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1. Benennen Sie die Phasen des Zellzyklus! Erläutern Sie kurz die wichtigsten Vorgänge der jeweiligenPhase!

! G2-Phase: In dieser Phase

werden die Vorbereitungen

für die Mitose abgeschlos-

sen.

" S-Phase (Synthese-

Phase): In dieser Phase

erfolgt die Verdoppelung

der Erbsubstanz.

# Es laufen die vier Mitosephasen ab

und es kommt zur Cytokinese.

$ G1-Phase: In dieser Phase

wächst die Zelle zur Größe

der Mutterzelle heran. Gegen

Ende dieser Phase wird ent-

schieden, ob die Zelle den

Zellzyklus verlässt, also in die

G0-Phase eintritt, oder ob sie die

Replikation vorbereitet und in die

S-Phase übergeht.

A Interphase B Mitose, Cytokinese

2. In der Abbildung unten sind verschiedene Mitosestadien dargestellt.

a) Geben Sie die einzelnen Phasen an!

$ Prophase

" Metaphase ! Anaphase # Telophase

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ARBEITSBLATT 1 Mitose

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b) Beschreiben Sie anhand der Abbildungen die wichtigsten Vorgänge in den einzelnen Stadien unterAngabe ihrer Bedeutung! *

Vorgänge Bedeutung

ProphaseIn der Prophase liegen die Chromosomen zunächst in Formeiner fädigen und verknäuelt erscheinenden Struktur vor, dieaufgrund ihrer leichten Färbbarkeit als Chromatin bezeichnetwird (griech. chromos, Farbe). Im weiteren Verlauf verdichtensich die Chromatinfäden durch Aufschraubung und Auffaltung zuim Lichtmikroskop sichtbaren Zwei-Chromatiden-Chromosomen(Kondensation).

Herausbildung der Transportform desErbmaterials (manövrierbare Chromo-somen)

Die Kernhülle zerfällt und von den beiden Polregionen der Zelleaus bildet sich ein Spindelapparat aus zahlreichen Proteinfasern(Mikrotubuli).

Der Spindelapparat spielt für die Ver-teilungsvorgänge eine wichtige Rolle.

Metaphase

In der Metaphase haben die Chromosomen den höchsten Kon-densationsgrad erreicht. Nun lässt sich im Lichtmikroskop dieAnzahl der Chromosomen einer Zelle leicht bestimmen.Die Zwei-Chromatiden-Chromosomen ordnen sich in der Mitteder Zelle zwischen den Zellpolen zur Äquatorialplatte an.Mikrotubuli des Spindelapparats, die Zugfasern, setzen an denCentromeren der Zwei-Chromatiden-Chromosomen an.

Vorbereitung des Verteilungsvorgan-ges

Anaphase

In der Anaphase verkürzen sich die Zugfasern. Dadurch werdendie Ein-Chromatid-Chromosomen voneinander getrennt. Da sichjedes Ein-Chromatid-Chromosom zu einem der entgegenge-setzten Zellpole bewegt, weist jeder Zellpol schließlich einenkompletten diploiden Satz von Ein-Chromatid-Chromosomenauf.Die Polfasern verbinden die Zellpole miteinander. Sie stabilisie-ren den Spindelapparat.

gleichmäßige Verteilung der Chromo-somensubstanz und damit gleichmäßi-ge Verteilung der genetischen Infor-mation auf die beiden zukünftigenTochterkerne

Telophase

Nachdem die Erbsubstanz gleichmäßig auf die beiden künftigenZellkerne verteilt worden ist, beginnen sich in der Telophase dieEin-Chromatid-Chromosomen zu dekondensieren. Der Spindel-apparat löst sich auf und es werden neue Kernhüllen gebildet,sodass schließlich zwei neue Zellkerne mit jeweils einem kom-pletten Chromosomensatz entstanden sind.Die Teilung des Cytoplasmas, die Cytokinese, ist am Ende derTelophase abgeschlossen. Zwischen den beiden neuen Zellker-nen sind zwei Zellmembranen und eine Zellwand ausgebildetworden.

Zurückverwandlung der Chromosomenaus ihrer kompakten Transportform indie aufgelockerte, dekondensierteFunktionsform des Arbeitskerns

* Diese Lösung entspricht teilweise den Erläuterungstexten der CD-ROM. Die Schülerinnen und Schüler sollten eigenständigformulierte Lösungen liefern.

