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Inhaltsverzeichnis

Fachliche und didaktische Konzeption der Werkstatt........................................................... 2

Zielebenenmodell für die gesamte Werkstatt ............................................................ 3

Leitidee.......................................................................................................... 3

Dispositionsziele ........................................................................................... 3

Planug des Unterrichtsverlaufs.................................................................................. 4

Arbeitsanleitung für die gesamte Werkstatt .......................................................................... 5

Die Werkstattposten.............................................................................................................. 8

Posten 1: Die Geschichte der Genetik....................................................................... 9

Posten 1 - Auftrag: Von der klasischen zur molekularen Genetik ................ 10

Anhang Posten 1............................................................................................ 12

Posten 2: Darstellen und Erkenne von Erbgängen .................................................... 21

Posten 2 - Auftrag 1: Die drei klassischen Erbgänge für Phänotypen........... 22

Posten 2 - Auftrag 2: Jedes Stammbaumbeispiel enthält einen der drei

klassischen Erbgänge für Phänotypen ........................................................... 24

Posten 2 - Auftrag 3: Rekonstruktion eines Stammbaumes .......................... 26

Posten 3: Die Mendelschen Gesetze ......................................................................... 57

Posten 3 - Auftrag 1: Das 1. Mendelsche Gesetz .......................................... 58

Posten 3 - Auftrag 2: Das 2. Mendelsche Gesetz .......................................... 61

Posten 3 - Auftrag 3: Die Rückkreuzung ...................................................... 63

Posten 4: Mitose und Meiose .................................................................................... 68

Posten 4 - Auftrag 1: Grafische Darstellung der Mitose und der

Meiose ........................................................................................................... 69

Posten 4 - Auftrag 2: Verpackung der DNA ................................................. 72

Posten 4 - Auftrag 3: Kombinationsmöglichkeiten der Meiose .................... 75

Posten 5: Die Genexpression..................................................................................... 84

Posten 5 - Auftrag 1: Die Expression der genetischen Information .............. 85

Anhang Posten 5:........................................................................................... 88

Posten 6: DNA und Proteine ..................................................................................... 91

Posten 6 - Auftrag 1: Das DNA-Modell........................................................ 92

Posten 6 - Auftrag 2: Das Protein-Modell ..................................................... 95

Posten 7: Herstellen des eigenen Gemüses ............................................................... 100

Posten 7 - Auftrag: Klonieren von gewünschten Merkmalen im

Modell ........................................................................................................... 101

Posten 8: Gentechnologie in der Praxis..................................................................... 114

Posten 8 - Auftrag 1: Isolieren von DNA aus Zwiebeln................................ 115

Posten 8 - Auftrag 2: Agarose-Gelelektrophorese........................................ 118

Posten 8 - Auftrag 3: Transformation von E. coli-Bakterien ........................ 123

Posten 9: Gentechnologie.......................................................................................... 141

Posten 9 - Auftrag 1: Diskussion Gentechnologie ........................................ 142

Anhang .................................................................................................................................. 145

Anhang 1: Lehrer-Lernkontrolle/Test ....................................................................... 145

Anhang 2: Materialliste ............................................................................................. 162

Anhang 3: Zielebenenmodell .................................................................................... 166

Anhang 4: Der Theorieteil......................................................................................... 175

Theoriekapitel 1: Die Grundbegriffe der klassischen Genetik ...................... 175

Theoriekapitel 2: Die Umsetzung der genetischen Information ................... 178

Theoriekapitel 3: Das Faltungsproblem ........................................................ 184

Theoriekapitel 4: Mitose und Meiose............................................................ 189

Theoriekapitel 5: Klonieren........................................................................... 192

Theoriekapitel 6: Die Regeln für das rationale Argumentieren .................... 195

Anhang 5: Glossar..................................................................................................... 197

Anhang 6: Literaturverzeichnis ................................................................................. 200

Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik

1


2

Fachliche und didaktische Konzeption der Werkstatt

Die Genetik ist vor allem durch ihren jüngsten Ableger, die Gentechnologie an

Bakterien, Pflanzen und Tieren in das Blickfeld der Öffentlichkeit geraten. Auf diesem Gebiet

besteht auch das größte Informationsbedürfnis. Um diesem Rechnung zu tragen, haben wir

auf die Besprechenung klassischer, genetischer Themen, wie der Replikation und der

Rekombination verzichtet. Dafür ist Raum genug für Werkstattposten mit

gentechnologischen Themen.

Auch die Behandlung der molekularbiologischen Themen ist auf ihre Relevanz im

Bereich der Gentechnologie zurechtgeschnitten: Die Replikation wird nicht behandelt, dafür

die Proteinfaltung. Wir haben uns gedacht, daß dadurch ein Zusammenhang zwischen den

gentechnischen Manipulationen und ihrem Produkt, rekombinanten Proteinen, deutlich wird.

Proteine sind das eigentliche Produkt der Gentechnologie, nicht einfach neue Gene.

Die Genetik ist leider eines der theorielastigsten und unanschaulichsten Gebiete der

Biologie. Der Genbegriff selbst ist nur eine Konstruktion. Die Vererbungsvorgänge sind erst

verständlich, wenn zuerst die theoretische Basis gelegt wurde. Dahinter steht ein

komplizierter molekularer Apparat; eine weitere Ebene der Abstraktion, ein weiteres Modell.

Hinzu kommt eine Fülle von Fachwörtern, die das Verständnis nicht gerade vereinfachen.

Wir haben deshalb einen Theorieanhang und ein Glossar bereit gestellt.

Der Theorieanhang bietet ein Grundwissen an, das genau auf die Erfordernisse der

Werkstatt zugeschnitten ist. Es handelt sich nicht um einen umfassenden Lehrtext zum Thema

Genetik. Es ist nur eine Fundgrube für die Schüler (wie eine Bibliothek), aus der sie die

Basisinformationen für die Problemlösungen der Werkstatt beziehen können. Wir haben die

Theorie nicht den einzelnen Posten zugeordnet, da sich oft mehrere Posten auf dieselben

Theorieabschnitte beziehen.

Das Glossar ist wie üblich als Gedächtnisstütze und Verständiskatalysator gedacht. Es wäre

auch denkbar alle Fachbegriffe, direkt im Text zu erklären. Damit würden aber die

Zusammehänge auseinander gerissen. Wir bevorzugen also das Glossar.


3

Zielebenenmodell für die gesamte Werkstatt

Leitidee

• Verbindung von alltäglichen Erfahrung mit theoretischem Hintergrund: Daraus ergibt

sich ein vertieftes Verständnis der eigenen Umwelt (Eltern - Kinder - Ähnlichkeit,

Degeneration, Kreuzungen, Züchtung, Stammbäume)

• Aktueller Bezug : Die Gentechnologie und die Genetik sorgen fast täglich für

Schlagzeilen. Es besteht allerseits ein starkes Informationsbedürnis. (AIDS, Genfood,

Rinderwahnsinn, Erbkrankheiten, Genterapie, Krebs)

• Die Außeinandersetzung mit aktuellen Themen der Biologie ermöglicht es den

Schülern, sich für oder gegen ein Biologiestudium zu entscheiden.

Dispositionsziele

• Die Schüler und Schülerinnen lassen sich nicht mehr auf rein vorurteilsgesteuerte,

emotionale Diskussionen zum Gentechnologiethema ein. Es besteht die Bereitschaft,

sich einen minimalen Wissensvorrat anzulegen und rational zu argumentieren.

• Bei der Beobachtung alltäglicher Situationen (siehe oben) beziehen die Schüler ihr

Vorwissen ein und kommen zu einem angemessenen Verständnis, das ihnen ein

verantwortungsvolles Handeln ermöglicht (Genfood, Erbkrankheiten).


4

Planug des Unterrichtsverlaufs

Zeit Lehrinhalte Didaktik Form Medien/

Hilfsmittel

3x 2

Std.

KIassische Genetik

Posten 1: Die Geschichte der Genetik

Posten 2: Erstellen eines Stammbaumes - Darstellen

und Erkennen eines Erbganges

Posten 3: Die Mendel´schen Regeln

Posten 4: Die Zellteilungen - Mitose und Meiose

Molekulare Genetik :

Posten 5: Genexpression - Der Weg der genetischen

Information

Posten 6: Genexpression: DNA und Proteine

Gentechnologie

Posten 7: Genomveränderung: Planen und

Herstellen eines eigenen "Gengemüses"

Posten 8: Gentechnologie in der Praxis

Posten 9: Diskussion: Gentechnologie

Werkstatt EA,

GA

Vorbereitete

Posten

1 Std. Prüfung: KIassische Genetik

Molekulare Genetik

Gentechnologie

Prüfung EA Prüfung

1 Std. Schlußdiskussion: Gentechnologie Diskussion PL Diskussionsproto-

kolle Posten 9.

LV = Lehrervortrag, EA = Einzelarbeit, GA = Gruppenarbeit, PL = Plenum


5

Arbeitsanleitung für die gesamte Werkstatt

In den nächsten 8-Stunden werdet Sie sich mit Genetik befassen. Das Thema Genetik wurde

in neun Posten verpackt. Jeder Posten enthält eine Arbeitsanleitung, mit welcher Sie genau

beschrieben bekommen, was zu tun ist. Die Posten können in einer beliebigen Reihenfolge

gelöst werden. Wenn Sie etwas nicht verstehen, dann reden Sie doch mit Ihren

MitschülerInnen oder fragen Sie den Lehrer.

Am Ende dieser Werkstatt findet eine Prüfung statt. Insgesamt stehen 18 Prüfungsfragen zur

Verfügung. Das ist eine Prüfungsfrage pro Werkstattauftrag. Wenn Sie mindestens 12

Werkstattaufträge bearbeitet haben, sind Sie perfekt für diese Prüfung gewappnet. Der

Werkstattunterricht ist so konzipiert, dass jeder nach seinem persönlichen Arbeitstempo

arbeiten kann. Einige Posten werden aber nicht in Einzelarbeit erledigt. Wenn Sie einen

solchen Posten bearbeiten, dann suchen Sie sich selbständig die nötigen Partner für den

betreffenden Posten. Im Zweifelsfall schlichtet der Lehrer.

Prinzipiell: Verlassten Sie die Posten so, wie Sie sie angetroffen haben.

Tabelle: Kurze Zusammenfassung der Werkstatt.

Personen Aufträge Ergebnisse? Zeit

Posten 1 Einzelarbeit 1 Ein 'informatives' Puzzle über die

Geschichte der Genetik.

45'

Posten 2 3 Personen 3 • Definitionen dreier Vererbungsmodelle

• Zuordnen eines Vererbungsmodells

• Rekonstruktion eines Stammbaumes

45'

Posten 3 Einzelarbeit

oder

Gruppenar.

3 • Herleiten des 1. Mendelschen Gesetzes

• Herleiten des 2. Mendelschen Gesetzes

• Anwenden von Mendel: Rückkreuzen

45'

Posten 4 Einzelarbeit 3 • Erstellen einer Mitose/Meisose Grafik

• DNA wird im Modell verpackt

• Kombinationsmöglichkeiten in der

Meiose

45'

Posten 5 3 Personen 1 Rollenspiel: Umsetzten der genetischen Info 45'

Posten 6 2 Personen 2 • Modellbau: DNA

• Falten eines Proteins

45

Posten 7 Einzelarbeit 1 Herstellen des eigenen 'Gentech-Gemüses'. 45'


6

Posten 8 4 Personen 3 • Isoliern von DNA aus Zwiebeln

• Agarosegel-Elektrophorese

• Transformation von E.coli Bakterien

45'

Posten 9 3 Personen 1 Diskussion: Für oder gegen Gentech? 45'


7

DieWerkstatt-

posten


8

Klassische Genetik

Posten 1

Die Geschichte derGenetik

Autor: Cyrill Arnet

1 Auftrag


9


Auftrag: Von der klasischen zur molekularen Genetik

Kurzbeschreibung

In diesem Posten wird die Geschichte der Genetik mir Hilfe eines Puzzles dargestellt. Das

Puzzle ist so ausgelegt, dass der Schüler die wissenschaftlichen Leistungen logisch den

Namen und Jahreszahlen der Forscher zuteilen kann.

Bearbeitungsdauer: 45'

Sozialform: Einzelarbeit

Vorkenntnisse: Keine speziellen erforderlich; Allfällige Fremdwörter sind im

Glossar erklärt.

Vorkenntnisse aus anderen Werkstattposten:

Keine, dieser Posten kann für sich bearbeitet werden.


10

Posten 1 - Auftrag: Von der klasischen zur molekularen Genetik

Hinfüren

Die Geschichte begründet zu einem grossen Teil unser Wissen oder unsere

Modellvorstellungen. Wann immer eine Entdeckung gemacht wurde, folgten immer wieder

neue oder neue Ideen, die auf dieser Entdeckung aufbauten. Die Geschichte ist und bleibt

dadurch ein wesentlicher Bestandteil auch moderner Forschung.

Im folgenden geht es daher darum, die Geschichte der Genetik ein wenig genauer zu

betrachten, den Weg der zu der modernen Genetik geführt hat zu verstehen.

Auftragsformulierung:


Zeit: 45'

Auftrag:

Führt die Aufgaben schrittweise durch. Ihr braucht dabei nicht das ganze Blatt zuerst zu lesen,

sondern löst die Aufgaben Punkt für Punkt nacheinander.

1. Ihr findet vor Euch verschiedenfarbige Puzzle-Teile:

schwarz: Jahreszahlen

blau: Namen einiger Forscher die die Genetik beeinflusst haben

grün: enthält leere Puzzle-Teile

2. Zusätzlich findet Ihr auf den Arbeitsblättern die 'wissenschaftlichen Leistungen der

Forscher'. Diese sind bewusst nicht in der richtigen Reihenfolge auf dem Blatt...

3. Sortiert als erstes die Puzzleteile aufgrund von Ihren Farben.

4. Nehmt Euch nun ein schwarzes Puzzle-Teil und sucht das blaue Gegenstück dazu. Lest

dabei zuerst die Namen auf den blauen Puzzle-Teilen und versucht diese nach Eurem

Gefühl (oder gar Wissen?) der bestimmten Jahreszahl zuzuordnen.

5. wiederhohlt jetzt diesen Schritt, bis Ihr alle Jahreszahlen und Namen der Forscher vor

Euch korrekt zusammengefügt habt.

6. Da die grünen Puzzle-Teile leer sind, bleibt Dir nichts anderes übrig, als diese kurz zu

puzzlen.

7. Mit der Schere schneidest Du nun Dein Arbeitsblatt: 'wissenschaftliche Leistungen der

Forscher' Abschnittsweise auseinander. Die Leistungen sind so beschrieben, dass Du sie

logisch den Namen und Jahreszahlen zuordnenen kannst. Wenn eine Zuordnung

erfolgreich war, dann steckt die ausgeschnittenen Abschnitte auf das betreffende Grüne-

Puzzle-Teile mit den Stecknadeln fest.

8. Wenn alle Abschnitte auf das Puzzle geheftet worden sind, vergleicht das Resultat mit

dem Lösungsblatt.

9. Beachte: Die Leistung der Jahre 1866 und 1953 müsst Ihr unbedingt präsent haben!


11

Formale Antwortstruktur

Am Ende dieses Postens hat jeder das Puzzle selbständig erstellt. Die wissenschaftlichen

Leistungen der Forscher sind dabei korrekt auf die leeren Puzzle-Teile geheftet worden. Das

Ergebnis bildet also eine Tafel, auf der man einen kurzen Abriss über die Geschichte der

Genetik ablesen kann.

Maßstab

Dieser Posten ist gut gelöst, wenn Ihr das Puzzle richitg zusammengesetzt habt. Die

Forschungsergebnisse der verschiedenen Wissenschaftler lassen sich logisch am Puzzle

befestigen. Aus diesem Grunde wird auch eine korrekte Lösung des Schülers erwartet.


12

Anhang Posten 1

Lösungen zu Posten 1

Wissenschaftliche Leistungen der Forscher:

Jahr Name Geistige und Forschliche Leistung der

Forscher

Quelle

427-347

v.Chr.

Platon Er stellte fest, dass sowohl die Mutter als auch

der Vater an der Übertragung der Merkmale

beteiligt ist. Er forderte daher eine Auslese der

Besten im Staat.

[Q1, 174]

384-322

v.Chr.

Aristoteles Der Schüler von Platon bemerkte, dass die

Kinder nicht nur den Eltern im ganzen Körper

und den einzelnen Merkmalen gleichen. Sie

ähneln vielmehr auch den Vorfahren von denen

doch nichts in den Samen kam. Die Ähnlichkeit

pflanzt sich vielmehr durch ganze Generationen

fort.

[Q1,174]

lange

'nichts'

- Die Zeit des dunklen Mittelalters... -

1866 G. Mendel Er ermittelte aus seinen Kreuzungsversuchen

Zahlenergebnisse, die Ihm die Formulierung der

Vererbungsgesetzte erlaubten. Mit seinen

Forschungen kann er als der Gründer der

klassischen Genetik angesehen werden. Die

Forscher seiner Zeit schenken Ihm aber wenig

glauben. 1902 greifen Boveri & Sutton auf seine

Gesetze zurück.

[Q1, 174]

1869 Miescher Dieser Mann war ein Zeitgenosse des heute

berühmten J.G.Mendel. Er entdeckte in den

Zellkernen von Eiterzellen eine 'neue' Klasse von

organischen Stoffe: die Nukleinsäuren. Er sagt

auch, dass es sich bei diesem Stoff um eine

Verbindung handelt in der es Kohenstoff,

Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor

enthält. Diese Pionierleistung bleibt bis 1944

unerkannt!

[Q3, 50]


13

1875 Hertwig Dieser Mann beobachtet nach Miescher die

Verschmelzung von Ei- und Spermakern der

Seeigeleier. Er folgerte daraus, dass sich die

Erbanalagen im Zellkern befinden

[Q1, 184]

1882 Flemming Noch vor der Beobachtung von Roux &

Weissmann beobachtet er die Spaltung der

Kernfäden

[Q1, 184]

1883 Roux &

Weissmann

Diese beiden Herren vermuten als erste, dass die

Chromosomen die Träger der Erbinformation

sind.

[Q1, 184]

1884 van Beneden Sechs Jahre vor der Beschreibung der Vorgänge

bei der Meiose beobachtet er, dass die

Spermazelle des Spulwurms nur einen einfachen

Chromosomensatz enthält.

[Q1, 184]

1890 Hertwig Er beschreibt die Vorgänge der Meiose [Q1, 184]

1902 Boveri &

Sutton

Diese beiden Herren zeigen, dass sich die

mendelschen Gesetze aus dem Verhalten der

Chromosomen in Meiose und Befruchtung

widerspruchsfrei ergeben. Sie stellen damit eine

Begründung der Chromosomentheorie der

Vererbung. Sie spinnen also die Gedanken von

Mendel weiter.

[Q3, 50]

1913 Sturtevant Er ist der erste der zeigt, dass sich die Gene

linear auf den Chromosomen anordnen. Diese

Beobachtung machte Er 11 Jahre nach den

Forschungsergebnissen von Boveri.

[Q3, 50]

1928 Griffith Dieser Herr zeigte 1928, dass sich erbliche

Eigenschaften von abgetöteten Bakterien auf

lebende Bakterien übertragen werden kann. Zu

diesem Zeitpunkt war es aber nicht klar, dass es

sich dabei um DNA handelte.

[Q3, 50]

[Q4, 76]


14

1944 Avery Er erkennt, dass die DNA die fundamentale

Einheit der Vererbung darstellt. Bis hierhin

dachte man, dass die chromosomalen Proteine

die träger der genetischen Information seien. Den

Nucleinsäuren wurde nur eine zweitrangige

Funktion eingeräumt. Mit dieser Entdeckung

sieht man das erste mal, die Pionierleistung

Mieschers.75 Jahre zuvor.

[Q2, 31]

[Q4, 76]

1950 Chargaff Dieser Herr stellt 3 Jahre vor der Aufklärung der

Struktur der DNA fest, dass die

Zusammensetzung das Verhältnis

Adenin/Thymin und Guanin/Cytosin immer 1 ist.

[Q4, 80]

1951 Heriott Ein Jahr nach Chargaff stellt dieser Herr eine

Theorie über die Vermehrung von Viren auf.

[Q4, 77]

1952 Hershey &

Chase

Diese Beiden Herren bestätigen die Theorie von

Heriott mit einem sehr raffinierten Versuch. Sie

bestätigen damit auch die Untersuchungen von

Avery 8 Jahre zuvor. DNA ist der Träger der

gesammten genetischen Information

[Q2, 30]

[Q4, 78]

1953 Watson &

Crick

Diese Entdeckung bildet den Startschuss der

modernen molekularen Genetik: Die

dreidimensionale Struktur der DNA. Dies war 87

Jahre nach Mendel einer der wichtigsten

Meilensteine der Genetik!

[Q2, 33]

[Q4, 78]

~ 1970 Molekularbiolo

gen

'Sie' machen die 'befriedigende' Erfahrung, dass

im Prinzip die grundlegenden Prozesse bei allen

Lebewesen (Bakterien, Pflanzen und Tiere)

ähnlich sind. Diese Tatsache ist ein wichtiger

Bestandteil der heutigen Bio- und

Gentechnologie.

[Q2, 33]

Seit 1953 Verschiedene Die Entdeckungen in der molekularen Genetik

nach Watson und Crick sind nahezu

explosionsartig gestiegen. Immer mehr finden die

heutigen Forscher heraus. Auf der anderen Seite

kommt mit jeder 'Lösung' eines Problems

automatisch wieder einige neue Probleme

hinzu....(die Spirale dreht weiter)

-


15

Material Posten 1

• Puzzle: selbst gebastelt aus Holz (3x 20 Teile: Jahreszahlen (20) Namen der Forscher (20)

bereits auf den Puzzle-Teilen, für die Leistungen (20) Blankopuzzle-Teile)

• Schere, Stecknadeln

• Arbeitsblätter für den Schüler mit den wissenschaftlichen Leistungen der Forscher

• Rahmen in den die Puzzleteile gelegt werden können.


