Biologie

Biologie
Maximilian Ernestus
Waldorfschule Saarbrücken
Februar/März 09
Inhaltsverzeichnis
1
Klassische Genetik
1.1 Die Mendelschen Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.1 1. Mendelschre Regel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.2 2. Mendelsche Regel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.3 3. Mendelsche Regel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.4 Erklärung der Mendelschren Regeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.5 Wie kann man herausfinden, ob gelbe Erbsen homo oder heterozygot sind?
1.2 Der intermediäre Erbgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Die Vererbung der Blutgruppen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2
2
2
2
3
3
4
4
5
2
Chromosomen – Träger der Erbanlagen
2.1 Meiose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Mutationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
6
8
3
Stammbaumanalyse
9
3.0.1 autosomal-rezessiver Erbgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.0.2 autosomal-dominanter Erbgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3.0.3 gonosomal-rezessiver Erbgang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4
Viren
5
Die Reiche der Lebewesen
5.1 Mensch und Tier . . . . . . . .
5.2 Stoffkreislauf in der Natur . . .
5.3 Die 5 Reiche der Lebewesen . .
5.4 Überblick über das Tierreich . .
5.5 Der Unterstamm der Wirbeltiere
5.6 Homologie und Analogie . . . .
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14
14
14
15
16
16
18
Kapitel 1
Klassische Genetik
Kreuzungsversuch mit Erbsen J OHAN G REGOR Mutter angehören.
M ENDEL (1822-1884 „Vater der Genetik”).
Es handelt sich um einen dominant-rezessiven
Erbgang. Die Variante „gelb” ist dominant, „grün”
1.1 Die Mendelschen Regeln
ist rezessiv.
(1861)
Mendel säte die Pflanzen der F1 aus und kreuzte sie
wiederum untereinander:
Betrachtet man die Vererbung eines Merkmals
(= monohybrider Erbgang), so lässt dieser Erbgang
F1
l × l
Regelmäßigkeiten erkennen. Zum Beispiel:
F2
l
l
grün
Merkmal Farbe Varianten
6003
2001
gelb
3 : 1
Elterngeneration P
l♀
×
l
Filialgeneration F
l♂
2. Mendelsche Regel (Spaltungsregel)
uniform
Kreuzt man die Individuen der F1 untereinander, so
Das gleiche Ergebnis entstand, wenn Vater– und
spaltet sich die F2 Generation in einem bestimmten
Mutterpflanze vertauscht waren.
Zahlenverhältnis auf.
P
l♂
F
×
l♀
l
uniform
Betrachtet man die Vererbung von zwei
Merkmalen (= dihybrider Erbgang), so kommt man
zu einer weiteren Regelmäßigkeit.
1. Mendelsche Regel (Uniformi- 1. Merkmal Farbe
Varianten
tätsregel)
Kreuzt man zwei Individuen einer Art, die sich in ei2. Merkmal Form
nem Merkmal reinerbig voneinander unterscheiden,
so sind die Nachkommen in der Tochtergeneration
(F1 ) untereinander gleich (uniform). Dabei ist es
gleichgültig, welcher der beiden Rassen Vater oder
2
Varianten
grün
gelb
glatt
schrumplig
P
×
l
X
Krezungsschema für die 2. Mendelsche Regel:
l
F1
Kreuzung der F1
l
F2
l
9
F1
×
X
:3 : 3:
l
Aa
A
a l
l
×
l
Aa
A
a X
1
F2
Aa
l
AA
l
Aa
l
aa
l
3. Mendelsche Regel (Unabhägigkeitsregel)
: 1
3
Kreuzt man Individuen einer Art, die sich in meh- Kreuzungsschema für die 3. Mendelsche Regel
reren Merkmalen unterscheiden, werden die Erbanlagen getrennt und unabhängig voneinander vererbt.
×
P
X
l
Dabei treten neue Merkmalskombinationen auf.
aabb
AABB
ab AB
Erklärung der Mendelschren Regeln
F1
Das Merkmal (Gen) für die Farbe bzw. Form wird
von Vater und Mutter vererbt. In jedem Nachkommen „steckt” also eine Erbanlage von Vater und Mutter – zusammen also zwei: Diese nennt man auch Allele.
