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Lernwerkstatt: Genetik & Vererbung

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Seite 3

Vorwort Seite 4

Einleitung Seite 5

Kapitel I: Zelluläre Grundlagen der Vererbung Seiten 6 – 28

• VergleichTier-undPflanzenzelle •AufbaudesZellkerns •Chromosomen •Zellteilungsvorgänge–Mitose •Zellteilungsvorgänge–Meiose •DNA •ReplikationderDNA • RNA/–Transkription

Kapitel II: Vom Gen zum Merkmal Seiten 29 – 35

•TranskriptionundTranslation •Mutationen–Mutationsformen •Modifikationen

Kapitel III: Mendel`sche Regeln Seiten 36 – 42

•1.Mendel`scheRegel •2.Mendel`scheRegel

Kapitel IV: Gentechnik – Fluch oder Segen? Seiten 43 – 44

Kapitel V: Die Lösungen Seiten 45 – 52

Inhalt

© Kohl-Verlag, Kerpen 2013. Alle Rechte vorbehalten.

Das Werk und seine Teile sind urheberrechtlich geschützt und unterliegen dem deutschen Urheberrecht. Jede Nutzung in anderen als den gesetzlich zugelassenen Fällen bedarf der vorherigen schriftlichen Einwilligung des Verlages (§ 52 a Urhg). Weder das Werk als Ganzes noch seine Teile dürfen ohne Einwilligung des Verlages einge-scannt, an Dritte weitergeleitet, in ein Netzwerk wie Internet oder Intranet eingestellt oder öffentlich zugänglich ge-macht werden. Dies gilt auch bei einer entsprechenden Nutzung in Schulen, Hochschulen, Universitäten, Seminaren und sonstigen Einrichtungen für Lehr- und Unterrichtszwecke. Der Erwerber dieses Werkes in PDF-Format ist berechtigt, das Werk als Ganzes oder in seinen Teilen für den Ge-brauch und den Einsatz zur Verwendung im eigenen Unterricht wie folgt zu nutzen:- Die einzelnen Seiten des Werkes dürfen als Arbeitsblätter oder Folien lediglich in Klassenstärke vervielfältigt wer-den zur Verwendung im Einsatz des selbst gehaltenen Unterrichts.- Einzelne Arbeitsblätter dürfen Schülern für Referate zur Verfügung gestellt und im eigenen Unterricht zu Vortrags-zwecken verwendet werden.

-Während des eigenen Unterrichts gemeinsam mit den Schülern mit verschiedenen Medien, z.B. am Computer, via Beamer oder Tablet das Werk in nicht veränderter PDF-Form zu zeigen bzw. zu erarbeiten.

Jeder weitere kommerzielle Gebrauch oder die Weitergabe an Dritte, auch an andere Lehrpersonen oder pädago-gischen Fachkräfte mit eigenem Unterrichts- bzw. Lehrauftrag ist nicht gestattet. Jede Verwertung außerhalb des ei-genen Unterrichts und der Grenzen des Urheberrechts bedarf der vorherigen schriftlichen Zustimmung des Verlages. Der Kohl-Verlag übernimmt keine Verantwortung für die Inhalte externer Links oder fremder Homepages. Jegliche Haftung für direkte oder indirekte Schäden aus Informationen dieser Quellen wird nicht übernommen.

Kohl-Verlag, Kerpen, Januar 2013

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Seite 4

Liebe Kolleginnen und Kollegen,

das Wissen über Genetik und Vererbung hat sich im letzten Jahrhundert explosi-onsartig vergrößert. Die Gentechnik hat auf unterschiedlichsten Ebenen Einzug in unser tägliches Leben genommen und ist mit ihren vielen nützlichen Anwen-dungen nicht mehr wegzudenken. Das menschliche Genom ist sequenziert, den-noch gibt es noch viele ungeklärte Bereiche. Gerade die Regulation von Genen ist noch längst nicht voll verstanden. Außerdem gibt es viele DNA-Regionen, die früher auch Junk DNA genannt wurden, deren Funktionen man bisher nur ansatz-weise verstanden hat.

Das Bewusstsein für unsere große Verantwortung bei dem Umgang mit der Gen-technik soll bei den Schülern* im letzten Teil „Gentechnik – Fluch oder Segen“ geweckt werden. Bei der rasanten Entwicklung kann dieses Thema in diesem Rahmen allerdings nur angerissen werden.

Die vorliegende Lernwerkstatt bietet zu allen Themen aus dem Inhaltsverzeichnis solides Basiswissen mit den grundsätzlichen Begriffen, die für die Schüler zum Verständnis von Genetik und Vererbung wichtig sind. Alle wichtigen Fakten und oft auch komplizierte Fremdwörter werden in den Übungen, auch durch mehr-faches Wiederholen in neuen Lernstationen, trainiert.