16

Wissenschaftliche Leistungen der Forscher: Arbeitsblatt für den Schüler

Er ermittelte aus seinen Kreuzungsversuchen Zahlenergebnisse, die Ihm die

Formulierung der Vererbungsgesetzte erlaubten. Mit seinen Forschungen kann er als der

Gründer der klassischen Genetik angesehen werden. Die Forscher seiner Zeit schenken

Ihm aber wenig glauben. 1902 greifen Boveri & Sutton auf seine Gesetze zurück.

Diese beiden Herren zeigen, dass sich die mendelschen Gesetze aus dem Verhalten der

Chromosomen in Meiose und Befruchtung widerspruchsfrei ergeben. Sie stellen damit

eine Begründung der Chromosomentheorie der Vererbung. Sie spinnen also die

Gedanken von Mendel weiter.

Die Zeit des dunklen Mittelalters...

Er stellte fest, dass sowohl die Mutter als auch der Vater an der Übertragung der

Merkmale beteiligt ist. Er forderte daher eine Auslese der Besten im Staat.

Dieser Mann war ein Zeitgenosse des heute berühmten J.G.Mendel. Er entdeckte in den

Zellkernen von Eiterzellen eine 'neue' Klasse von organischen Stoffe: die Nukleinsäuren.

Er sagt auch, dass es sich bei diesem Stoff um eine Verbindung handelt in der es

Kohenstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Phosphor enthält. Diese

Pionierleistung bleibt bis 1944 unerkannt!

Dieser Mann beobachtet nach Miescher die Verschmelzung von Ei- und Spermakern der

Seeigeleier. Er folgerte daraus, dass sich die Erbanalagen im Zellkern befinden

Noch vor der Beobachtung von Roux & Weissmann beobachtet er die Spaltung der

Kernfäden

Diese beiden Herren vermuten als erste, dass die Chromosomen die Träger der

Erbinformation sind.

Sechs Jahre vor der Beschreibung der Vorgänge bei der Meiose beobachtet er, dass die

Spermazelle des Spulwurms nur einen einfachen Chromosomensatz enthält.

Er beschreibt die Vorgänge der Meiose


17

Dieser Herr stellt 3 Jahre vor der Aufklärung der Struktur der DNA fest, dass die

Zusammensetzung das Verhältnis Adenin/Thymin und Guanin/Cytosin immer 1 ist.

Er ist der erste der zeigt, dass sich die Gene linear auf den Chromosomen anordnen.

Diese Beobachtung machte Er 11 Jahre nach den Forschungsergebnissen von Boveri.

Dieser Herr zeigte 1928, dass sich erbliche Eigenschaften von abgetöteten Bakterien auf

lebende Bakterien übertragen werden kann. Zu diesem Zeitpunkt war es aber nicht klar,

dass es sich dabei um DNA handelte.

Er erkennt, dass die DNA die fundamentale Einheit der Vererbung darstellt. Bis hierhin

dachte man, dass die chromosomalen Proteine die träger der genetischen Information

seien. Den Nucleinsäuren wurde nur eine zweitrangige Funktion eingeräumt. Mit dieser

Entdeckung sieht man das erste mal, die Pionierleistung Mieschers.75 Jahre zuvor.

Der Schüler von Platon bemerkte, dass die Kinder nicht nur den Eltern im ganzen Körper

und den einzelnen Merkmalen gleichen. Sie ähneln vielmehr auch den Vorfahren von

denen doch nichts in den Samen kam. Die Ähnlichkeit pflanzt sich vielmehr durch ganze

Generationen fort.

Ein Jahr nach Chargaff stellt dieser Herr eine Theorie über die Vermehrung von Viren

auf.

Die Entdeckungen in der molekularen Genetik nach Watson und Crick sind nahezu

explosionsartig gestiegen. Immer mehr finden die heutigen Forscher heraus. Auf der

anderen Seite kommen mit jeder 'Lösung' eines Problems automatisch wieder einige neue

Probleme hinzu....(die Spirale dreht weiter)

Diese Entdeckung bildet den Startschuss der modernen molekularen Genetik: Die

dreidimensionale Struktur der DNA. Dies war 87 Jahre nach Mendel einer der

wichtigsten Meilensteine der Genetik!

'Sie' machen die 'befriedigende' Erfahrung, dass im Prinzip die grundlegenden Prozesse

bei allen Lebewesen (Bakterien, Pflanzen und Tiere) ähnlich sind. Diese Tatsache ist ein

wichtiger Bestandteil der heutigen Bio- und Gentechnologie.

Diese Beiden Herren bestätigen die Theorie von Heriott mit einem sehr raffinierten

Versuch. Sie bestätigen damit auch die Untersuchungen von Avery 8 Jahre zuvor. DNA

ist der Träger der gesammten genetischen Information


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Dokumentation Posten 1

• Miram W., Schaf K.-H.: Biologie heute SII; Hannover 1988, Neubearbeitung (Schroedel

Schulbuchverlag), S. 174, 184 [Q1]

• Knippers R., Philippsen P., Schäfer K.-P., Fanning E.: Molekulare Genetik. Stuttgart

1990, 5 Auflage (Thieme Verlag), S. 23, 30, 31, 33 [Q2]

• Wehner R., Gehrig W.: Zoologie. Stuttgart 1995 (Thieme Verlag), 23 Auflage, S. 50-51

[Q3]

• Stryer L.: Biochemie. Heidelberg-Berlin-New York 1991, neubearbeitete Auflage

(Spektrum Akademischer Verlag GmbH), S.76-80 [Q4]


19

Klassische Genetik

Posten 2Rekonstruktion von Stammbäumen -

Darstellen und Erkennen vonErbgängenAutor: Florian Gaiser

3 Aufträge

Auftrag 1: Die drei klassischen Erbgänge für PhänotypenAuftrag 2: Jedes Stammbaumbeispiel enthält einen der vier

klassischen Erbgänge für PhänotypenAuftrag 3: Rekonstruktion von zwei Stammbäumen


20


21

Posten 2: Rekonstruktion von Stambäumen -Darstellen und Erkennen von Erbgängen

Auftrag 1:Die drei klassischen Erbgänge

für PhänotypenKurzbeschreibung

Hier werden die Begriffe und Grundregeln der klassischen Genetik eingeübt.

Bearbeitungsdauer: 10 Minuten (Nach dieser Zeit brechen Sie ab.)

Sozialform: Die 3er Gruppen werden vom Lehrer eingeteilt.

Es gibt Einzelarbeiten, die nachträglich zusammengetragen werden.

Vorkenntnisse: Keine

Vorkenntnisse aus andern Werkstattposten:

Keine, dieser Posten kann für sich bearbeitet werden


22

Posten 2 - Auftrag 1: Die drei klassischen Erbgänge für Phänotypen

Hinführen

Auch wenn es bei dem ganzen Hightech-Rummel immer wieder in Vergessenheit gerät, die

Genetik ist die Wissenschaft von der Vererbung von Eigenschaften von Elterngeneration

zu Kindergeneration.

Es gibt drei einfache Modelle, nach denen man die meisten Erbgänge gesunder wie kranker

Phänotypen (= Merkmale) einordnen kann. Die einfachen Modelle helfen, Vergangenes zu

erklären und lassen auch gewisse Schlüsse auf zukünftige Entwicklungen zu:

1. Dominant autosomaler Erbgang

2. Rezessiv autosomaler Erbgang

3. Rezessiv geschlechtsgekoppelter Erbgang

(4. Dominant geschlechtsgekoppelter Erbgang. Das gibt es auch, ist aber sehr selten!)

Auftragsformulierung

1. Lesen Sie das Theoriekapitel 1, wenn ihnen die folgenden Begriffe neu vorkommen:

Genotyp, Phänotyp, homozygot, heterozygot, dominant, rezessiv, autosomal,

geschlechtsgekoppelt.

2. Jedes Mitglied der 3er Gruppe formuliert eine kurze Definitionen für einer der drei

verschiedenen Erbgänge für Phänotypen.

3. Nachher werden die Resultate ausgetauscht, so daß jedes Teammitglied eine

Kurzdefinition (Auftrag 1) für jeden der drei typischen Erbgänge besitzt.


1. Die Definitionen haben 4-5 Sätze.

2. Setzen Sie die Definition aus den Angaben zusammen, die im Theorieteil über die

entsprechenden Begriffe gemacht werden.

3. Halten Sie fest, wie Genotyp und Phänotyp der Merkmalträger aussehen.

4. Gehen Sie auf Unterschiede zwischen Mann und Frau, sowie deren Söhnen und

Töchtern ein.

Maßstab

Vergleichen Sie ihre Resultate mit dem Lösungsblatt: Halten Sie für jede Definition eine

Abweichung von der Musterlösung stichwortartig fest.

Wenn Sie die Punkt 4. der formalen Antwortsturktur für die geschlechtsgekoppelten Erbgänge

richtig gelöst haben, haben sie hervorragend gearbeitet.


23


Auftrag 2:Jedes Stammbaumbeispiel enthält einen

der drei klassischen Erbgänge für Phänotypen(erst nach Lösung von Auftrag 1 beginnen)

Kurzbeschreibung

Versuchen Sie je eines der drei Stammbaumbeispiele soweit aufzuschlüsseln, daß sie ihm

einen der drei klassisschen Ergänge für Phänotypen (= Merkmale) zuordnen können.

Bearbeitungsdauer: 10 Minuten (Nach dieser Zeit brechen Sie ab!)


Es gibt Einzelarbeiten, die nachträglich zusammengetragen werden.





24

Posten 2 - Auftrag 2: Jedes Stammbaumbeispiel enthält einen der drei klassischen

Erbgänge für Phänotypen

Hinführen

Die Datensammlungen in den drei gelben A4-Couverts enthalten jeweils Material für die

Rekonstruktion eines Stammbaumes. Die Stammbäume sind aus der Praxis der Human- und

Nutztiergenetik entnommen. Jeder Stammbaum repräsentiert einen der drei typischen

Erbgänge für Phänotypen (= Merkmale):



3. Rezessiv geschlechtgekoppelter Erbgang


1. Jeder Teilnehmer der 3er Gruppe bearbeitet eines der Stammbaumbeispiele alleine und

ordnet einen der drei typischen Erbgänge zu.

2. Sie müßen kein vollständiges Wandtafelmodell für jeden Stammbaum erarbeiten.

Rekonstruieren Sie nur so viel, bis Sie einen Erbgang zuordnen können.

3. Nachher werden die Resultate ausgetauscht.

Formale Antwortstruktur:

1. Sie ordnen nach rationalen Argumenten einen Erbgang zu.

Sie und berücksichtigen die folgenden Punkte:

• Tritt das vererbte Merkmal in jeder Generation auf?

• Gibt es geschlechtsunterschiede bei der Verteilung der Merkmalsträger?

• Wenn ja: Welches Geschlechtschromosom trägt das beteiligt Gen?

Maßstab

Alle vier Stammbaumbeispiele sind so weit zu behandeln, daß jedem eines der drei

Vererbungsmodelle zugeordnet werden kann. Vergleichen Sie ihre Resultate mit dem

Lösungsblatt: Halten Sie für jeden Stammbaum eine Abweichung von der Musterlösung

stichwortartig fest.


25


Auftrag 3: Rekonstruktion eines Stammbaumes(erst nach Lösung der Aufträge 1 und 2 beginnen)

Kurzbeschreibung

Versuchen Sie eines der drei Stammbaumbeispiele in Gruppenarbeit vollständig zu

rekonstruieren

Bearbeitungsdauer: 30 Minuten

Sozialform: Die 3er Gruppen vom Lehrer festgelegt. Besimmen Sie einen

Protokollführer.





26

Posten 2 - Auftrag 3: Rekonstruktion eines Stammbaumes

Hinführen

Sie haben bereits Kurzdefinitionen (Auftrag 1) für die drei typischen Ergänge für Phänotypen

angefertigt. Sie wissen welches Vererbungsmodell für jedes der drei Stammbaumbeispiele

zutrifft.

Im Detail wird es schwieriger. Sie kennen nur den Phänotyp der einzelnen Individuen.

Und auch der steht nicht immer sicher fest. Wie wollen Sie z. B. verstorbene Individuen

Einstufen, die sie nicht mehr untersuchen können? Hier sind sie auf historisches Material

angewiesen.

Die Datensammlungen in den drei gelben A4-Couverts enthalten jeweils historisches

Material für die Rekonstruktion eines Stammbaumes. Die Stammbäume sind aus der Praxis

der Human- und Nutztiergenetik entnommen.


1. Jede 3er Gruppe wählt eines der drei Stammbaumbeispiele. Mit den Personenkärtchen und

Datenblättern klären rekonstruieren Sie ihren Stammbaum auf der Wandtafel. Die

Personenkärtchen können Sie mit den Magenten auf der Tafel herumschieben:

• Ordnen Sie jedes Individuum einer Generation zu. Die Generationen sind auf

einer Ebene des Stammbaumes zusammengefaßt. Die Ebenen sind nummeriert.

(Parientalgeneration = P, Filialgeneration 1 = F1, F2, F3.)

• Ergänzen Sie alle Kinder und Idividuen, die nach der Datenlage auch noch

vorhanden gewesen sein müssen und für die es keine Personentäfelchen gibt: Kreise

sind weiblich, Quadrate sind männliche.

• Legen Sie fest wieviele Generationen beschrieben sind.

• Tragen Sie die Verwandtschaftsbeziehungen mit weißer Tafelkreide ein. Unsichere

Verbindungen sind nur gestrichelt.

• Protokollieren Sie ihre Entscheidungen und Überlegungen für jedes Individuum, das

sich nicht problemlos zuordnen läßt.


27

2. Zu dritt feilen Sie die Tafeldarstellungen des Stammbaumes mit allen Einträgen aus.

Tip: Sie wissen bereits, welcher der drei typischen Erbgänge in dem Stammbaum enthalten

ist.

• Legen Sie den Phänotyp (schwarzer Folienstift ) für jedes Individuum fest.

Vermerken Sie, wenn Sie unsicher sind.

• Legen Sie den Genotyp (roter Folienstift) für jedes Individuum fest. Wie aus dem

Theoriekapitel 2 hervorgeht, können Sie aus den Phänotypen nicht direkt auf die

Genotypen schließen. Dafür müssen Sie die Nachkommen der Merkmalsträger (?)

untersuchen. Sind die Merkmalsträger homocygot oder heterocygot? ACHTUNG:

Manchmal gibt es mehrere Möglichkeiten.

• Tragen Sie den Weg des Allels, das für das Merkmal verantwortlich ist mit farbiger

Kreide im Stammbaum ein. Es ist ersichtlich, welches Allel die Eltern jeweils

vererbt haben.

• Bestimmten Sie einen Protokollführer: Der trägt alle Genotypen und Phänotypen

auf den Personenkärtchen ein. Außerdem hält er ihre Überlegungen und

Entscheidungen fest.


Arbeiten Sie nach den Regeln für das rationale Argumentieren. Dies ist anschließend aus

Ihren Protokollen ersichtlich.

Das Wandtafelbild müssen Sie am Schluß abzeichnen und ihrem Protokoll beifügen.

(Optimal währe ein Polaroidfoto!)

Maßstab

Es exisitert eine saubere Abschrift des Wandtafelbildes und der Argumentationsweise. Es

gibt ein Lösungsblatt zu diesem Auftrag. Aber: Jede Lösung ist gut, solange sie sauber

hergeleitet ist. Vielleicht finden Sie nachträglich einen Überlegungsfehler.


28

Anhang Posten 2:

Lösungen Posten 2

Lösungsblatt Posten2 - Auftrag 1: Die vier klassischen Ergbänge für Phänotypen

1. Dominant autosomaler Erbgang eines Merkmals

Das Gen für das Merkmal liegt auf einem der Autosomen. (Allelbezeichner: groß-G)

Es gibt also keine Geschlechtsunterschiede beim Auftreten des Merkmals.

Der Merkmalsträger (Phänotyp) kann bezügliche des Gens heterocygot oder homozygot

sein (Genotyp = GG oder gG).

Jedes Kind, das das dominante Allel erbt, hat den Phänotyp des Merkmalsträgers (Genotyp

= GG oder Gg, G kann auch von der Mutter kommen!)

2. Rezessiv autosomaler Erbgang eines Merkmals

Das Gen für das Merkmal liegt auf einem der Autosomen. (Allelbezeichner: klein-g)

Es gibt also keine Geschlechtsunterschiede beim Auftreten des Merkmals.

Der Merkmalsträger (Phänotyp) muß bezügliche des Gens homozygot sein (Genotyp =

gg).

Nur die Kinder, die sowohl von Vater, als auch von der Mutter das rezessive Allel geerbt

haben, sind Merkmalsträgers (Genotyp = gg)

3. Rezessiv geschlechtsgekoppelter Erbgang.Merkmals

Das Gen für das Merkmal liegt auf einem Geschlechtschromosom (Allelbezeichner: klein-

x).

Es gibt also Geschlechtsunterschiede beim Auftreten des Merkmals.

Liegt das Gen auf dem X-Chromosm sind nur die Männer automatisch Merkmalsträger

(Genotyp = xY).

Bei Frauen tritt das Merkmal nach den normalen Regeln für einen rezessiven autosomalen

Erbgang auf (Genotyp = xx, xX und XX)

Alle Töchter des Mannes sind Genträgerinnen (Genotyp = Xx oder xx), zeigen aber nicht

alle das Merkmal. Seine Söhne sind gesund.

Frauen geben das Gen wie jedes autosomale Gen an ihre Kinder weiter (Siehe autosomal

rezessiver Erbgang).


29

Lösungsblatt Posten2 - Auftrag2:

Stammbaum 1: Rezessiv geschlechtsgekoppelter Erbgang.

Die Merkmalsträger sind ausnahmslos Männer. Frauen treten nur als

Genüberträgerinnen auf. Gesunde Männer können das krankmachende Gen nicht an ihre

Kinder übertragen. Es liegt auf dem X-Chromosom.

Stammbaum 2: Rezessiv autosomaler Erbgang.

Zwischen dem erbkranken Stammvater Osborndal Ivanhoe und den LAD-Kälbern im Stall

von Bauer Weißtanner liegen mehrere Generationen von gesunden Individuen. Die waren

wohl Genträger waren, aber keinerlei Symptome gezeigt haben. Die beiden Merkmalsträger

sind von verschiedenenm Geschlecht, was bei einem geschlechtsgekoppelten Erbgang nur

schwer zu erklären wäre.

Einfacher: Osborndal Ivanhoe ist herterozygoter Genträger aber ein sehr gesunder Stier. Es

muß sich um einen rezessiven Erbgang handeln. Er kann deshalb auch nicht

geschlechtsgekoppelt sein, da Osborndal Ivanhoe eine geschlechtsspezifisches Merkmal

ausprägen müßte, selbst, wenn es rezessiv wäre (Genotyp = XY)

Stammbaum 3.: Dominant autosomaler Erbgang

Praktisch alle Angehörige des Habsburgergeschlechtes zeigen einen übergroßen Unterkiefer.

Das nennt man Progenie. Das Merkmal ist wahrscheinlich dominant. Das Merkmal wird an

Männer wie Frauen gleichermaßen weitergegeben. Man darf sich durch die Übervertretung

der Männer im Stammbaum nicht täuschen lassen. Sie wurden lediglich häufiger portätiert.

Philipp I. hat einen normalen Unterkiefer. Das könnte mit besonderen Lebensumständen, oder

dem Bild zusammenhängen. Bei Frauen ist das Merkmal manchmal nur schwach ausgebildet.

Es gibt auch ein Modell mit einem rezessiven Erbgang das mit dem hohen Inzuchtgrad der

Habsburger arbeitet, aber einige Lücken aufweist.


30

Lösungsblatt Posten2 - Auftrag3:

Quelle 1: Linder Biologie, 19. Auflage, J. B. Metzlersche Verlagsbuchhandlung & Carl Ernst

Poeschel Verlag GmbH, Stuttgart, 1983, S. 364.


31

Quelle 2: Shuster, D. E., Kehrli, M. E., Ackermann, M. R., Gilbert, R. O., Identification and

prevalene of a genetic defect that causes leukocyte adhesion deficienca in Holstein cattle,

Porc. Natl. Acad. Sci. USA, 1992, Vol. 89, 9225-9229. Anpassung für die Werkstatt

vorgenommen.


32

Quelle 3: Wandruska, A., Das Haus Habsburg, Die Geschichte einer europäischen Dynastie,

Herder-Bücherei, Köln, 1968, S.173.


33

Materialien Posten 2

Tabelle: Material für 25 Schüler

15 x A4 Karton oder festes Papier

1 Schere

1 Tube Leim

1 Rolle Sebstklebende Folie (Migros: 4.00 CHF)

Je 1 Rote und schwarze Folienstifte

250 ml Spritzflasche mit Alkohol (Techn. Qualität)

30 Wandtafelmagnete (Migros: 3 Stk. zu 3.50 CHF)

Je 2 Weiße und rote Wandtafelkreide

1 Wandtafellineal

Für jeden Beispielstammbaum ein gelbes A4 Kouvert mit Titel und dem folgenden Inhalt:

• Ein Personentäfelchen für jedes Individuum, das im Stammbaum vorkommt. Ziehen Sie

die Vordrucke auf Karton auf. Die Kartontäfelchen werden mit selbstklebender Folie

abdedeckt. Man kann mit Folienstiften darauf schreiben und mit Alkohol korrigieren.

• Ein Datenblatt, nach dem sich der Stammbaum rekonstruieren läßt.


34

Stammbaum 1: Datenblatt

Das Erbe von Königin Viktoria - Europas fürstliche Bluter

Daß die englische Königin Viktoria nicht allein das nach ihr benannte Zeitalter schuf, sondern

Europa noch ein Erbe ganz anderer Art hinterließ, wurde durch viele fürstliche Bluter zur

traurigen Gewißheit.

