Genetik - Alles für das Abitur & Matura

Genetik für das Abitur & Matura

• Die Genetik (oder Vererbungslehre) befasst sich mit den Gesetzen und materiellen Grundlagen der Ausbildung von erblichen Merkmalen und der Weitergabe von Erbanlagen (sogenannte Gene) an die nächste Generation (Vererbung).
• Das Thema ist Bestandteil des Zentralabiturs und zudem generell interessant und wichtig, um viele Krankheiten zu verstehen, unsere Vererbung und generell, wie unsere Zellen arbeiten und aufgebaut sind.
• Auch wenn es zunächst kompliziert scheinen mag, ist es ein unfassbar vielfältiges und spannendes Lernfeld! Auf geht's mit dem Lernen. Die folgenden Folien sollen dafür eine Hilfestellung sein.
• 

Inhalte der Folien

• Die wichtigsten Begriffe & Grundlagen schnell erklärt
• Die 3 mendelschen Vererbungsregeln
• DNA/DNS
• Chromosomen
• Mitose & Meiose
• DNA-Replikation
• Diverse Lernvideos und Abfragen
• 
• Caption: Entdecke die Genetik

Die wichtigsten Begriffe der Genetik

• Allele: Die einzelne Erbanlage für ein bestimmtes Merkmal wird Gen genannt.
• Die Funktionsform eines Gens - also die Art und Weise - wie ein Gen ein
• Merkmal ausprägt bezeichnet man als Allel.
• Chromosomen: Das sind die Träger der Erbanlagen. Sie bestehen aus einem langen DNA-Faden und Proteinen.
• DNA bzw. DNS: Das ist ein in allen Lebewesen und bei einigen Viren
• vorkommendes Biomolekül und Träger der Erbinformation, also der Gene.
• Dominant: Ein Allel, welches das andere Allel komplett unterdrückt. Ein Allel
• bezeichnet eine mögliche Ausprägung eines Gens, das sich an einem
• bestimmten Ort auf einem Chromosom befindet. Bei einem
• dominant-rezessiven Erbgang setzt sich ein Allel bei der Ausprägung
• eines Merkmals gegenüber einem anderen Allel durch. Das sich
• durchsetzende Allel wird als dominant bezeichnet, das andere als
• rezessiv.
• Johann Gregor Mendel: Dies war ein Ordenspriester und bedeutender
• Naturforscher, der die nach ihm benannten mendelschen Regeln der
• Vererbung entdeckte. Er wird daher oft auch als „Vater der Genetik“
• bezeichnet.
• Parentalgeneration: 1. Generation z.B. einer Pflanze, die bei der Kreuzung von Pflanzen
• eingesetzt wurde. Dabei kann man auch von der Ausgangspflanze sprechen,
• da man von der Parentalgeneration ausgeht, um weitere Generationen zu
• bilden.
• Phänotyp: Unter dem Phänotyp versteht man das äußere Erscheinungsbild eines
• Organismus. Weißt eine Blume zum Beispiel die Farbe gelb auf, dann ist
• der Phänotyp in Hinblick auf die Farbe eben gelb.
• Reinerbig: Die Pflanzen besitzen die
• Erbinformation AA oder aa, also sind sie reinerbig. Dies bezeichnet man
• als reinerbig, da keine Mischung von Informationen stattfindet, sondern
• die gleiche Information vorhanden ist.
• Rezessiv:
• Ein rezessives Allel eines Gens kommt im Phänotyp nicht zur
• Ausprägung, da es vom dominanten Allel unterdrückt wird. Ausnahme:
• Rezessive Allele kommen im homozygoten Zustand zur Merkmalsausbildung.