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ARBEITSBLATT 1 Mitose

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3. Wichtig für den korrekten Ablauf der Mitose ist der Spindelapparat.Beschriften Sie die Abbildung! Beschreiben Sie bei pflanzlichen Zellen Aufbau und Funktion dereinzelnen Bestandteile dieses Systems!

Der Spindelapparat besteht aus Mikrotubuli, den Spindelfasern. Bei pflanzlichen

Zellen bilden sich diese während der Prophase von den Zellpolen aus. In der Meta-

phase ist die Spindel voll ausgebildet. Man unterscheidet zwei Gruppen von Spindel-

fasern: Die Polfasern verbinden die Zellpole. Sie stabilisieren den Spindelapparat.

Die Zugfasern setzen an den Centromeren der Zwei-Chromatiden-Chromosomen

an. Sie bewegen in der Anaphase die Ein-Chromatid-Chromosomen zu den Zell-

polen.

Zugfaser

Polfaser

Zellpol

Spindelfasern

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ARBEITSBLATT 1 Mitose

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4. Stellen Sie tabellarisch die Unterschiede zwischen Mitose und Meiose zusammen! Verwenden Sieauch die beiden Grafiken.

Veränderungen in der Chromosomenzahl n (schwarze Kurve) und der DNA–Menge c (gestri-chelte Kurve). Abszissen: Zellzyklusphasen beziehungsweise Zeitachsen. M = Mitose; I = 1. Reifetei-lung der Meiose; II = 2. Reifeteilung der Meiose; Pfeile = Zellteilungen

Mitose Meiose

• Bildung von Körperzellen

• Bildung von zwei diploiden Zellen

• Ablauf nur einer Teilung

• prämitotische Replikationsphase

relativ kurz

• Es entstehen genetisch identische

Tochterzellen.

• Bildung von Keimzellen

• Bildung von vier haploiden Zellen

• Ablauf von zwei aufeinander folgen-

den Teilungen

• prämeiotische Replikationsphase

sehr lang

• Durch die Vermischung des „väterli-

chen“ und „mütterlichen“ Chromoso-

menbestandes und durch das Cros-

sing-over kommt es zu einer Rekom-

bination des Erbmaterials.

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ARBEITSBLATT 2 Cytokinese

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1. Die Abbildungen zeigen die Cytokinese einer tierischen Zelle im Mikrofoto (Ausschnitt aus dem Film)und im Schema. Erläutern Sie unter zusätzlicher Verwendung der entsprechenden Filmsequenz diesenVorgang!

Man erkennt im Film, dass in der Anaphase die Ein-Chromatid-Chromosomen auch

dadurch voneinander getrennt werden, dass die Zellpole auseinander weichen. Da-

bei wird die Zelle in die Länge gezogen. Gleichzeitig beginnt die Zelle damit, sich

einzuschnüren. Die Schemazeichnung verdeutlicht, wie diese Einschnürung zustan-

de kommt: In der Äquatorialebene liegt an der Innenseite der Zellmembran ein Ring

aus Actin und Myosin, den Proteinen, die auch für die Muskelkontraktion verantwort-

lich sind. Wenn sich der Ring kontrahiert, wird die Zelle zunächst ein- und dann

durchgeschnürt.

2. Benennen Sie die dargestellten Phasen der Mitose!Erläutern Sie, wie sich die Cytokinese einer pflanzlichen Zelle von der einer tierischen Zelle unter-scheidet! Verwenden Sie dazu auch die Abbildungen aus Aufgabe 1!

Anaphase Telophase

Bei pflanzlichen Zellen findet in der Telophase der Mitose keine Einschnürung des

Protoplasten statt. Es wird vielmehr in Höhe der Äquatorialebene eine neue Zell-

wand gebildet, die die Tochterzellen voneinander trennt.

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ARBEITSBLATT 3 Meiose

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Lösungen

1.a) Benennen Sie die dargestellten Phasen der Meiose und erklären Sie diese kurz!

