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Biologie - Klausur # 1 Stufe 12
31. Oktober 2oo6
1. Mitose & Meiose + Vergleich
2. Oogenese & Spermatogenese + Vergleich
3. Geschlechtsdetermination : Genotypische- & modifikatorische
Geschlechtsbestimmung
4. Befruchtung einer Eizelle – Phasen der Befruchtung bei Säugetieren
5. Embryonalentwicklung eines Menschen
6. Reproduktion – künstliche Befruchtung : Insemination und In-VitroFertilisation
7. Pränatale Diagnostik
8. Apoptose – Programmierter Zelltod
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1.1 Mitose
Prophase: Die beiden Centriolenpaare trennen sich und wandern an
entgegengesetzte Pole der Zelle. Centriolen wirken als Mikrotubuli-organisierende
Zentren (engl. MTOC: Microtubule organising center) und sind der Ausgangspunkt
der Mitosespindel. Die Chromosomen kondensieren und werden sichtbar. Sie
bestehen aus je zwei Chromatiden, die nur am Centromer zusammenhängen. Das
Ende der Prophase ist erreicht, wenn die Kondensation der Chromosomen
abgeschlossen ist.
Prometaphase Kernhülle zerfällt und die Spindelfasern dringen in den Bereich des
jetzt aufgelösten Kerns ein. Die Chromosomen sammeln sich im Zentrum der Zelle.
In der Metaphase werden die kondensierten "Metaphasechromosomen" durch die
Mikrotubili der Spindel zwischen den Spindelpolen in der Äquatorialebene,
ausgerichtet. Die Metaphase ist abgeschlossen, wenn alle Chromosomen in dieser
"Metaphaseplatte" angekommen sind.
In der Anaphase werden die beiden Chromatiden eines Chromosoms durch die
Spindelfasern in Richtung Spindelpole auseinander gezogen. So erhält jedes
Spindelfaserkörperchen einen vollständigen Chromatidensatz auf seiner Seite. Damit
ist die Basis für die beiden zukünftigen Tochterzellen geschaffen. Die Anaphase gilt
also beendet, wenn sich die Chromosomen der beiden zukünftigen Tochterzellen
nicht mehr weiter auseinander bewegen.
Telophase, letzte Phase der Mitose. Sie folgt übergangslos auf die
vorausgegangene Anaphase. Die Kernhülle wird wieder gebildet und die
Chromosomen dekondensieren. Nach Abschluss der Dekondensation befindet sich
der Kern wieder in der Interphase.
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1.2 Meiose
1. Reifeteilung :
Prophase I: Während der Prophase liegt in der Zelle eine diploide
Chromosomenanzahl von 46 (2n = 46) vor, d.h., in der Zelle befindet sich ein
diploider Chromosomensatz (jeweils ein einfacher (haploider Chromosomensatz von
der Mutter und vom Vater stammend). Die Zwei-Chromatiden-Chromosomen
kondensieren (schrauben sich auf) innerhalb der Urgeschlechtszelle, d.h., die
Chromosomen verkürzen sich und werden sichtbar als lange, dünne Fäden. Aus den
Chromosomenpaaren der Zygote gehen jeweils zwei homologe
Chromosomenpaare hervor. Die Chromatiden eines solchen Chromosoms nennt
man Schwesterchromatiden. Die homologen Chromosomen legen sich dann parallel
aneinander, Centromer an Centromer (Paarung der homologen Chromosomen).
Jedes Chromosomenpaar besteht nun aus 4 parallel angeordneten Chromatiden,
Tetrade genannt.
Es kann vorkommen, dass sich Nicht-Schwesterchromatiden überkreuzen und
dadurch Bruchstücke des einen Chromatids mit dem anderen NichtSchwesterchromatid ausgetauscht werden; dies nennt man dann Chiasma (
Überkreuzung), der Vorgang heißt crossing-over. Diese Chiasmata entstehen zufällig
und durch diesen Vorgang wird genetisches Material innerhalb der Chromatiden
ausgetauscht (intrachromosomale Rekombination).
Die Zelle bereitet sich auf die Kernteilung vor; die Centriolenpaare bewegen sich
von einander fort, die Spindelfasern bilden sich aus, die Kernhülle und das
Kernkörperchen lösen sich auf.
Metaphase I Chromosomenpaare ordnen sich beiderseitig in der Mitte der Zelle
(Äquatorialebene, Metaphasenebene) zwischen den beiden Polen des
Spindelapparates an. Spindelfasern der Pole verbinden sich mit dem jeweils näher
gelegenen Centromer der homologen Chromosomenpaare.Die homologen
Chromosomenpaare ordnen sich zufällig an der Äquatorialebene an.