Genetikgrundlagen im Erklärvideo

• Falls dir die Grundbegriffe nicht genug waren, kannst du im Video noch mehr Fakten rund um Gene, DNA und Chromosome erlernen.
• Damit solltest du nichts mehr verwechseln und verstehen, woraus die DNA besteht, welche Basen es gibt und was wofür verantwortlich ist. Auch erfährst du, wie z.B. deine Haarfarbe beeinflusst wird.
• Schau es dir jetzt an und verstehe die Hintergründe.
• https://www.youtube.com/watch?v=XmKNN5oePGo (Embed)

1. Mendelsche Regel: Uniformitätsregel

• Johann Gregor Mendel benutzte die biologisch recht einfache Erbsenpflanze, da sie viele
• Früchte führt (besonders gut für repräsentative Experimente). Er kreuzte
• Erbsenpflanzen mit weißen Blüten & Erbsenpflanzen mit roten Blüten. Die dabei herauskommenden Blüten (F1-Generation
• oder auch Tochter-Generation) wiesen rote Blüten auf.
• Schaut man sich das Ganze aus Sicht der Vererbung an, so hat die weiße
• Erbsenpflanze die Information für weiße Blüten vererbt und die rote die
• Information für rote. Normalerweise müsste man jetzt sagen: Rot und
• weiß gemischt müsste rosa ergeben. Aber warum ist das hier nicht so?
• Der Grund liegt darin, dass die rote Farbe sich durchsetzt, sie ist dominant gegenüber der weißen Farbe. Weiß ist hier rezessiv. Aus diesem Grund spricht man hier von einem dominant-rezessiven Erbgang.
• Heißt:
• Wenn reinerbige rotblühende & reinerbige weißblühende
• Individuen gekreuzt werden = alle Mitglieder der F1-Generation haben eine
• Erbanlage (ein Gen) für weiß (von einem Elternteil ) und ein Gen für rot (vom anderen Elternteil) vererbt bekommen =heterozygot.
• Trotzdem alle rotblühend = weil rot gegenüber
• weiß dominant ist.
• Die verschiedenen Formen einer Erbanlage (im
• Beispiel die Genformen für rot und weiß ) = Allele
• 
• Caption: Dominant-rezessive-Vererbung

Uniformitätsregel

• Nun kann man aber auch Pflanzen mit roten und weißen Blüten kreuzen und
• lila Blüten erhalten. Was soll denn das jetzt?
• Beim
• dominant-rezessiven Erbgang hat sich ein Merkmal durchgesetzt. Das war
• bei der oben genannten Blütenpflanze der Fall.
• Bei anderen Pflanzen,
• z.B. der Mirabilis jalapa (Wunderblume) liegt kein dominant-rezessiver
• Erbgang vor, sondern ein intermediärer Erbgang:
• Hier setzt sich
• keine Blütenfarbe durch, sondern es entsteht eine Mischform.
• Aus roten
• und weißen Blüten der Eltern werden rosafarbene Blüten der Nachkommen.
• Siehe die linke Grafik. Man beachte, dass alle
• Buchstaben für die Erbinformationen klein geschrieben sind, da kein
• dominanter Anteil vorliegt.
• Merke Regel 1: Uniformitätsregel
• Kreuzt man zwei reine Rassen einer Art miteinander, so zeigen die direkten Nachkommen das gleiche Aussehen.
• 
• Caption: Intermediärer Erbgang

2. Mendelsche Regel: Spaltungsregel

• Hier geht es nun um die Enkel. Wir kreuzendie F1-Generation untereinander und erhalten die F2-Generation (Enkel).
• Beim dominant-rezessivem Erbgang passiert folgendes: Die F1-Generation
• (Kinder) weisen Erbinformationen für weiß und rot auf. Nun kann
• rot-rot vererbt werden, daraus entsteht rot. Es kann rot-weiß vererbt
• werden, dabei entsteht auch rot, denn rot ist dominant. Wird hingegen
• weiß-weiß vererbt, entsteht weiß. Also:
• Handelt es sich um eine
• dominant-rezessive Vererbung, so sind ein Viertel der F2-Individuen
• reinerbig mit zwei rezessiven Erbanlagen und zeigen eine entsprechende
• Merkmalsausprägung.
• Die anderen drei Viertel zeigen eine Ausprägung
• wie reinerbige Individuen mit zwei dominanten Erbanlagen. Diese drei
• Viertel setzen sich zusammen aus reinerbigen (ein Viertel) und
• mischerbigen (zwei Viertel) Individuen. Auch hier eine Grafik zum
• besseren Verständnis:
• 
• Caption: Spaltungsregel: Dominant-rezessiv

