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Grundlagen der Genetik - Vom Zellkern zu den Mendelschen Regeln

1. Der Zellkern als Träger der Erbinformation
1.2 Der Aufbau der Tierischen Zelle
1.3 Der Aufbau des Zellkerns
- Kernhülle
- Kernkörperchen
- Chromatin
2. Die Mitose
3. Die Meiose
4. Die Mendelsche Regeln ( schwerpunkt )
4.1 Johann Gregor Mendel
4.2 Dominante bzw. Rezzessive Vererbungen
4.3 Die mendelsche Regeln
4.4 Die Rückkreuzung
5. Quellenkatalog






Grundlagen der Vererbungslehre

1.Der Zellkern als Träger der Erbinformationen
Der Zellkern wurde 1828 von Robert Brown entdeckt. Der kugelförmige Zellkern, auch Nukleus genannt, ist das größte Zellorganell in der Zelle. Er besteht aus einer, durch Kernporen durchbrochene Kernhülle. Durch diese Poren können Stoffe zwischen Zelle und Kern ausgetauscht werden. Im inneren befinden sich die RNA und DNA. Mit ihrer Hilfe steuert der Zellkern die Stoffwechselvorgänge in der Zelle.

1.2 Der Aufbau der Tierischen Zelle:










1.3 Aufbau des Zellkerns:

Kernhülle: Der Zellkern ist von einer Doppelmembran umhüllt. Sie ist durch mehrere tausend regelmäßig verteilte Kernporen durchbrochen. Über diese steht das Zellkerninnere mit dem Zellplasma in Verbindung. Diese Bauweise der Kernhülle erlaubt den leichten, schnellen Stoffaustausch zwischen Zellkern und Zellplasma. Zugleich schirmt sie das Erbgut wirksam gegen Störungen von außen ab.

Kernkörperchen: Im Zellkern sind dunkle Kernkörperchen oder Nucleolen. Sie sind die Bildungsorte für sie Ribosomen. Diese werden dann ins Zellplasma transportiert. An ihnen geht die Herstellung aller Proteine einer Zelle vonstatten.

Chromatin: Der Zellkern ist von einem fädigen Netzwerk durchzogen. Man bezeichnet dieses Grundgerüst des Zellkerns als Chromatin. Diese Chromatin faden sind die Träger der Erbanlagen. Sie nehmen nur während der Kernteilung eine klar umgrenzte Gestalt an und werden dann Chromosomen genannt. Die menschliche Körperzelle enthält 46 Chromosomen. In ihnen sind alle Merkmale des Menschen gespeichert. Die Chromosomen kommen in zwei Gestalten und Formen vor:
1.in der Arbeitsform und
2.in der Transportform
In der Arbeitsform wird die Erbinformation im Zellkern abgelesen und wird im Zellplasma verwirklicht, sie liegen nur als dünne Fäden vor und sind nicht sichtbar. In der Transportform, also während der Zellteilung, ziehen sich die Fäden zusammen, verdichten und formen sich. Ein Chromosom besteht aus zwei längshälften, die an einer Stelle durch das Centromer verbunden werden.





Chromosomen trifft man immer zu zweit, also paarweise, an. Man nennt sie auch ein homologes Chromosomenpaar. Es gibt immer eins von der Mutter und eins von dem Vater. Daher sind in einer Zelle immer die Erbanlagen von Mutter und Vater vorhanden. Welches Merkmal sich dann im Endeffekt im Phänotyp (z.b Haarfarbe, Augenfarbe,...) zeigt, liegt daran, ob das Merkmal dominant oder rezessiv vererbt wird.








Die Mitose

Menschen, Tiere und Pflanzen bestehen aus vielen Milliarden Zellen, die zu Organen und Geweben mit unterschiedlichen Aufgaben zusammengelagert sind. Alle Zellen gehen durch Zellteilung aus.
Bereits vor Beginn der Mitose haben die Chromosomen ihre Substanz verdoppelt: Jedes Chromosomenpaar besteht aus zwei identischen Hälften, den Chromatiden. Ausgehend von den Zentriolen bildet sich ein Apparat aus Spindelfasern. Diese Fasern wachsen in der Metaphase in Richtung des Zelläquators und heften sich an die Chromatiden. Anschließend verkürzen sich die Spindelfasern in der Anaphase und von jedem Chromosom wird dadurch jeweils ein Chromatid zu einem der Zellpole gezogen. In der Interphase beginnt der Zellkörper um jede der Chromatiden eine neue Kernmembran entstehen zu lassen. Zwei Tochterzellen sind entstanden; die Chromosomen werden nun unsichtbar.