Die Anaphase I dient zur Trennung der homologen Chromosomenpaare. Während
die Schwesterchromatiden zusammenverbunden bleiben, werden die homologen
Chromosomenpaare zu den Polen hingezogen und dadurch getrennt. Auf jeder PolSeite ist also ein haploider Chromosomensatz. Aufgrund der zufälligen Anordnung
und Verteilung der mütterlichen und väterlichen Chromosomen ist dieser Vorgang
die Ursache für die interchromosomale Rekombination
Telophase I : Wenn die Chromosomen die Pole erreicht haben, wird die Zellteilung
eingeleitet. Die Chromosomen verschrauben sich wieder, so dass sie nicht mehr
sichtbar sind. Das Zellplasma teilt sich (Cytokinese) und jedes Chromosom hat nun
seine beiden Chromatiden (im Gegensatz zur Mitose!). Es existieren nun zwei Zellen.
Bereits in der Telophase I unterscheiden sich die Spermatocyten (männliche Zellen)
und die Oocyten (weibliche Zellen). Während die Spermatocyte (1. Ordnung) beginnt,
sich in zwei gleich große Zellen zu trennen, ist bei der Oocyte nur eine Zelle
komplett ausgebildet und eine verkleinerte Zelle, die mit der großen Eizelle
zusammenhängt. Es schließt sich dann ohne Interphase fließend die Prophase II an.
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2. Reifeteilung
In der Prophase II schrauben sich wieder die Chromosome auf und es wird ein
neuer Spindelapparat gebildet, der die Chromosomen wieder zur Äquatorialebene
zieht. Die Kernhülle und das Nucleoli zerfallen wieder.
Metaphase II: Die Chromosomen ordnen sich mit ihren Centromeren direkt in der
Äquatorialebene an.
Anaphase II: Die Schwester-Chromatiden in beiden Zellen werden jeweils am
Centromer getrennt und die nun getrennten Chromatiden wandern dann jeweils zu
den Zellpolen.
Telophase II: Die Chromatiden befinden sich an den Polen und die Kerne bilden
sich. Die Cytokinese beginnt und durch die Teilung der zwei Zellen entstehen 4
Zellen mit jeweils einen haploiden Chromosomensatz.
Bei den Spermatocyten entstehen vier gleich große Zellen (Spermatiden), die
später zu Spermien werden. Bei der Oocyte entsteht eine (große) Eizelle und drei
kleine und unfruchtbare Richtungskörperchen, die aber keine Funktion haben.
Die Chromosomen dekondensieren langsam wieder. Es sind nun vier gentisch nicht
identische Zellen mit jeweils haploidem Chromosomensatz und Ein-ChromatidChromosomen entstanden. Bei der nächsten Interphase werden diese dann wieder
zu Zwei-Chromatiden-Chromosomen.
Hauptunterschiede zwischen Meiose und Mitose in Bezug auf das Ergebnis
Meiose
Mitose
Funktion
Bildung von Geschlechtszellen
Vermehrung von Körperzellen
Erbinformationen
erbungleiche Teilung; Gene
werden neu kombiniert; vier
gentisch verschiedene Zellen.
erbgleiche Teilung; jede
Tochterzelle hat die gleiche
Erbinformation wie die
Mutterzelle.
Chromosomensatz
4 Zellen mit haploidem Satz
2 Zellen mit diploidem Satz
2.1 Oogenese
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Als Oogenese oder Eireifung wird die Bildung von Oogonien im Eierstock und deren
Entwicklung und Reifung zu gesunden Eizellen (Oozyten) mittels zweier
Reifeteilungen bezeichnet.
Alle Eizellen (200.000 pro Eierstock) sind dabei schon vor der Geburt vorhanden
bzw. wurden sie zu einem Großteil schon wieder zurückgebildet. Kurz vor oder nach
der Geburt bleibt die Entwicklung der Eizelle in der Prophase der ersten Reifeteilung
stehen. Das folgende Diktyotänstadium wird erst mit dem Eintritt in die Pubertät
beendet.
Eine Eizelle ist ungefähr 0,2 mm groß, also gerade noch mit dem menschlichen
Auge sichtbar und nur 6 bis 24 Stunden befruchtbar. Die Oogenese ist eine inäquale
(ungleiche) Teilung. Im Gegensatz zur Spermiogenese (bei der vier kleine
plasmaarme Spermien entstehen) entstehen also nicht 4 gleiche Eizellen sondern
nur eine plasmareiche. Diese hat jedoch, um nicht die nötige Erbinformation zu
überschreiten drei Polkörperchen in denen die überschüssigen Informationen
gespeichert sind. Diese bilden sich jedoch zurück und verschwinden.
