Arbeitsblatt 1 - Schulbuchzentrum Online
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ARBEITSBLATT 1 Mitose Lösungen 1. Benennen Sie die Phasen des Zellzyklus! Erläutern Sie kurz die wichtigsten Vorgänge der jeweiligen Phase! ! G2-Phase: In dieser Phase # Es laufen die vier Mitosephasen ab werden die Vorbereitungen und es kommt zur Cytokinese. für die Mitose abgeschlossen. $ G1-Phase: In dieser Phase wächst die Zelle zur Größe der Mutterzelle heran. Gegen " S-Phase (Synthese- Ende dieser Phase wird ent- Phase): In dieser Phase schieden, ob die Zelle den erfolgt die Verdoppelung Zellzyklus verlässt, also in die der Erbsubstanz. G0-Phase eintritt, oder ob sie die Replikation vorbereitet und in die S-Phase übergeht. Interphase A B Mitose, Cytokinese 2. In der Abbildung unten sind verschiedene Mitosestadien dargestellt. $ Prophase Metaphase ! Anaphase # 2005 Schroedel, Braunschweig " Mitose a) Geben Sie die einzelnen Phasen an! Telophase 1 ARBEITSBLATT 1 Mitose Lösungen b) Beschreiben Sie anhand der Abbildungen die wichtigsten Vorgänge in den einzelnen Stadien unter Angabe ihrer Bedeutung! * Vorgänge Bedeutung Prophase In der Prophase liegen die Chromosomen zunächst in Form Herausbildung der Transportform des Erbmaterials (manövrierbare Chromoeiner fädigen und verknäuelt erscheinenden Struktur vor, die aufgrund ihrer leichten Färbbarkeit als Chromatin bezeichnet somen) wird (griech. chromos, Farbe). Im weiteren Verlauf verdichten sich die Chromatinfäden durch Aufschraubung und Auffaltung zu im Lichtmikroskop sichtbaren Zwei-Chromatiden-Chromosomen (Kondensation). Die Kernhülle zerfällt und von den beiden Polregionen der Zelle aus bildet sich ein Spindelapparat aus zahlreichen Proteinfasern (Mikrotubuli). Der Spindelapparat spielt für die Verteilungsvorgänge eine wichtige Rolle. Metaphase In der Metaphase haben die Chromosomen den höchsten Kondensationsgrad erreicht. Nun lässt sich im Lichtmikroskop die Anzahl der Chromosomen einer Zelle leicht bestimmen. Die Zwei-Chromatiden-Chromosomen ordnen sich in der Mitte der Zelle zwischen den Zellpolen zur Äquatorialplatte an. Mikrotubuli des Spindelapparats, die Zugfasern, setzen an den Centromeren der Zwei-Chromatiden-Chromosomen an. Vorbereitung des Verteilungsvorganges Anaphase gleichmäßige Verteilung der Chromosomensubstanz und damit gleichmäßige Verteilung der genetischen Information auf die beiden zukünftigen Tochterkerne Mitose In der Anaphase verkürzen sich die Zugfasern. Dadurch werden die Ein-Chromatid-Chromosomen voneinander getrennt. Da sich jedes Ein-Chromatid-Chromosom zu einem der entgegengesetzten Zellpole bewegt, weist jeder Zellpol schließlich einen kompletten diploiden Satz von Ein-Chromatid-Chromosomen auf. Die Polfasern verbinden die Zellpole miteinander. Sie stabilisieren den Spindelapparat. Telophase Zurückverwandlung der Chromosomen aus ihrer kompakten Transportform in die aufgelockerte, dekondensierte Funktionsform des Arbeitskerns 2005 Schroedel, Braunschweig Nachdem die Erbsubstanz gleichmäßig auf die beiden künftigen Zellkerne verteilt worden ist, beginnen sich in der Telophase die Ein-Chromatid-Chromosomen zu dekondensieren. Der Spindelapparat löst sich auf und es werden neue Kernhüllen gebildet, sodass schließlich zwei neue Zellkerne mit jeweils einem kompletten Chromosomensatz entstanden sind. Die Teilung des Cytoplasmas, die Cytokinese, ist am Ende der Telophase abgeschlossen. Zwischen den beiden neuen Zellkernen sind zwei Zellmembranen und eine Zellwand ausgebildet worden. * Diese Lösung entspricht teilweise den Erläuterungstexten der CD-ROM. Die Schülerinnen und Schüler sollten eigenständig formulierte Lösungen liefern. 