Jede Untereinheit eines Kapitels ist auch allein im Unterricht einsetzbar, wenn man bestimmte Themenbereiche intensiver üben will. Zu den Themenbereichen „Chromosomen“ und „Zellteilungsvorgänge“ gibt es noch ein kleines übergreifen-des Kreuzworträtsel zum Üben der Begriffe.

Viel Freude und Erfolg mit der vorliegenden Lernwerkstatt wünschen Ihnen derKohl-Verlag und

Bedeutung der Symbole:

Schreibe ins Heft / in deinen Ordner

*MitdenSchülernbzw.LehrernsindimganzenHeftselbstverständlichauchdieSchülerinnenundLehrerinnengemeint!

EA PA

Einzelarbeit

Arbeiten in kleinen Gruppen

Partnerarbeit

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Dr. Beate Liebig

Vorwort

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Seite 5

Einleitung

Liebe Schüler,

Charakter oder Erbanlage sagt man so leicht dahin. Erbanlagen, was ist das eigentlich, wo finden wir sie und wie werden dort Informationen gespeichert? Warum habe ich blaue oder braune Augen? Welche Blutgruppe habe ich? Wie funktioniert das eigentlich mit der Vererbung?

Wir haben 10 bis 100 Billionen Zellen in unserem Körper (1 Billion = 1000000000000, also eine 1 mit 12 Nullen!) und jede dieser Zellen enthält die gleichen Erbanlagen. Dies stellt sicher, dass jede Zelle im Körper dieselbe Information trägt. Jede Zelle hat im Körper bestimmte Aufgaben. Damit diese Aufgaben exakt ausgeführt werden können, müssen immer zum richtigen Zeitpunkt und am richtigen Ort die richtigen Informationen in der Zelle abgelesen werden. Und diese Informationen sind in deinen Erbanlagen gespeichert.

Nimm zum Beispiel deine Augenfarbe: Wenn du blaue Augen hast, müssen die Pigmente für die blaue Augenfarbe in den Zellen der Iris deiner Augen ausgebildet werden. Die Infor-mation hierfür liegt in deinen Erbanlagen und die hast du von deinen Eltern geerbt.

Die Erbanlagen liegen im Zellkern auf den Chromosomen, deren Anzahl je nach Pflanzen- oder Tierart sehr unterschiedlich ist. Wir Menschen besitzen 23 Chromosomenpaare, also insgesamt 46 Chromosomen.

Außer den Geschlechtschromosomen X und Y gleichen sich die 2 Chromosomen eines Paares in Gestalt und Größe und tragen die Gene für ähnliche Informationen wie z. B. die Augenfarbe oder die Blutgruppe in der gleichen Anordnung. Je ein Chromosom eines Paares stammt ursprünglich von der Mutter, das andere vom Vater. Daher tragen wir in jeder Körperzelle Erbanlagen von beiden Eltern in uns.

Auf den folgenden Arbeitsblättern kannst du deine Kenntnisse über die Erbanlagen und deren Vererbung trainieren und näher vertiefen.

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I. Zelluläre Grundlagen der Vererbung

Vergleich Tier- und Pflanzenzelle

Tiere und Pflanzen vererben ihre Eigenschaften an ihre Nachkommen durch Fort-pflanzung. Bei der geschlechtlichen Fortpflanzung verschmelzen zwei Keimzel-len der Eltern mit je einem einfachen Chromosomensatz zu einer neuen Zelle mit doppeltem Chromosomensatz. Aus dieser neu entstandenen Zelle mit einer Hälfte ihrer Erbanlagen von der Mutter und der anderen vom Vater entwickelt sich durch Zellteilung ein neues Lebewesen.

Bei Pflanzen und bei einfachen Tieren wie z. B. Bandwürmern oder Korallenpolypen gibt es außer der geschlechtlichen auch noch die ungeschlechtliche Fortpflan-zung, bei der durch einfache Zellteilungen dieselben Erbanlagen an die Tochter-pflanzen weitergegeben werden.

Tier- und Pflanzenzellen haben viele gemeinsame Eigenschaften, aber auch ein paar deutliche Unterschiede. Unter dem Mikroskop kannst du bei beiden einen Zell-kern erkennen und auch einige andere Zellorganellen. Alle Zellorganellen liegen im flüssigen Zellplasma und haben ganz bestimmte Aufgaben in der Zelle. Im Zellkern, der Steuerzentrale der Zelle, liegen die Erbanlagen auf den Chromosomen, die bei jeder Zellteilung an die Tochterzellen weitergegeben werden. Tier- und Pflanzenzel-len haben beide Mitochondrien: dies sind die Kraftwerke der Zelle, die der Zelle ihre Energie liefern. Ebenfalls bei beiden Zelltypen kannst du ein Kanalsystem, das sogenannte Endoplasmatische Retikulum erkennen. Es hat die Aufgabe, Stoffe in der Zelle an den richtigen Ort zu transportieren. An diesem Kanalsystem liegen in Kernnähe die Ribosomen, die als kleine Pünktchen erkennbar sind. Sie sind für die Herstellung von Eiweißen, also den Proteinen, in der Zelle zuständig.

