Biologie Zellkern, Chromosomen und Mitose VORSSA 2009/CK 1
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Biologie Zellkern, Chromosomen und Mitose VORSSA 2009/CK 1. Der Zellkern Der Zellkern ist das grösste Zellorganell in einer Zelle. Praktisch alle Zellen enthalten einen Zellkern, eine wichtige Ausnahme sind die roten Blutzellen (Erythrozyten), welche kernlos sind und einige vielkernige Zellen, welche aus mehreren Zellen verschmolzen sind, z.B. die Knochen abbauenden Osteoklasten. Die Form der Zellkerne ist sehr variabel, z.b. rund, platt oder gelappt. Der Durchmesser beträgt im Schnitt 7µm und das Volumen des Zellkerns entspricht meist etwa 10% des Zellvolumens. Der Zellkern enthält die Erbinformation der Zelle. Dadurch ist der Zellkern auch das Steuerzentrum der Zelle, er enthält alle für die Funktion der Zelle nötigen Informationen. Im Zellkern jeder Zelle ist das gesamte Erbgut eines Lebewesens enthalten! Der Zellkern ist von einer Kernmembran mit vielen Kernporen umgeben. Durch diese Poren können Stoffe zwischen dem Kern und den Cytoplasma ausgetauscht werden. Im Zellkern finden sich ein bis mehrere kleine, runde Kernkörperchen, in ihnen werden Untereinheiten der Ribosomen hergestellt. Die Kernkörperchen sind besonders gut anfärbbar. 1.1. Aufgabe: Beschrifte den Zellkern und skizziere den dazugehörenden Zellumriss in realistischem Grössenverhältnis 2. Die Erbinformation – ein Experiment Im Jahr 1961 gelang dem britischen Biologen John Gurdon ein Aufsehen erregendes Experiment mit dem afrikanischen Krallenfrosch (Xenopus). Von diesem grünbraunen Frosch gibt es eine Albinovariante, welche keine Farbpigmente und rote Augen besitzt. Den Eiern des grünbraunen Krallenfrosches wurden in einem Experiment die Zellkerne entfernt. Stattdessen wurden Zellkerne aus Hautzellen des Albinofrosches in die Eier eingepflanzt. Aus den Eiern schlüpften Kaulquappen, die sich alle zu farblosen Albinofröschen entwickelten. 2.1. Aufgabe: Was zeigt dieses Experiment? Notiere deine Schlussfolgerungen. 3. Die Chromosomen Das Erbgut entspricht einem Bauplan, in dem festgehalten ist, wie ein Lebewesen heranwächst. Das Erbgut ist als DNA (Desoxyribonukleinsäure) in Form einer Doppelhelix, einer Art spiralförmiger Strickleiter gespeichert. Beim Menschen verteilt sich das Erbgut auf 46 Chromosomen. Die Chromosomen werden nur während der Kernteilung (Mitose) so stark spiralisiert, dass sie deutlich in Erscheinung treten. Normalerweise liegt die Erbsubstanz fädig vor, da von der DNA fortlaufend Informationen abgelesen werden müssen. 1 Biologie Zellkern, Chromosomen und Mitose VORSSA 2009/CK Chromosomen wurden vor über 150 Jahren unter dem Lichtmikroskop entdeckt. Jedes Chromosom besteht aus zwei schlegelförmigen Chromatiden mit einer gemeinsamen Einschnürung, dem Zentromer. Dort haften die beiden Chromatiden aneinander. Die Lage des Zentromers ist für jedes Chromosom charakteristisch. Jedes Chromatid besteht aus einem langen DNA‐Faden, der in regelmässigen Abständen über kugelige Eiweisskörper gewickelt ist. Diese Gebilde können sich ihrerseits durch Schraubung und Faltung weiter zusammenlagern, wodurch schliesslich das lichtmikroskopisch sichtbare Chromosom entsteht. 3.1. Aufgabe: Beschrifte die Abbildung mit Hilfe des Textes 4. Das Karyogramm Das gesamte Erbmaterial einer Zelle heisst Genom. Das Karyogramm ist die geordnete Darstellung der Chromosomen einer Körperzelle. Dafür werden die Chromosomen durch ein Mikroskop fotografiert und die einzelnen Chromosomen danach im Computer nach Grösse, Lage des Zentromers und Bandenmuster sortiert. Die entsprechende Zelle muss sich hierfür in der Metaphase (Anordnung in der Mitte, bevor die Chromatiden auseinander gezogen werden) der Mitose befinden. 