Die Bluterkrankheit äußert sich durch Gelenk- und Muskeleinblutungen. Blutergüsse können

ebenso unter der Haut und auch im Gehirn auftreten. Nach eriner Verletzung ist eine

unstillbare Blutung die Regel, aber oft läßt sich keine Ursache ausfindig machen. Die

Einblutungen entstehen spontan. Solche spontanen Blutungen können 30 bis 35mal im Jahr

auftreten, am häufgsten zwischen dem 5. und 20. Lebensjahr. Frauen, starben früher mit

Sicherheit im Kindbett an der Krankheit.

Quelle:

Neumann, H. J., Erbkankheiten in europäischen Fürstenhäusern, edition q Verlags-GmbH,

Berlin, 1993, S. 184-205.

Boesch, J., Weltgeschichte, Von der Aufklärung bis zur Gegenwart, Eugen Rentsch Verlag,

Zürich, 1984.

Linder Biologie, 19. Auflage, J. B. Metzlersche Verlagsbuchhandlung & Carl Ernst Poeschel

Verlag GmbH, Stuttgart, 1983.


35

Viktoria Königinvon England

Daten: 1819-1901Verwandtschaft:Ihre Kinder verbreiten dieBluterkrankheit unterzahlreichen FürstenhäusernEuropas (Preußen, Hessen,Batenberg, Spanien,Romanow). Sie heiratet AlbertPrinz von Sachsen-Coburg-Gotha (1819-1861). Der führtfür sie dieRegierungsgeschäfte.Kinder:5 gesunde Töchter

2 gesunde Söhne1 Bluter

Phänotyp:

Genotyp:

Viktoria Prinzessin vonEngland

Daten: 1840-Verwandtschaft:Die älteste Tochter vonViktoria heiratet Friedrich III.Der deutsche Kaiser stirbt nachnur 99 Tagen Regierungszeit.Ein Sohn stirbt sehr jung unterzweifelhaften Bedingungen(Hirnhautentzündung oderHirnblutung ?).Kinder: 3 gesunde (?) Söhne

4 gesunde Töchter

Phänotyp:

Genotyp:

Kaiser Willhelm II.

Daten: Deutscher Kaiser(1888-1918)

Verwandtschaft:Sohn von Friedrich III. undViktoria Prinzessin vonEngland. Seine Großmutter warViktoria Königin von England.Ihne plagte die Gicht derHohenzollern; Auch eine„fürstliche“ Erbkrankheit.

Kinder: Keine

Phänotyp:

Genotyp:

HeinrichPrinz v. Preußen

Verwandtschaft:Sein Bruder ist deutscherKaiser von 1888-1914.Heinrich heiratet seine Cousineaus Hessen.Kinder: 1 gesunder Sohn

2 Bluter

Phänotyp:

Genotyp:


36

WaldemarPrinz v. Preußen

Daten: 1889-1945Verwandtschaft:Seine Eltern sind Cousin undCousine. Er wird dank demmedizinischen Forschritt 56Jahre alt! Er stirbt in denWirren nach Kriegsende, alsBluttransfusionen nicht mermöglich sind. Sein kleinerBruder heißt nach seinemVater.

Kinder: Keine

Phänotyp:

Genotyp:

Heinrich v. PreußenDaten: 1900-1904Verwandtschaft:Er ist der jüngest von dreiBrüdern, von denen nur derälteste gesund ist. Der Kleinestürzt mit 4 jahren bei einemSpielunfall von einem Stuhlund verblutet innerlich.Kinder: Keine

Phänotyp:

Genotyp:

Eduard VII.König von Enland

Daten: Englischer König(1901-1910)Verwandtschaft:Bruder von Viktoria Prinzessinvon England. Er heiratetAlexandra von Dänemark. Diebeiden kennen keine Bluter inihrer verzweigtenNachkommenschaft.Kinder: ?

Phänotyp:

Genotyp:

AlicePrinzessin von England

Daten: 1843-

Verwandtschaft:Die Englische Prinzessin isteine Tochter von Viktoia undheiratet Ludwig VI.Großherzog von Hessen.

Kinder:4 gesunde Töchter1 gesunder Sohn1 Bluter

Phänotyp:

Genotyp:


37

Leopold von Albany

Daten: 1853-1884

Verwandtschaft:Seine Mutter ist KöniginViktoria von England. Erheiratet Helene von Waldeck.In ihrer Verwandtschaft gibt eskeine Bluter.Leopold stirbt mit 31 an einerunstillbaren Blutung

Kinder:1 Sohn1 Tochter

Phänotyp:

Genotyp:

BeatricePrinzessin von England

Daten: 1857-

Verwandtschaft:Die jüngste Tochter vonVictoria Königin von Englandheiratet Heinrich Prinz vonBatenberg (1858-1898). DieBatenbergs kennen bislangkeine Bluterkranken.

Kinder:2 Bluter1 gesunder Sohn1 Tochter

Phänotyp:

Genotyp:

IrenePrinzessin v. Hessen

Verwandtschaft:Die älteste Schwester vonFriedrich von Hessen heiratetihren Cousin aus dem HauseHohenzollern.

Kinder:2 Bluter1 gesunder Sohn

Phänotyp:

Genotyp:


38

Friedrich von HessenDaten: 1870-1873Verwandtschaft:Stirbt mit 3 Jahren an denFolgen eines Fenstersturzes aninneren Blutungen. Sein Leidwurde von der Öffentlichkeitmit größer Anteilnahmeverfolgt. Sein älterer Bruder,Ernst Ludwig, der spätereGroßherzog von Hessen, wargesund.Sein Onkel Leopold vonAlbany, verblutetet mit 31Jahren an einer harmlosenVerletzung.Kinder: Keine

Phänotyp:

Genotyp:

Alice ViktoriaPrinzessin von Hessen

Verwandtschaft:Die Hessenprinzessin heiratetden letzten Zaren von Rußland.Sie ist eine Enkelin vonViktoria Königin von England.Nikolaus II. (1894-1918)kommt aus dem HauseHolstein-Gotrop-Romanow.1918 wird seine ganze Familievon den Bolschewistenhingerichtet.Kinder:4 Töchter

1 Bluter

Phänotyp:

Genotyp:

Viktoria EugeniaPrinzessin von BatenbergVerwandtschaft:Als Enkelin von ViktoriaKönigin von England wird„Ena“ nach Spanienverheiratet. Alfons XIII. ist derletzte König von Spanien mitRegierungsgewalt (-1931).Kinder:2 gesunde Söhne

2 Bluter2 Töchter

Phänotyp:

Genotyp:

LeopoldPrinz v. Batenberg

Daten: 1889-1922Verwandtschaft:Seine Schwester ist die Ehefrauvon Alphons XIII. dem letztenKönig von Spanien der 1931abdanken muß. Stirbt mit 33Jahren, weil man ihnungeschick am Blinddarmoperiert: Die Blutung kommtnie zum Stillstand.Kinder: Keine

Phänotyp:

Genotyp:


39

MoritzPrinz v. Batenberg

Daten: 1891-1914Verwandtschaft:Er hat zwei ältere Brüder undeine Schwester. Der Offiz ierfällt mit 23 Jahren im Kriegeiner sehr leichten Verletzungzu Opfer.Kinder: Keine

Phänotyp:

Genotyp:

Zarewitsch Alexej

Daten: 1904-1918

Verwandtschaft:Mit der Geburt einesThronfolgers scheint dasrußische Zarentum vorerstgerettet. Nur ist der Zarewitschauf den Tod krank. WundheilerRasputin stoppt die Blutungendank seiner „magischen“Fähigkeiten. Alexejs Mutter isteine Enkelin von Viktoria,Königin von England.Kinder: Keine

Phänotyp:

Genotyp:

Alfonso von Spanien

Daten: 1907-1938

Verwandtschaft:Alfonsos Vater, Alfons XIII.,war unglücklich über seinenThronfolger. Alfonso stirbt baldmit 31 bei einem Autounfall aneiner unstillbaren Blutung.

Kinder: Keine

Phänotyp:

Genotyp:

AlicePrinzessin v. England

Verwandtschaft:Tochter des ersten fürstlichenBluters in England. Enkelinvon Viktoria Königin vonEngland.Kinder:2 Bluter

1 gesunde Tochter

Phänotyp:

Genotyp:


40

Stammbaum 2: Das LAD-Syndrom bei Holsteinrindern.

Quelle: Shuster, D. E., Kehrli, M. E., Ackermann, M. R., Gilbert, R. O., Identification andprevalene of a genetic defect that causes leukocyte adhesion deficienca in Holstein cattle,Porc. Natl. Acad. Sci. USA, 1992, Vol. 89, 9225-9229.

Bei einer Rinderrasse, den Holstein Rindern, ist eine Krankheit des Immunsystems

weitverbreitet. Es ist die häufigste genetische Krankheit unter den Nutztieren. LAD-Syndrom

(engl. = Leucocyte Adhesion Deficiency syndrome) ist auf einen genetischen Defekt

(Mutation) zurückzuführen. Die Tiere leiden an häufigen Infektionskrankheiten und einer

verlangsamten Blutgerinnung. Heute kann man den genetischen Defekt schon direkt

nachweisen und ist nicht alleine auf die schwierige Diagnose der phänotypischen Merkmale

angewiesen.

Gestern im Emmental

Der amerikanische Stier Osborndal Ivanhoe ist schlicht der Traum jedes Tierzüchters. Die

Bauern stehen Schlange, um ihre Kühe von dem Holsteinerstier bespringen zu lassen. Kälber

mit hervorragende Fleischqualität und ergibiger Milchproduktion lassen sich am Laufband

züchten.

Auch die Bauern Gigax und Weißtanner, zwei Nachbarn aus dem Emmental, sind mit je zwei

Kühen (Gigax: Lise, Hedi; Weißtanner: Lena, Irma), dabei. Da der Spaß mit dem

amerikanischen Superstier eine ganze Menge Geld kostet, haben die beiden beschlossen, die

Supergene später unter ihrern Kühen und Stieren selbstständig weiter zu züchten.

Das geht eine Weile gut, bis einmal ein Stier von Gigax, Josef, den Zaun durchbircht und bei

Weißtanner eine Kuh, Juia, bespringt.

Als das Kalb zur Welt kommt freut sich Weißtanner schon: Der kleine Stier, Dani, ist ein

ebenbild seines amerikanischen Urahns Osborndal Ivanhoe. Als Weißtanner den Dani Jahre

später für die Zucht mit seiner Superkuh Marei einsetzen will, gibt es ein böses Erwachen.

Die Kälber Froni und Jakob sind krank: LAD-Syndrom, sagt der Tierarzt. Weißtanner gibt

Gigax die Schuld, die Genseuche mit seinem Josef bei ihm eingeschleppt zu haben.

Der Tierarzt weiß, das der Großvater von Stier Josef der Stier Osborndal Ivanhoe war.

Kürzlich wurde gewarnt, dieser sei ein heterozygoter Träger der LAD-Mutation.


41

Osborndal Ivanhoe

Stall: Amerika

Verwandtschaft:Stammvater aus Amerika.

Nachkommen: Mary, Max, Ueli

Phänotyp: gesund.

Genotyp: Ss

Lena

Stall: Weißtanner

Verwandtschaft:Weißtanners Lieblingskuh. Sie wird direkt mitOsborndal Ivanhoe gekreuzt.

Nachkommen: Mary

Phänotyp: gesund.

Genotyp:

Irma

Stall: Weißtanner

Verwandtschaft:Die Kuh gibt viel Milch,ist aber nicht so schön wieLena. Weißtanner möchte direkt mit demAmerikaner züchten.

Nachkommen: Max

Phänotyp: gesund.

Genotyp:

Lise

Stall: Gigax

Verwandtschaft:Die Kuh Lise ist zur Zeit die beste Milchkuh vonGigax. Gigax hat schon einen tollen Zuchtstier fürHolsteiner Milchkühe von der Lise bekommen, denJohann. Vielleicht liegt bei einer Paarung mit demAmerikaner mehr drin.

Nachkommen: Ueli

Phänotyp: gesund.

Genotyp:


42

Moritz

Stall: Weißtanner

Verwandtschaft:Das ist der bisherige Zuchtstier von Weißtanner. Erwill ihn weiterhin einsetzen. Vielleicht ergibt sich jaaus einer Kreuzung mit amerikanischem Blut einVorteil.

Nachkommen: Thomas

Phänotyp: gesund.

Genotyp:

Mary

Stall: Weißtanner

Verwandtschaft:Die Lena hat gekalbt: Es wird ein kleiner Stierdaraus.

Nachkommen: Thomas

Phänotyp: gesund.

Genotyp:

Frida

Stall: Weißtanner

Verwandtschaft:Frida, eine Tochter von Moritz, weicht dem Maxnicht von der Seite.

Nachkommen: Trudi, Julia

Phänotyp: gesund.

Genotyp:

Max

Stall: Weißtanner

Verwandtschaft:Der Max kommt von der Irma und sieht aus wie derModellholsteiner Ivanhoe aus Amerika.

Nachkommen: Trudi, Julia

Phänotyp: gesund.

Genotyp:


43

Ursi

Stall: Gigax

Verwandtschaft:Das ist eine ganz besondere Kuh. Ihre Mutter hatnämlich viele Preise für ihre Milchleisunggewonnen. Gigax will mit dem Uli züchten.

Nachkommen: Josef

Phänotyp: gesund.

Genotyp:

Ueli

Stall: Gigax

Verwandtschaft:Mit der Kuh Ursi gibt es einen kleinen Stier. Mitder Kuh Isa gekreuzt kommt die Kuh Susi zur Welt.

Nachkommen: Susi, Josef

Phänotyp: gesund.

Genotyp:

Thomas

Stall: Weißtanner

Verwandtschaft:Thomas ist das Prachtexemplar im Stall derWeißtanners. So etwas gab es noch nie. Als er großist, gewinnt er viele Wettbewerbe. Sein Samen wirdfür die künstliche Befruchtung eingesetzt. Dasbringt Gigax einen Haufen Geld ein. Die Gene vonThomas finden reißenden Absatz.

Nachkommen: Marta, unzählige Nachkommen

Phänotyp: gesund.

Genotyp:

Trudi

Stall: Weißtanner

Verwandtschaft:Weißtanner möchte die Charaktereigenschaften vonMax (Der ist immer brav!) mit denen von Thomaszusammen bringen (Der ist kaum zu bändigen undagressiv!). Aus der Kreuzung von Frida und Maxerhält Weißtanner die Kuh Trudi. Die will er mitThomas paaren.

Nachkommen: Marta

Phänotyp: gesund.

Genotyp:


44

Julia

Stall: Weißtanner

Verwandtschaft:Eine weites Kalb von Max und Frida. Alserwachsene Kuh wird sie Opfer des Anschlages vonStier Josef vom Hof Gigax.

Nachkommen: Dani

Phänotyp: gesund.

Genotyp:

Josef

Stall: Gigax

Verwandtschaft:Ein Stier an den Gigax höchste Erwartungen knüpft.Die Kombination von amerikanischemHochleisungsgenen mit denen seinerSupermilchkuh Ursi. Der Kraftprotz ist einAusbrecherkönig und Gigax muß ihn immer wiedereinfangen. Schließlich muß der im Stall bleiben.

Nachkommen: Dani, Martin

Phänotyp: gesund.

Genotyp:

Karla

Stall: Gigax

Verwandtschaft:Der Johann ist ein Prachtsstier aus dem Gigaxstall.Gigax hat schon gute Zuchterfolge mit ihm erzielt.Eine der besonders guten Kühe bei Gigax heißtKarla. Die will er mit dem Josef zusammenbringen.

Nachkommen: Martin

Phänotyp: gesund.

Genotyp:

Isa

Stall: Gigax

Verwandtschaft:Von den Erfolgen von Josef begeistert will Gigaxeinen zweiten Stier von dieser Sorte züchten. Erkreuzt seine Kuh Isa mit dem Stier Ueli.

Nachkommen: Susi

Phänotyp: gesund.

Genotyp:


45

Marta

Stall: Weißtanner

Verwandtschaft:Marta ist kommt von Trudi und Thomas. DerZuchterfolg mit Thomas soll auch im eingen Stallweiterverfolgt werden, meint Weißtanner.

Nachkommen: Froni, Jakob

Phänotyp: gesund.

Genotyp:

Dani

Stall: Weißtanner

Verwandtschaft:Das Stierenkalb kommt aus dem Anschlag von StierJosef auf die Kuh Julia. Es kommt dem Weißtannerzu Spaß, daß der Gigax mit seinem Zuchterfolg sogroßzügig umspringt.

Nachkommen: Froni, Jakob

Phänotyp: gesund.

Genotyp:

Martin

Stall: GigaxVerwandtschaft:

Das ist der kleine Stier aus der Kreuzung von Josefmit Karla. Vielleicht ist Martin nicht erblichbelastete, so wie sein Vater. Gigax will dasausprobieren. Es wäre doch zu schade die ganzeZucht hinschmeißen zu müssen. Er paart die KuhSusi mit Martin.

Nachkommen: Mini

Phänotyp: gesund.

Genotyp:

Susi

Stall: Gigax

Verwandtschaft:Die Isa hat gekalbt. Das Kalb Susi entwickelt sichzum besten, doch bevor Gigax seinen Planausführen kann und Susi mit Josef kreuzen kann,kommt der Josef im Zusammenhang mit den LAD-Kälbern unter Verdacht.

Nachkommen: Mini

Phänotyp: gesund.

Genotyp:


46

Froni

Stall: Weißtanner

Verwandtschaft:Weißtanner ist am Boden. Aus seiner Zuchtkommen LAD-Kälber. Das kann seinen Rufruinieren. Er denkt an das Geschäft mit dem StierThomas! Froni kommt aus der Kreuzung von Danimit Marta.

Nachkommen: Keine

Phänotyp: LAD-Syndrom

Genotyp:

Jakob

Stall: Weißtanner

Verwandtschaft:Vielleicht ist ja noch etwas zu retten, dachte sichWeißtanner, als er Dani und Marta zum zweitenmal kreuzte. Doch der Erolg bleibt derselbe. LAD-Kälber in Weißtanners Stall!

Nachkommen: Keine

Phänotyp: LAD-Synrom

Genotyp:

Mini

Stall: Gigax

Verwandtschaft:Gigax kann den Zorn von Weißtanner nichtverstehen. Wenn er seinen Josef einsetzt, ist alles inOrdung. Aus der Kreuzung von marin und Susierhält er die Mini. Genau das was Gigax untereinem gesunden Kalb versteht.

Nachkommen: ?

Phänotyp: gesund.

Genotyp:


47

Stammbaum 3: Der habsburgische Gesichtstyp

Die Habsburger waren nicht nur mächtige Herrscher, die über Jahrhunderte deutsche Kaiser

und spanische Könige stellten. Sie verfügten auch über eine ganz besondere genetische

Ausstattung: Es handelt sich um den habsburgischen Gesichtstyp.

Die halbgeschlossenen Augenlieder (Schlappaugen), die überdimensionierte Nase und das

hervorspringende Kinn, begleitet von einer herabhängenden Lippe gehören dazu. Besonders

die Erblichkeit des hervorspringenden Kiefers ist medizinisch untersucht worden. Die

Krankheit wird als Porgenie bezeichnet.

Wahrlich, die Habsburger waren keine Schönheiten. Verstärkt wurde der Gesichtstypus durch

eine regelrechte Inzucht (=Verwandtschaftsehen) unter den verschiedenen Zweigen des

Habsburgergeschlechtes. Damit ging ein allmählicher geistiger Verfall einher, der schließlich

zum Untergang der spanischen Habsburgerlinie führte. Der letzte spanische Habsburger

König Karl II. v. Spanien konnte weder lesen noch schreiben. Er war kindisch und konnte sich

nichts merken. Die Inzucht hatte allerdings auch den Machterhalt der Habsburger in Europa

über diese lange Zeit zur folge, da alles in der Familie blieb und vererbt wurde. Bella garant

alii tu felix Austria nube- Das Kriegführen überlaß den anderen, Du glückliches Österreich,

heirate.

Dieser Stammbaum hat mehrer Besonderheiten, die bei seiner Rekonstruktion berücksichtigt

werden müssen.

Die Einteilung der Individuen in eine bestimmte Generation fällt machmal schwer

(Inzucht).

Ist einmal das Vererbungsmodell für die Progenie festgelegt, können über den Genotypen der

einzelnen Individuen nur noch Vermutungen angestellt werden, da keine Startwerte gegeben

sind.

Die Phänotypen sind auch schwer zu bestimmen. Dabei müssen sie sich auf die bildlichen

Darstellungen stützen. Diese wurden von Malern angefertigt, die um ihr tägliches Brot und

manchmal ihr Leben zu fürchten hatten, wenn das Bild mißfalle sollte. Je mächtiger der Fürst,

desto falscher das Bild! Nur Jugendbilder sind zuverlässig.


48

Maximilian I.Deutscher Kaiser

Daten: 1459-1519

Verwandtschaft:Maximilian war kein großerFeldherr. Seine Kriege brachtenihm Schulen bei den Fuggern inAugsburg (Bank dereuropäischen Fürsten).Ehefrau: Maria v. Burgund.Kinder: Philipp I.

Phänotyp:

Genotyp:

Maria v. Burgund

Daten: um 1500

Verwandtschaft:Das Bild stammt von einemAltar. Sie stellt die HeiligeKatharina dar.Ehemann: Maximilian II.

Kinder: 1. Sohn

Phänotyp:

Genotyp:

Erzherzogin Margarete

Daten: um 1525

Verwandtschaft:Tochter von Karl V.

Phänotyp:

Genotyp:

Philipp I. (der Schöne)Deutscher Kaiser

Daten: 1478-1506Verwandtschaft:Ein Riesenimperium bahnt sichan. Spanien mit seinemKoloinialbesitz kommt vonseiner Frau. Burgund undHabsburg (DeutscheKaiserkrone) steuert er bei.Wer ist der Erbe?Ehefrau: Johanna dieWahnsinnige (v. Portugal)Kinder: Zahlreiche Töchter

und Söhne.