Nur bei den Pflanzenzellen finden wir auch die grünen Chloroplasten, die mit Hilfe von Sonnenenergie Zucker (Kohlenhydrate) herstellen (Lichtreaktion). Noch ein be-sonderer Unterschied zwischen Tier- und Pflanzenzellen ist, dass nur Pflanzenzellen eine Zellwand aus Zellulose besitzen, die als weitere Schutzhülle die Zellmembran umgibt. Ein weiteres Merkmal, das nur Pflanzenzellen haben, ist meist mindestens eine große Vakuole, die als Sammel- und Flüssigkeitsbehälter für Zellsaft dient.

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II. Vom Gen zum Merkmal

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TranskriptionundTranslation

Wir haben gehört, dass die Information auf unserer DNA in einer bestimmten Abfolge von Nukleotidbasen gespeichert ist. Immer 3 Basen kodieren für eine Aminosäure (z. B. GUG für die Aminosäure Valin, CAU für die Aminosäure Histidin, CUU für die Aminosäure Leucin, man nennt diese 3 Basen, die für eine Aminosäure kodieren auch Kodon und schreibt die 3 Basen immer als RNA-Sequenz: U statt T). Die Aminosäuren Valin, Histidin und Leucin sind z. B. in dieser Reihenfolge Bausteine unseres roten Blutfarbstoffs Hämoglobin (transportiert den Sauerstoff in unserem Blut), dessen Hauptanteil ein Protein ist, das aus insgesamt ca. 140 Aminosäuren zu-sammengebaut ist. Der genetische Kode ist übrigens universell für alle Lebewesen.

Wie ist nun der Weg vom Gen zum Protein?Im Zellkern weicht immer, wenn die Information eines bestimmten Abschnitts der DNA (Gen) benötigt wird und abgelesen werden muss, an dieser Stelle der Doppelstrang auseinander. Durch Anlagerung von den passenden (komplementären) RNA-Nu-kleotidbasen an den kodogenen DNA-Strang wird das Botenmolekül mRNA ge-bildet (Transkription). Wenn die gesamte Information für ein Protein in Form der Basensequenz abgelesen wurde, löst sich die neu gebildete mRNA von der DNA ab und transportiert die Information aus dem Zellkern heraus. Die mRNA lagert sich an ein Ribosom (Proteinsyntheseapparat) an. Hier werden dann je nach Basentriplett die passenden Aminosäuren über eine Trans-port-RNA (tRNA) mit passendem Anti-Kodon an die mRNA (wieder über Basenpaa-rung) gebunden und miteinander zu einem Protein zusammengebaut (Translation). Dies geschieht meist gleich in der Nähe des Zellkerns am Endoplasmatischen Reti-kulum (Kanalsystem der Zelle). Das fertige Protein und die mRNA lösen sich wieder ab vom Ribosom, an dem wieder eine neue mRNA binden kann usw..

Noch etwas ist ganz wichtig: Damit auch das richtige Protein gebildet wird, das mit der richtigen Aminosäure an-fängt und die richtige Anzahl Aminosäuren als Bausteine enthält, gibt es Start- und Stopp-Kodons: AUG = Start, UAA, UAG und UGA = Stopp bei der Proteinsynthese.

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III. Mendel´sche Regeln

Schon 1865 entdeckte der Mönch Gregor Mendel in seinem Garten nach Kreuzungsversuchen mit un-terschiedlichen Erbsensorten durch Beobachtung entscheidende Regeln für die Vererbung bei der ge-schlechtlichen Fortpflanzung.Wir Menschen, die Mehrzahl der Tiere und viele Pflan-zen haben einen diploiden Chromosomensatz. Das bedeutet, dass es immer zwei Chromosomen (ein Chro-mosomenpaar) gibt, die Gene für gleiche Merkmale mit unterschiedlichen oder gleichen Ausprägungen an der gleichen Stelle tragen (z. B. Merkmal Haarfarbe: Aus-prägung blond oder dunkel). Man nennt diese Chromo-somen homolog und die Gene für die gleichen Merk-male Allele. 1 Chromosom des Paares stammt dabei von der Mutter, eines vom Vater (Meiose reduziert Chromosomensatz bei Bildung der Keimzellen).