Prophase I Metaphase I Anaphase I Telophase I

! Prophase I: Die Chromosomen verdichten sich und werden lichtmikroskopisch

sichtbar. Es handelt sich um Zwei-Chromatiden-Chromosomen. Die homologen Zwei-

Chromatiden-Chromosomen ordnen sich parallel zueinander an (Tetrade).

" Metaphase I: Die Tetraden der homologen Zwei-Chromatiden-Chromosomen haben

sich in der Äquatorialebene angeordnet.

# Anaphase I: Die homologen Zwei-Chromatiden-Chromosomen jeder Tetrade werden

getrennt und wandern zu den Polen.

$ Telophase I: An den Polen haben sich zwei neue, haploide Kerne gebildet. Die Zelle

hat sich geteilt.

b) Oben sind nicht alle Stadien der Meiose abgebildet. Ergänzen Sie die Stadien %,&,' und (!

Prophase II Metaphase II Anaphase II Telophase II

! " # $

% & ' (

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ARBEITSBLATT 3 Meiose

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2. Die Abbildung zeigt einen Austausch von Chromatidenstücken zwischen Zwei-Chromatiden-Chromosomen.

Crossing-Over

erste meiotische Teilung erste meiotische Teilung

Crossing-Over

a) Beschreiben Sie die beiden Vorgänge kurz!

Gezeigt sind Tetraden homologer Zwei-Chromatiden-Chromosomen in der Prophase I und

die anschließende Verteilung der Zwei-Chromatiden-Chromosomen in der 1. Reifeteilung.

In Abbildung 1 ist ein Stückaustausch zwischen den Ein-Chromatid-Chromosomen des-

selben Zwei-Chromatiden-Chromosoms dargestellt. Abbildung 2 zeigt einen Stückaus-

tausch zwischen den benachbarten Ein-Chromatid-Chromosomen der homologen Zwei-

Chromatiden-Chromosomen, also zwischen den „väterlichen“ und „mütterlichen“ Chromo-

somen.

b) Stellen Sie begründet dar, welcher Vorgang zur Rekombination beiträgt!

Nur beim Stückaustausch zwischen den benachbarten Ein-Chromatid-Chromosomen der

homologen Zwei-Chromatiden-Chromosomen kommt es zur Neukombination genetischer

Information, weil hier Allele „väterlicher“ und „mütterlicher“ Herkunft ausgetauscht werden

(Abbildung 2). Beim Austausch von Chromatidenstücken desselben Zwei-Chromatiden-

Chromosoms werden Stücke ausgetauscht, die identische Informationen enthalten (ent-

weder nur „väterliche“ oder nur „mütterliche“ Allele, Abbildung 1). Es findet also keine ge-

netische Rekombination statt.

! "

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ARBEITSBLATT 4 Kondensationsstufen

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1. Benennen Sie in der Abbildung die unterschiedlichen Kondensationsstufen eines Chromosomsbeziehungsweise deren Elemente! Geben Sie die Größe der Strukturen an!

Ein-Chromatid-Chromosom

Chromatinfaser (Schleifenstruktur)

30 nm-Chromatinfaser

Nucleofilament

DNA Histone

NucleosomDNA-Doppelstrang

120 - 300 nm

700 nm

30 nm

11 nm

2 nm

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ARBEITSBLATT 4 Kondensationsstufen

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2. Erläutern Sie, warum das Erbmaterial in bestimmten Phasen des Zellzyklus kondensiert und inanderen dekondensiert vorliegt!

Nur die dekondensierte Form des Erbmaterials erlaubt den direkten Zugang von Enzymen

zur DNA, also die Transkription von Genen sowie die Replikation. Daher muss das Erb-

material in der Interphase dekondensiert vorliegen. Eine Trennung der Zwei-Chromatiden-

Chromosomen in die Ein-Chromatid-Chromosomen und deren korrekte Verteilung auf die

Tochterzellen im Verlauf der Mitose ist aber ohne eine starke Kondensation nicht möglich.

Das dekondensierte Chromatin würde ein unübersichtliches und nicht zu entwirrendes

Knäuel darstellen. Die Länge des längsten menschlichen Chromosoms beträgt nämlich in

der Metaphase nur noch 10 µm, in der Interphase dagegen 7,3 cm. Zum Vergleich: Der

Durchmesser eines Zellkerns beträgt etwa 8 µm.

