik. Bei der PID wird einem Embryo im Vier- bis Achtzellenstadium eine Zelle entnommen und diese den oben genannten Analysen unterzogen. Diese Methode ist in Deutschland verboten, andere Länder dagegen gestatten sie unter Auflagen.

f. Meiose, Genkopplung, Crossing-Over, Erb- / Kreuzungsschema Ablauf der Meiose. Die Meiose besteht aus zwei Reifeteilungen, die zum Ziel haben, aus dem diploiden Chromosomensatz einen haploiden Satz Ein-Chromatid-Chromosomen zu machen, damit sich der Chromosomensatz nicht von Generation zu Generation verdoppelt. Der Ablauf ist wie folgt: 1. Prophase I: In der Prophase verkürzen sich die Chromatinfäden und bilden Chromosomen (Transportform). Erst jetzt wird die Erbsubstanz auch unter dem Lichtmikroskop klar erkennbar. Die homologen (gleichartigen) Chromosomen rücken zusammen, sodass ihre Chromosomenabschnitte nebeneinander zu liegen kommen. Die beiden Chromatiden werden aber immer noch vom Centromer zusammen gehalten. Die Strahlenkörperchen (Zentriolen) wandern langsam zu den Zellpolen hin. 2. Metaphase I: Die Kernmembran löst sich auf und die homologen Chromosomen ordnen sich paarweise im Mittelbereich (Äquatorialebene) der Zelle an. Die Chromatiden werden immer noch vom Centromer zusammen gehalten. Die Zentriolen erreichen die Zellpole und Spindelfasern wachsen von den Strahlenkörperchen (Zentriolen) zu den Centromeren der Chromosomen. Jedes Centromer ist nun fest über den Spindelapparat mit einem Zentriol verbunden. 3. Anaphase I: Die Spindelfasern verkürzen sich und pro Chromosomenpaar wird je ein homologes Chromosom zu den Zellpolen hin gezogen. Welches der beiden homologen Chromosomen zum Nordpol oder zum Südpol der Zelle gezogen wird, bleibt dem Zufall überlassen. Die Zellwand verändert ihre Form, sie wird in die Länge gezogen. Der Spindelapparat wird abgebaut. 4. Telophase I: In der Zwischenzeit hat die Zellwand begonnen, sich langsam in der Äquatorialebene abzuschnüren. In jeder Polhälfte der Zelle befindet sich jetzt nur noch ein einziger Chromosomensatz zu je zwei Chromatiden. Die erste Reifeteilung ist damit abgeschlossen und an sie schliesst unmittelbar die zweite Reifeteilung an.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Die 2. Reifeteilung (Äquationsteilung) folgt dem Schema der 1. Reifeteilung (Reduktionsteilung). Die beiden sind beinahe identisch, nur werden bei der Äquationsteilung die beiden Chromatiden eines jeden Chromosoms getrennt und an die beiden Pole gezogen, sodass am Ende der Meiose vier Zellen mit je 23 Ein-Chromatid-Chromosomen entstanden sind. Folgende Abbildung soll noch einmal den Unterschied zwischen der Meiose und der Mitose darstellen:

Abb. 32: Die Abläufe von Meiose und Mitose

Es unterscheidet sich die männlichen und die weibliche Gametenbildung in der Teilung des Zellplasmas. Während beim männlichen Geschlecht in der Spermatogenese aus einer Urzelle vier Spermien reifen, entstehen bei der Oogenese der Frau durch ungleiche Teilung nur eine plasmareiche Eizelle und drei fast plasmalose Polkörperchen, die bald zugrunde gehen.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks Des Weiteren ist zu beachten, dass die meiotischen Teilungen im männlichen Organismus erst mit der Pubertät beginnen und ständig andauern, während bei der Frau in den ersten Monaten der Embryonalentwicklung aus den Stammzellen schon alle Oogonien (Ureizellen) gebildet sind und schon pränatal Oocyten 2. Ordnung vorliegen. Einen ständigen Nachschub aus Stammzellen, wie dies beim Mann der Fall ist, findet während der weiblichen Gametenbildung also nicht statt. Genkopplung. Aufschluss darüber, wie Gene auf den Chromosomen lokalisiert sind, brachten vor allem Versuche mit der Fruchtfliege Drosophila melanogaster von dem amerikanischen Biologen Thomas Hunt Morgan. In zahlreichen dihybriden Kreuzungen stellte er fest, dass bei manchen Merkmalen nur zwei Phänotypen auftreten statt vier, oder dass diese im Verhältnis zu den anderen viel häufiger sind, als nach der 3. Mendelschen Regel zu erwarten wäre. Er schloss daraus, dass bestimmte Merkmale nicht unabhängig voneinander vererbt werden. Seine Annahme, dass Gene, die immer oder bevorzugt gemeinsam vererbt werden, auf demselben Chromosom liegen, wurde eindrucksvoll bestätigt. Demnach kann man ein Chromosom auch als Kopplungsgruppe bestimmter Gene auffassen. Crossing-Over. Morgan stellte jedoch auch fest, dass gekoppelte Gene nicht immer gemeinsam vererbt werden. Führte er eine Rückkreuzung durch, kreuzte er also Individuen der Parentalund der 1. Filialgeneration miteinander, so fand er neben den beiden zu erwartenden Phänotypen noch zwei weitere. Morgan erklärte dieses Phänomen durch die Hypothese des CrossingOvers. In der Prophase I der Meiose liegen die Chromosomenpaare (jeweils als Zwei-ChromatidChromosomen) so eng aneinander (Tetrade), dass es zu Überkreuzungen von Nichtschwesterchromatiden (d.h. von väterlichen und mütterlichen Chromatiden) kommt. Dies wird Chiasma genannt. Bei der späteren Trennung der Paare