Phänotyp:

Genotyp:


49

Johanna die WahnsinnigeDaten: um 1500Verwandtschaft:Sie wird nach dem Tode ihresMannes wahnsinnig!Tochter von Ferdinand v.Kastilien und Isabella v.AragonKinder:Zahlreiche Töchter und Söhne.Darunter sind Karl V.,Ferdinand I., Eleonore Königinvon Frankreich

Phänotyp:

Genotyp:

EleonoreKönigin von Frankreich

Daten: um 1550

Verwandtschaft:Sie ist die Schwester von KarlV. und heiratet in Frankreich.

Phänotyp:

Genotyp:

Karl V.Deutscher Kaiser

Daten: 1500-1558Verwandtschaft:In seinem Reich ging die Sonnenicht mehr unter: Süd- undMitteleuropa, sowieamerikanische Koloniengehörten dazuSein Bruder Ferdinand I.bekommt nach KarlsAbdankung Mitteleuropazugesprochen. Sein Sohn PhilipII. Ist der Nachfolger in derSpanischen Linie.Kinder:Unter den zahlreichen Kindernsind Philipp II. Und Maria,dieFrau von Maximilian II. zufinden.

Phänotyp:

Genotyp:

Con CarlosSpanischer Thronfolger

Daten: 1545-1568Verwandtschaft:Der Thronfolger von Philipp II.Aus erster Ehe ist einetragische Gestalt derGeschichte. Auch wenn ihnVerdi in einer Oper alsFreiheitskämpfer feiert, war erwahrscheinlich geisteskrank.Seine Großmutter war Johannadie Wahnsinnige. Seine ElternPhilippII. und Maria v.Portugal.Kinder: Keine

Phänotyp:

Genotyp:


50

Ferdinand I.Deutscher Kaiser

Daten: 1503-1564Verwandtschaft:Begründer der österreichischenLinie der Habsburger, nachdemer die Hälfte desInterkontinentalen Imperiumseines Vaters erbt.Die österreichische und diespanische Linie bleiben auchnach ihrer Trennung in zweiverschiede Königshäuser engmiteinander verbunden(=Inzucht).Kinder: Unter seinenzahlreichen Kindern sindMaximilian II. und Karl vonSteiermark.

Phänotyp:

Genotyp:

Erzherzogin Magdalena

Daten: um 1550

Verwandtschaft:Tochter von Ferdinand I.

Phänotyp:

Genotyp:

Maria v. Spanien

Daten: um 1500Verwandtschaft:Sie ist die Tochter desHerrscherpaares, das dieExpedition von Kolumbus nachIndien finanzierte. Tochter von Karl V. undIsabella v. Spanien. Sie heiratetEmanuel v. Portugal. IhreTochter Isabella verheiratet Siemit Karl V. Ihr Sohn bekommtdafür Katharina v. Österreichzur Gemahlin. Eine Tochtervon Johanna der Wahnsinnigen.Kinder: 1 Sohn

1 Tochter

Phänotyp:

Genotyp:


51

Philipp II.Spanischer König

Daten: 1527-1598Verwandtschaft:Er war ein „stark vaterfixierterSonderling mitzwangsneurotischen Zügen.“Seine Mutter war Johanna dieWahnsinnige. Die erste Eheging er mit seiner CousineMaria v. Portugal ein. (Tochtervon Katarina v. Österreich).Kinder: Seine Thronfolger auserster Ehe, Don Carlos, lässt erwahrscheinlich umbringen. Dernächste Thronfolger entstammtder zweiten Ehe mit NichteAnna v. Österreich (Tochtervon Maximilian II.)

Phänotyp:

Genotyp:

Maximilian II.Deutscher Kaiser

Daten: 1527-1576Verwandtschaft:Ein ProtestantenfreundlicherVermittler zwischen denKonfessionen.Für die Thronfolge muß er aufseinen Neffen, Fridrich II.Zurückgreifen. Der ist ein Sohnvon Karl v. Steiermark.Kinder: Seine beiden Söhnekönnen keine Kinder zeugen(Inzuchtfolge).

Phänotyp:

Genotyp:

Maria v. Österreich

Daten: um 1550Verwandtschaft:Sie ist eine Tochter von Karl V.und Ehefrau von Maximilan II.Kinder: 4 Söhne. Zwei Söhnewerden deutsche Kaiser ohneThronfolger zu haben. Das isteine Folge der Inzucht.

Phänotyp:

Genotyp:


52

Rudolf II.Deutscher Kaiser

Daten: 1552-1612Verwandtschaft:Der Kaiser war einleidenschaftlicher Magir, standaber dem kaiserlichen Amthilflos gegenüber.Der erstgeborene Sohn vonMaximilan II. ist unfruchtbar.Die Thronfolge geht auf seinenjüngeren Bruder über.Kinder: Keine

Phänotyp:

Genotyp:

MatthiasDeutscher Kaiser

Daten: 1557-1619Verwandtschaft:Unter seiner Regentschaftbircht der 30jährige Krieg aus.Als Folge der Inzucht istMatthias ebenso wie seinälterer Bruder unfruchtbar. DieThronfolge geht auf seinenCousin Ferdinand I. über.Kinder: Keine

Phänotyp:

Genotyp:

Philipp III.Spanischer König

Daten: 1578-1621Verwandtschaft:Er sebst war überaupt nichtregierungsfähig und übertrugdie StaatsgeschäfteseinemGünstling, dem Herzogvon Larma. Philipp III. Ist derSohn aus der 4. Ehe vonPhilipp II. mit seinerösterreichischen Nichte Annavon Österreich, einer Tochtervon Maximilian II.Kinder: Philipp III. heirateteine Schwester von FerdinandII. (Tochter von Karl v.Steimark). Sie habenzusammen eine Tochter, MariaAnna v. Spanien und PhilippIV.

Phänotyp:

Genotyp:


53

Ferdinand II.Deutscher Kaiser

Daten: 1578-1637Verwandtschaft:Er hatte nur eins: religiösenFanatismus. Er ist einer derHauptschuldigen am 30jährigenKrieg.Er kommt nur durch Glück aufden Kaiserthron, da seinebeiden Cousins Kinderlosbleiben.

Kinder: Der Sohn aus ersterEhe ist Ferdinand III.

Phänotyp:

Genotyp:

Ferdinand III.Deutscher Kaiser

Daten: 1608-1657Verwandtschaft:Er wirkte beimZustandekommen deswestfälischen Friedens mit(1648).Seine Mutter war Anna v.Bayern. Die Heirat hatte„frisches Blut“ in dieösterreichische Linie gebracht.Seine Ehefrau kam aus derspanischen Verwandschaft:Eine Tochter von PhilippIII.und seiner Tante Margarete.Kinder: 1 Sohn (Leopold I.)1 Tochter (Maria Anna v.Österreich heiratet Karl II.)

Phänotyp:

Genotyp:

Leopold I.Deutscher Kaiser

Daten: 1640-1705Verwandtschaft:Er regierte fast 50 Jahre - imGrunde eine Zeitununterbrochener KriegeEr heiratet viermal. Erst seinerdritten Ehe entstammen diebeiden Söhne. In vierter Eheheiratet er die Schwester vonKarl II. von Spanien.Kinder: 2 Söhne

Phänotyp:

Genotyp:


54

Philipp IV.König v. Spanien

Daten: 1605-1665Verwandtschaft:Politisch und wirtschaftlichging Spanien seinem bankrottentgegen. Die Geschichte siehtin im einen totalen Versagerinfolge geistiger Schwäche.Beide Kinder entstammen derzweiten Ehe mit Maria Anna v.Österreich, einer Tochter vonFerdinand III und seine eigeneNichte (Inzucht!)Kinder: 1 Sohn, 1 Tochter

Phänotyp:

Genotyp:

Karl II.König von Spanien

Daten: 1661-1700Verwandtschaft:Seine Unfähigkeit war nichtsals der schreckliche Preis einerüber Generationen geübtenInzucht.Seine Vater war Philipp IV.Seine Mutter ist gleichzeitigeine Cousine. Ein klassischerFall von Rückkreuzung.(Inzucht!)Kinder: Keine

Phänotyp:

Genotyp:

ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik

55


Boesch J.: Weltgeschichte, Von der Aufklärung bis zur Gegenwart, Zürich 1984 (Eugen

Rentsch Verlag).

Knodel H., Bayrhuber H.: Linder Biologie. Stuttgart 1983 (J. B. Metzlersche

Verlagsbuchhandlung und Carl ErnstPoeschel Verlag GmbH), 19. Auflage.

McKusick V. A.: Medelian Inheritance in Man. atalogs of Autosomal Dominant, Autosomal

Recessive and X-linked Phenotypes. London 1983 (The John Hopkins University Press,

Baltimore), 6th Edition.

Neumann H. J., Erbkrankheiten in europäischen Fürstenhäusern. Berlin 1993 (edition q

Verlags-GmbH).

Shuster D. E., Kehrli M. W., Ackermann M. R., Gilbert R. O.: Identification and prealence of

a genetic defect that causes leukocyte adhesion deficiency in Holstein cattle.

Wandruszka A.: Das Haus Habsburg. Die Geschichte einer europäischen Dynastie. Stuttgart

1956 (Friedrich Vorwerk Verlag KG).


56

Klassische Genetik

Posten 3

Die MendelschenGesetze

Autor: Jakob Lindenmeyer

3 Aufträge

Auftrag 1: Das 1. Mendelsche GesetzAuftrag 2: Das 2. Mendelsche Gesetz

Auftrag 3: Die Rückkreuzung


57

Posten 3: Die Mendelschen Gesetze

Auftrag 1: Das 1. Mendelsche Gesetz

Kurzbeschreibung

Bei der Vererbung von gewissen Eigenschaften kann man Gesetzmässigkeiten erkennen. Gut

sichtbar ist dies bei Eigenschaften, die nur von einem Gen bestimmt werden. Gregor Mendel

entdeckte 1866 die nach ihm benannten Gesetzmässigkeiten anhand des Auskreuzens und

Auszählens von Bohnen. In diesem Arbeitsauftrag sollt Ihr anhand der Eigenschaft "Farbe"

über das Auszählen von Bohnen dem 1. Mendelschen Vererbungsgesetz auf die Spur

kommen.

Bearbeitungsdauer: 15 min

Sozialform: Einzel- oder Gruppenarbeit: Einer- bis Vierer-Gruppen

Vorkenntnisse: Keine speziellen erforderlich; Allfällige Fremdwörter sind im Glossar

bzw. im Theorieteil erklärt.




58

Posten 3 - Auftrag 1:

Das 1. Mendelsche Gesetz

Hinführen

Schon 1866 entdeckte Gregor Mendel durch das Kreuzen und Auszählen von Bohnen die

Mendelschen Vererbungsgesetze. In diesem Posten sollt Ihr anhand der Eigenschaft "Farbe"

über das Auszählen von Bohnen den Vererbungsgesetzen auf die Spur kommen. Falls Euch

Begriffe wie Gen, Allel, Genotyp und Phänotyp unklar sein sollten, so müsst Ihr zuerst im

Anhang das Theoriekapitel 1: "Die Grundbegriffe der klassischen Genetik" nachlesen und den

unklaren Begriff jeweils im Glossar im Anhang nachsehen. Danach beginnt Ihr mit

Arbeitsauftrag 1: Das 1. Mendelsche Gesetz.


Sozialform: Einzel- oder Gruppenarbeit (bis 4 Leute)

Zeit: Für 1: 5 min; für 2: 5 min; für 3. 7 min; Gesamt: max. 20 min.

Auftrag:

1. Auffrischen der Genetik-Grundbegriffe wie Gen, Allel, Genotyp und Phänotyp: Lest

während 5 Minuten im Anhang das Theoriekapitel 1: "Die Grundbegriffe der klassischen

Genetik".

2. In einem bereits durchgeführten Experiment sind homozygote (=reinerbige) Bohnen mit

der Farbe rot mit reinerbigen rot-weiss gesprenkelten Bohnen gekreuzt worden. Ihr sollt

nun die Eltern- oder Parentalgeneration (P) und die 1. Tochter- oder 1. Filialgeneration

(F1) auszählen. Notiert Euch die Farben und deren Anzahl. Welche Farbe (=Genvariante

oder Allel) setzt sich durch (ist also dominant)? Welches Allel ist unterlegen oder rezessiv?

Was ist bei den Bohnen der 1. Filialgeneration besonders? Gebt auf diese Fragen

schriftliche Antworten. (5 min)

3. Versucht nun in 1-3 Sätzen Eure Beobachtung als ein Gesetz festzuhalten. Zeigt dieses dem

Lehrer und er gibt Euch dafür das 1. Mendelsche Gesetz bekannt. Lest dieses 1.

Mendelsche Gesetz durch und vergleicht es mit Eurem Eigenen. Was davon habt Ihr selbst

herausgefunden? Wo müsst Ihr eure Formulierung noch ergänzen? Gebt auf diese Fragen

schriftliche Antworten (7 min).


Ich erwarte, dass Ihr nach diesem Posten die Kerngedanken des 1. Mendelschen Gesetzes in

1-3 Sätzen formuliert habt. Gebt auf die im Auftrag gestellten Fragen schriftliche Antworten

(je 1 Satz).


59

Maßstab

Wenn Ihr eine eigene richtige Formulierung des 1. Mendelschen Gesetzes aufgeschrieben und

die obigen Fragen beantwortet habt, so ist dieser Arbeitsauftrag erfüllt.


60


Auftrag 2: Das 2. Mendelsche Gesetz(erst nach Lösung von Auftrag 1 beginnen)

Kurzbeschreibung

In diesem Arbeitsauftrag sollt Ihr anhand der Eigenschaft "Farbe" über das Auszählen von

Bohnen dem 2. Mendelschen Vererbungsgesetz auf die Spur kommen.








61


Das 2. Mendelsche Gesetz

Hinführen

Im Experiment wurden die Bohnen der 1. Filialgeneration miteinander gekreuzt und ergaben

als Nachkommen die 2. Filialgeneration. Durch das Betrachten dieser Nachkommen sollt Ihr

das 2. Mendelsche Gesetz herleiten.



Zeit: Für 1: 8 min; für 2: 5 min; Gesamt: max. 15 min.

Auftrag:

1. Im Experiment wurden die Bohnen der 1. Filialgeneration aus Arbeitsauftrag 1 miteinander

gekreuzt. Die Nachkommen davon werden als 2. Filialgeneration (F2) bezeichnet. Zählt

nun diese 2. Filialgenration (F2) nach Farben und Anzahl aus. Was passiert? Was könnte

die Ursache (z. B. bei der 1. Filialgeneration) dafür sein? Was fällt Euch am Verhältnis der

roten zu den gesprenkelten Bohnen auf? Versucht in 1-3 Sätzen Eure Beobachtung als ein

Gesetz festzuhalten. Zeigt dieses dem Lehrer und er gibt Euch dafür das 2. Mendelsche

Gesetz bekannt. Lest dieses 2. Mendelsche Gesetz durch und vergleicht es mit Eurem

Eigenen. Was davon habt Ihr selbst herausgefunden? Wo müsst Ihr eure Formulierung

noch ergänzen?

2. Holt vom Lehrer das Theorieblatt (Kopie Biologie heute S II S.180) und lest dieses durch.

Vergleicht es mit Euern Antworten und korrigiert diese allenfalls.


Ich erwarte, dass Ihr nach diesem Posten die Kerngedanken des 1. Mendelschen Gesetzes in

1-3 Sätzen formuliert habt. Gebt auf die im Auftrag gestellten Fragen schriftliche Antworten

(je 1 Satz).

Maßstab

Wenn Ihr eine eigene richtige Formulierung des 2. Mendelschen Gesetzes aufgeschrieben und

die obigen Fragen beantwortet habt, so ist dieser Arbeitsauftrag erfüllt.


62


Auftrag 3: Die Rückkreuzung(erst nach Lösung der Aufträgen 1 und 2 beginnen)

Kurzbeschreibung

Bei der Vererbung von gewissen Eigenschaften kann man Gesetzmässigkeiten erkennen. Gut

sichtbar ist dies bei Eigenschaften, die nur von einem Gen bestimmt werden. Gregor Mendel

entdeckte 1866 die nach ihm benannten Gesetzmässigkeiten anhand des Auskreuzens und

Auszählens von Bohnen. In diesem Arbeitsauftrag sollt Ihr selbst eine Kreuzung theoretisch

durchführen und berechnen.



Vorkenntnisse: Vorkenntnisse: Keine speziellen erforderlich; Allfällige Fremdwörter

sind im Glossar bzw. im Theorieteil erklärt.




63


Die Rückkreuzung

Hinführen

Nachdem Ihr nun vorher schon stattgefundene Kreuzungen ausgezählt habt, sollt Ihr hier

selbst das Resultat einer Kreuzung darstellen. Eine Hilfe wie Ihr das Kombinationsquadrat

aufzeichnet, bietet Euch das Theorieblatt aus Arbeitsauftrag 2.



Zeit: 10 min

Auftrag:

Führt nun zum Abschluss selbst eine Kreuzung durch: Kreuzt eine der Elternbohnen (P) mit

einer Bohne aus F1. Wieviele rote und gesprenkelte Bohnen erwartet Ihr bei insgesammt 8

Nachkommen? Legt mit den Bohnen einen Stammbaum. Zeichnet nach dem Muster auf dem

Theorieblatt von eurer Kreuzung den Stammbaum mit Allelangaben und das

Kombinationsquadrat. Zeigt die Zeichnung und eure schriftlichen Antworten eurem Lehrer.

Er gibt Euch danach die Lösungen zu diesem Posten.


Es muss ein Stammbaum mit Bohnen gelegt werden. Aufgrund dieses Stammbaums und des

Theoriekapitels 1 erstellt der Schüler selbständig ein Kombinationsquadrat und zeichnet den

Stammbaum mit Allelangaben.

Maßstab

Ist die Zeichnung der Kreuzung vollständig und korrekt, so ist dieser Arbeitsauftrag erfüllt.

Für diesen Posten sind nur Arbeitsauftrag 1 und 2 obligatorisch. Arbeitsauftrag 3 ist freiwillig

aber empfohlen.


64

Anhang Posten 3:

Lösungen zu Posten 3:

Lösungen Posten 3 - Auftrag 1: Das 1. Mendelsche Gesetz

Das Allel "Gesprenkelt" ist dominant.

Das Allel "rot" ist rezessiv.

Alle Bohnen der 1. Filialgeneration haben das dominante Allel ("Gesprenkelt") .

1. Mendelsches Gesetz oder Gesetz der Uniformität:

Zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal unterscheiden werden gekreuzt. Wenn

sie für dieses Merkmal reinrassig sind, so sind die Nachkommen in der 1. Filialgeneration

untereinander gleich, also uniform.

Lösungen Posten 3 - Auftrag 2: Das 2. Mendelsche Gesetz

Das rezessive Allel "rot" ist wieder aufgetaucht.

Der Genotyp der F1-Generation war heterozygot Gr (Gesprenkelt/rot).

Das Verhältnis beträgt 1:3.

2. Mendelsches Gesetz oder Spaltungsgesetz:

Kreuzt man die Individuen der 1. Filialgeneration untereinander, so ist die F2-Generation

nicht uniform. Die F2-Generation spaltet in bestimmten Zahlenverhältnissen auf. Beim

dominant-rezessiven Erbgang ist es im Verhältnis 3:1.

Lösungen Posten 3 - Auftrag 3: Die Rückkreuzung

Erwartung:

Bei Elternbohne "rot": G:r-Verhältnis 4:4

Bei Elternbohne "Gesprenkelt": G:r-Verhältnis 8:0


65

Materialien Posten 3:

Kopiervorlage: Lösung für die Arbeitsaufträge 1 und 2:

Mendelsche Gesetze:


Zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal unterscheiden werden gekreuzt. Wenn

sie für dieses Merkmal reinrassig sind, so sind die Nachkommen in der 1. Filialgeneration

untereinander gleich, also uniform.

2. Mendelsches Gesetz oder Spaltungsgesetz:


nicht uniform. Die F2-Generation spaltet in bestimmten Zahlenverhältnissen auf. Beim

dominant-rezessiven Erbgang ist es im Verhältnis 3:1.

Kopiervorlage: Theorieblatt (Abgabe am Ende von Auftrag 1):

Auf der nächsten Seite.

Quelle: Miram W. Scharf K.-H.: Biologie heute SII. Hannover; 1988, (Schroedel

Schulbuchverlag). S. 180-181.

Bohnen:

Rot: Rote Kidney-Bohnen getrocknet, Migros, 500g, Fr. 1.80.

Gesprenkelt: Borlotti-Bohnen getrocknet, Migros, 500g, Fr. 1.50.

Schilder und Säcke für P-, F1- und F2-Generation.

Einfüllschema:

In P-Sack: Je 1 gesprenkelte und 1 rote Bohne

In F1-Sack: 37 Gesprenkelte Bohnen

In F2-Sack: 48 Gesprenkelt Bohnen und 16 rote Bohnen


66

Dokumentation Posten 3:

Miram W. Scharf K.-H.: Biologie heute SII. Hannover; 1988, (Schroedel Schulbuchverlag).

Theorieblatt zu Posten 3:Quelle: Miram W. Scharf K.-H.: Biologie heute SII. Hannover; 1988, (Schroedel

Schulbuchverlag). S. 180-181.


67

Klassische Genetik

Posten 4

Mitose und MeioseAutor: Cyrill Arnet

3 Aufträge

Auftrag 1: Herstellen einer grafischen Darstellung der Mitoseund Meiose

Auftrag 2: Verpacken der DNAAuftrag 3: Kombinationsmöglichkeiten der Meiose


68

Posten 4: Mitose und Meiose

Auftrag 1: Grafische Darstellung der Mitose und derMeiose

Kurzbeschreibung

Bei diesem Auftrag setzt Ihr den Theoretischen Hintergrund der Mitose und der Meiose in

eine Grafische Darstellung um.

Bearbeitungsdauer: 25’



Glossar erklärt.




69

Posten 4 - Auftrag 1: Grafische Darstellung der Mitose und der Meiose

Hinführen

Die Mitose und die Meiose stellen ganz zentrale Abläufe in der klassischen Genetik dar.