Dieser gesamte Vorgang dauert etwa zwei Stunden, im Verlauf von weiteren sechs bis zwölf Stunden verdoppelt sich die Substanz der Chromosomen erneut. Bei menschlichen Zellen kann der Vorgang sogar bis zu 22 Stunden dauern. Die neuen Zellen können sich nun wie gesagt, genau der gleichen Teilung widmen wie sie entstanden sind, doch nun sind es zwei Zellen sind die sich auf's neue teilen. Die S-Phase, die schon vor der Mitose geschieht, ist die Verdopplung der Chromatiden und ist für die Mitose sehr wichtig, da sonst ja keine neue Zelle entstehen kann.













Die Meiose

Die Meiose besteht aus zwei Teilungsschritten. Zunächst wird wie bei der Mitose die DNA verdoppelt, so dass jedes Chromosom aus zwei Chromatiden besteht. Bei der Reduktionsteilung, werden die Homologen Chromosomen paarweise angeordnet und schließlich mit Hilfe des Spindelapperates voneinander getrennt und zu den gegenüberliegenden Zellpolen gezogen. Nach der Durchschnürung der Zelle sind zwei haploide Zellen entstanden, die folglich nur noch einen einfachen Chromosomensatz erhalten. Das heißt 23 Chromosomen. Die zweite Reifeteilung verläuft wie eine Mitose. Es erfolgt die Trennung der Chromatiden. Das Ergebnis der Meiose sind vier haploide Tochterzellen, die sich zu Keimzellen weiterentwickeln. Bei der Befruchtung entsteht eine Zygote mit diploidem Chromosomensatz.
Die Meiose dient der Bildung haploider Keimzellen. Aber bei der Reduktionsteilung entstehen auch Zellen mit unterschiedlichen Chromosomenkombinationen .Dadurch kommt es bei einer Meiose zu einer Neukombination der Chromosomen. Man spricht von Rekombination. Die Rekombination ermöglicht die Entstehung von Individuen mit Unterschiedlichen Eigenschaften.









4.Die Mendelschen Regeln

4.1 Johann Gregor Mendel:
Johann Gregor Mendel, der Begründer der Genetik, wurde vor mehr als 175 Jahren in Heinzendorf geboren. Er besuchte das Gymnasium in Obmütz. 1843 trat er in das Augustinerkloster in Brünn ein, wo er von den Mönchen den Beinamen "Gregor" erhielt. Das Kloster und der Abt erkannte seine Begabung auf dem Gebiet der Naturwissenschaften und förderten ihn. So erfuhr er viel über Biologie, Chemie und Physik, und beschäftigte sich auch mit der Veredlung von Pflanzen und künstlicher Befruchtung. Seine wichtigste Versuchspflanze war die Erbse, weil sie eine kurze Generationsfolge hatte, preiswert und leicht zu bekommen war. Damit wollte er die Eigenschaften der unter diesen kontrollierten Bedingungen gezeugten Nachkommen vergleichen. Hierbei bezog er sich auf die Merkmale Blütenfarbe, Struktur der Samenschale und Wuchsform. Die Ergebnisse wertete er statistisch aus und leitete von den gewonnenen Zahlenverhältnissen die drei nach ihm benannten Gesetze ab. Seine Arbeit wurde in der Fachwelt jedoch nicht anerkannt und seine Bemühungen wurden als Quacksalberei abgetan. Er schrieb Versuchsprotokolle über die Züchtung von Hybriden, die in der Botanik als Bastarde bezeichnet werden, und schickte sie an den bekannten Professor Naegli, der die Protokolle zunächst nicht akzeptierte. Doch 1865 wurden die Ergebnisse gedruckt und veröffentlicht. Als Mendel 1868 zum Abt im Augustinerkloster gewählt wurde, hatte er nur noch wenig Zeit für die Forschungsarbeiten. Johann Gregor Mendel starb am 6. Januar 1884 in Brünn. Das Mendel bei seinen Versuchen mit Erbsen sehr viele Proben ausgezählt hat, kommt uns heute zugute; er experimentierte mit etwa 10.000 Proben und kam trotz Ungenauigkeiten zu sicheren Ergebnissen, über die er genau Buch führte. Ausserdem stellte er die "3 Mendelschen Regeln der Genetik" auf. Mit ihnen konnte Mendel als einer der ersten erklären, nach welchem Muster, Eigenschaften der Eltern an ihre Nachkommen weitergegeben werden - dies bezieht sich sowohl auf Pflanzen, Menschen als auch auf Tiere.