Abb. 33: Crossing-Over bei der Meiose

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks kommt es zu Crossover, d. h. zum Bruch und Über-Kreuz-Verheilung. Der Prozentsatz, mit dem Morgan in seinen Versuchen rekombinierte Eigenschaften fand, variierte je nach Merkmalspaar stark. Daraus schloss er, dass die entsprechenden Gene unterschiedliche Positionen auf dem Chromosom haben müssen: Je weiter zwei Gene auf einem Chromosom auseinanderlagen, desto wahrscheinlicher fand ein Crossing-Over statt und umso häufiger wurden diese Gene und die zugehörigen Merkmale entkoppelt. Erb-/Kreuzungsschema. Man unterscheidet zwischen verschiedenen Arten eines Kreuzungsschemas. Dabei kann man eines, oder mehrere Merkmale betrachten. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen den Aufbau eines solchen Schemas.

Abb. 34: Kreuzungsschema nach der 1. Mendelschen Regel

Abb. 35: Kreuzungsschema nach der 2. Mendelschen Regel

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Abb. 36: Kreuzungsschema nach der 3. Mendelschen Regel

Abb. 37: Kreuzungsquadrat nach der 3. Mendelschen Regel

g. Die Vererbung der Blutgruppen Allgemein. Das ABO-Blutgruppensystem wurde 1901 von Landsteiner entdeckt. Ausgangslage: Es herrschte Krieg und viele Leute benötigten Blutkonserven. Man merkte, dass viele Blutempfänger sofort starben, als man ihnen fremdes Blut gab. Man schloss daraus, dass es zu Agglutinationsreaktionen kommen kann: Zwischen den Blutkörperchen eines Menschen und dem Serum eines anderen Menschen kann es zu Verklumpungen kommen. Es gibt 4 verschiedene Blutgruppen: A, B, AB, O. Diese verschiedenen Blutgruppen beschreiben je

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks eine Oberflächenbeschaffenheit der Erythrocyten. An ihrer Oberfläche befinden sich verschiedene Antigene, welche die 4 Blutgruppen definieren. Im Serum des menschlichen Blutes befinden sich Antikörper. Sie kommen natürlich vor. Die Antikörper greifen fremde Erythrocyten an und deaktivieren sie, wodurch es zu Verklumpungen kommt.

Abb. 38: Antigen-Antikörper-Beziehung

Daraus ergibt sich die rechts zu sehende Tabelle. Das „+“ kennzeichnet eine Verklumpung. Es gibt nur Antikörper für A und B, wodurch bedingt ist, dass die Blutgruppe AB keinerlei Antikörper besitzen kann, denn sonst würden Abwehrreaktionen gegen die eigenen Erythrocy-

Abb. 39: Spender-Empfänger-System bei Blutspenden

ten erfolgen. Deshalb ist AB Universalempfänger. Die Blutgruppe 0 ist Universalspender, denn im Körper können keine Antikörper gegen sie gebildet werden. Vererbung. Bezüglich der Vererbung des ABO-Systems können wir eine Ausnahme zu den Mendelschen Regeln feststellen: die Kodominanz. Bei einem Erbgang spricht man von Kodominanz, wenn zwei oder mehr Allele im Phänotyp gleichzeitig feststellbar sind. Daneben wird von multipler Allelie gesprochen, wenn mehrere Allele einen Phänotyp bestimmen, bzw. an einem Genort vorhanden sind. Die Allele A und B werden kodominant vererbt, während das Allel 0 rezessiv ist. Im Modell kann man sich die kodominante Vererbung von A und B als intermediäre Vererbung nach Gregor Mendel vorstellen, dass also, wenn beide Allele aufeinandertreffen, keines der beiden dominiert, sondern die Blutgruppe AB entsteht. Die Allele A und B sind stets dominant gegenüber dem Allel 0, sodass alle Träger der Blutgruppe 0 homozygot sein müssen, nämlich den Genotyp 00 besitzen.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks h. Analyse von Erbgängen: autosomal-dominant, autosomal-rezessiv, gonosomal-dominant, gonosomal-rezessiv Stammbaumanalyse. Ziel der Stammbaumanalyse ist die Genotypenzuordnung bei gegebenen Phänotypen. Damit kann dann beispielsweise im Rahmen einer genetischen Beratung eine Risikoabschätzung für das Auftreten einer Krankheit vorgenommen werden. Schreibweise eines Stammbaumes. Die Aufstellung eines Stammbaumes folgt bestimmten Regeln und einer Symbolik, die international anerkannt ist. folgende Abbildung verdeutlicht die möglichen Erbgänge, und die spezifische Darstellung von Stammbäumen.