Beides sind Zellteilungen und werden daher auch gerne verwechselt. Während die Mitose die

'normale' Teilung von Zellen (Entwicklung, Wachstum, Erneuerung...) beschreibt, ist die

Meiose die Reifeteilung von Geschlechtszellen. Beide Abläufe beschreiben lebenswichtige

Prozesse in der Fortpflanzung und Entwicklung von Organismen.

Die Theorie dieser beiden Prozesse findet sich im Theorieteil Kapitel 4: Zellteilungen.



Zeit: 25'

Auftrag:

Führt die Aufgaben schrittweise durch. Ihr braucht dabei nicht das ganze Blatt zu lesen,

sondern löst die Aufgaben Punkt für Punkt nacheinander.

1. Ihr findet vor Euch ein 'Gewirr' von verschiedenen Phasen sowohl der Mitose als auch der

Meiose. Durch Vergleichen der Formen dieser Phasen könnt Ihr relativ einfach bereits zwei

Haufen bilden.

2. Im Theorieteil findet Ihr einen Abschnitt über die Mitose und die Meiose. Diese sind als

Anleitung für das Zusammenstellen Eurer Grafik gedacht. Lest diese Anleitungen

sorgfälltig durch und versucht fortwährend die richtigen Phasen auf der Mitose/Meiose-

Wand zu befestigen.

3. Wenn Du das Schema fertiggestellt hast, dann korrigiere Dich selber mit dem Buch: Miram

W., Schaf K.-H.: Biologie heute SII; Hannover 1988, Neubearbeitung (Schroedel

Schulbuchverlag), S. 175-178.


Am Schluss dieses Auftrages hat der Schüler eine grafische Darstellung der Mitose und der

Meiose erstellt. Auf dieser Grafik kann er direkt die Unterschiede der Mitose und der Meiose

sehen und verstehen.


70

Maßstab

Der Auftrag ist gut gelöst, wenn man alle Teile auf der vorbereiteten Wand befestigen konnte.

Da die Aufgabe geleitet ist, wird eine korrekte Lösung verlangt. Der Schüler kann sich aber

am Schluss allenfalls selber mit der Literatur korrigieren.


71


Auftrag 2: Verpackung der DNA

Kurzbeschreibung:

Bei diesem Auftrag wird die Verkürzung der DNA bei der Bildung der Chromosomen

betrachtet.



Vorkenntnisse: Allfällige Fremdwörter sind im Glossar erklärt.


Keine, dieser Auftrag kann für sich bearbeitet werden. Von

Vorteil aber nach Auftrag 1 dieses Postens.


72

Posten 4 - Auftrag 2: Verpackung der DNA

Hinführen

Die gesamte DNA die wir in einer einzelnen Zelle besitzen ist sehr sehr sehr lang. Durch

diese Tatsache stellt sich natürlich ein Platzproblem. Die Zelle löst dieses Problem dadurch,

dass sie die DNA sehr gut verpacken kann. In der Prophase der Mitose (vergleiche auch

Auftrag 1 dieses Postens) erreicht die DNA ihre maximale Verkürzung, indem sich aus der

DNA Chromosomen bilden. Einen Teil eines solchen Chromosoms wollen wir nun in diesem

Auftrag in Form eines Modells nachbauen.



Zeit: 10'

Auftrag:

1. Du hast eine Schnur und eine Art Kordel zur Verfügung. Die Kordel stellt dabei die

Histonproteine (die Kordel ist farbig gestreift; jeder Streifen stellt dabei ein Histonprotein

dar), und die Schnur die DNA dar. Gebrauche die Abbildung 177.1 Gestaltwandel des

Chromatinfadens während des Mitosezyklus aus dem Buch: Miram W., Schaf K.-H.:

Biologie heute SII; Hannover 1988, Neubearbeitung (Schroedel Schulbuchverlag), S. 177.

2. Miss zuerst die DNA (Schnur) mit dem Meter.

3. Baue nun mit der Kordel und der Schnur einen Teil eines Chromosoms nach! Beachte

dabei, dass die DNA (Schnur) sich 1 1/2 - 2 mal um ein Histonprotein (Ring auf der

Kordel) windet.

4. Miss jetzt erneut die Länge der so verpackten DNA. Wieviel kürzer ist diese jetzt?


Ziel dieses Auftrages ist ein Modell, welches die Verpackung der DNA wiedergibt. Das

Modell kann vom Schüler leicht erklärt werden. Er weiss also was die Kordel bzw. die

Schnur im Modell beudeuten.


73

Maßstab

Die Aufgabe ist gut erfüllt, wenn man im Modell gesehen hat, dass sich die DNA in den

Chromosomen sehr stark verkürzt, und dass sich die Chromosomen nicht nur aus DNA

zusammensetzen.


74


Auftrag 3: Kombinationsmöglichkeiten der Meiose

Kurzbeschreibung

An drei weiblichen und drei männlichen homologen Chromosomen wird die Meiose

durchgespielt. Man bestimmt dabei die möglichen Kombinationen von den neu entstehenden

Keimzellen.




Glossar erklärt.


Auftrag 1 dieses Postens


75

Posten 4 - Auftrag 3: Kombinationsmöglichkeiten der Meiose

Hinführen

Nehmen wir an, Sie wollten ein Kind. Euer ’Beitrag’ an das Kind ist dabei eine Ei- bzw. eine

Samenzelle. Alle Eure Gene kommen von Euren Eltern. Die Frage ist es nun, welche Gene

gebt Ihr Eurem Kind weiter? Die von Eurem Vater oder diejenigen der Mutter? Die

Verteilung dieser Gene passiert in der Meiose (wenn Sie nicht mehr wissen, was die Meiose

ist, dann schauen Sie im Theorieteil Kapitel 4 nach). Im folgenden spielen wir die Meiose

einmal mit drei homologen Chromosomenpaaren durch (drei Chromosomen vom Vater und

drei von der Mutter).



Zeit: 10’

Auftrag:

1. Sie finden vor Euch 12 Chromatiden (dargestellt als Klettverschlussmodell) in sechs

verschiedenen Farben:

Chromatid 1 + 2 (= Chromosom A) dunkelgrün männlich homolog

Chromatid 3 + 4 (= Chromosom B) hellgrün weiblich

Chromatid 5 + 6 (= Chromosom C) dunkelblau männlich homolog

Chromatid 7 + 8 (= Chromosom D) hellblau weiblich

Chromatid 9 + 10 (= Chromosom E)dunkelrot männlich homolog

Chromatid 11 + 12 (= Chromosom F) hellrot weiblich

2. Füge als erstes die Chromatiden zusammen, so dass sich die korrekten Chromosomen

bilden.

3. Aufgrund der Formen (und Farben) der Chromosomen findet Ihr relativ leicht heraus,

welche Chromosomen zueinander gehöhren. D.h. Ihr bildet die Paarung der homologen

Chromosomen aus.

4. Spielen Sie mit diesen drei homologen Chromosomenpaaren einmal die Meiose durch. Sie

können dazu entweder das Bild von Auftrag 1 dieses Postens oder die Abbildung 178.1 aus

dem Buch: Miram W., Schaf K.-H.: Biologie heute SII; Hannover 1988, Neubearbeitung

(Schroedel Schulbuchverlag), S. 178 verwenden. Beachten Sie: Im Buch ist die Meiose nur

mit einem homologen Chromosomenpaar dargestellt, Sie haben hier aber deren drei!

5. Zeichnen Sie jeden Schritt der Meiose (jetzt mit drei homologen Chromosomenpaaren) auf

Euer vorbereitetes Arbeitsblatt 1.


76

6. Versuchen Sie dann herauszufinden, wieviele verschiedene Keimzellen mit drei homologen

Chromosomen möglich sind? (Das Crossing over lassen wir bei unseren Betrachtungen

hier ausser acht). Benutzen Sie dazu das Klettmodell mit den verschiedenen Farben.


Mit dem Klettverschlussmodell habt Ihr am Ende dieses Postens die Meiose einmal

duchgespielt. Auf Euren Arbeitsblättern befindet sich dann a) die Meiose mit drei homologen

Chromosomen und b) die Möglichen Kombinationen der Keimzellen.

Maßstab

Dieser Posten ist erfüllt, wenn Ihr selbständig auf die richtige Zahl von möglichen

Keimzellen kommt.


77

Anhang Posten 4

Lösungen zu Posten 4:

Auftrag 1: Graphische Darstellung der Mitose und Meiose

Die Grafiken sind aus dem Buch: Miram W., Schaf K.-H.: Biologie heute SII; Hannover

1988, Neubearbeitung (Schroedel Schulbuchverlag), S. 176,178. genommen worden. Benutze

diese als Lösungen der Aufgabe.

Auftrag 2: Verpackung der DNA

Zur Teilaufgabe Meiose: keine fertige Lösung vorgegeben. Arbeiten mit der Grafik 177.1 aus


(Schroedel Schulbuchverlag), S. 177.

Die DNA verkürzt sich bei der Verpackung ca. 7300 mal (grösstes Chromosom 10 µm lang,

gestreckte DNA wäre aber 73 mm). Im Modell erreicht man nicht ganz eine so gute

Verpackung, doch man sollte doch bereits gut sehen, dass die DNA (Schnur) sich bei dieser

Aufschraubung sehr stark verkürzt.

Auftrag 3: Kombinationsmöglichkeiten der Meiose

Die indirekte Lösung wird schon zu Beginn der Aufgabe in Form der Abbildung 178.1 aus


(Schroedel Schulbuchverlag), S. 178, 179 zur Verfügung gestellt. Mit der Abbildung 179.1

kann dann die korreckte Anzahl der möglichen Keimzellen direkt abgelesen werden.


78

Material Posten 4

Auftrag 1:

• Befestigungswand (Pakpapier mit Klettverschlüssen) für die Mitose und die Meiose:

Mitose

Interphase:Synthese/Verdoppelung

Prophase

Prophase

Metaphase

Anaphase

Anaphase

Telophase

Meiose

Diese drei Symbole stellen Platzhalter dar

1n

2n

Trennung derhomologenChromosomen

Trennung derChromatiden

Einige Phasen und einige Bilder sind dabei bereits auf der Wand befestigt, damit die

Schüler direkt wissen wie die Aufgabe zu verstehen ist.

• Die Phasen für die Platzhalter sind aus Karton hergestellt und mit einem Klettverschluss

versehen. Damit kann man die Phasen ganz einfach an der Wand anbringen und wieder

entfernen. Die Phasen wurden dabei 1:1 übernommen aus: Miram W., Schaf K.-H.:

Biologie heute SII; Hannover 1988, Neubearbeitung (Schroedel Schulbuchverlag), S. 176,

178.


79

Auftrag 2:

• Geringt Kordel, damit der Schüler weiss, in welchem Bereich er mit der Schnur 1 1/2 - 2

mal um die Kordel wickeln muss.

• Schnur

• Messband

Auftrag 3:

• 2 Arbeitsbätter (leeres Schema der Meiose, und leeres Blatt für die Aufzeichnung der

möglichen Keimzellen)

• Klettverschluss

• Farbiger Karton oder Stoff in Form von Chromatiden versehen mit Klettverschluss. (Hier

wurden die Farben dunkelrot, hellrot, dunkelgrün, hellgrün, hellblau und dunkelblau

benützt)

• Jeder einzelne Schritt der Mitose und der Meiose wie im Buch: Miram W., Schaf K.-H.:

Biologie heute SII; Hannover 1988, Neubearbeitung (Schroedel Schulbuchverlag), S. 176 -

178.

• Farbstifte (dunkelrot, hellrot, dunkelgrün, hellgrün, hellblau und dunkelblau) um die

Chromosomen und Chromatiden in die Arbeitsblätter zeichnen zu können.


80

Arbeitsblatt 1 für den Schüler:


81

Arbeitsblatt 2 für den Schüler:

Zeichne mit den verschiedenen Farben (dunkelgrün, hellgrün, dunkelrot, hellrot, dunkelblau,

hellblau) die möglichen Keimzellen aus der Aufgabe! Kreise dazu die Chromosomen in

Ovale als Symbol für die Zelle.


82


• Miram W., Schaf K.-H.: Biologie heute SII; Hannover 1988, Neubearbeitung (Schroedel

Schulbuchverlag), S. 174, 184

• Knippers R., Philippsen P., Schäfer K.-P., Fanning E.: Molekulare Genetik. Stuttgart 1990,

5 Auflage (Thieme Verlag), S. 23, 30, 31, 33


83

Molekulare Genetik

Posten 5

Die GenexpressionAutor: Jakob Lindenmeyer

1 Auftrag


84

Posten 5: Die Genexpression

Auftrag 1: Die Expression der genetischenInformation

Kurzbeschreibung

Der Bauplan eines Lebewesens ist in jedem seiner Zellkerne gespeichert. Ähnlich wie in einer

Bibliothek gibt es dort Bücher voller Information über den Ablauf des Lebens. Um diese

genetische Information in Lebensprozesse umzusetzen, hat die Natur ihr eigenes System

entwickelt. Diese Informationsumsetzung sollt Ihr in diesem Werkstattposten in einem

Rollenspiel durchspielen.


Sozialform: Gruppenarbeit, Dreiergruppen





85

Posten 5 - Auftrag 1: Die Expression der genetischen Information

Hinführen

Um die im Zellkern gespeicherte genetische Information in Lebensprozesse umzusetzen, hat

die Natur ihr eigenes System entwickelt. Diese Informationsumsetzung sollt Ihr in diesem

Werkstattposten in einem Rollenspiel durchspielen. Falls Ihr vorher nicht Posten 6 gemacht

habt, oder falls Euch Begriffe wie DNA, RNA, Protein, Ribosom, Enzym, Substrat, Produkt

oder Enzymaktivität unklar sein sollten, so müsst Ihr zuerst im Anhang das Theoriekapitel 2:

"Die Expression der genetischen Information" nachlesen. Den unklaren Begriff könnt Ihr

jeweils im Glossar im Anhang nachsehen.


Sozialform: Gruppenarbeit: Dreiergruppen

Zeit: 1: 5 min; 3: 25 min; 4: 5 min; 5: 10 min; Gesamt: 45 min

Auftrag:

1. Auffrischen der Theorie über die Genexpression: Lest während 5 Minuten im Anhang das

Theoriekapitel 2: "Die Expression der genetischen Information" .

2. Rollenaufteilung: Wer spielt RNA-Polymerase, wer Ribosom und wer das Enzym?

3. Durchspielen der Rollen: Person 1 (RNA-Polymerase) schreibt den ergänzenden Strang

(RNA) zu einem 90-Buchstaben umfassenden Code aus einem Ordner (DNA).

Regeln:

C -> GC (Cytosin) wird ergänzt durch G (Guanin).

G -> CG wird ergänzt durch C.

T -> A T (Thymin) wird ergänzt durch A (Adenin).

A -> UA wird ergänzt durch U.

(Nicht A durch T, weil in der RNA wird Thymin (T) durch Uracil (U) ersetzet.)

Beispiel:

TAC’TAG wird ergänzt durch den Strang: AUG’AUC

Dann übergibt sie diesen abgeschriebenen Code Person 2 (Ribosom). Diese überstzt den Code

(RNA) mit Hilfe des genetischen Codes (im Theorieteil im Anhang). Personen 1 und 3

übersetzen den Code ebenfalls für sich als Kontrolle.

Immer 3 Basenbuchstaben (A, C, G oder U) zusammen ergeben einen Aminosäure-

Buchstaben (A bis Y)

Beispiel:

AUG wird nach dem genetischen Code zu: Methionin (kurz Met oder M)


86

(1. Position = A, 2. Position = U, 3. Position = G -> Methionin, kurz: M)

AUC wird nach dem genetischen Code zu: Isoleucin (kurz Ile oder I)

AUG’AUC wird also nach dem genetischen Code zu: Methionin-Isoleucin

Das1-Buchstabensymbol für die Aminosäure Methionin lautet: M

Das1-Buchstabensymbol für die Aminosäure Isoleucin lautet: I

Der Satz lautet bis jetzt: MI

Wenn Ihr alle 27 Buchstaben übersetzt habt, so teilt Ihr die Abfolge sinnvoll in einzelne

Wörter ein. Den übersetzten Satz vergleicht Ihr untereinander.

Den übersetzten Satz (die Aminosäurensequenz) übergibt Person 2 (Ribosom) der 3. Person

(Enzym). Person 3 (Aktives Enzym) wählt dieses Küchengerät wie z. B. den Nussknacker

(Enzym, 3-D-Faltung des Proteins) und das entsprechende Substrat (z. B. Nuss) aus und führt

die Enzymaktivität (z. B. Nuss knacken) durch. Ergebnis ist das Produkt (z. B. gecknackte

Nuss). Was sind bei Euch Enzym, Substrat und Produkt? Antwortet schriftlich.(25 min)

4. Fachwörter: Schneidet die Kärtchen mit den Fachwörtern vom Arbeitsblatt aus. Bezeichnet

die einzelnen Abläufe, Objekte und Personen mit den Fachwörter- und Funktionskärtchen.

Klebt oder steckt dazu die Kärtchen an die Objekte oder an Eure Kleider. Wenn Ihr nicht

wisst, wo Ihr die Begriffe zuordnet, so schaut deren Funktion im Anhang oder im Glossar

nach. (5 min)

5. Auswertung: Zeichnet den Vorgang auf und beschriftet die Abläufe und die Objekte mit

den entsprechenden Fachwörtern (10 min). Zeigt diese Zeichnung anschliessend Eurem

Lehrer. Dieser gibt Euch dann die Lösungen für diesen Posten.


87

DNA ProduktRNA EnzymaktivitätProtein RNA-PolymeraseRibosom TranskriptionEnzym TranslationSubstrat

Kärtchen bitte ausschneiden und zuordnen!


Nach dem Durchspielen der Genexpression sollte Euch klar sein, wie die verschiedenen

Komponenten funktionieren und miteinander zusammenspielen. Ihr solltet die Fachausdrücke

der beteiligten Komponenten richtig zugeordnet haben. Eure Zeichnung des Vorgangs sollte

alle Komponenten enthalten und sollte korrekt sein. Zeigt diese Zeichnung Eurem Lehrer.

Maßstab

Ich erwarte, dass Ihr nach diesem Posten die Funktionen von DNA, RNA, Ribosom und

Enzym durchgespielt und einen richtigen Lösungssatz aufgeschrieben habt. Weiters solltet Ihr

Begriffe wie Transkription, Translation, Enzymaktivität, Produkt und Substrat richtig

zugeordnet haben. Auch solltet Ihr in einer Zeichnung das Zusammenspiel all dieser

Komponenten aufgezeigt haben. Sind diese Anforderungen erreicht, so ist die Aufgabe dieses

Postens erfüllt.


88

Anhang Posten 5:

Lösungen zu Posten 5 - Auftrag 1: Die Expression der genetischen Information

DNA-Code:

TAC’TAG’TGG’TAC’TAG’TCT’TTT’CGC’TTG’TTG’TAC’CGC’TTG’

CGC’CTC’GGG ’AAA’CTC’AAT’TCG’ACG’GTG’CGC’CTC’AAT’CTC’TTG’ACT

RNA-Code: AUG’AUC’ACC’AUG’AUC’AGA’AAA’GCG’AAC’AAC’AUG’GCG’AAC’

GCG’GAG’CCC ’UUU’GAG’UUA’AGC’UGC’CAC’GCG’GAG’UUA’GAG’AAC’

UGA

Aminosäure-Sequenz: MITMIRKANNMANAEPFELSCHAELEN

Lösungssatz: Mit mir kann man Aepfel schaelen

Lösungsenzym: Schäler

Lösungssubstrat: Ungeschälter Apfel

Lösungsprodukt: Geschälter Apfel

DNA-Code:

TAC'TAG'TGG'TAC'TAG'TCT'TTT'CGC'TTG'TTG'TAC'CGC'TTG'

TAC'CTC'TGG'CGC'GAA'GAA'TCG'ACG'GTG'TTG'CTC'TAA'CTG'CTC'TTG

RNA-Code: AUG'AUC'ACC'AUG'AUC'AGA'AAA'GCG'AAC'AAC'AUG'GCG'AAC'

AUG'GAG'ACC'GCG'CUU'CUU'AGC'UGC'CAC'AAC'GAG'AUU'GAC'

GAG'AAC

Aminosäure-Sequenz: MITMIRKANNMANMETALLSCHNEIDEN

Lösungssatz: Mit mir kann man Metall schneiden

Lösungssubstrat: Ungeöffnete Dose

Lösungsprodukt: Geöffnete Dose

Zusammenspiel der Komponenten:

DNA ------------> RNA --------------> Enzym

Was: Transkription Translation

Wer: RNA-Polymerase Ribosom

(1. Person) (2. Person)

Produkt -----------> Substrat

Was: Enzymaktivität

Wer: Enzym

(3. Person)


89


Küchengeräte (Dosenöffner, Raffel, Schäler, Nussknacker) als Enzymersatz.

Äpfel, Nüsse, Konservendose als Substrate.

Ansteckbare Kärtchen mit Fachwörtern und solche mit Funktionen.

Papier und Schreibzeug.

2 DNA-Codes:

TAC'TAG'TGG'TAC'TAG'TCT'TTT'CGC'TTG'TTG'TAC'CGC'TTG'CGC'

CTC'GGG'AAA'CTC'AAT'TCG'ACG'GTG'CGC'CTC'AAT'CTC'TTG'ACT

TAC'TAG'TGG'TAC'TAG'TCT'TTT'CGC'TTG'TTG'TAC'CGC'TTG'TAC'

CTC'TGG'CGC'GAA'GAA'TCG'ACG'GTG'TTG'CTC'TAA'CTG'CTC'TTG

Die 2 DNA-Codes in einen Ordner mit Aufschrift "Genom im Zellkern" legen.

Ansteckbare Kärtchen mit Fachwörtern und solche mit Funktionen:

Im Auftrag enthalten.

Blatt mit genetischem Code und Aminosäure-Abkürzung:

Im Theorieanhang.


Miram W. Scharf K.-H.: Biologie heute SII. Hannover; 1988, (Schroedel Schulbuchverlag). S.

194-197.