Es gibt Merkmale, die dominant sind, d. h. ihre Ausprägung setzt sich durch (z. B. dunkle Haarfarbe), es gibt aber auch Merkmale (Gene), die rezessiv (blonde Haar-farbe) sind. Sie werden bei Anwesenheit von dominanten (auf dem anderen Chro-mosom) unterdrückt, d. h. nicht ausgeprägt. Als weitere Möglichkeit gibt es die inter-mediäre Vererbung, bei der beide Allele für die unterschiedlichen Ausprägungen eines Merkmals gleichwertig sind. Das führt dazu, dass das neue Merkmal eine Mischung aus den beiden alten Merkmalen ist: z. B. bei der japanischen Wunderblu-me rosa Blütenfarbe aus der Mischung von einem Allel für rote und einem für weiße Blütenfarbe von der Elterngeneration. Reinerbige Eltern haben immer zwei gleiche Allele für 1 Merkmal (in unserem Beispiel unten: GG für gelb (dominant), gg für grün (rezessiv) bei den Erbsen, man nennt das den Genotyp).

Mendel kreuzte diese unterschiedlichen Erbsensorten und entdeckte eine entscheidende Regel:

1.Mendel´scheRegel

Erbsenschoten

1. Mendel´sche Regel (Uniformitätsregel):

Kreuzt man reinerbige Eltern (P), die sich in einem Merkmal unterscheiden, so sind die Nachkommen der F1-Generation untereinander gleich (uniform).F1 = 1. Filial (lateinisch) = 1. Tochter-Generation

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IV. Gentechnik – Fluch oder Segen?

X = gesundes Xx = krankes X

K = kurzhaarig, dominantl = langhaarig, rezessiv

Seit Mendel haben sich unsere Erkenntnisse über die Gene und Vererbung explosionsartig vermehrt: Wir können heute Gene mit Hilfe von Genscheren (Restriktionsenzyme) aus der DNA des einen Lebewesens (z. B. Mensch) in die DNA eines anderen (z. B. Bakterium) einbauen und dort in den Zellen in Proteine übersetzen lassen. So kann menschliches In-sulin, das Zuckerkranke dringend zum Überleben brauchen, in großen Mengen in Bakterien hergestellt werden. Möglich ist dies dadurch, dass die unterschiedlichen Lebewesen einen universellen genetischen Kode verwenden.

!?Winzigste Mengen DNA können mit einer Technik, die PCR (polymerase chain reaction) genannt wird, so vermehrt werden, dass man sie genau untersuchen kann. Dies kann zur Aufklärung von Krankheiten wichtig sein oder aber zur kriminalistischen Überführung eines Täters mittels genetischem Fingerabdruck aus Spuren von Haut, Haaren oder Blut am Tatort. Die Gentechnik ist ein wichtiges Mittel zur Untersuchung von Krebszellen und ihren Genen und hat so schon viel zur Aufklärung der Entstehung von Krebs und auch bei der Entwicklung von Heilungsmöglichkeiten beigetragen.Pflanzen werden genetisch so verändert, dass sie bestimmte Eigenschaften haben, die Vorteile in der Landwirtschaft haben sollen: Widerstandsfähigkeit gegen Insekten, gerin-gere Anfälligkeit gegen Schimmelbefall, höherer bzw. anderer Vitamingehalt usw.. Wir se-hen, die Gentechnik ist aus unserem heutigen Leben praktisch nicht mehr wegzudenken und hat zweifellos sehr viele positive Aspekte.Dennoch dürfen wir niemals vergessen, dass wir Menschen bei der Schaffung neuer gen-technisch veränderter Lebewesen (Pflanzen, Tiere, eventuell sogar Menschen) eine große Verantwortung tragen. Wir greifen hier im Schnelldurchgang in Prozesse ein, die sich über Millionen Jahre entwickelt haben und noch längst nicht voll verstanden sind. Es ist fraglich, ob wir wirklich alle Konsequenzen dieser Veränderungen mit unserem heutigen Kenntnis-stand, der teilweise noch in den Kinderschuhen steckt, schon überblicken können. Wis-senschaftliche Möglichkeiten und eventuelle kurzfristige Verdienstmöglichkeiten bestimmter Industriezweige dürfen uns nicht daran hindern, die Gentechnologie immer wieder auf ihre ethische Berechtigung hin zu überprüfen. Wer will entscheiden, welche genetischen Verän-derungen, z. B. die einer menschlichen Eizelle, wirklich berechtigt sind? Was ist der Mensch, was macht seine Würde aus? Ist ein kranker Mensch weniger lebenswert? Kritiker der Gen-technik und Befürworter müssen sich immer wieder darüber austauschen, welche Werte in unserer Gesellschaft eine Rolle spielen sollen. Nur so kann eine menschenverträgliche (ein Begriff von Dietrich Grönemeyer) Gentechnik sicher gestellt werden.

Einführen des Insulingens in Bakterien

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Auszug aus:

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Lernwerkstatt: Genetik & Vererbung

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