Also:
Allel „grün”
Gen Farbe Varianten
Allel „gelb”
F1 wird
untereinander
gekreuzt
F1
×
Ab
ab Ab aB ab ♀
AB ♂/ AB AABB
Ab
AABb
aB AaBB
ab AaBb
Kreuzungsschema für die 1. Mendelsche Regel:
A: Allel „gelb” (dominant)
a: Allel „grün” (rezessiv)
l
AA
Ab
ab F2 Kombinationsquadrat
Ein Allel kann das andere im äußeren Erscheinungsbild (= Phänotyp) überdecken, es ist dann dominant,
das überdeckte Allel ist rezessiv.
Symbol für dominante Allele: Grobuchstaben
Symbol für rezessive Allele: Kleinbuchstaben
P
l
AaBb
×
l
l
Ab Ab AB AB AABb
AAbb
AaBb
Aabb
AaBB
AaBb
aaBB
aaBb
AaBb
Aabb
aaBb
aabb
Liegen zwei gleiche Allele eines Gens vor, so spricht
man von Reinerbigkeit (Homozygotie). Z.B. sind
AA und aa homozygot (reinerbig).
Liegen zwei verschiedene Allele eines Gens vor,
so spricht man von Mischerbigkeit (Heterozygotie).
Z.B. Aa ist heterozygot.
l
aa
l
Aa
3
1.2 Der intermediäre Erbgang
Wie kann man herausfinden, ob
gelbe Erbsen homo oder heterozygot sind?
Merkmal/Gen: Blütenfarbe
Man kann die Pflanzen untereinander kreuzen oder
r = Allel für rote Farbe
eine sog. Rückkreuzung durchführen: Dann wird mit
w = Allel für weiße Farbe
einer Pflanze rückgekreuzt, die homozygot für das
rezessive Allel ist.
Blütenfarbe Varianten
Im Erbschema:
Fall 1: l ist homozygot:
rot `
rot
×
l
AA
A
P
X
aa
a ×
`
weiß `
weiß
`
rr
ww
r w l uniform
Aa
rosa
F1
×
`
`
rw
Fall 2: l ist heterozygot:
l
Aa
A
a ×
X
aa
a F2
l
Aa
rw
r w l
aa
rr
rw
rw
ww
`
`
`
`
1
4
r w :
3
:
1
1.3 Die Vererbung der Blutgruppen
Blutgruppen: A, B, 0, AB; Allele: A, B, 0
A und B sind jeweils dominant über 0. A und B
zusammen sind ko-dominant (beide prägen sich
aus).
Also:
Genotyp
(Allelkombination)
Phänotyp
(äußeres Erscheinungsbild)
AA
A0
BB
B0
00
AB
Blutgruppe A
Blutgruppe A
Blutgruppe B
Blutgruppe B
Blutgruppe 0
Blutgruppe AB
5
Kapitel 2
Chromosomen – Träger der Erbanlagen
2.1 Meiose
(von griech. „meiono” = „vermindern, verkleinern”).
Die Maiose ist eine besondere Form der Zellteilung
bei der Bildung von Keimzellen. Sie findet beim
Mann in den Hoden statt, beim Mädchen bzw. der
Frau in den Eierstöcken. Die Meiose vollzieht sich
in zwei Teilschritten, der ersten und der zweiten
Reifeteilung.
6
7
1. RT
2. Reifeteilung
je 23 Chromosomen
(haploid)
Polkörperchen
2. RT
Trennung der homologen
Chromosomen
1. Reifeteilung
2. Reifeteilung
Zygote
Verdopplung der
Chromatiden
Differenzierung zu Samenzellen
Durch viele
Zellteilungen
(Mitose) entwickelt
sich der Embryo
Chromatiden gehen durch Verdopplung auseinander hervor, sie sind daher genetisch identisch. Homologe Chromosomen entsprechen
sich zwar und tragen die gleichen Gene, sind aber genetisch verschieden, denn je ein homologes Chromosom wird vom Vater bzw. der Mutter
geerbt und die Allele der Gene können unterschiedlich sein. Da es bei der Verteilung der homologen Chromosomen in der ersten Reifeteilung dem Zufall überlassen bleibt, welches der Chromosomen in welche Tochterzelle gelangt, gibt es eine sehr große Zahl verschiedener
Kombinationsmöglichkeiten, nämlich 223 (8.3 Mio.). Das ist der Grund dafür, dass Geschwister in aller Regel nicht genetisch identisch sind
(Ausnahme sind eineiige Zwillinge).