Frey S. Brauchbar M.: Blickpunkt Gene. Egg/Zürich; 1994, (Schweizerisches

Jugendschriftenwerk).


90

Molekulare Genetik

Posten 6

DNA und ProteineAutor: Florian Gaiser

UNVOLLSTÄNDIGER POSTEN!2 Aufträge

Auftrag 1: Das DNA-ModellAuftrag 2: Das Protein-Modell


91

Posten 6: DNA und Proteine

Auftrag 1: Das DNA-Modell

Kurzbeschreibung

Damit es alle einmal in der Hand hatten: Planen und Aufbauen eines DNA-Modells



Vorkenntnisse: Grundkenntnisse aus dem Chemieunterricht

(Wasserstoffbrücken, Ionenbindung, hydrophobe

Wecheselwirkung)




92

Posten 6 - Auftrag 1: Das DNA-Modell

Hinführen

Der Posten bietet einen kleinen Einblick in die Welt der biologischen Riesenmoleküle

(Makromoleküle). Sie können das Basiswissen holen, das hinter der Gentechnologie steckt.

1. In welcher chemischen Form die Erbanlagen in der Zelle gespeichert werden war lange Zeit

ein heiß diskutiertes Problem. Schließlich einigten sich die Wissenschaftler auf die

Desoxyribonucleinsäure (engl.= desoxyribonuceic acid = DNA). Der Schlüssel zum

genetischen Code liegt in der Struktur der DNA. Sie können die DNA Sturktur am

Modell kennenlernen.

2. Letzlich zielt alle Gentechnologie auf die Produktion von Proteinen ab. Das sind dann

entweder Biokatalysatoren (=Enzyme) oder Zellstrukturen. Diese werden in großen

Mengen meist in Bakterien hergestellt, obwohl sie ursprünglich z. B. vom Menschen

stammen.

Wichtig bei diesem Prozess ist, das Proteine nicht einfach lange Ketten von Aminosäuren

sind, sondern komplizierte Faltungen durchmachen, bis sie biologisch aktiv sind.

Versuchen Sie ihr eigenes Protein zu falten.

3. Die Schnellen können versuchen DNA- und Proteinmodell zusammenzubringen.

Unser Vorstellungstrick

Wir lassen uns dazu in der Vorstellung etwa 30 millionenfach schrumpfen. 5 mm entspricht

dann dem Abstand zweier Kohlenstoffatome mit einer Einfachbindung dazwischen. Unsere

Hände sind dann etwa so groß wie ein kleines, aufgefaltetes Eiweißmolekül. 100 davon

negeneinander gelegt könnten Sie gerade mit dem Schulmikroskop sehen.

Sie werden Modelle von biologischen Molekülen im richtigen Maßstab bauen. Ihre Hände

haben jetzt genau die richtige Größe, daß wir ein bißchen mitspielen können.


Lesen Sie den ersten beide Abaschnitte des Theoriekapitels 2:

Wir wird genetische Information gespeichert?

Was ist mit genetischer Information gemeint?

Sei haben jetzt einen Überblick über die molekularen Zusammenhänge in der Zelle erhalten.

Sie wissen schon einiges über die DNA-Struktur.

Doch es fehlen noch die meisten Daten für ein Modell:

Die meisten Eigenschaften der DNA-Struktur können Sie selbst herausfinden!


93

Tip: Wenn Sie das Bilderpaar aus ca. 20cm Entfernung ganz entspannt (Augen parallel auf

undendlich eingestellt!), dann verschmelzen die beiden Darstellungen zu einem

Stereobild.

Es gibt auch Spezialisten, die mit gekreuzten Augen zum Ziel kommen. Dann ist

allerdings alles Spiegelverkehrt.

1. Beschreiben Sie mit einem Satz, wie die beiden Stränge zueinander stehen.

2. In welcher Richtung (Schraubensinn) sind sie umeiander gewunden?

3. Wie sieht es mit den Richtungen der beiden DNA-Stränge aus? Wie liegen sie relativ

zueinander?

Beschriften Sie 5´ und 3´-Ende der beiden Stränge. Stütze dich auf die Darstellung des

C5´ und C3´-Atoms in der Grafik mit den einzelnen Nukleotiden.

4. Die Basen sind mit folgenden Farbcode versehen:

A = blau

T = rot

G = grün

C = gelb

Die beiden Stränge sind über die Basenpaare verknüpft. Wieviele verschiedene

Basenpaare gibt es? Was ist der Zusammenhang zwischen den Nukleotidabfolgen auf

den beiden Strängen?

Was ist genau ein Buchstabe im genetischen Code?

5. Wieviele Nukleotide kommen pro Windung auf einem Strang vor? Um wieviel Grad

(Winkel) sind die Basenpaare gegeneinander verdreht?

6. Rechnen Sie alle Größenangaben in unseren Modellmaßstab um:

Molekül oder

Teilsruktur

Originalgröße Modellgröße

Durchmesser DNA 20 a

Länge Basenpaar 12 a

Breite Basenpaar 5 a

Höhe Basenpaar 3,4 a

Durchmesser DNA

Rückgrad

6 a

7. Jetzt können Sie ihren Bauplan zusammenstellen:

Sie haben die folgende Sequenz gegeben: 5´-ATCGAT-3´

- Ergänzen Sie den zweiten Strang.


94

- Stellen Sie für jede Base einen kleinen Knetquader mit den

entspreccheden Abmessungen in der richtigen Knetfarbe her:

(Für den gegebenen Strang ergibt das zwei A (blau) etc.)

- Die Zuckerbestandteile sind braune Kugeln mit dem Durchmesser des DNA-Rückgrats.

- Die Phosphatreste sind Violette Kugeln mit dem Durchmesser des DNA-Rückgrats.

8. Stecken Sie ihre Bauteile zusammen:

Achten Sie auf den richtigen Winkel zwischen den Basenpaaren.

Die Zuckerbestandteile sind immer an der gleichen Ecke der Quader andesetzt. Immer

zweischen zwei Zuckern ist eine Phosphatkugel.

- Wenn das ganz nur schlecht zusammenhält, können Sie mit Zahnstochern nachhelfen.

9. Sie markieren die 5´- und 3´-Enden ihrer Stränge. Dadurch, daß die Zuchermoleküle immer

auf derselben Längsseite der Basenpaare liegen, können zwei Seiten an der DNA

unterschieden werden: Große Furche (= große Seite), Kleine Furche (= kleine Seite)

Formale Antwortstruktur:

Maßstab


95

Posten 6 - Auftrag 2: Das Protein-Modell

Sozialform: Arbeit in 2er Gruppen.

Zeitaufwand:

Hinführen

Die Faltung des Proteins ist in seiner Sequenz gespeichert (Kernproblem der modernen

Biologie!). Die Schüler stellen anhand gegebenen Propensitäten eine kleine Proteinfaltung her

(Seil, Plastillin, Holzgerüst). Die Schüler dürfen ein Plastillinsubstrat entwerfen.



Maßstab


96

Anhang Posten 6

Lösungen Posten 6

Lösungsblatt für Posten 6 - Auftrag1:

1. Die beiden DNA- Stränge sind zu einer langen Spirale aufgewunden. Die Genetiker reden

von einer Doppelhelix.

2. Der Schraubensinn geht rechts herum.

3. Die beiden DNA-Stränge sind gegenläufig.

4. Die beiden DNA-Stränge sind komplementär: d. h. Jedem dGp seht ein dCp gegenüber.

Jedem dAp steht ein dTp gegenüber. Ein Buchstabe der genetischen Information ist

demzufolge ein Basenpaar. Die genetische Information ist also doppelt gespeichert

(Sicherheit!).

5. Es sind ca. 10 Basenpaare pro Windung, das ergibt einen 36° Winkel zwischen den

aufeinanderfolgenden Basenpaaren.

6.

Molekül oder

Teilsruktur

Originalgröße Modellgröße

Durchmesser DNA 20 a 6 cm

Länge Basenpaar 12 a 3,5 cm

Breite Basenpaar 6 a 1,8 cm

Dicke Basenpaar 3,4 a 1 cm

Durchmesser DNA

Rückgrad

6 a 1,8 cm

Lösungsblatt für Posten 6 - Auftrag2:

Material Posten 6

• Verschiedenfarbiges Plastillin, Lötzinn.

• Stereobilder von DNA, Proteinen und ihrer Komplexe.


Baufeld R., Küne E., Lohaus F., Meyer H., Schwarzbach A., Unterrichtsmaterialien:

Gentechnologie Lichtenau & Göttingen 1992 (AOL-Verlag & Veralg DIE WERKSTATT).

De Duve C.: Die Zelle, Eine Expedition in die Grundstruktur der Zelle Heidelberg 1986

(Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH & Co), Band I-II.




97

Watson J. D., Witkowski J., Gilman M., Zoller M.: Recombinant DNA. New York 1992.

(Freeman and Company), 2nd Edition.


98

Gentechnologie

Posten 7

Herstellen eineseigenen 'Gemüses'

Autor: Cyrill Arnet

1 Auftrag


99

Posten 7: Herstellen des eigenen Gemüses

Auftrag 1: Klonieren von gewünschten Merkmalenim Modell

Kurzbeschreibung

Bei diesem Auftrag fügt Ihr eigene Gene in eine Pflanze. Ihr versucht dabei der Pflanze so zu

helfen, dass sie mit Ihrer Umgebung besser zurecht kommt.




Glossar bzw. im Theorieteil erklärt.




100

Posten 7 - Auftrag: Klonieren von gewünschten Merkmalen im Modell

Hinführen

Gentechnologie ist ein sehr kontroverses Thema. Viele sehen darin eine Bedrohung der

Menschheit und der ganzen Welt, andere wiederum sehen in ihr die Zukunft. Es geht in

diesem Posten nicht darum, Euch eine Meinung aufzuzwingen. Eure Meinung müsst Ihr Euch

schon selbst bilden. Hier werden einige Beispiele gezeigt, wie wir die Gentechnologie mehr

oder weniger sinnvoll einsetzten könnten. Ihr nehmt dabei den Platz eines Gentechnologen ein

und versucht eine Pflanze so zu verändern, dass sie mit ihrer Umgebung besser zurecht

kommt. Im Theorieteil ist schematisch das Vorgehen des Klonierens eines Gens aufgezeigt.

Wenn Du nicht mehr weiter kommst, dann versuche Dich dort zu orientieren.



Zeit: 45'

Auftrag:

Bevor Ihr mit dem Posten beginnen könnt, müsst Ihr folgende Begriffe kennenlernen: DNA,

Plasmid und Chromosomen. Ihr findet im Theorieteil und im Glossar die notwendigen

Informationen. Wenn Ihr diese schon kennt, dann könnt Ihr direkt versuchen hier weiter zu

fahren.

1. Ihr findet vor Euch auf dem Tisch verschiedene Gegenstände:

Bastelmaterial (DNA, Beschriftet mit Namen und einer Zahl; Stifte um die DNA’s

zusammensetzen zu können)

Kartei mit der Problemstellung

Lösungsmappe

2. Ganz oben auf Eurem Arbeitsblatt ist die Ausgangssituation für diesen Posten gezeigt.

Mit den vor Euch liegendem Material sollt Ihr jetzt diese Ausgangssituation nachbauen.

Das Ergebnis dieses Nachbauens ist dabei das Modell der Ursprungs-DNA ‘Deines’

Gemüses. Regeln für das Zusammenbauen:

a) Die Gene können nur über die richtigen Schnittstellen gekoppelt werden

b) Die Löcher in den Schnittstellen entsprechen folgenen Symbolen:


101

= Z

= |

= /

= \

c) Nehmt die Stifte um die Gene über die Schnittstellen zusammenfügen zu können.

d) Wenn Du Deine DNA schneidest, dann mußt Du alle gleichen Schnittstellen aufs Mal

schneiden.

3. Zieht eine beliebige Karte aus der Kartei. Lest die Problemstellung. Eure Aufgabe ist es

nun, dieses Problem mittels Gentechnologie zu lösen.

4. Bevor Ihr die DNA für Euer Gemüse umzubauen beginnt, müßt Ihr zuerst einen

’Schlachtplan’ herstellen: Überlegt Euch, wieviele und welche Gene (siehe auf dem

Blatt: Auswahl der Gene) Ihr in Eure Ursprungsgemüse-DNA einbauen wollt.

5. halte das Ursprungs-DNA-Modell vor Dir.

6. Suche im Modellhaufen nach den Genen die Du in Deine DNA einsetzen willst und stelle

diese bereit.

7. Zwischen den Genen liegen die Schnittstellen. Diese sind durch verschiedene Formen

gekennzeichnet. Es passen immer nur die gleichen Schnittstellen zusammen (also z.B. /

mit / oder Z mit Z). Betrachte die Schnittstellen Deiner Gene. Es ist gut möglich, daß Du

Deine Gene nicht einfach alleine einsetzen kannst, denn die Schnittstellen erlauben es Dir

nicht. D.h. Du mußt eventuell Fremdgene mitnehmen, damit Du die richtigen

Schnittstellen bekommst.

9. Schreibe nach jeder Handlung auf das Arbeitsblatt was Du gemacht hast. (Ein Beispiel

seht Du auf dem Arbeitsblatt).

10. Auf jedem Gen steht eine Nummer. Wenn Du Dein Genprodukt fertig hast, dann zähle

alle diese Punkte zusammen.

11. Mit dieser Zahl gehst Du nun in die Lösungsmappe und schaust wie erfolgreich Du

kloniert hast...


102


Der Schüler hat am Ende dieses Posten ein Modell erstellt, welches eine Genklonierung

darstellt. Durch das Aufzeichnen des Vorgehens auf dem Arbeitsblatt bekommt der Schüler

eine Ahnung, wie heute Gentechnologien eingesetzt werden, bzw. werden könnten.

Maßstab

Der Posten ist gut erfüllt, wenn alle Aufträge und Aufgaben auf dem Arbeitsblatt ausgeführt

wurden. Es gibt dabei nicht eine richtige Lösung, sondern deren viele ('Gute' oder 'Schlechte'

spielt keine wichtige Rolle. Viel wichtiger ist es, daß der Posten zum Nachdenken anregt).


103

Anhang Posten 7

Lösungen zu Posten 7

Bewertungsskala für 'Dein' Gemüse:

Punktzahl Beschreibung der Effektstärke Deiner neuen Pflanze

4 Aus unerklärlichen Gründen konnte sich Deine Pflanze nicht entfalten. Pech

gehabt!

5 Leider mußt Du feststellen daß Deine Pflanze wieder dieselbe Qualität wie

am Anfang aufweist. Vielleicht würde eine kleine Änderung alles besser

machen.

6-7 Ein voller Erfolg! Es sind genau die Effekte aufgetreten die Du erreichen

wolltest!

8-9 Gentechnisch hast Du zwar eine ganze Menge in Deine Pflanze investiert,

doch die gewünschte Qualität stellte sich nicht ein.

•10 'Jurassic Park!' Die Gene Deiner Pflanze sind außer Kontrolle geraten. Sie

stellen die gesamte Ökologie in der Umgebung auf den Kopf... (wie werden

wohl Deine Nachbarn reagieren?

Material Posten 7

• Alte WC-Rollen, Rundholz, Holz und Schaumstoff um die DNA darzustellen

• Vordefinierte Verbindungsstücke zwischen den Genen (Mit den Schnittstellen

gekennzeichnet)

• Situationsschilderung mit der Problemstellung

• Lösungsmappe mit einer Bewertungsskala


104

Arbeitsblatt für den Schüler

I. Ausgangslage:

Punktzahl: 1 1 1 1 1Formgen(normal)

Stoffwechsel Restgene 2Restgene 1 Farbgen(normal)

Z | / \

Z, |,\ und / stellen dabei die Form der Schnittstellen dar. Es können nur Gene an einander

gefügt werden, bei denen auch die Schnittstellen stimmen! Zeichne in selber Weise Dein

Genendprodukt, wie es nach deinem Design aussehen sollte. Du kannst durchaus mehrer neue

Gene einsetzen, wenn Du meinst, dass Dein Produkt dadurch besser wird. Benutzte dazu das

Blatt, auf dem verschiedenen Gene aufgelistet sind!

II. Schrittweises Vorgehen:

Bsp.: Ursprungs-DNA:

1. – Restgen 1–Z– Form –|– Farbe –/–Stoffwechsel –\–Restgen 2

2. Schneiden mit dem Restriktionsenzym Z

3. Man hat jetzt zwei Teile: – Restgen 1–Z und

Z– Form –|– Farbe –/–Stoffwechsel –\–Restgen 2

4. Einfügen unseres Fremdgens 'x': Z– 'x'–Z

– Restgen 1–Z– 'x'–Z– Form –|– Farbe –/–Stoffwechsel –\–Restgen 2

Wie wir sehen konnten wir so unsere DNA um das Gen 'x' erweitern. Versuche nun

ebenfalls Deine Gene in die Ursprungs-DNA zu bringen. Gebrauche dabei dieses Blatt um

Deine Schritte zu notieren.

1. – Restgen 1–Z– Form –|– Farbe –/–Stoffwechsel –\–Restgen 2

2. ...


105

Auswahl der Gene

Name des Gens Beschreibung der Funktion Punkte Gen mit

Schnittstellen

Haltbarkeitsgen Mit diesem Gen sollte man eine

bessere Haltbarkeit des 'Gemüses'

erreichen.

2 Z–Haltbarkeit–/

Größegen Dein sollte Gemüse größer werden.

Leider verlieren die Früchte dabei oft

ein wenig an Geschmack...

1 |–Grösse–|

Extrafarbe Gemüse nimmt eine kräftigere Farbe

an.

1 \–Extrafarbe–/

Toxizitätsgen Die Schädlinge meiden die Pflanze die

diese Gen trägt. Leider sinkt dadurch

aber auch die Qualität der Frucht.

2 Z–Tox–Z

Herbizidresistenz-

gen

Durch das Herbizidgen gibst Du der

Pflanze einen Schutz gegen die

Pflanzengiftmittel. Dadurch kannst Du

Deine Felder mit Herbizid besprühen,

ohne daß Dein Gemüse schaden

nimmt. Aber ist das ökologisch

vertretbar?

3 \–Herbizid–\

Frostschutzgen Damit kannst Du gewisse Pflanzen vor

Ihrer Zeit auf den Markt bringen. Die

Größe der Früchte läßt aber zu

wünschen übrig.

1 |–Frostschutz–Z

Verdunstungs-

schutz-Gen

Mit diesem Gen verdunstet Deine

Pflanze weniger Wasser und ist

dadurch befähigt, an trockenen

Standorten zu wachsen. Die

Kombination mit einem UV-

Schutzgen wäre eventuell gar nicht so

schlecht...

1 /–Trockenheit–/

Neutralisationsge

n

Mit diesem Gen können Deine

Pflanzen auf saurem Boden wachsen.

Die Früchte erscheinen Dir aber sehr

unscheinbar.

2 Z–Neutralisation–/


106

UV-Filtergen Die ist ein Gen das Deine Pflanze vor

zu viel Licht schützen kann.

1 \–UV-Schutz–Z

Multi Cloning

Site I

Mit diesem Gen kannst Du mehrer

Schnittstellen in Dein Gen aufnehmen.

Dadurch fällt es Dir vielleicht leichter,

zu Deinem Ziel zu kommen. Ein

zusätzliches Regulationsgen ist

hingegen von Vorteil

3 |– /-Z-|-\ –|

Multi Cloning

Site II

Mit diesem Gen kannst Du mehrer

Schnittstellen in Dein Gen aufnehmen.

Dadurch fällt es Dir vielleicht leichter,

zu Deinem Ziel zu kommen. Ein

zusätzliches Regulationsgen ist

hingegen von Vorteil

3 /– |-\-/-Z –/

Regulationsgen 1 Mit diesem Gen behält Deine Pflanzen

auch über Fremdgene die Kontrolle.

-2 |– Regula 1 –|

Regulationsgen 2 Mit diesem Gen behält Deine Pflanzen

auch über Fremdgene die Kontrolle.

-1 \– Regula 2 –\


107

Situationskärtchen:

(Ausschneiden und eine Kartei anlegen)

1. Du möchtest eine .......... (wähle eine beliebige

Anbaupflanze) anbauen. Die Umgebung ist sehr sonnig

und der Boden dementsprechend trocken. Wie 'baust' Du

Deine neue Pflanze, damit sie mit dieser Umgebung klar

kommt?

2. Du möchtest eine Tomate anbauen. Leider schädigen die

vielen Insekten Deine sonst so guten aber kleinen

Tomaten. Wie veränderst Du Deine Tomaten zu Deinen

Gunsten?

3. Als Bauer findest Du es natürlich toll, daß Dein Boden so

fruchtbar ist. Leider wächst aber auch sehr viel Unkraut in

Deinem Getreidefeld. Wie optimierst Du Deine

Getreideausbeute?

4. Eigentlich produzierst Du gute Äpfel, doch niemand will

sie kaufen, weil sie so klein und unscheinbar sind. Du

möchtest aus diesem Grunde eine neue Apfelzucht

aufziehen, die so gut verkaufen und trotzdem noch so gut

sind wie die 'alten' Äpfel.

5. Du besitzt ein wunderschönes Land, doch leider wächst

Dein ....... (wähle selber etwa!) nicht so gut. Der Boden ist

zu sauer. Außerdem möchtest Du gerne große ...... haben.

Wie veränderst Du die DNA?

6. Als Bauer trägst Du einen harten Existenzkampf aus. Deine

Felder werden regelrecht von Unkraut überwuchert. Da Du

aber zuwenig Personal hast, entschließt Du Dich für eine

nicht sehr ökologische Variante Dein Feld zu bearbeiten:

Du willst Deine Pflanzen genetisch verändern, so daß sie

den Einsatz von Herbiziden überleben und dadurch

ungestört von lästigem Unkraut aufwachsen können. Wie

stellst Du das an?


108

7. Du lebst in Österreich und baust Reben an. Leider leiden

Deine Reben unter dem Frost der zwischenzeitlich in

Deinen Feldern vorkommt. Du entschließt Dich, Deinen

Pflanzen genetischen Schutz mit auf den Weg zu geben.