2 ARBEITSBLATT 1 Mitose Lösungen 3. Wichtig für den korrekten Ablauf der Mitose ist der Spindelapparat. Beschriften Sie die Abbildung! Beschreiben Sie bei pflanzlichen Zellen Aufbau und Funktion der einzelnen Bestandteile dieses Systems! Zugfaser Spindelfasern Polfaser Zellpol Der Spindelapparat besteht aus Mikrotubuli, den Spindelfasern. Bei pflanzlichen Zellen bilden sich diese während der Prophase von den Zellpolen aus. In der Metaphase ist die Spindel voll ausgebildet. Man unterscheidet zwei Gruppen von Spindelfasern: 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- 2005 Schroedel, Braunschweig Mitose polen. 3 ARBEITSBLATT 1 Mitose Lösungen 4. Stellen Sie tabellarisch die Unterschiede zwischen Mitose und Meiose zusammen! Verwenden Sie auch die beiden Grafiken. Veränderungen in der Chromosomenzahl n (schwarze Kurve) und der DNA–Menge c (gestrichelte Kurve). Abszissen: Zellzyklusphasen beziehungsweise Zeitachsen. M = Mitose; I = 1. Reifeteilung der Meiose; II = 2. Reifeteilung der Meiose; Pfeile = Zellteilungen Mitose Meiose • Bildung von Körperzellen • Bildung von Keimzellen • Bildung von zwei diploiden Zellen • Bildung von vier haploiden Zellen • Ablauf nur einer Teilung • Ablauf von zwei aufeinander folgenden Teilungen • Es entstehen genetisch identische Tochterzellen. sehr lang • Durch die Vermischung des „väterlichen“ und „mütterlichen“ Chromosomenbestandes und durch das Cros- Mitose relativ kurz • prämeiotische Replikationsphase sing-over kommt es zu einer Rekombination des Erbmaterials. 2005 Schroedel, Braunschweig • prämitotische Replikationsphase 4 ARBEITSBLATT 2 Cytokinese Lösungen 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 diesen Vorgang! Man erkennt im Film, dass in der Anaphase die Ein-Chromatid-Chromosomen auch dadurch voneinander getrennt werden, dass die Zellpole auseinander weichen. Dabei wird die Zelle in die Länge gezogen. Gleichzeitig beginnt die Zelle damit, sich einzuschnüren. Die Schemazeichnung verdeutlicht, wie diese Einschnürung zustande kommt: In der Äquatorialebene liegt an der Innenseite der Zellmembran ein Ring aus Actin und Myosin, den Proteinen, die auch für die Muskelkontraktion verantwortlich sind. Wenn sich der Ring kontrahiert, wird die Zelle zunächst ein- und dann durchgeschnürt. 2. Benennen Sie die dargestellten Phasen der Mitose! Anaphase 2005 Schroedel, Braunschweig Mitose Erläutern Sie, wie sich die Cytokinese einer pflanzlichen Zelle von der einer tierischen Zelle unterscheidet! Verwenden Sie dazu auch die Abbildungen aus Aufgabe 1! Telophase Bei pflanzlichen Zellen findet in der Telophase der Mitose keine Einschnürung des Protoplasten statt. Es wird vielmehr in Höhe der Äquatorialebene eine neue Zellwand gebildet, die die Tochterzellen voneinander trennt. 