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ARBEITSBLATT 5 Replikation

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Lösungen

1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Moleküle! Beschreiben Sie die Funktion derbeteiligten Enzyme in der zeitlichen Abfolge! Erläutern Sie die Bedeutung der übrigen Moleküle!

Zwei Helicasen setzen am Startpunkt der Replikation an. Von dort aus bewegen sie

sich in entgegengesetzte Richtung. Dabei entwinden sie die DNA und trennen sie

in die beiden Stränge auf. Dadurch entsteht die Replikationsblase mit zwei auseinan-

derstrebenden Replikationsgabeln.

Primasen katalysieren nun in 5'!3'-Richtung die Bildung von kurzen RNA-Molekü-

len, den Primern, die zu Abschnitten der vorliegenden Einzelstränge komplementär

sind. Dies geschieht am 3'!5'-Strang nur einmal, am 5'!3'-Strang in gewissen Ab-

ständen immer wieder.

Enzyme vom Typ DNA-Polymerase III verlängern die RNA-Primer in 5'!3'-Richtung

durch DNA-Nucleotide. Dadurch entsteht eine kontinuierliche Kopie des 3'!5'-

Strangs, der Leitstrang. Für den 5'!3'-Strang entstehen zunächst Kopien kurzer

Abschnitte, die OKAZAKI-Fragmente.

DNA-Polymerasen I entfernen die RNA-Primer und ersetzen sie durch einen ent-

sprechenden DNA-Abschnitt.

Ligasen verknüpfen die OKAZAKI-Fragmente zu einer kontinuierlichen Kopie des

5'!3'-Strangs, dem Folgestrang.

RNA-Primer FolgestrangDNA-Polymerase I

Primase OKAZAKI-Fragment

Helicase

DNA-Polymerase III Leitstrang Ligase

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ARBEITSBLATT 5 Replikation

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2. Die beiden Stränge der DNA werden unterschiedlich repliziert. Erläutern und begründen Sie!Gehen Sie dabei auch auf die Benennung der beiden neu synthetisierten Stränge ein!

Nachdem nachgewiesen worden war, dass die DNA semikonservativ repliziert wird,

ging man zunächst davon aus, dass beide Stränge kontinuierlich kopiert würden.

Dazu müsste die Kopie des einen Stranges in 5'!3'-Richtung verlängert werden,

die andere in der entgegengesetzten Richtung. Man fand aber nur DNA-Polymera-

sen, die Nucleotide in 5'!3'-Richtung polymerisierten. Somit war klar, dass beim

5'!3'-Strang andere Prozesse ablaufen müssen. Als dann Markierungsversuche

zeigten, dass bei der Replikation kurzfristig kurze DNA-Abschnitte, die so genann-

ten OKAZAKI-Fragmente, entstehen, wurde die Replikation des 5'!3'-Stranges ver-

ständlich: Dieser Strang wird diskontinuierlich in 5'!3'-Richtung kopiert und die Teil-

kopien dann zu einer kontinuierlichen Kopie verknüpft. Da sich die Synthese dieses

Tochterstranges dadurch zeitlich etwas verzögert, wird er als Folgestrang bezeich-

net. Der kontinuierlich und somit schneller wachsende Tochterstrang heißt demge-

genüber Leitstrang.

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ARBEITSBLATT 5 Replikation

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3. Die Abbildung zeigt im Schema die Transkription. Beschriften Sie die Abbildung! Vergleichen Sie dieReplikation der DNA mit der Transkription!

Gemeinsam ist Replikation und Transkription, dass diese Prozesse dazu dienen,

DNA zu kopieren, indem ein neues Polynucleotid gemäß den Regeln der komple-

mentären Basenpaarung anhand eines vorliegenden Polynucleotids, der Matrize,

synthetisiert wird.

Sie unterscheiden sich schon dadurch, dass bei der Replikation eine DNA-Kopie

der DNA entsteht, bei der Transkription eine RNA-Kopie. Daher ist das die Kopie

synthetisierende Enzym in dem einen Fall eine DNA-Polymerase, im anderen Fall

eine RNA-Polymerase. Dabei ist zu beachten, dass die DNA-Polymerase eines

RNA-Primers bedarf, um mit der Synthese zu beginnen. Ein weiterer Unterschied

besteht darin, dass bei der Replikation die gesamte DNA des Zellkerns kopiert wird.