2.2 Mutationen
Mutationen sind zufällige, erbfeste Veränderungen
der Gene oder der Chromosomen.
Beispiel 1: Abweichende Anzahl der Chromosomen
• Trisomie 21 (Down Syndrom); Häufigkeit in
Europa 1:700
Symptome: Lidfalte, Minderwuchs, häufig
Herzfehler, mehr oder weniger ausgeprägter
Grad an geistiger Behinderung.
• Kleinfelter Syndrom (Männer mit dem Karyotyp 47, XXY)
Symptome: großer Körperwuchs, Intelligenz
normal bis leicht eingeschränkt, Unfruchtbarkeit, fehlende Körperbehaarung.
• Turner Syndrom (Frauen mit dem Karyotyp 45,
X0)
Symptome: Minderwuchs, Fehlbildung an inneren und äußeren Organen, geistige Entwicklung
normal oder leicht eingeschränkt.
8
Kapitel 3
Stammbaumanalyse
autosomal-dominanter Erbgang
autosomal-rezessiver Erbgang
!"
!!#$%&'
!"
!"
""
"!#$%&'
""
!!
!!#$%&'
!"
Beispiel: Chlorea Huntington
A = Allel „krank”
a = Allel „gesund”
!"#$%&'()#*+"#,-"./'.01
Beispiele:
!"#$%&'()#*+"#,%*22'.01
• PKU (Phenylketonurie)
• Sichelzellenanämie
3"(425,-"./'.01
• Mukovizidose
3"(425,-"./'.01
9
gonosomal-rezessiver Erbgang
!!
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!"
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3"(425,-"./'.01
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45,#)-67,#+'8)+9#+8))#%-&
('8)+7&-,#80&'#:0&','82&)
!"
!!#$%&'
!!
Beispiele:
• Rot-Grün-Schwäche
• Hämphilie A (Bluterkrankheit)
gonosomal-dominanter Erbgang
!!
!"
!"
!!
!!
Ist der Vater krank, und die Mutter gesund, so sind
alle Söhne gesund und alle Töchter krank.
Beispiel: Vitamin D-resistente Rachitis
10
Beispiel 2: Phenylketonurie (Erbgang: autosomal rezessiv)
Eiweißnahrung
Zerlegung in
Aminosäuren
?
Stoffwechselu.a. Phenylalanin
?Nebenweg
PhenylbrenzEnzym 1
Traubensäure
Umwandlung in
giftig!
?
Tyrosin
Enzym 4
=
Homogentisinsäure
Enzym 2
Enzym
3 ~
?
Tyroxin
Melanin
Enzym 5
?
CO2 + H2 O
Mutation am Gen für:
Enzym 1 führt zu Phenylketonurie (PKU)
⇒ Nervenschäden durch giftige Abbauprodukte; auch Melaninmangel (helle
Haut/Haare/Augen) Schilddrüsenunterfunktion wegen Thyroxin-Mangel
Enzym 2 führt zu Albinismus
Enzym 3 führt zu Kretinismus
Enzym 4 führt zu Akoptonurie (Schwarzharn)
Therapie bei PKU: Phenylalaminarme und tyrosinreiche Eiweiß-Nahrung, vor allem in den ersten
sieben Lebensjahren.
11
Kapitel 4
Viren
Das Wort „Virus” kommt aus dem lateinischen
und bedeutet so viel wie „Gift”. Viren werden oft
auch als „infektiöse Partikel” bezeichnet, da sie keinen Stoffwechsel betreiben, keine Zellorganellen besitzen und sich nicht eigenständig fortbewegen und
fortpflanzen können.