Mendelsche Regel, "Uniformitätsregel": Kreuzt man zwei reine Rassen einer Art miteinander, so zeigen alle Mischlinge der 1. Tochtergeneration (F1-Generation) das gleiche Aussehen.

Mendelsche Regel, "Spaltungsregel": Kreuzt man die Mischlinge der F1-Generation unter sich, so spaltet die F2-Generation in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf. Dabei treten die Merkmale der Parentalgeneration wieder auf.

Mendelsche Regel, "Unabhängigkeitsregel": Kreuzt man Rassen, die sich mehreren Merkmalen unterscheiden, so werden die einzelnen Anlagen unabhängig voneinander vererbt.
später noch genauer!

4.2 Dominante / Rezzessive -Vererbung:
Mendel prägt die Begriffe "dominant" und "rezessiv" - diese Eigenschaften von Genen spielen bei der Vererbung von Merkmalen eine entscheidende Rolle. Gene kommen in Körperzellen in der Regel in Paaren vor. Ihre Kombination bestimmt die Ausprägung eines Merkmals.
"Dominant" ist ein Gen, wenn seine Wirkung die eines rezessiven Gens überwiegt. Es wird mit einem großen Buchstaben dargestellt: A
"Rezessive" Gene werden umgekehrt von dominanten unterdrückt - ihre Merkmale sind nur dann sichtbar, wenn zwei rezessive Gene alleine kombiniert werden. Sie werden mit kleinen Buchstaben dargestellt:a.
Die Kombination zweier dominanter Gene würde man demnach als AA aufschreiben, zweier rezessiver als aa, ihre Kombination als Aa. Neben der dominant-rezessiven Vererbung, bei der sich die Eigenschaften eines Elternteils durchsetzen, gibt es noch die intermediäre - hierbei nimmt der Nachkomme eine Mittelstellung ein. Im Laufe der Entwicklung kann die Dominanz wechseln, zudem ist sie vom Einfluß anderer Gene und von Umweltfaktoren abhängig. Darüber hinaus gibt es Übergangsfälle zwischen dominant-rezessiver und intermediärer Vererbung.

4.3 Die mendelsche Regeln
Das Uniformitätsgesetz:
Die Nachkommen homozygoter (also gleicherbiger, reinrassiger) Individuen sind untereinander gleich. Bei dominant-rezessiver Vererbung gleichen die Nachkommen oft völlig einem Elternteil, da sich nur das dominante Gen durchsetzt - die Merkmale des rezessiven sind zwar im Erbgut vorhanden, kommen jedoch in dieser Generation nicht zur Ausprägung. Mendel entwickelte das Gesetz durch Experimente mit rot (AA) und weiß (aa) blühenden Erbsen. Die direkten Nachkommen werden F1-Generation genannt, was für 1. Filialgeneration steht und 1. Tochtergeneration bedeutet. Diese Erbsenpflanzen waren nicht rosa (was auf eine intermediäre Vererbung hingedeutet hätte), sondern wiesen nur rote Blüten (Aa) auf, da dieses Merkmal dominant vererbt wird. Nachkommen von zwei homozygoten Partnern, die sich genetisch in mindestens einem Merkmal unterscheiden, werden heterozygot (verschiedenerbig) genannt. Sie werden auch als Bastarde oder Hybriden bezeichnet. Kreuzt man Individuen, die sich in nur einem Merkmal unterscheiden, spricht man von einem monohybriden Erbgang, bei zwei Merkmalen von einem dihybriden und so weiter.