Spaltungsregel: Intermediär

• Bei der intermediären Vererbung sieht das Bild ein bisschen anders aus:
• Die F1-Generation (Kinder) weisen Erbinformationen für weiß und rot auf.
• Die F2-Generation (Enkel) kann dann weiß, rot oder auch lila aussehen.
• Also 1. Möglichkeit: Die F2-Generation
• bekommt von beiden Eltern die Erbinformation "rot", dann ist auch der
• Nachkomme rot.
• Möglichkeit Nr.2: Es wird rot und weiß vererbt. Beim
• intermediären Erbgang entsteht dann eine Mischung die lila ist.
• Möglichkeit Nr.3: Es wird zweimal weiß vererbt, dann entsteht auch
• ein weißer Nachkomme.
• Daraus lässt sich das 2. Mendelsche Gesetz ableiten: Spaltungsregel: Kreuzt man die Mischlinge (Tochtergeneration) untereinander,
• so spaltet sich die Enkelgeneration in einem bestimmten
• Zahlenverhältnis auf. Dabei treten auch die Merkmale der
• Elterngeneration wieder auf.
• 
• Caption: Spaltungsregel intermediär

3. Regel: Unabhängigkeits-/ Neukombinationsregel

• Mendel führte noch einen weiteren interessanten Versuch durch: Er
• kreuzte Pflanzen mit runden und gelblichen Früchte mit Pflanzen, die
• grüne und eckige Früchte aufwiesen. Wie
• sahen Farbe und Aussehen bei der Tochtergeneration aus? Die F1-Generation hatte alle runde und gelbe Früchte. Diese kreuzte er erneut und erhielt die F2-Generation
• (Enkelgeneration), welche jedoch ganz unterschiedlich aussahen: Es
• entstanden sowohl Früchte mit den Formen der Eltern, also auch zwei neue
• Rassen mit gelb-eckig und grün-rundem Aussehen.
• Das 3. Mendelschen Gesetz war geboren, die Unabhängigkeitsregel: Kreuzt man 2 Rassen, die sich in mehreren Merkmalen
• unterscheiden, so werden die einzelnen Erbanlagen unabhängig voneinander
• vererbt. Diese Erbanlagen können sich neu kombinieren.
• Hinweis: Die Regeln von Mendel sind nicht universell gültig. Es gibt eine ganze Reihe an Ausnahmen!
• https://www.youtube.com/watch?v=OWU7Lzdziug (Embed)
• Caption: Erklärvideo zur 3. mendelschen Regel

Mendelsche Regeln: Wiederholung

• https://www.youtube.com/watch?v=o59YgA7pOgI (Embed)
• https://www.youtube.com/watch?v=b6-1xMWB5EM (Embed)

DNA/DNS

• DNS = Desoxyribonukleinsäure.
• DNA= englische Bezeichnung für DNS
• sieht wie eine schraubenförmige Doppelhelix
• aus.
• ist ein langes Kettenmolekül (Polymer),
• aus vielen Bausteinen, die man als Nukleotide bezeichnet.
• Jedes
• Nukleotid hat 3 Bestandteile: Phosphorsäure bzw. Phosphat, den Zucker
• Desoxyribose & eine Base.
• Bei den Basen existieren vier
• verschiedene Typen: Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin
• (G). Es können sich jedoch immer nur zwei bestimmte Basen miteinander
• verbinden: Adenin und Thymin sowie Guanin und Cytosin.
• https://www.youtube.com/watch?v=flCbPT4888I (Embed)
• Caption: Erklärvideo zum DNA-Aufbau

Chromosomen

• C. sind die Strukturen in den Zellen, die die Gene
• enthalten. Sie befinden sich im Inneren einer Zelle, dabei kommen sie in
• allen eukaryontischen Zellen vor, also den Zellen, die einen Zellkern
• besitzen
• Aufbau der Chromosomen
• Fadenähnliche Struktur. Erscheint in biologischen
• Zeichnungen oft als X-Form. Dies ist jedoch eine veranschaulichende Art
• der Darstellung. Eigentlich ist es ein
• Gewirr aus vielen Fäden, welche zwar vom Zellkern 4
• Abzweigungen haben.
• Das Centromer: Zentrum des Chromosoms. Unterteilt ein
• Chromosom in zwei Chromatide.
• Funktion der Chromosomen
• Chromosomen enthalten Gene.
• Damit in den Zellen der Generationen immer die gleiche Anzahl der
• Chromosomen vorhanden ist und die Zahl der Chromosomen außerdem steigen
• kann, müssen die Chromosomen reproduziert werden. Das bedeutet sie
• werden kopiert und es entstehen neue Chromosomen.
• Es gibt 2
• Arten der Vermehrung der Chromosomen: Die Meiose (geschlechtliche
• Vermehrung).Ihr Gegenstück: Mitose (ungeschlechtliche Vermehrung) Mehr dazu später
• 
• Caption: Aufschlüsselung eines Chromosoms