Noch ein Unterschied zu den Männern ist, dass eine Frau nicht bis an ihr
Lebensende Eizellen produziert sondern nach etwa 30 bis 40 Jahren der
Teilungsprozess eingestellt wird. Es treten die sogenannten Wechseljahre ein.
2.2 Spermatogenese
Spermatogenese ist die Bildung von Spermien, also männlichen
Geschlechtszellen.
Nach der Pubertät können Spermatogonien zu Spermatocyten 1. Ordnung
differenzieren (Zellvergrösserung). Die Spermatocyten 1. Ordnung teilen sich
(Meiose I, Haploidisierung) und werden zu Spermatocyten 2. Ordnung. Diese
Teilen sich erneut (Meiose II, Äquationsteilung) und daraus gehen jeweils zwei
Spermatiden hervor. In der Spermiohistogenese reifen die Spermatiden zu
Spermien. Aus einem einzelnen Spermatogonium gehen also durch Meiose vier
Spermien hervor, wobei zwei davon ein X-Chromosom und zwei ein YChromosom tragen.
Die mitotische Teilung einiger Spermatogonien stellt zeitlebens den Bestand an
Zellausgangspopulationen für die Spermatogenese sicher (Stammzellen).
2.3 Vergleich zwischen Oogenese und Spermatogenese
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Tabellarische Gegenüberstellung der
Spermatogenese und der Oogenese
Spermatogenese
Anzahl der Gameten
Prinzip: kontinuierliche
Neubildung.
Obwohl von der Pubertät bis
zum Tod immer Spermien
produziert werden, unterliegt
die Produktion extremsten
Schwankungen in Bezug auf
Quantität und Qualität.
Output der Meiose
Am Ende der Meiose finden
sich vier funktionstüchtige
Gameten
Fetalperiode
Kein Eintritt in die Meiose
Keine Keimzellproduktion
Oogenese
Prinzip: Aufbrauchen des
Vorrats.
Kontinuierlich stattfindende
Abnahme der Eizellen von der
Fetalzeit an. Erschöpfung des
Vorrats mit der Menopause.
Am Ende der Meiose findet sich
eine Oozyte und drei
Polkörperchen.
Eintritt in die Meiose (wird im
Dyktiotän angehalten)
Produktion des ganzen Vorrats
an Keimzellen
3. Geschlechtsdetermination:
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Geschlechtsunterschiede bilden sich in der Embryonalentwicklung in der Regel erst
zu einem späteren Zeitpunkt aus, am Anfang sind die männlichen und weiblichen
Embryonen ähnlich/gleich. Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie die
Geschlechtsdetermination erfolgen kann:


Modifikatorisch
o Temperatur
o Ort
Genotypisch
o genisch
o chromosomal
3.1 genotypische Geschlechtsbestimmung:
Die Geschlechtschromosomen des Menschen bestimmen, ob aus einer befruchteten
Zelle ein Mädchen oder ein Junge ensteht. Zu einem bestimmten Zeitpunkt der
Embryonalentwichlung bildet sich aus den Keimdrüsenanlagen entweder Eierstöcke
oder ein Hoden. Die weitere Ausbildung wird dann durch die Hormone der
Keimdrüsen gesteuert. Bei der Ausbildung wirken zusätzlich autosomale Gene (alle
Chromosomen eines Chromosomensatzes mit Ausnahme der
Geschlechtschromosome) mit.
3.2 modifikatorische Geschlechtsbestimmung:
Unter der mod. Geschlechtsdetermination versteht man die Ausbildung des
Geschlechtsphänotyps durch Umwelteinflüsse. Als mögliche Faktoren kommen
Temperatur und Ort in Frage.
Einfluss der Termperatur :
Molekulare Grundlage für temperaturabhängige Determination ist z.B. bei
Schildkröten ein Enzym mit dem Namen Aromatase; es wandelt Testosteron in
Östrogen um. Die Aktivität der Aromatase nimmt mit steigender Temperatur zu, bei
höheren Temperaturen entwickelt sich somit eher ein weiblicher
Geschlechtsphänotyp, bei tieferen ein männlicher. Allerdings verhält es sich bei
Alligatoren genau umgekehrt, werden deren Eier in der zweiten oder dritten Woche
hohen Temperaturen (ca. 34°C) ausgesetzt, so entwickeln sich männliche
Alligatoren, bei Temperaturen um die 30°C hingegen Weibchen.