2. Das Spaltungsgesetz:
Die Nachkommen einer Kreuzung mischerbiger Individuen sind nicht mehr gleichförmig, sondern spalten ihr äußeres Erscheinungsbild in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf. Mendel kreuzte die Pflanzen der F1-Generation untereinander. In der folgenden F2-Generation traten neben den roten wieder weiße Blüten auf, und zwar im Verhältnis 3:1. Somit konnte Mendel beweisen, dass die Information für die weißen Blüten nicht verloren gegangen war, sondern nur von dem roten Merkmal überdeckt wurde. Hierbei kann man unterscheiden zwischen dem phänotypischen (also auf das Aussehen) bezogenen und dem genotypischen (auf die Gene bezogenen) Verhältnis. Phänotypisch beträgt es 3:1, da statistisch drei der vier Nachkommen rote Blüten haben. Genotypisch jedoch ist das Verhältnis 1:2:1, denn auf eine homozygot rote Pflanze kommen zwei heterozygote, bei denen sich nur das dominante Gen durchsetzt, und eine homozygot weiße. Kreuzte Mendel die weißen Nachkommen nur untereinander weiter, blieben die Blüten weiß. Erst wenn er eine rotblütige Pflanze dazu nahm, trugen die Nachkommen erneut auch rote Blüten. Das Spaltungsgesetz besagt demnach, dass die Nachkommen einer Kreuzung mischerbiger Individuen nicht mehr gleichförmig sind, sondern ihr äußeres Erscheinungsbild in einem bestimmten Zahlenverhältnis aufspaltet. Dieses Verhältnis ist von Faktoren wie dem Erbgang und den Merkmalen der Elternpflanzen abhängig. Aus dieser Entdeckung konnte Mendel wichtige Informationen über die Gene als Träger des Erbgutes ableiten, zum Beispiel: Erbträger können anwesend sein, ohne ausgeprägt zu werden Gene wirken in den Bastarden zwar zusammen, verschmelzen aber nicht miteinander zu etwas ganz anderem, da sie ja wieder aufgespalten werden können Gene müssen in den Körperzellen reinrassiger Individuen doppelt (diploid) vorhanden sein, in den Keimzellen aber nur einfach (haploid), damit sie sich in den Nachkommen neu kombinieren können.




3. Das Gesetz der freien Kombinierbarkeit der Gene:
Mendel untersuchte nicht nur ein Merkmal - die Blütenfarbe - an den Erbsenpflanzen, sondern zudem noch sechs andere. Damit konnte er herausfinden, ob die Erbanlagen einer Rasse mit all ihren Ausprägungen (Größe, Wuchsform, Farbe etc.) eine Einheit bilden, oder ob sie auf einzelnen Genen liegen und somit frei kombinierbar sind. Mendel kreuzte Pflanzen, die sich in mehreren Merkmalen voneinander unterschieden (in der Abbildung ist es ein dihybrider Erbgang) und fand heraus, dass die Merkmale sich mischten: die Nachkommen einer roten, großen Pflanze und einer weißen, kleinen konnten sowohl rot und klein als auch weiß und groß werden. Diese Kombinierbarkeit ist jedoch nur möglich, wenn die Merkmale auf verschiedenen Chromosomen liegen, was bei der Erbse der Fall war. Die phänotypischen Ausprägungen liegen hierbei in einem jeweils speziellen Verhältnis vor.



4.3 Rückkreuzung:
Um zu klären, ob reinerbige oder
mischerbige Erbsen vorliegen, führt man
eine Rückkreuzung mit dem eindeutig homozygoten, rezessiven
Elternteil durch
1.Möglichkeit:












Ergebnis: Individuen, die bei der Rückkreuzung im Erscheinungsbild dominante und rezessive Nachkommen haben, sind Mischerbig

2.Möglichkeit:










Ergebnis: Individuen, die nach der Rückkreuzung alle dasselbe Erscheinungsbild haben, sind Reinerbig.

5.Quellenkatalog
http://biologie.blog.de/2010/10/05/zellteilung-stadien-mitose-9494650/
http://www.hausarbeiten.de/faecher/vorschau/100235.html
http://www.frustfrei-lernen.de/biologie/gregor-johann-mendel-mendelsche-gesetze.html
http://www.u-helmich.de/bio/gen/reihe1/karte110.html
http://de.wikipedia.org/wiki/Meiose
Natura/Biologie für Gymnasien/Kurstufe/Klettverlag
Linder/Biologie/Metzlerverlag
http://www.google.de/imgres?imgurl=http://www.frustfrei-lernen.de/images/biologie/mendel-4.jpg&imgrefurl=http://www.frustfrei-lernen.de/biologie/unabhaengigkeitsregel.html&usg=__6MIh7dZe8Sa8aU7ZKq_hY_niCyo=&h=261&w=302&sz=21&hl=de&start=0&sig2=qU2gL1yb-1w8_1Qhbvy0sg&zoom=1&tbnid=TlNSvP9P_MUeZM:&tbnh=126&tbnw=177&ei=Yp0VT8K-CJOosgbwr6yrBQ&prev=/search%3Fq%3Dunabh%25C3%25A4ngigkeitsregel%26um%3D1%26hl%3Dde%26biw%3D1600%26bih%3D778%26tbm%3Disch&um=1&itbs=1&iact=hc&vpx=420&vpy=172&dur=1009&hovh=208&hovw=241&tx=119&ty=120&sig=116150433113896890128&page=1&ndsp=38&ved=1t:429,r:2,s:0&biw=1600&bih=778
http://www.tagseoblog.de/google-ehrt-gregor-mendel-mit-erbsen-doodle

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