Mitose

• Unter dem Vorgang der Mitose versteht man die einfache Zellkernteilung, bei der am Schluss
• aus einer Zelle, zwei identische Tochterzellen entstehen. Funktion der Mitose ist dementsprechend die Vermehrung von Zellen.
• Prophase:
• Aus 2 identischen Chromatidsträngen bestehenden Chromosomen verkürzen und
• verdichten sich, indem sie im Zellkern aufgefaltet werden. Dadurch
• werden sie in eine, für die Mitose nötige,
• transportfähige Form gebracht.
• Prometaphase: Kernhülle zerfällt und gibt die Chromosomen frei.
• Außerdem bilden sich am Rand der Zelle die Spindelapparate aus. Diese bestehen aus Mikrotuboli und
• sind später für den Transport der Chromatiden zu den Polen wichtig.
• Metaphase
• In der Äquatorialebene der Zelle ordnen sich die Chromosomen an. Die Spindelfasern "docken" an die Centromere der Chromosomen. Das Centromer verbindet die beiden Chromatiden
• Anaphase
• Chromatiden werden durch Verkürzung der Spindelfasern und die
• Unterstützung von Stemmfasern zunächst völlig voneinander getrennt und
• anschließend zu den beiden entgegengesetzten Polen gezogen. Hierdurch
• erhält jeder Pol einen Chromatidensatz. Die Dauer der Anaphase variiert
• stark von 2 bis 20 Minuten.
• Telophase
• Chromatiden entschrauben und entfalten sich.
• Sie gehen dadurch in die Arbeitsform über.
• Kernkörperchen und
• Kernmembran bilden sich neu. Nach der Zellteilung hat jede Tochterzelle
• die gleiche Anzahl von Chromosomen wie die Ausgangszelle.
• Interphase
• gehört streng genommen nicht zur eigentlichen Mitose. Sie beschreibt den
• Zeitraum zwischen der letzten und der nächsten Zellteilung.
• In den beiden entstanden Kernhüllen befinden sich nur einsträngige Chromatiden. Für eine
• erneute Mitose müssen die Chromosomen aber wieder zweisträngig vorliegen. Dies passiert im
• Rahmen der Replikation, sodass danach jedes Chromosom wieder aus 2 identischen
• Chromatidsträngen besteht.
• Mitose kann nun von neuem beginnen.

Mitose

• 
• Caption: Alle Phasen im Blick

DNA-Replikation

• Jedes Mal, wenn sich eine Zelle teilt, muss das komplette genetische Material, die DNA, verdoppelt bzw. repliziert werden. Also muss eine
• Zelle ihre DNA verdoppeln. Das geschieht durch die Replikation während der Interphase. Es
• entstehen zwei vollkommen identische DNA-Stränge. DNS wird dabei mit Hilfe von Enzymen aufgetrennt:
• 1. Das Enzym Topoisomerase entwindet die DNA Doppelhelix.
• 2. Daraufhin spaltet die Helicase den nun enspiralisierten Doppelstrang der DNA zu zwei
• Einzelsträngen, indem sie die Wasserstoffbrückenbindungen der gegenüberliegenden Basenpaare
• unter ATP Verbrauch auflöst
• 3. Die Primase synthetisiert an den 3' Enden sogenannte Primer, die für den Beginn der
• eigentlichen Replikation nötig sind und als Startpunkt dienen
• 4. Am 3' Ende des Primers beginnt die DNA Polymerase mit der Synthese
• von komplementären
• Basen, wodurch ein neuer DNA Doppelstrang entsteht. Jedoch kann die
• DNA Polymerase nur von 5' nach 3' ablaufen. Das führt dazu, dass am
• antiparallelen Strang (3' nach 5') die Synthese in entgegengesetzter
• Richtung ablaufen muss.
• Und das funktioniert nur wenn immer wieder neue Primer gesetzt werden.
• Auf diese Weise
• entstehen zwischen den Primern, einzelne synthethisierte Stücke der DNA,
• die sogenannten
• Okazaki-Fragmente. Man spricht auch von einer diskontinuierlichen
• Bildung des DNA Stranges.
• 5. RNase H entfernt nun die RNA Primer aus der DNA und eine weitere DNA Polymerase schließt
• die entstandenden Lücken mit komplementären Basen.
• 6. Zuletzt verknüpft das Enzym Ligase den diskontinuierlich-gebildeten Strang durch
• Esterbindungen.
• Im Ergebnis sind jetzt zwei identische DNA Stränge entstanden.