Menschen, Tiere, Pflanzen und sogar Pilze und Bakterien können von Viren befallen werden. Viren, die
Bakterien befallen, nennt man auch Bakteriophagen oder kurz Phagen. Viele Krankheiten werden
durch Viren übertragen. Dazu zählen Pocken, Herpes, Tollwut (Mensch und Tier), oder Tabakmosaikviren (Pflanzen). Die äußere Gestalt von Viren ist
sehr unterschiedlich:
Z.B. Bakteriophage T4
?@A%+6%!"#$
!"#$%&'(")*+,-.//*0
Vermehrung des Bakteriophagen T4 :
!"#$%&'%()%**%+,'$
-./+0!"#$%&'%(+
',,%&+12(%+3%**#%&(4
"
!
#
&
%
$
1. Der Prophage heftet sich an die Wirtszelle, löst
die Zellwand und Membran auf und gibt seine
DNA in die Bakterienzelle.
2. Die Phagen DNA wird in die Bakterien-DNA
eingebaut; man spricht jetzt vom Prophagen.
12-34,5%6+)%
'(")*+,-.//*%
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3. Bei jeder Zellteilung der Bakterenzelle entstehen identische Tochterzellen. So vermehrt sich
der Prophage mit.
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4. Nach einer bestimmten Vermehrungszeit oder
durch äußere Faktoren ausgelöst wird die
Phagen-DNA aktiv; Proteinbiosynthese von der
Phagen-DNA ausgehend führt zu neuen VirusHüllproteinen, die mit Phagen DNA zusammen
hunderte neuer infektionsfähiger Phagen bilden.
5. Die Bakterienzelle „platzt”, stirbt dabei ab.
12
6. Phagen können sich auch direkt (ohne Einbau
der DNA) in der Wirtszelle vermehren (geht
schneller, ist aber weniger effektiv).
13
Kapitel 5
Die Reiche der Lebewesen
5.2 Stoffkreislauf in der Natur
5.1 Mensch und Tier
Tier
—
Instinkt/Trieb
Weitergabe von Überlebenstechniken
Neugierde
Spezialisierung
auf
einen Lebensraum /
eine biolog. Nische
kein Ich-Empfinden
kein aufrechter Gang
einfache Lautäußerungen
kein „meta”-Denken,
dass über den eigenen Lebensraum hinaus geht
Mensch
Denken
freier Wille
Entwicklung u. Weitergabe von Kulturtechniken
Wissensdrank
Anpassung an jeden
Lebensraum
hat eigenes Ego
aufrechter Gang
Sprache
kann über den Sinn
der eigenen Existenz
nachdenken
14
15
• ungeschlechtliche Vermehrung durch Zweiteilung
• zusammen mit den Pilzen wichtige Rolle im
Naturhaushalt als Destruenten (Zersetzer)
• schädlich: viele Krankheitserreger z.B. Erreger der Pest, Typhus,
Mizbrand
• nützlich: z.B. Milchsäurebakterien ⇒ Herstellung von Milchproduktion
• Zucht im Labor in flüssiger Nährlösung oder
auf festem Nährboden
(in Petrischalen)
• verschiedene Formen:
rund, stäbchen, spiralförmig u.a.
• meist wenige µm groß
Bakteriuen
mit Zellkern
z.B.: Amöbe, Euglena, Plasmodium (Malaria Erreger)
Protisten
(Ein- bis Wenigzeller)
5.3 Die 5 Reiche der Lebewesen
• autotroph (selbsternährend)
• Zellaufbau: mit Vakuole, Chloroplasten, Zellwand aus Cellulose
• Zellen mit Zellkern und
Zellwand aus Chitin
• Einzeller (z.B. Hefepilz) oder Mehrzeller
• schädlich: viele Krankheitserreger, z.B. Kartoffelfäule, Fußpilz
• nützlich: Speisepilze,
Hefepilz zum Backen
(Bierherstellung, Antibiotikaproduktion z.B.