Abb. 40: Erbgänge und ihre Schreibweisen

Allgemeine Vorgehensweise. 1. Erster Blick a. Der erste Blick bei der Stammbaumanalyse sollte den Geschlechtern der Betroffenen gewidmet werden. Sind deutlich mehr Männer als Frauen betroffen, so kann dies auf eine gonosomal-rezessive Vererbung hinweisen. In diesem Falle sind mehr Männer betroffen, dass sich ein rezessives Merkmal nur dann im Phänotyp wiederfindet, wenn Homozygotie herrscht. Bei Männern ist dies automatisch der Fall, denn sie besitzen nur ein X-Chromosom.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks b. Ein zweiter Blick sollte darauf gerichtet werden, ob jede Generation betroffen ist, denn wenn dies der Fall ist, kann man auf einen dominanten Erbgang schließen, bei dem sich das Merkmal bereits ausprägt, wenn der Betroffene heterozygot ist.

2. Nach Mustern suchen a. Ist mindestens ein Kind Merkmalsträger, die beiden Eltern jedoch nicht, dann liegt eindeutig eine rezessive Vererbung vor. Die beiden

Abb. 41: rezessive Vererbung

Eltern sind heterozygot. b. Sind beide Eltern Merkmalsträger, mindestens ein Kind ist es jedoch nicht, so liegt eindeutig eine dominante Vererbung vor und die El-

Abb. 42: dominante Vererbung

tern sind heterozygot.

3. Vermutung/Hypothese

Phänotyp

autosomal rezessiv aa

dominant AA/Aa

aa

AA/Aa

AA/Aa

aa

AA/Aa

aa

gonosomal rezessiv axy aa xx Axy AA/Aa Xx/xx

dominant Axy AA/Aa xx/xx axy aa xx

Im weiteren Verlauf wird nun die aufgestellte Hypothese mithilfe der Tabelle überprüft, wobei man die fehlenden Genotypen im Stammbaum ergänzt.

Biologie Grundkurs Abitur Thema: Genetik, Autor: Christoph Hocks i. Kenntnisse zu den im Unterricht behandelten Erbkrankheiten Ausführliche Erläuterungen zu Sichelzellanämie und Mukoviszidose sind in Kapitel 5: „Mutationen“ zu finden. Hämophilie. Ist auch unter dem Namen Bluterkrankheit bekannt. Bei der Hämophilie ist ein Blutgerinnungsfaktor defekt, sodass Wunden sich nicht mehr verschließen. Bluterkranke können nach relativ harmlosen Stürzen und Stößen an Wunden oder inneren Blutungen sterben. Diese Erbkrankheit wird gonosomal-rezessiv vererbt. Rot-Grün-Blindheit. Auch diese Erbkrankheit wird gonosomal-rezessiv vererbt. Sie ist eine Störung des Farbsinns mit Schwäche bzw. vollständigem Fehlen der Wahrnehmung der Farben Grün und Rot. Für das Fehlen farbempfindlicher Zellen in der Netzhaut ist ein defektes Gen auf dem X-Chromosom verantwortlich. Chorea Huntington. Ist auch unter dem Namen Veitstanz bekannt. Diese tödliche Nervenkrankheit äußert sich durch Bewegungsstörungen und Gedächtnisschwäche, die in Demenz und Tod münden. Die Krankheit wird autosomal-dominant vererbt, und kommt somit bei allen Genträgern unweigerlich zum Ausbruch, allerdings meist erst im Alter von 40-50. Marfan-Syndrom. Auch diese Erbkrankheit wird autosomal-dominant vererbt. Sie beruht auf einem Defekt in einem Gen, das für die Bildung eines wichtigen Bestandteils des Bindegewebes verantwortlich ist. Symptome sind unter anderem verlängerte Gliedmaßen, Verformung des Augapfels und der Linse, überdehnbare Sehnen und Gelenke, sowie ein Herzklappenfehler.

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Literatur- und Quellenverzeichnis >unbekanntunbekanntunbekanntunbekanntunbekanntunbekanntunbekanntunbekanntunbekanntunbekanntunbekanntunbekanntunbekanntunbekannt