1 ARBEITSBLATT 3 Meiose 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 ZweiChromatiden-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 Mitose & 2005 Schroedel, Braunschweig % Telophase II 1 ARBEITSBLATT 3 Meiose Lösungen 2. Die Abbildung zeigt einen Austausch von Chromatidenstücken zwischen Zwei-ChromatidenChromosomen. ! " 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 desselben Zwei-Chromatiden-Chromosoms dargestellt. Abbildung 2 zeigt einen Stückaustausch zwischen den benachbarten Ein-Chromatid-Chromosomen der homologen ZweiChromatiden-Chromosomen, also zwischen den „väterlichen“ und „mütterlichen“ Chromosomen. 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 Mitose Information, weil hier Allele „väterlicher“ und „mütterlicher“ Herkunft ausgetauscht werden (Abbildung 2). Beim Austausch von Chromatidenstücken desselben Zwei-ChromatidenChromosoms werden Stücke ausgetauscht, die identische Informationen enthalten (ent 2005 Schroedel, Braunschweig weder nur „väterliche“ oder nur „mütterliche“ Allele, Abbildung 1). Es findet also keine genetische Rekombination statt. 2 ARBEITSBLATT 4 Kondensationsstufen Lösungen 1. Benennen Sie in der Abbildung die unterschiedlichen Kondensationsstufen eines Chromosoms beziehungsweise deren Elemente! Geben Sie die Größe der Strukturen an! Ein-Chromatid-Chromosom 700 nm Chromatinfaser (Schleifenstruktur) 120 - 300 nm 30 nm-Chromatinfaser 30 nm Nucleofilament Mitose 11 nm DNA Histone 2005 Schroedel, Braunschweig Nucleosom DNA-Doppelstrang 2 nm 1 ARBEITSBLATT 4 Kondensationsstufen Lösungen 2. Erläutern Sie, warum das Erbmaterial in bestimmten Phasen des Zellzyklus kondensiert und in anderen 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 Erbmaterial in der Interphase dekondensiert vorliegen. Eine Trennung der Zwei-ChromatidenChromosomen 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 2005 Schroedel, Braunschweig Mitose Durchmesser eines Zellkerns beträgt etwa 8 µm. 2 ARBEITSBLATT 5 Replikation Lösungen 1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Moleküle! Beschreiben Sie die Funktion der beteiligten Enzyme in der zeitlichen Abfolge! Erläutern Sie die Bedeutung der übrigen Moleküle! DNA-Polymerase I RNA-Primer Primase Folgestrang OKAZAKI-Fragment Helicase DNA-Polymerase III Leitstrang Ligase 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 auseinanderstrebenden Replikationsgabeln. Primasen katalysieren nun in 5'!3'-Richtung die Bildung von kurzen RNA-Molekülen, den Primern, die zu Abschnitten der vorliegenden Einzelstränge komplementär sind. Dies geschieht am 3'!5'-Strang nur einmal, am 5'!3'-Strang in gewissen Abständen immer wieder. Mitose 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 2005 Schroedel, Braunschweig Abschnitte, die OKAZAKI-Fragmente. DNA-Polymerasen I entfernen die RNA-Primer und ersetzen sie durch einen entsprechenden DNA-Abschnitt. Ligasen verknüpfen die OKAZAKI-Fragmente zu einer kontinuierlichen Kopie des 5'!3'-Strangs, dem Folgestrang. 1 ARBEITSBLATT 5 Replikation Lösungen 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-Polymerasen, 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 genannten OKAZAKI-Fragmente, entstehen, wurde die Replikation des 5'!3'-Stranges verständlich: Dieser Strang wird diskontinuierlich in 5'!3'-Richtung kopiert und die Teilkopien dann zu einer kontinuierlichen Kopie verknüpft. Da sich die Synthese dieses Tochterstranges dadurch zeitlich etwas verzögert, wird er als Folgestrang bezeichnet. Der kontinuierlich und somit schneller wachsende Tochterstrang heißt demge- 2005 Schroedel, Braunschweig Mitose genüber Leitstrang. 