Einfluss des Ortes :
Alligatorenmütter handeln instinktiv. Soll aus den Eiern ein Männchen entstehen
begeben sich die Alligatorenmütter instinktiv in Hügelnester wo die Temperatur 34°
beträgt. Sollen aus den Eiern Weibchen schlüpfen begeben sie sich in feuchte
Morastnester, wo die Temperatur 30° beträgt.
Ortsgebundene
Geschlechtsbestimmung zeigt auch die Assel Ione thoracia, sie lebt auf Fischkiemen.
Landet ihre Larve auf den Kiemen eines Fisches, dann entwickelt sie sich zu einem
Weibchen, ansonsten zu einem Männchen.
4. Befruchtung einer Eizelle
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1. Spermium bindet sich an die Rezeptoren der Eizelle. Rezeptoren und
Spermienkopf passen genau ineinander.
2. Akromosomreaktion: Die vordere Spitze des Spermienkopfes (Akrosom)
durchfräst mithilfe von Verdauungsenzymen die Eihülle.
3. Nun erfolgt die Verschmelzung der Eizell- und Spermienmembran. Der ganze
Spermienkopf mit dem Mittelteil wird in die Zelle eingenommen. Der Schwanz
bleibt draußen. Diesen Vorgang bezeichnet man als Besamung.
4. Nach der Besamung wird die Eioberfläche für weitere Spermien
undurchdringbar. Die sogenannten Rindengranula spielen dabei eine Rolle.
Diese sind Vesikel IM Eicytoplasma, die mit Enzymen angefüllt sind. Nach der
Besamung ergießen sie ihren Inhalt zwischen Eizellmembran und Hülle. So
werden die Spermienrezeptoren irreversibel.
5. Wenn die Eizelle ihre 2. Reifeteilung vollendet hat, verschmelzen Eizell- und
Spermienkern miteinander. Diesen Vorgang nennt man Befruchtung.
5. Embryonalentwicklung eines Menschen
Befruchtung/Einnistung: . In den ersten drei Tagen besteht die Zelle 8 bis 16
Zellen. Sieben Tage nach der Befruchtung beginnt die Zelle, deren Bezeichnung nun
Blastocyste lautet, sich in der Gebärmutterschleimhaut einzunisten. Zu diesem
Zeitpunkt ist der „Körper“ aus ca. 100 Zellen aufgebaut.
Gastrulation/Neurulation:
Bei der Gastrulation teilen sich die Zellen in zwei getrennte Schichten auf und zwar in
die ektoderme und die entoderme Schicht. Über dem Ektoderm bildet sich die
Amnionhöhle, die später zur Fruchtblase wird. Unter dem Entoderm bildet sich ein
Dottersack, wo zu Beginn die Blutzellen produziert werden. Im späteren Verlauf dient
der Dottersack und die Allantois als Nabelschnur.
Von den ektodermen Zellen spalten sich noch die Mesodermen Zellen ab. Alle drei
Gruppen dienen zur Ausbildung verschiedener Dinge:
Mesoderm: Muskeln, Knochen ,Blutkreislauf, Knorpel
Ektoderm: Haut, Sinnesorgane, Nervensystem
Entoderm: Darm, Leber, Lunge, Bauchspeicheldrüse.
Organanlage:
Nach ungefähr drei Wochen haben sich die ersten Organanlagen gebildet. Zum
Beispiel existiert schon ein Herz, welches jedoch noch keine Kammern besitzt. Ein
Kreislaufsystem ist auch schon vorhanden. Auch die Anlagen für die anderen Organe
werden getroffen. Während der Phase der Organanlage entstehen zudem auch noch
Kiemenbögen, die sich jedoch in der weiteren Entwicklung zurückbilden. Aus ihnen
entsteht der Kiefer, sowie der Gehörgang. Zudem findet in dieser Phase auch die
Segmentierung statt. Dabei wird die Anordnung von z.B. der Wirbelsäule festgelegt.
Fötalzeit:
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Von einem Fötus spricht man ab der 9. Woche/dem 2. Monat. Zu diesem Zeitpunkt
sind außer der Lunge und dem Nervensystem alle Organe ausgereift. Diese beiden
Dinge sind erst ab dem 6. Monat voll funktionsfähig. Erst ab dann ist das King bei
einer Frühgeburt überlebensfähig. Während der Zeit bis zur Geburt nimmt der Fötus
pro Monat ca. 700g zu.