DNA-Replikation Veranschaulichung

• 
• https://www.youtube.com/watch?v=Ee3WaE4XPWw (Embed)
• Caption: Die Replikation
• Caption: Videotutorial zur Replikation

Meiose

• Durch die Meiose kommt es zur Halbierung des Chromosomensatzes. Dies
• ist bei den Keimzellen (Spermien und Eizellen) nötig, da bei der
• Befruchtung die Chromosomensätze miteinander verschmelzen.
• Die Meiose (griech. meiono = vermindern) ist für die Halbierung des
• diploiden, auf einen haploiden Chromosomensatz bei Keimzellen zuständig.
• Würde es nicht zu dieser Reduktion kommen, würde sich die Anzahl der
• Chromosomen bei der Befruchtung
• immer wieder addieren und es käme zu einer schier unendlichen Zahl an
• Chromosomensätzen. Diese dabei entstehenden
• Zygoten wären nicht lebensfähig.
• Achtung! Die Mitose ist streng von der Meiose zu unterscheiden, bei der es zu einer Reduktion der Chromosomenanzahl kommt.
• 
• Caption: Phasen der Meiose

Meiose-Phasen

• Meiose I - Reduktionsteilung
• In der Meiose I werden die homologen Chromosomen voneinander getrennt. Aus einer diploiden
• Mutterzelle werden folglich zwei haploide Tochterzellen. Zwischen folgenden Phasen wird
• unterschieden:
• Prophase I
• Die Prophase gliedert sich in Leptotän, Zygotän, Pachytän, Diplotän und
• Diakinese.
• Mütterliche Chromosomen
• lagern sich an homologe väterliche Chromosomen an. Dabei kann es zwischen
• Nicht-Schwesterchromatiden zu intrachromosomaler Rekombination (crossing over) kommen. Am Ende der Prophase lößt sich schließlich die Kernhülle auf.
• Metaphase I
• In der Metaphase I ordnen sich die homologen Chromosomen in der Äquatorialebene
• an. Außerdem bildet sich der Spindelapparat an den Zellpolen aus.
• Anaphase I
• Die homologen Chromosomenpaare werden von den Spindelfaserapparaten zu den Polen
• gezogen. Im Unterschied zur Mitose werden hier jedoch ganze Chromosomen an die Pole gezogen,
• und nicht einzelne Chromatidstränge. Diese Verteilung erfolgt zufällig und sorgt neben dem
• crossing over für eine zusätzliche Durchmischung des Erbguts.
• Telophase I
• Die beiden entstanden Zellen trennen sich voneinander. Es sind zwei haploide
• Tochterzellen entstanden.
• Meiose II
• Äquationsteilung
• Die Meiose II läuft mit ihren Phasen Prophase II, Metaphase II, Anaphase II und Telophase II im Grunde
• genau wie die Mitose ab, nur mit dem feinen Unterschied, dass am Ende ein haploider Chromosomensatz
• vorliegt. Aufgrund der Meiose I, die bereits aus einer Zelle 2 Tochterzellen hervorgebracht hat,
• liegen am Ende der Meiose II insgesamt 4 haploide Tochterzellen vor

Alles verstanden? Mehr Lernressourcen

• Mitose & Meiose
• Genetik
• Genetikteilgebiete - Überblick
• Genetik Quiz
• 
• Caption: Vererbungslehre