Wie stellst Du das an?

8. Du bist ein Hobbygärtner. Leider gedeihen Deine Rosen

nicht mehr so gut, weil sie einen starken Blattlausbefall

aufweisen. Knall hart denkst Du Dir: diese Läuse müssen

unschädlich gemacht werden. Die Rosen mit Insektiziden

zu bespritzen wäre eine Variante, die ist Dir aber nicht so

sympathisch. Du entschließt Dich, die Rosen genetisch so

verändert zu ziehen, daß die Blattläuse diese nicht mehr

befallen. ...

9. Du hast Dir in den Kopf gesetzt, Erdbeeren zu ziehen.

Damit Du diese vor den anderen Bauern auf den Markt

bringen kannst, entschließt Du Dich, genetisch veränderte

Erdbeeren aufzuziehen, die dem Frostigen Wetter bei uns

besser widerstehen können.

10. Du willst Karotten anbauen, die größer und farbiger sind

als die normalen Karotten. Wie veränderst Du 'Dein' Gen,

damit Du zu Deinem Ziel kommst?


109

Dokumentation

• Baufeld R., Küne E., Lohaus F., Meyer H., Schwarzbach A.: Unterrichtsmaterialien:

Gentechnologie Lichtenau & Göttingen 1992 (AOL-Verlag & Veralg DIE WERKSTATT),

S.16


110

Gentechnologie

Posten 8

Gentechnologiein der Praxis

Autor: Florian Gaiser

3 Aufträge

Auftrag 1: Isolieren von DNA aus ZwiebelnAuftrag 2: Agarose Gelelektrophorese

Auftrag 3: Transformation von E. coli mit einem Plasmid


111

Hinführen

Alle Organismen halten ihre Erbinformation in einheitlicher Form fest (Als ob alle Menschen

englisch reden würden!). Die DNA (engl. = desoxyribonuceic acid) enthält alle wichtigen

Informationen in stets derselben Schreibweise. (Theoriekapitel 2). Wir können also

menschliche Gene nach geringfügigen Umbauten in Coli-Bakterien einschleusen

(Theoriekapitel 5). Die E. coli-Bakterien setzen die menschliche Erbinformation korrekt um.

Dies wird zum Beispiel ausgenützt, um menschliches Insulin in E. coli-Bakterien

herzustellen. Insulin ist ein Medikament, mit dem die Zuckerkrankheit behandelt werden kann

(200´000 Patienten in der Schweiz).

Grafik: Schema zur Herstellung von Insulin in E. coli.-Bakterien.


112

Wir können nicht alle Manipulationen im Schulzimmer nachvollziehen, die zur Herstellung

eines Fremdgenes in E. coli nötig sind. Dazu fehlt uns nicht nur die Zeit: Es ist viel zu teuer

und diese Art von gentechnologischen Experimenten ist an Schulen verboten. Wir werden

folgende drei Schritte nachvollziehen:

1. Isolierung von DNA aus einem SPENDERORGANISMUS. Bei Insulin sind das

menschliche Bauchspeicheldrüsen. Wir nehmen Zwiebeln.

2. Das geschnittene Plasmid muß vor dem Einbau des menschlichen Insulingens gereinigt

werden. Dies erfolgt mittels Agarose-Gelelektrophorese.

3. Zuletzt gibt es noch ein richtiges gentechnologisches Experiment: Wir werden ein Plasmid

in E. Coli-Bakterien einschleusen (Transformation!)

Auftragsformulierung für den gesamten Posten

Sie führen pro 2er Grupppe während des gesamten Postens ein genaues Laborjournal. Sie

halten fest:


• Experimentatoren: Zwei Namen.

• Datum, Uhrzeit

• Ablauf: In ganzen Sätzen halten Sie fest, was Sie getan haben. Stellen Sie sich vor, Sie

wollten nach Jahren aus einem Stichwortkatalog herausfinden, was Sie genau

zusammengekocht haben.

• Vollständig: Auch wenn es schon in der Anleitung steht, Sie schreiben alles noch einmal

auf. Genau so, wie Sie es durchgeführt haben! Achten Sie auf Wartezeiten, Mengen

Geräteeinstellungen, Ablesungen , Fehler etc.. Es geht darum, daß Sie ihre eigenen Handgriffe

kritisch nachvollziehen.

• Interpretation: Bearbeiten Sie für jeden Auftrag den folgenden Fragenkatalog:

1. Was ist meine Erwartung an das Experiment? (2-3 Sätze)

2. Wie funktioniert das Experiment? (Nur Stichwortartig mit Skizzen der Apparaturen.

Fließdiagramme und Schemen der Abläufe sind optimal)

3. Was kann ich beobachten, das meine Erwartung bestätigt oder nicht bestätigt?

4. Zusätzliche Beobachtungen in wenigen Stichworten (Farben, Gerüche, Temperaturen,

Gefühle, Ärger!)


113


Auftrag 1: Isolieren von DNA aus ZwiebelnKurzbeschreibung

Sie bekommen einen Zellextrakt aus Zwiebeln. Sie fällen die DNA aus!


Sozialform: 2er Gruppen



Keine


114


Extrahieren von DNA aus Zwiebeln

Hinführen

Jeder Wissenschaftler muß DNA (= Erbsubstanz) aus verschiedenen Quellen isolieren

können.

Das ist eine Kunst und braucht viel Zeit und Erfahrung. Ihr Lehrer hat bereits einen

Zwiebelextrakt vorbereitet:

Er hat eine kleingeschnittene Zwiebel mit einer Salzlauge und Seife behandelt.

Die Seife hat die Zellmembranen der Zwiebelzellen aufgelöst. Viele Eiweiße und die

Membrantrümmer sind in Flocken ausgefallen. Der Lehrer hat diese abfiltriert.

Die Lösung vor Ihnen enthält immer noch Seife, destilliertes Wasser und Salz. Von der

Zwiebel kommen die restlichen gelösten Proteine, ein wenig Stärke und die DNA aus den

Zellkernen.

DNA-Moleküle sind lange Fadenmoleküle, die viele negative Ladungen tragen, das Salz in

der Lösung schirmt diese gegeneinander ab. Deshalb können sich die DNA-Fäden in der

Salzlösung richtig aufkläulen und fallen bei Zugabe von Ethanol aus.


115



Zeitaufwand: 10 Minuten

Auftrag:

1. Schritt: Eiskalter Ethanol

Stellen Sie sicher, daß Ethanol und Zwiebellösung mindestens 5 Minuten auf Eis gestanden

sind, bevor Sie zum Einsatz kommen.

2. Schritt: Zugabe von Ehanol

Geben Sie eiskaltes Ethanol aus der Spritzflasche zu der Zwiebellösung, bis eine

Ethanolschicht von ca. 1 cm über dem Zwiebelextrakt steht.

3. Schritt: Die Ethanolfällung der DNA.

Lassen Sie die Zwiebellösung 2-3 Minuten ruhig stehen. Nicht schütteln! Sie können

beobachten, wie die DNA als weißer Schleim in der Ethanolphase ausfällt. Versuchen Sie die

DNA mit der Glashäkchen an der Spitze der präparierten Pasteurpipette herauszufischen.

(Bitte nicht abbrechen!)


Sie haben es geschafft! Sie halten das Erbgut der Zwiebel in den Händen. Halten Sie alles im

Laborjournal fest, so wie es in der Auftragsformulierung für den gesamten Posten

festgehalten ist.

Maßstab

Das Experiment gelingt immer. Wenn Sie keine DNA an den Haken kriegen, ist das nicht

weiter schlimm. Manchmal hält die DNA nicht zusammen und fällt auseinander.


116


Auftrag 2: Agarose Gelelektrophorese(Während die Elektrophorese läuft bearbeiten Sie am besten Auftrag 3!)

Kurzbeschreibung

Sie bauen eine einfache Gelelektrophoreseapparatur auf und trennen zwei Farbstoffe auf. Das

ist sehr zeitaufwendig. Sie müssen warten. Gehen Sie währenddessen schon einen Auftrag

weiter und schauen Sie sich das Resultat nachträglich an.





Keine


117

Posten 8 - Auftrag 2: Agarose-Gelelektrophorese

Hinführen

Fremdgene werden stets als Teile von Plasmiden (= "Gentaxi" oder Vektor) von einem

Organismus auf den anderen übertragen (Hinführen zu Posten 8 und Theoriekapitel 5). Bevor

Sie das Fremdgen - hier ist es das Insulingen - in das Plasmid einbauen können, müssen Sie

das Plasmid mit den geeigneten Restriktionsenzymen ("Biologische Scheren") aufschneiden.

Es ist sehr wichtig, die geschnittenen Plasmide gut von den ungeschnittenen abtrennen

zu können. Keine biochemische Reaktion läuft 100% ab!

Dies Auftrennung geschieht mittels Agarosegelelektrophorese: In einem starken

elektrischen Feld (Vorsicht!) wandern geladene Moleküle durch die Hohlräume der

Gelsubstanz. Sie werden nach ihrer Größe und Ladung aufgetrennt:

Große Moleküle werden in den Poren des Gels stärker zurückgehalten. Je mehr Ladungen auf

dem Molekül vorhanden sind, detso schneller wandert es.



Zeitaufwand: 30 Minuten

1. Schritt: Vorbereiten des Agarosegels

Ein Zünholzschachtelschieber dient als Gelformer. Im Gel brauchen Sie später eine kleine

Vertiefung, um die Probe aufzutragen. Sie hängen ein kleines Holzstück so mit einem

Klebband auf, daß es den Boden der Zündholzschachtel noch nicht berührt. Der Abdruck des

Holzstückens bleibt im Gel zurück. Dieses Holzstück müssen Sie nachher samt Klebband

wieder entfernen können. Außerdem bekommt der ganze Zündholzschachtelschieber eine

Bauchbinde aus Klebband, damit er nicht auseinanderfällt, wenn wir später die Querwände

wegschneiden.

Grafik: Zündholzschachtelschieber

Querwand

Bauchbinde

Holzstückchen

Füllhöhe fürAgarlösung

Über dem Bunsenbrenner (Geht auch im Mikrowellenofen oder auf einer Heizplatte) können

Sie die 0.25%ige Agarlösung schmelzen. Achten Sie auf Siedeverzüge in der viskosen

Lösung. Dann gießen Sie eine ca. 0.5 cm Dicke Lage in den präparierten

Zündholzschachtelschieber. Das Holzstückchen taucht mindestens 3 mm in die Agarlösung

ein.


118

Lassen Sie das Gel mindestens 5 Minuten erstarren. Dann schneiden Sie mit einer Schere die

Querwände heraus und entfernen vorsichtig das Holzstücken. Eine Vertiefung bleibt

zurück.


119

2. Schritt: Vorbereiten der Gelapparatur

Eine große Petrischale bildet den Boden unserer Apparatur. Zwei Knetwürste werden

parrallel in die Petrischale gekittet, so daß das Gel gerade eben dazwischen passt. Der Knet

ist als Dichtungsmasse gedacht. Achten Sie besonders auf die Ecken und die Abschlüsse an

der Gelform.

Sie biegen zwei kleine Büroklammern wie angegeben auf und stecken diese mit zwei

Knetklumpen in der Petrischale fest. Das sind die Stromkontakte.

Jetzt können Sie den "Gelpuffer" einfüllen, bis das Gel leicht bedeckt ist. Es liegt jetzt wie

ein elektrischer Widerstand zwischen den beiden Stromkontakten.

Grafik: Gelapparatur

Füllhöhe Gelpuffer

Seiten-ansicht

Aufsicht

Höhe der Knetdichtung

Knetdichtungen

3. Schritt: Laden des Agarosegels mit einer DNA-Probe.

Sie könnten jetzt ihre DNA-Probe laden. 2 Tropfen der blauen Farbstofflösung geben Sie in

die Vertiefung. Keine Angst, es gibt keine Durchmischung mit dem Gelpuffer: die Probe ist

mit Glycerin versetzt und sinkt ab.

4. Schritt: Auftrennen der DNA.

Jetzt klemmen Sie die beiden Poole der Spannungsquelle an. Tip: DNA ist negativ geladen.

Bevor Sie die Spannungsquelle anstellen, stülpen Sie noch den Sicherheitsdeckel über die

Apparatur. Stellen Sie die Spannungsquelle auf 30 V ein. In 20 Minuten können Sie ihr

Gel abholen. Erledigen Sie derweil Auftrag 3!.

Stellen Sie die Spannungsquelle ab, bevor Sie wieder an der Apparatur arbeiten wollen!

Erst dann heben Sie den Sicherheitsdeckel ab. Vielleicht hat sich die Knetmasse etwas glöst.

Das sieht dann unansehenlich aus, sollte aber nicht stören.

5. Schritt: Isolieren einer Farbstoffbande aus dem Gel.

Jetzt sollten Sie zwei verschiedenfarbige Banden auf dem Gel unterscheiden können.

Schneiden Sie beide mit einer Schere aus dem Zündholzschachtelschieber aus. Die Trennung

der DNA Fragmente ist gelungen.


120


Halten Sie alles im Laborjournal fest, so wie es in der Auftragsformulierung für den

gesamten Posten festgehalten ist. Skizzieren Sie die Apparatur.

Maßstab

Der Posten ist erledigt, wenn Sie eine Elektrophorese zum laufen begracht haben. Dei

Trennung der beiden Farbstoffe in zwei schöne Banden gelingt nicht immer mit diesem

vereinfachten System.


121


Auftrag 3: Transformation von E. coli-Bakterien miteinem Resistenzplasmid

(Bearbeiten Sie diesen Auftrag, während die Elektrophorese (Auftrag 2) läuft.)

(Die Bakterien wachsen über Nacht. Sie werten den Versuch am Anfang der nächsten

Stunde aus.)

Kurzbeschreibung

Eine zentrale Rolle in der Gentechnologie spielt die Übertragung von Erbgut von einem

Organismus auf den nächsten. Man nennt das Transformation. Sie können sich daran

probieren.





Keine


122


Tansformation von E. coli-Bakterien mit einem Resistenzplasmid

Hinführen

Wir wollen das Insulingen als Teil eines Plasmids (=Gentaxi) in die E. coli-Bakterien

einschleusen. Dazu bieten wird vorbehandlten E. coli-Bakterien das Plasmid an. Nur wenige

Bakterien werden es annehmen. Wie können wir sie finden? Es sind Milliarden Bakterien zu

Auswahl und vielleicht 100-1000 haben das Plasmid geschluckt.

Die Gentecniker haben schon lange einen Trick entwickelt. Sie versehen ihre Plasmide mit

Resistenzgenen gegen Antibiotika (=Bakterienkiller). Nur wer das Plasmid aufnimmt,

überlebt! Alle Bakterien ohne Plasmid werden abgetötet, sobald das Antibiotikum

zugegeben wird. Dieses Selektionsverfahren werden Sie gleich durchspielen.

Auftragsformulierung:


Zeitaufwand: 20 Minuten.

Bevor Sie anfangen ein Tip!: Sei müssen während des ganzen Vorgangs steril arbeiten:

Berühren Sie alle Utensilien nie an der Stelle, mit der Sie nachträglich Bakterien, Medikum,

Agarplatten bearbeiten wollen: Zahnstocher, Büroklammern, Pasteurpipetten.

1. Schritt: Herstellen "kompetenter" E. coli-Bakterien:

Kompetent meint, daß die Zellen jetzt DNA aufnehmen können. Mit einem sterilen

Zahnstocher übertragen Sie eine Bakterienkolonie von der Größe dieser o von der

"Starterplatte" in einen sterilen Eppendorftube mit Calciumclorid (CaCl). Sie müssen die

Calciumlösung mit dem Zahstocher richtig verquirlen, sonst bleiben die Bakterien am

Zahnstocher kleben!

2. Schritt: Aufteilung Zellen in Experiment und Kontrolle:

Mit einer sterilen Pasteurpipette übertragen Sie die Hälfte der Lösung mit den kompetenten

Zellen in einen zweiten sterieln Eppendorftube.

Ein Eppendorftube wird mit "Experiment" beschriftet: Diese Zelle werden mit dem

Resistenzplasmid transformiert.

Der zweite Eppendorftube wird mit "Kontrolle" beschriftet: Diese Zellen durchlaufen alle

Schritte, wie die im "Experiment"-Eppendorftube; nur bekommen sie kein Plasmid zu sehen.

Aufgabe1: Jede Bakterienkolonie geht aus einer einzigen Starterbakterie hervor. Alle

Bakterien einer Kolonie sind genetisch identisch (Das ist also ein Klon!). Nehmen Sie nun an,

Sie verwenden für Kontrolle und Expeiment zwei verschiedene Kolonien und nicht jeweils

die Hälfte einer einzigen. Überlegen Sie im folgenden die Auswirkungen auf die Aussagekraft


123

des Experimentes und halten Sie ihr Ergebnis im Laborjounal fest.


124

3. Schritt: Das Plasmid wird zugegeben.

Geben Sie einen Tropfen der "Pasmidlösung" zu den Zellen im "Experiment".

Die Bakterien in der "Kontrolle" bekommen einen Tropfen sterilisiertes, destilliertes

Wasser.

4. Schritt: Stelle beide Eppendortubes für 15 Minuten auf Eis. Die Bakterien können bei

dieser Kälte nicht wachsen, aber sie können DNA aufnehmen. Das ist wichtig, da die

wachsenden Bakterien sonst die DNA sehr schnell verdünnen würden: Weniger DNA pro

Bakterie bedeutet, daß die Chance für eine Bakterie ein Plasmid abzubekommen sinkt!

Bereiten Sie derweil ein Wasserbad bei 42 °C vor. Das muß genau stimmen!

5. Schritt: Der Hitzeschock.

Die Bakterien werden für 90 Sekunden auf 42 °C gebracht!

Man hat schon lange herausgefunden, daß die E. coli-Bakterien bei so einem Hitzeschock

Plasmide und DNA schneller schlucken.

6. Schritt: Die Erhohlungsphase

Die beiden Eppendorftubes mit "Experiment" und "Kontrolle bekommen beide 5 Tropfen

sterile "Nährlösung" . Verwenden Sie nur frische, sterile Pasteurpipetten. Beide

Eppendorftubes werden zweimal gestürzt: Mischen ist die halbe Biochemie!

Die Bakterien müßen sich nach dem Streß im Calciumclorid und dem Hitzeschock erholen.

Außerdem brauchen sie jetzt Zeit, um die genetische Information auf dem Plasmid umsetzten

zu können:

Nur die E. coli-Bakterien mit dem Plasmid werden jetzt ampicillinresistent.

7. Schirtt: Ausplattieren der Coli-Bakterien.

Beschriften Sie vier Agarplatten auf der

Unterseite (Deckel könnten vertauscht

werden!) mit Ihrem Namen und dem

Datum.

Mit je einer frischen sterilen

Pasteurpitpette tropfen Sie 3 Tropfen der

Zellkultur "Experiment" und "Kontrolle"

auf die Mitte der entsprechenden

Agarplatten. Bringen Sie "Experiment"

und "Kontrolle" nicht mit einer unsauberen

Pasteurpipette durcheinander. Mit einer

sterilen Büroklammer können Sie die

Zellen gleichmäßig auf den Agarplatten

verteilen.

Erstellen Sie dieses Raster:

Namen/ Datum

"Experiment"

Ampicillin

I

Namen/ Datum

"Experiment"

Kein

Ampicillin

II


125

Namen/ Datum

"Kontrolle"

Ampicillin

III

Namen/ Datum

"Kontrolle"

Kein

Ampicillin

IV

8. Schritt: Anziehen der Bakterienkulturen bei 37 °C

Sie lassen die Agarplattenmit dem Deckel nach unten über Nacht bei 37 °C im

Wärmeschrank. Ihr Lehrer stellt die Kulturschalen am nächsten Tag in den Kühlschrank. Dort

warten Sie auf ihre Auswertung.

Aufgabe 2: Auf jeder Agarplatte ist eine ander Anzahl Bakterienkolonien zu finden.

Zählen sie die Kolonien aus und erklären Sie die Unterschiede mit 2 Stätzen pro Platte.

Halten Sei ihr Ergebnis im Laborjournal fest.

Maßstab:

Die Schüler und Schülerinnen haben Laborjounal geführt und ein Schema des Vorgangs

erstellt. Aufgabe 1 ist schwierig und fakultativ. Aufgabe 2 müssen Sie bearbeiten.


126

Anhang

Lösungen Posten 8

Die Eintragungen in das Laborjounal sind von der jeweiligen Durchführung abhängig

und können hier nicht vorweggenommen werden.

Antworten zu den Fragen aus Auftrag 3:

Aufgabe 1:

Eigentlich sind keine großen Abweichungen zu erwarten. Alle Bakterienklone auf der

"Starterplatte" haben noch kein Resistenzplasmid gesehen und können auf den Agarplatten

mit Ampicillin nicht wachsen. Somit sollte es keine Rolle spielen, ob sie eine oder zwei

Kolonien für das Experiment verwenden. Was machen Sie aber, wenn eine Kolonie mutiert ist

und auf Ampcillin wächst, ohne ein Plasmid aufgenommen zu haben? Sie könnten nichts

mehr über ihr Experiment aussagen. Die Aussagekraft des Experimentes aus einer Kolonie ist

wesentlich sträker!

Aufgabe 2:

Platte I: Die Bakterien aus dem Experiment haben Resistenzplasmide gesehen. Auf der

Agarplatte sind nur solche Kolonien zu sehen, die ein Resistenzplasmid beinhalten.

Platte II: Die Bakterien mit dem Resistenzplasmid wachsen auch in Abwesenheit des

Antibiotikums gut an. Keine Unterschiede zu Platte I.

PlatteIII: Die Baktereien aus der "Kontrolle" haben keine Resistenzplasmide. Wenn Sie

dennoch Kolonien sehen, kann das die folgenden Gründe haben:

- Das Antibiotikum ist alt geworden.

- Die Kolonien wachsen auf Grund von Mutationen auf der Amicillinplatte an.

- Sie haben nicht sauber gearbeitet und die "Kontrolle" mit Resistenzplasmiden verseucht.