Dagegen betrifft die Transkription nur einen Abschnitt eines der beiden DNA-

Stränge, nämlich des codogenen Stranges. Dieser Abschnitt ist durch bestimmte

Nucleotid-Sequenzen gekennzeichnet.

DNA-Doppelstrang

codogener Strang

wachsendemRNA

RNA-Polymerase

RNA-Nucleotide

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ARBEITSBLATT 5 Replikation

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4. MESELSON und STAHL klärten 1958 den Replikationsmechanismus durch ein Experiment: Sie ließenColi-Bakterien in einem Nährmedium wachsen, das nur schweren Stickstoff (15N) enthielt. Nach vielenGenerationen war die DNA der Bakterien mit diesem Stickstoff markiert („schwere“ DNA). Anschlie-ßend überführten sie die Bakterien in ein Medium mit normalem Stickstoff (14N). Nach einer und nachzwei Generationen wurde die DNA der Bakterien isoliert und im Dichtegradienten zentrifugiert. Dabeitrennt sich „schwere“ DNA von „leichter“ DNA und sammelt sich im Zentrifugenröhrchen in spezifischangeordneten Banden, die im UV-Licht sichtbar werden.Neben dem favorisierten semikonservativen Modell wurden damals zwei weitere diskutiert, die konser-vative und die dispersive Replikation.

Erläutern Sie anhand der Abbildung die drei Modelle! Ergänzen Sie die DNA-Moleküle der zweiten Ge-neration und die fehlenden DNA-Banden in den Zentrifugenröhrchen!Das Experiment bestätigte die semikonservative Replikation. Begründen Sie, welches der Konkurrenz-Modelle nach der ersten, welches nach der zweiten Generation widerlegt war!

Bei der semikonservativen Replikation bestehen beide Tochtermoleküle aus einem DNA-

Strang des Ausgangsmoleküls und einem neu gebildeten Strang. Die DNA ist also „halb-

schwer“. Daher ergibt sich in der ersten Generation eine DNA-Bande im mittleren Bereich des

Zentrifugenröhrchens. Bei der konservativen Replikation würde das Ausgangsmolekül erhal-

ten bleiben und ein zweites Molekül völlig neu synthetisiert. Daher würde man im Zentrifugen-

röhrchen eine „schwere“ Bande und eine „leichte“ Bande finden. Beim dispersiven Modell be-

stünden beide Stränge beider Tochtermoleküle aus Abschnitten der Ausgangs-DNA und neu

synthetisierten Bereichen. Also ergäbe sich auch hier eine Bande aus „halbschwerer“ DNA.

Das konservative Modell ist also bereits in der ersten Generation widerlegt. Das dispersive

Modell scheidet erst in der zweiten Generation aus. Dort würde wiederum nur eine Bande

entstehen, nämlich aus „viertelschwerer“ DNA.

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ARBEITSBLATT 6 Film

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Sch

roed

el, B

raun

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Lösungen

1. Benennen Sie die in der Abbildung dargestellten verschiedenen Mitosestadien aus dem Film!Bringen Sie die Phasen in die richtige Reihenfolge und erläutern Sie kurz die wichtigsten Vorgänge derjeweiligen Phase!

� Anaphase � Telophase und Cytokinese

� Metaphase � Prophase

� Prophase: Das fädige Chromatin beginnt sich zu kondensieren, sodass die Chromo-

somen langsam sichtbar werden. Die Kernhülle zerfällt.

� Metaphase: Die Chromosomen bewegen sich zur Äquatorialplatte zwischen den

Zellpolen.

� Anaphase: Die Zugfasern des Spindelapparats verkürzen sich und die Ein-

Chromatid-Chromosomen bewegen sich zu den Zellpolen.

� Telophase und Cytokinese: An den Zellpolen hat sich jeweils ein kompletter diploider

Satz von Ein-Chromatid-Chromosomen gesammelt. Die Chromosomen dekondensie-

ren und werden von neuen Kernhüllen umgeben. Gleichzeitig wird die Zelle einge-

schnürt, sodass schließlich zwei Tochterzellen entstehen.