2 ARBEITSBLATT 5 Replikation Lösungen 3. Die Abbildung zeigt im Schema die Transkription. Beschriften Sie die Abbildung! Vergleichen Sie die Replikation der DNA mit der Transkription! DNA-Doppelstrang codogener Strang wachsende mRNA RNA-Polymerase RNA-Nucleotide Gemeinsam ist Replikation und Transkription, dass diese Prozesse dazu dienen, DNA zu kopieren, indem ein neues Polynucleotid gemäß den Regeln der komplementären Basenpaarung anhand eines vorliegenden Polynucleotids, der Matrize, synthetisiert wird. Mitose 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 2005 Schroedel, Braunschweig 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 DNAStränge, nämlich des codogenen Stranges. Dieser Abschnitt ist durch bestimmte Nucleotid-Sequenzen gekennzeichnet. 3 ARBEITSBLATT 5 Replikation Lösungen 4. MESELSON und STAHL klärten 1958 den Replikationsmechanismus durch ein Experiment: Sie ließen 15 Coli-Bakterien in einem Nährmedium wachsen, das nur schweren Stickstoff ( N) enthielt. Nach vielen Generationen war die DNA der Bakterien mit diesem Stickstoff markiert („schwere“ DNA). Anschlie14 ßend überführten sie die Bakterien in ein Medium mit normalem Stickstoff ( N). Nach einer und nach zwei Generationen wurde die DNA der Bakterien isoliert und im Dichtegradienten zentrifugiert. Dabei trennt sich „schwere“ DNA von „leichter“ DNA und sammelt sich im Zentrifugenröhrchen in spezifisch angeordneten Banden, die im UV-Licht sichtbar werden. Neben dem favorisierten semikonservativen Modell wurden damals zwei weitere diskutiert, die konservative und die dispersive Replikation. Erläutern Sie anhand der Abbildung die drei Modelle! Ergänzen Sie die DNA-Moleküle der zweiten Generation und die fehlenden DNA-Banden in den Zentrifugenröhrchen! Das Experiment bestätigte die semikonservative Replikation. Begründen Sie, welches der KonkurrenzModelle nach der ersten, welches nach der zweiten Generation widerlegt war! Bei der semikonservativen Replikation bestehen beide Tochtermoleküle aus einem DNAStrang des Ausgangsmoleküls und einem neu gebildeten Strang. Die DNA ist also „halbMitose schwer“. Daher ergibt sich in der ersten Generation eine DNA-Bande im mittleren Bereich des Zentrifugenröhrchens. Bei der konservativen Replikation würde das Ausgangsmolekül erhalten bleiben und ein zweites Molekül völlig neu synthetisiert. Daher würde man im Zentrifugen 2005 Schroedel, Braunschweig röhrchen eine „schwere“ Bande und eine „leichte“ Bande finden. Beim dispersiven Modell bestünden 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. 4 ARBEITSBLATT 6 Lösungen Film 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 der jeweiligen Phase! ƒ Anaphase „ Telophase und Cytokinese ‚ Metaphase • Prophase • Prophase: Das fädige Chromatin beginnt sich zu kondensieren, sodass die ChromoMitose somen langsam sichtbar werden. Die Kernhülle zerfällt. ‚ Metaphase: Die Chromosomen bewegen sich zur Äquatorialplatte zwischen den Zellpolen. 2005 Schroedel, Braunschweig ƒ Anaphase: Die Zugfasern des Spindelapparats verkürzen sich und die EinChromatid-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 dekondensieren und werden von neuen Kernhüllen umgeben. Gleichzeitig wird die Zelle eingeschnürt, sodass schließlich zwei Tochterzellen entstehen. 1