4.1. Welches Geschlecht hat der Mensch mit dem nebenstehenden Chromosomensatz? Die 46 Chromosomen der Körperzellen bestehen aus 23 Chromosomenpaaren, man spricht auch vom doppelten oder diploiden Chromosomensatz. Chromosomenpaare mit entsprechenden Erbinformationen heissen homologe Chromosomen. Keimzellen haben nur 23 Chromosomen (je ein Chromosom von jedem Paar), den einfachen oder haploiden Chromosomensatz. In Körperzellen liegt meist ein diploider Chromosomensatz vor. 4.2. Handelt es sich beim abgebildeten Karyogramm um einen diploiden oder haploiden Chromosomensatz? Welche wichtige Ergänzung fehlt? 2 Biologie Zellkern, Chromosomen und Mitose VORSSA 2009/CK 5. Einige Chromosomenzahlen Alle Lebewesen (Arten) haben eine für sie typische Zahl von Chromosomen. Diese Anzahl ist in jedem Kern jeder Körperzelle zu finden! 5.1. Findest du einen Zusammenhang zwischen Chromosomenzahlen und Verwandtschaftsbeziehungen oder Organisationshöhe der Lebewesen in der Tabelle? 6. Mitose (Kernteilung) & Replikation (Verdoppelung der DNA) Bei der Zellteilung entstehen aus einer Mutterzelle zwei Tochterzellen. Der Verlauf der Zellteilung stimmt bei allen Lebewesen weit gehend überein. Sie ist daher ein Grundvorgang des Lebens. Der eigentlichen Zellteilung geht immer die Kernteilung (Mitose) voraus. Eine Mitose dauert ungefähr eine Stunde und lässt sich in verschiedene Stadien einteilen. Nach Abrundung der Zelle kommt es zu einer zunehmenden Spiralisierung der DNA, sodass ein Knäuel aus Chromosomen sichtbar wird. Gleichzeitig verdoppeln sich die Zentrosomen und wandern an die gegenüberliegenden Zellpole. Zwischen diesen beginnt sich der Spindelapparat auszubilden. Danach zerfällt die Kernhülle, so dass sich die Mikrotubuli des Spindelapparates an die Chromosomen anheften können. Später werden die Chromosomen in eine Ebene der so genannten Aequatorialebene angelagert. Darauf trennen sich die Chromosomen im Bereich der Zentromere, sodass jeweils zwei Einzelchromatiden entstehen. Dann werden die jeweils 46 Chromatiden durch die Spindelfäden an die gegenüber liegenden Pole gezogen. In Anschluss entspiralisieren sich die Chromatiden wieder und neue Kernhüllen werden ausgebildet. Fast gleichzeitig entstehen durch Durchschnürung zwei Tochterzellen. Dabei verschwindet der Spindelapparat, die Zellorganellen werden auf die beiden Tochterzellen verteilt und wieder vervollständigt. In Anschluss an die Mitose werden die Einzelchromatiden der 46 Chromosomen zu Doppelchromatiden verdoppelt: Die Einzelfäden der DNA weichen auseinander und jeder Einzelfaden wird so ergänzt, dass danach zwei identische Doppelfäden vorliegen, jeder mit einer alten und einer neuen Hälfte. Damit ist wieder die Vorlage für eine erneut e Mitose gescha ffen. 3 Biologie Zellkern, Chromosomen und Mitose VORSSA 2009/CK 6.1. Aufgabe: Ordne den Abbildungen 1 – 12 die folgenden Texte zu: • Je eine Chromosomen‐ hälfte (Chromatid) wird von den Spindelfasern an einen Zellpol gezogen • Die Kernmembran löst sich auf, die Spindelfasern heften sich an die Zentro‐ mere der Chromosomen • Die DNA liegt nun in einfacher Form vor • Der DNA–Strang wird beidseitig mit den passenden Basen ergänzt • Die DNA‐Fäden verkürzen sich, es bilden sich Chromosomen. In der Zelle bildet sich der Spindelfaserapparat • Es bildet sich einen neue Kernmembran und zwischen den Polen eine neue Zellmembran • Das Zentrosom hat sich verdoppelt, die DNA liegt im Zellkern in Form eines ungeordneten Fadengewirrs vor • Die Chromosomen entspiralisieren sich, so dass