Penicillin)
• Vermehrung
geschlechtlich
oder
ungeschlechtlich
• Fotosynthese
Pflanzen
• heterotroph
Pilze
• Ausscheidungen
• Zellaufbau: ohne Vakuole, Zellwand, Chloroplasten
• Lautäußerungen
• heterotroph
• Nervensystem
• Instinkte
• Beweglichkeit, Fortbewegung
Tiere
5.4 Überblick über das Tierreich
Es gibt über eine Millionen verschiedene Tierarten.
Zur besseren Übersicht werden sie in einer Systematik geordnet.
z.B.:
Gattung
Conis
Conis
Art
lupus
lupus
Rasse
familiarus
– Wolf
– Hund
5.5 Der Unterstamm
Wirbeltiere
der
• Gliederung in Kopf, Rumpf, Schwanz
• 2 Paar Gliedmaßen
• Wirbelsäule
=⇒ gleicher Bauplan, auch
wenn die Lebewesen äußerlich
↓
verschieden sind. z.B. Stamm
Gliederfüßler, Weichtiere u.a.
Unterstamm (insgesamt über 30) ⇒ siehe
Kopie.
↓
Stamm
Klasse
↓
Ordnung
↓
Familie
↓
Gattung
↓
Art
↓
Rasse
=⇒ zu einer Art gehören alle
Tiere, die in ihren wesentlichen
äußeren Eigenschaften gleich
sind und auf natürliche Weise
Nachkommen zeugen.
16
• Nervensystem (Rückenmark im Wirbelkanal,
Gehirn im Schädel)
• geschlossenes Blutgefäßsystem mit Herz
• Verdauungssystem bauchseits
• paarige Lungen / Kiemen zur Atmung
17
geschlechtliche
Fortpflanzung;
meistens Eier legend, selten lebend
gebärend
einfacher
Blutkreislauf
und
einfaches
Herz.
Passen sich der
Temperatur ihrer
Umgebung
an
(wechelwarm).
Fortpflanzung und
Entwicklung
Blutkreislauf und
Köpertemperatur
Kiemen
Atmungsorgane
Fische
Flossen,
Skelett
aus Gräten (bei
Knochenfischen),
Knorpel
(bei
Knorpelfischen)
Schuppen, Schilde
und Platten
und
Haut
Innenskelett
Gliedmaßen
Herz: zwei Vorkammern,
eine
Hauptkammer;
wechselwarm
Larven: Außenkiemen; nach Metamorphose: Lungen
/ Haut
im Wasser; (ge.
Fortpf.)
Laich
in
gallertartigen
Hüllen
bunte, nackte, drüsenreiche Haut
Amphibien
oft vier Gliedmaßen, kurze Rippen,
kein Brustkorb
Herzscheidewand
ist noch nicht vollständig ausgebildet; poikilotherm
ider wechselwarm
geschlechtliche
Fortpflanzung, Pergamentartige Eier,
lebendgebärend
rau
schuppig,
aus Horn oder
Knochenplatten
Lungen
Reptilien
meist vier Gliedmaßen, die vollständig zurückgebildet sein können
BlutWarm-
geschlechtliche
Fortpflanzung;
Säugen des Nachwuchses
geschlechtliche
Fortpflanzung
(Kloake); hartschalige Eier in Nestern
brütend
vollständig
ausgebildeter
Blutkreislauf;
zwei
Herzkammern,
kein
Mischblut;
gleichwarm
doppelter
kreislauf;
blüter
Lungen
Fellkleid aus Haaren
Säugetiere
Beine,
Flossen,
Flügel,
stabiles
Skelett
Lungen
Vögel
stabiles,
leicht
gebautes Skelett;
fast steifer Rumpf;
Knochen
hohl
und an Luftsäcke
angeschlossen
Federn
5.6 Homologie und Analogie
Homologie: Homologe Organe haben den selben Grundbauplan, auch wenn sie äußerlich unterschiedlich ausgestattet sind und eine unterschiedliche Funktion haben. Z.B. Vordergliedmaßen der
Wirbeltiere.
Analogie: Analoge Organe haben einen unterschiedlichen Grundbau, dienen aber der selben
Funktion. Man vermutet, dass sie sich in Anpassung
an einen bestimmten Lebensraum und eine bestimmte Lebensweise entwickelt haben.
18