Placenta:
Die Placenta ist ab dem 4. Monat voll entwickelt. Sie stellt die Verbindung des Kindes
mit der Mutter dar. Sie versorgt das Kind mit allen überlebenswichtigen Dingen, wie
Sauerstoff oder Nährstoffen. Dabei kommt das Blut der Mutter aber nie mit dem des
Kindes in Kontakt.
Zudem lässt sie Schadstoffe wie Alkohol durch. Dadurch kann es zu einer
nachhaltigen Schädigung des Kindes kommen, wie zum Beispiel einer Missbildung
der Beine oder Augen.
6. Reproduktion – künstliche Befruchtung : Insemination und In-VitroFertilisation
6.1 Insemination :
Die Zahl der Spermien ist bei der Insemination gering und die Bewegung
eingeschränkt. Zum Zeitpunkt des Eisprungs werden Spermien direkt in die
Gebärmutter eingeführt. Die Eizelle wird auf natürlichem Weg befruchtet.
6.2 In-vitro-Fertilisation:
Eizelle und Spermien werden mittels Punktion entnommen und außerhalb des
Körpers im „Reagenzglas“ befruchtet. Nach 2 Tagen werden ausgewählte
befruchtete Eizellen in die Gebärmutter eingepflanzt. Vorher findet eine
Hormonbehandlung statt.
7. Pränatale Diagnostik
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7.1 Polkörperdiagnostik
Nach der 1. Reifeteilung, also vor der Befruchtung, wird ein Polkörperchen
entnommen und chromosomal und biochemisch analysiert. Nach der 1. Reifeteilung
ist der diploide Chromosomensatz vorhanden und ein zweifacher Chromosomensatz.
7.2 Präimplatationsdiagnostik
Hier wird einem Embryo im Vier- bis Achtzellenstadium eine Zelle entnommen und
einem Gencheck unterzogen. Bei diesem Verfahren besteht die Gefahr, dass das
Embryo verletzt/beschädigt wird. Hierbei ist auch zu beachten, dass wenn man in
diesem Stadium einen Gencheck unternimmt, man so in die Entwicklung des
Embryos eingreift und es verändert.
8. Apoptose – Programmierter Zelltod
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In der Wissenschaft kennen wir zwei Arten des Zelltodes: Die Apoptose und die
Nekrose, die bei Schädigungen des Gewebes von außen z.B. bei Verbrennungen
oder Verletzungen vorkommt.
Unter dem Mikroskop lässt sich die Apoptose von der Nekrose deutlich
unterscheiden: Die Apoptose ist gekennzeichnet durch ein Schrumpfen der Zelle,
eine Zerteilung der DNA durch Endonukleasen in definierte Stücke und die
Ausbildung von membranumschlossenen Vesikeln, die durch das Immunsystem
aufgenommen werden. Bei der Nekrose schwillt die Zelle an, die Plasmamembran
wird zerstört, das Zytosol und die Zellorganelle werden in den Interzellulärraum
freigesetzt. Eine Entzündungsreaktion ist die Folge, die bei der Apoptose nicht zu
beobachten ist.
Ablauf der Apoptose
Intakte Zelle
Schrumpfen der Zelle
Zerfall in Vesikel
Elimination durch
Das Imunsystem
Apoptose ist die häufigste Form von Zelltod im Organismus. Der Begriff ist aus dem
Griechischen entliehen und beschreibt das Herabfallen der Blätter von den Bäumen.
Die Apoptose ist äußerst wichtig für die korrekte Entwicklung eines Organismus. Zum
Beispiel bei der Entwicklung der Gliedmaßen eines Embryos bilden sich zunächst
Gewebsknospen aus, die an solide Platten erinnern. Die Apoptose sorgt nun dafür,
das die Zellen in den Finger- und Zehenzwischenräumen absterben und so die
Gliedmaßen ihre endgültige Form ausbilden können.
Der Apoptose kommt aber auch im Immunsystem eine entscheidende Rolle zu: zum
Beispiel werden Lymphozyten, die zur Abwehr einer Infektion benötigt wurden und
nach Ausheilung der Infektion nicht mehr gebraucht werden, durch Apoptose entfernt
und die Immunantwort so abgeschaltet. Weiterhin werden autoreaktive Lymphozyten,
die sich gegen körpereigenes Gewebe richten würden, durch Apoptose unschädlich
gemacht. Die Apoptose ist also ein Bestandteil der Selbsttoleranz des
Immunsystems. Für die Gewebehomöostase ist die Apoptose wichtig, da auf diesem
Wege Zellen eliminiert werden, die durch Mutationen oder virale Infekte geschädigt
sind.
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