die DNA wieder in Form von langen Fäden vorliegt • Die Chromosomen werden durch Spindelfasern in der Mitte der Zelle angeordnet • Die DNA hat sich verdoppelt (die beiden Fäden werden an einer Stelle (Zentromer) zusammengehalten) • Die Chromatiden sind an den Zellpolen angekommen • Der DNA ‐ Strang spaltet sich auf 7. Die DNA und ihre Verdoppelung nach der Zellteilung Alle Angaben findest du im Text auf der nächsten Seite 7.1. Beschrifte in der unteren Abbildung (entschraubt) die einzelnen Bestandteile der DNA 7.2. Jeweils zwei der vier Basen passen zusammen wie Schloss und Schlüssel und können sich daher miteinander paaren. Verdeutliche dies, indem du die Basen in der untersten Abbildung mit folgenden Farben kennzeichnest: • • • • lang, gerundet: blau (C) kurz, gerundet: gelb (G) lang, zugespitzt: grün (T) kurz, zugespitzt: rot (A) 7.3. Ahme die Verdoppelung der DNA im Modell nach: • Nimm von jeder der vier Farben (sie entsprechen den Basen) acht Zettelchen • • Lege von jeder Farbe vier auf die Seite Lege mit den restlichen 16 Stück eine DNA, die 8 Basenpaare lang ist, mit möglichst gemischter Basenabfolge • Ahme nun die Verdoppelung mit den zur Seite gelegten Basen nach. • Überprüfe das Resultat: sind die beiden nun erhaltenen DNAs identisch? Jeweils ein bestimmter Fadenabschnitt der DNA enthält die Information für die Bildung eines Proteins. Dieser Abschnitt wird als Gen bezeichnet. Beim Menschen gibt es ca. 25'000 Gene. Das sind nur etwa 5% der vorhandenen DNA. Die restlichen 95% werden nicht zur Informationsübermittlung genutzt. Die Gene sind dabei auf den Chromosomen nicht wahllos und immer unterschiedlich angeordnet. Vielmehr sind Gene, die das gleiche Protein verschlüsseln auf den beiden Chromosomen eines Chromosomenpaares an der gleichen Stelle lokalisiert. 4 Biologie Zellkern, Chromosomen und Mitose 5 VORSSA 2009/CK Biologie Zellkern, Chromosomen und Mitose VORSSA 2009/CK 8. Zusammenfassung und weitere Übungen 8.1. Das komplette Karyogramm des Menschen trägt 46 Chromosomen. Hier siehst du ein Karyogramm mit vier Chromosomen: zeige daran die Begriffe homolog, diploid und haploid auf. 8.2. Nenne drei Beispiele, wo die Kernteilung (Mitose) eine wichtige Rolle spielt. 8.3. Fülle die Lücken: Die ___________________ auf einem DNA‐Strang sind sozusagen die „Sprache des Lebens“, vergleichbar mit einem Alphabet aus nur vier _________________. Einzelne Abschnitte auf der DNS nennt man ________. Wenn sich eine Zelle nicht in Teilung befindet, sind die DNS‐Fäden nicht als Chromosomen sichtbar, sondern sie liegen als ________________ im Zellkern vor. Damit die Erbinformationen für den Stoffwechsel und die ______________________ verfügbar sind, müssen sie in möglichst offener Form im Zellkern vorliegen. Die Mitose (= _______________ ) ist die exakte Verteilung von ______________________ auf beide Tochterzellen. Das Ergebnis sind also zwei genetisch __________________ Tochterkerne (= ___________ ). Bei der Kernteilung liegen die DNS‐Fäden als ________________ vor. So wie wir die Erbmasse von der Form her kennen, ist sie also genau genommen Erbsubstanz in ______________‐form. Erst nach der Kernteilung folgt die eigentliche ___________________. Zwei durch ____________ entstandene Zellen sind kleiner als die Mutterzelle, sie müssen also _______________. In dieser Zeit wird auch das Erbmaterial wieder _________________, damit die Zelle erneut zur Teilung bereit ist, wenn der nächste Impuls zur Zellteilung folgt. 8.4. Kannst du auf der Abbildung eine Reihenfolge der in Teilung befindlichen Zellen erkennen? 8.5. Fasse die Verdoppelung der DNA in einfachen Worten zusammen: 6