Platte IV: Die Bakterien aus der "Kontrolle" wachsen natürlich ohne Ampicillin so gut wie die

Bakterien mit dem Resistenzplasmid auf Platte II.


127


Zeitaufwand: Die Vorbereitung dieser Experimentes nehmen beim ersten Durchgang einen

ganzen Nachmittag in Anspruch. Sie sollten am Vortag der Experimente erfolgen. Weitere

Durchführung sind wesentlich weniger aufwendig, da die Materialien schon griffbereit sind.

Es lohnt sich alles einmal in Ruhe selbst durchzuspielen.

Kosten: Die teuren Materialien aus dem Biolabor sind am besten direkt aus einem

Laborbetrieb zu beziehen. An den Universitäten sind viele hilfsbereite Mitarbeiter und

Kollegen, die ihnen gerne mit ein wenig DNA, Bakterien und Ampicillin aushelfen. Sollte das

Probleme machen, wenden sie sich an die folgenden Firmen . Ein "Schulrabatt" liegt immer

drin!

Tabelle: Materialbeschaffung für Posten 8.

Name Katalog Benötigte Menge

für 25 Schüler

Firma Preis/ Menge

Agar 05040 30 g Fluka Chemie AG 31.90 CHF/ 100 g

Ampicillin,

Dinatriumsalz

10044 37 mg Fluka Chemie AG 48.10 CHF/ 5 g

Bromphenolblau,

wasserlöslich

18040 25 mg Fluka Chemie AG

Industriestrasse 25

CH-9340 Buchs

Tel: 081/ 7552511

10.70 CHF/ 1 g

Calciumchlorid C1016 0.75 g Sigma Chemie 10.90 CHF/ 100 g

E. coli (Strain B)

ATCC 11303

EC 11303 Wenig Sigma Chemie

Division Fluka

Chemie AG

Industriestrasse 25

CH-9340 Buchs

Tel: 081/ 7552511

23.10 CHF /

1 g Lyophilisat

Eppendorftubes - 60 Stk. RC-Labo SA

CH-6616 Losone

Tel.: 093/ 35 03 95

20.00 CHF/ 1000

Stk.

Glycerin 49781 3 ml Fluka Chemie AG 39.10 CHF/ 1 l

LB Broth Base L3022 1 g Sigma Chemie 35.10 CHF/ 250 g


128

pUC19 (Fermentas)

(Ampcillin-

Resistenz)

SD 0061 2.5 µg Gebr. Mächler AG

Fabrik Chem.

Produkte

CH-4003 Basel

Postfach

Tel.: 061/ 271 39

07

75.00 CHF/ 50 mg

Xylen Cyanol 95600 Fluka Chemie AG 25.40 CHF/ 10 g

Lagerung von Bakterienstämmen:

Wenn das Lyophilisat bei 0 °C und trocken (!) gelagert wird, ist es sehr lange haltbar. Wenn

Sie nicht immer auf die Originalpackung zurückgreiffen wollen, ist die folgende Speicherform

für E. coli-Bakterien zu empfehlen:


129

"Stab culture":

1. 5 ml Glasbehältnis mit Schaubverschluß zu 2/3 mit heißem, flüssigem Agar-LB-

Nährmedium füllen.

2. Mit leicht geöffnetem Deckel sterilisieren und erkalten lassen. Deckel ganz schließen.

3. Zellen von einer einzelnen Bakterienkolonie auf einer Agarplatte mit einem sterilen

Zahstocher aufnehmen und den Zahnstocher in das Agar-LB-Nährmedium im

Glasbehältnis stoßen. Deckel sofort schließen.

4. Dunkel und bei Raumtemperatur aufbewahrt halten die Bakterien bis zu 2 Jahren.

Material für Posten 8 - Auftrag 1


2 Autragsblatt für Posten 8 - Auftrag 1

1 Spritzflasche

100 ml Ethanol (Technische Qualität)

1 1000 ml-Becherglas

1 100 ml-Meßzylinder

1 500 ml- Saugflasche mit Gummidichtung

1 Wasserstrahlvakuum mit Vakkuumschlauch und Dreiweghahn (Entlüfung)

1 Trichter und Filterpapier (Kaffefilter) passend zu Saugflasche und

Gummidichtung

2 Reagenzglasgestell

15 20 ml-Reagenzgläser mit Aluminiumfolie verschlossen.

1 Spatel

1 Küchenmesser

1 Esslöffel

1 Thermometer 0-100 °C

1 Wasserbad bei 60 °C

1 Eisbad

2 Gummihandschuhe

100 ml Destilliertes Wasser

10 ml Möglichst farbloses Abwaschmittel oder Duschgel

1 große Zwiebel

1.5 g Kochsalz

Der Zweibelextrakt muß am Tag vor dem Werkstatteinsatz für die Schüler zubereitet

werden. Er ist nur ca. eine Woche im Kühlschrank haltbar:

1. Schritt: Wasserbad (60 °C) und Eisbad berteitstellen.

2. Schritt: Vorbereitung der LYSIS-Lösung


130

Geben Sie 10 ml Abwaschmittel oder Duschgel und 1.5 g Kochsalz in den 250 ml-

Meßzylinder. Füllen Sie auf 250 ml auf und vergessen Sie nicht zu mischen. Dazu hält man

den Meßzylinder mit einem Gummihandschuh zu und dreht ihn ein paar Mal auf den Kopf

und wieder zurück. Nicht schütteln, sonst entsteht zu viel Schaum!


131

3. Schritt: Aufschließen des Zellmaterials

Man schneide die Zwiebel in kleine Stücken, als ob man Spaghetti zubereiten würde. Geben

Sie die Stückchen in das 1000 ml-Becherglas und übergießen Sie diese mit der LYSIS-

Lösung. Die Zellwände und Zellmembranen werden in der Seifenlauge aufgelöst. Proteine

und Trümmer der Zellmembran fallen in feinen Flocken aus.

Stellen Sie das 1000 ml-Becherglas für 10 Minuten in das Heizbad ein. Drücken Sie während

dieser Zeit die Zweibelstückchen mit einem Esslöffel gegen die Wände des 1000 ml-

Becherglases aus. Die Wärme unterstützt den Effekt der Seifenlauge. Allerdings geht nun

auch die wertvolle DNA schneller kaputt. Nach spätestens 15 Minuten muß man hier

abbrechen.

4. Schritt: Abstoppen der Aufschlußreaktion

Stellen Sie das 1000 ml-Becherglas für 5 Minuten auf Eis. Mit dem Esslöffel müssen Sie

weiterhin die Zwiebelstücken ausdrücken.

5. Schritt: Filtrieren der Lösung

Setzen Sie die Vakuum-Filterappatur zusammen. Filtrieren Sie die eiskalte Zwiebellösung, bis

im Filter nur noch eine kleine Flüssigkeitslache über den Zwiebelstückchen zurückbleibt.

Entlüften Sie sofort das Vakuum. Wenn die ganze Flüssigkeit angesaugt ist, kommen nur

noch Seifenblasen aus dem Filter. Das ist zu vermeiden!

(Kann die Vakuumfiltartion nicht durchgeführt werden, empfielt es sich, die Zwiebellösung

über Nacht im Kühlschrank zu filtrieren!)

Der Zwiebelextrakt ist fertig!

Jeweils 1,5 ml werden in Reagenzgläser für abgefüllt. Die Reagenzgläser werden mit

Aluminiumfolig einzeln verschlossen und im Kühlschrank aufbewahrt.

Am Posten sind folgende Materialien bereitzustellen:

2 Auftragsblatt für Posten 8 - Auftrag 1

1 Pasteurpipette mit ausgezogener und umgebogener Spitze

1 250 ml-Spritzflasche


Folgende Reserven stehen für jedes Zweierteam bereit:

1 Reagenzglas mit Aluminiumverschlossen und 1,5 ml Zweibelextrakt.


132

Material für Posten 8 - Auftrag 2:

Tabelle: Material für 25 Schüler. Am Posten bereitstellen.

2 Auftragsblätter für Posten 8 - Auftrag 2:

15 Zündholzschachtelschieber

1 Rolle 1 cm-Mahlerklebeband (Papier)

2 Holzstückchen für die Probenvertiefung

100 g Knetmasse

30 Kleine Büroklammern

100 ml 0.25 %ige Agarlösung in einem feuerfesten Gefäß

(250 ml-Erlenmeyerkolben)

10 ml Farbstoffprobe:

25 mg wasserlösliches Bromphenolblau, 25 mg Xylen Cyanol,

3 ml Glycerol, 1.2 ml 0.5 M EDTA, 5.8 ml destilliertes

Wasser.

1 Petrischale mit 15 cm Durchmesser

1 Bunsenbrenner mit Feueranzünder oder Heizplatte oder

Mikrowellenofen.

400 ml 1M Kochsalzlösung als Gelpuffer

1 Große druchsichtige Schachtel oder eine

Schuhkartonschachtel mit Sichtfenster.

1 Spannungsquelle mit 30V Gleichstrom

2 Passende Stromkabel mit Krokodilklemmen

1 Schere



2 Büroklammern

25 ml 1M Kochsalzlösung

5 ml 0,25% ige Agarlösung


133

Material für Posten 8 - Auftrag 3:

Das Material ist für den Gebrauch drei Tage im voraus vorzubereiten. Sie kommen sonst

neben der restlichen Schularbeit nicht durch: Verschiedene Lösungen und Labormaterialien

müssen berteitgestellt und sterilisiert werden. Halten Sie sich bei den Vorbereitungen an die

gegebene Reihenfolge. Die Schritte bauen z. T. auf einander auf. Was in einem dicken

Rahmen ist kann parallel zubereitet werden.


Anzahl/

Menge

Material Sterilisie

r-

Methode

Haltbar/

Temp.

Re-

cicling

60 Je 4 Zahnstocher aus Holz in Aluminiumfolie

eingewickelt.

A/B/C Monate

RT

-

60 Je 4 große Büroklammern in Aluminiumfolie

eingewickelt.

Die Büroklammern sind zu einem 90° Winkel

geöffnet.

A/B/C Monate

RT

+

5 Gumminuggis für Pasteurpipetten - - +

60 Je 4 12 cm-Pasteurpipetten aus Glas in

Aluminiumfolie eingewickelt.

A/B/C Monate

RT

+

1 Reagenzglasgestell - - +

20 20 ml-Reagenzgläser mit Aluminiumfolie

verschlossen.

A/B Monate

RT

+

3 100 ml-Glasflasche mit Schraubverschluß - - +

1 100 ml-Meßzylinder - - +

50 ml Calciumchloridlösung (0,75 g/ 50 ml)

Calciumchlorid in den 100 ml-Meßzylinder

einwiegen und auf 50 ml mit destilliertem Wasser

auffüllen. In einer Glasflasche mit lockerem

Schraubverschluß sterilisieren. Schraubverschluß

erst nach dem Sterilisieren ganz schließen.

A/B Jahre

4 °C

+


134

50 ml LB-Nährmedium (1 g/ 50 ml)

1 g LB Broth Base in den 100 ml-Meßzylinder

einwiegen und auf 100 ml mit destilliertem Wasser

auffüllen. Die Flasche mit der Nährlösung sollt nie

mehr als halbvoll sein. Wie die

Calciumchloridlösung sterilisieren.

A/B Monate

4 °C

+

15 20 ml-Reagenzgläser mit LB-Nährmedium (je 2

ml)

Füllen sie erst am Tag vor dem Werksatteinsatz

jeweils 2 ml (= 1 Pasteurpipettenvolumen) in 20

sterile 20 ml-Reagenzgläser. Decken Sie die

Reagenzgläser wieder mit Aluminiumfolie zu.

A/B

oder

30 Min.

kochen

Monate

4°C


100 ml destilliertes Wasser wie die

Calciumchloridlösung sterilisieren. Der Rest wird

für die Agarplatten gebraucht.

A/B Wochen

4 °C

-


135

Fortsetzung Tabelle: Material für 25 Schüler.

2 Großes Marmeladenglas mit Schraubverschluß - - +

60 Eppendorftubes in großem Marmeladeglas. Den

Schraubdeckel erst nach dem Sterilisieren

schließen.

A/B Monate

4 °C

+

1 ml Plasmidlösung (5 ng/ µl)

Wenn die Plasmidlösung einmal kontaminiert ist,

kann man sie nicht mehr sterilisieren. Arbeiten Sie

immer mit sterilisierten Pipetten. 50 µg Plamid-

DNA reichen für 10 ml Plasmidlösung bei 5 ng/ µl.

Sie sollten die Verdünnung auf einmal vornehmen

und je 2 Tropfen der Plasmidlösung gebrauchsfertig

in sterile Eppendorftubes verteilen. Stellen Sie die

Eppendortubes während des Gebrauchs immer auf

Eis oder bewahren Sie sie in einem gesonderten

Behälter (Marmeladenglas) bei -20°C auf.

- Jahre

-20 °C

+

0,75 ml Ampicillinlösung (37 mg/ 0,75 ml)

Die Ampicillinstammlösung ist nur für 4 Wochen

bei -20 °C haltbar. Sie sollte sicherheitshalber

immer frisch angemacht werden, wenn neue

Agarplatten mit Ampicillin gegossen werden. Dazu

lösen wir 37 mg Ampicillindinatriumsalz in einem

sterilen Eppendorftube mit 0.75 ml sterilem,

destilliertem Wasser auf. Stellen sie den

Eppendortube immer auf Eis!

- Wochen

-20 °C

-

1 1000 ml-Meßzylinder - - +

2 1000 ml-Glasflaschen mit Schraubverschluß - - +

60 Petrischalen aus Glas oder Kunststoff: A/B/(C) Monate

RT

+


136

30 Agarplatten ohne Ampicillin

Agar-LB-Nährmediumedium für 30 Agarplatten:

15 g LB Broth Base werden in einem 1000 ml-

Meßzylinder vogelegt. Mit destilliertem Wasser

wird auf 750 ml aufgefüllt. Die Lösung wird in eine

1000 ml-Galsflasche gegeben, in die schon 11.25 g

Agargranulat eingewogen wurden.

Wenn die Flasche nach dem Sterilisieren auf 55 °C

abgekühlt ist (Handwarm!), müssen Sie die

Agarplatten sofort gießen. Dazu wird er Deckel

einer Sterilen Petrischale kurz abgehoben und

gerade soviel der dicken Flüssigkeit eingegossen,

bis der Boden bedeckt ist. Mehr ist Verschwendung.

Lassen sie die Agarplatten während 30 Minuten bei

Raumtemperatur erstarren. Zum Trocknen werden

sie umgedreht und über Nacht bei Raumtemperatur

stehen gelassen.

Tip: Thermometer kontaminieren die Lösungen!

A/B Monate

4 °C

-


137

Fortsetzung Tabelle: Material für 25 Schüler

30 Agarplatten mit Ampicillin

Agar-LB-Nährmediumedium für 30 Agarplatten

15 g LB Broth Base werden in einem 1000 ml-

Meßzylinder vogelegt. Mit destilliertem Wasser

wird auf 750 ml aufgefüllt. Die Lösung wird in eine

1000 ml-Galsflasche gegeben, in die schon 11.25 g

Agargranulat eingewogen wurden.

Wennn die Falsche nach dem Sterilisieren auf 55 °C

abgekühlt ist, geben Sie die sterile

Ampicillinlösung (37 mg/0.75 ml) zu (Gut

beschriften!) und mischen, indem Sie vorsichtig

schwingen.

Gießen Sie die Agarplatten wie angegeben.

A/B Monate

4 °C

-

3 "E. coli-Starterplatte"

Wenn Sie die Bakterien direkt aus dem Lyophilisat

wiederbeleben wollen, müssen Sie zwei Tage vor

der Werkstatt beginnen. 2-3 Körnchen des

Lyophilisates werden in 2 ml sterilem LB-

Nährmedium gelöst. Die Bakerien wachsen über

Nacht an. Mit einem sterilen Zahnstocher tauchen

Sie dann in die trübe Lösung ein und bringen die

Bakterin in Zick-Zack-Linie auf einer Agarplatte

ohne Ampicillin aus. Die Bakterien wachen entlang

der Zahnspur. Wenn sie Diese verdünnen wollen,

müssen sie mit einem zweiten, frischen Zahnstocher

quer zu der ersten Zick-Zack-Linie eine zweite

ausbringen.

Wenn Sie Bakterinen aus einer "Stab Culture"

Verwenden wollen, so stoßen Sie kurz mit einem

sterilen Zahnstocher in die Agarmaße des

Speichergefäßes und streiche Sie in einer Zick-

Zack-Line über eine Agarplatte ohne Ampicillin.

Verdünnungen sind hier meistens nicht nötig.

Nach 24 Stunden im Inkubator bei 37 °C sollten

Sie Konlonien mit 1-2 mm Durchmesser erhalten.

- Wochen

4 °C

-


138

2 Styroporraster (15 x 15 x 1 cm) , in denen die

Eppendorftubes im Wärmebad und im Eisbad

eingestellt werden können. Dafür wird eine dünne

Styoporplatte mit einem heißen Glasstab

(Bunsenbrenner) durchlöchert.

- +

1 Inkubator auf 37 °C vorgeheizt. (Temperaturen

über 40 °C töten E. coli auf die Dauer ab.

Temperaturen unter 37 °C verzögern das

Zellwachstum deutlich!)

- -

-

+

1 Dünner, wasserfester Filzstift (Beschriftungen) - - +

1 Behälter für biologischen Abfall:

- Alte Agarplatten mit Bakterienkulturen

- Benützte Zahnstocher, Pasteurpipetten,

Büroklammern.

- Benützte Eppendorftubes

Für Agarplatten verwenden Sie am besten den

Dampkochtopf. Achten Sie darauf, daß das

verflüssigte Agar nicht auf das Gemüsesieb tropfen

kann, wenn Sie die Agarplatten in den

Dampfkochtopf laden!

A/B

oder

30 Min.

kochen

- +

Tabelle: Sterilisationsmethoden

A Die beste Lösung für die Sterilisation ist ein richtiger

Autoklav:

Sie können darin alle Labormaterialien und den gesamten

Bioabfall sterilisieren. Dabei halten Sie sich am besten an die

Angaben in der Gebrauchsanweisung.

B Ein normaler Dampfkochtopf tut hervorragende Dienste:

Man füllt eine halbe Tasse Wasser ein und stellt das

Labormaterial auf ein Gemüsesieb darüber. Nach 15 Minuten

Kochen beim zweiten Ring ist die Sterilisation abgeschlossen.

C Auch im Backofen kann man die meisten Labormaterialien

sterilisieren:

Nach 15 Minuten bei 180 °C können die Labormaterialien

entnommen werden.



139

2

1

4

4

4

1

2

2

1.5 ml-Eppendorftube mit 2 Tropfen CaCl2-Lösung auf Eis.

1.5 ml Eppendorftube mit 2 Tropfen 5 ng/ µl Plasmidlösung auf Eis

Zahnstocher in Aluminiumfolie.

Pasteurpipetten in Alumiumfolie.

große Büroklammern in Aluminiumfolie.

Reagenzglas mit Aluminiumfolie verschlossen mit 2 ml LB-Nährmedium

Agarplatten ohne Ampicillin

Agarplatten mit Ampicillin


Auftrag 1 und Auftrag 3 sind aus Internetbeiträgen entnommen! Sie wurden stark

überarbeitet.

http://www.inform.umd.edu:8080/EdRes/Topic/AgrEnv/Biotech/Education.res/protocols

Baufeld R., Küne E., Lohaus F., Meyer H., Schwarzbach A., Unterrichtsmaterialien:





140

Gentechnologie

Posten 9

DieGentechnologie-

DiskussionAutor: Jakob Lindenmeyer

1 Auftrag


141

Posten 9: Gentechnologie

Auftrag 1: Diskussion

Kurzbeschreibung

Im Sommer 1997 wird in der Schweiz eine Abstimmung über die Einschränkung der

Gentechnologie stattfinden. Schon heute wird in der Presse über dieses Thema heiss

diskutiert. Dieser Posten gibt die Gelegenheit einmal selbst in die Rollen des

Gentechnikbefürworters, des Gegners oder des neutralen Beobachters zu schlüpfen.

Bearbeitungsdauer: 30-45 min (Je nach Diskussionsfreude)

Sozialform: Gruppenarbeit, Dreiergruppen






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Diskussion in verschiedenen Rollen

Hinführen

Im Sommer 1997 wird mit der Genschutz-Initiative in der Schweiz eine Abstimmung über die

Einschränkung der Gentechnologie stattfinden. In der Presse wird dieses Thema heiss

diskutiert. Heute habt Ihr die Gelegenheit einmal selbst in die Rollen des

Gentechnikbefürworters, des Gegners oder des neutralen Beobachters zu schlüpfen. In

abwechselnden Rollen solltet Ihr zu verschiedenen Anwendungen die Vor- und Nachteile der

Gentechnik aufzeigen.


Sozialform: Gruppenarbeit: Dreiergruppen

Zeit: 1. 5 min; 4. 5 min; 5. 10 min; Gesamt: mindestens 30 min

Auftrag:

1. Auffrischen der 5 Argumentationsregeln: Lest während 5 Minuten die 5 Regeln des

rationalen Argumentierens im Anhang nochmals durch, um sie aufzufrischen.

2. Rollenaufteilung: Wer argumentiert für Gentechnik, wer dagegen, und wer ist der neutrale

Protokollschreiber? (Die Rollen müssen nach jedem Anwendungsbereich getauscht

werden, sodass jeder einmal jede Rolle gespielt hat.)

3. Wählt die Reihenfolge der Anwendungsbereiche: Zur Auswahl stehen: 1. Gentechnik bei

Lebensmitteln, 2. Gentechnik in der Medizin (3. nur bei vorherigem Einlesen der Schüler:

ein Anwendungsbereich nach freier Wahl).

4. Lest während 5 Minuten alleine die zum besprochenen Anwendungsbereich und zu Eurer

Rolle vorgeschlagenen Argumente und den Zeitungsartikel sorgfältig durch. Streicht

wichtige Stellen an. Der neutrale Protokollführer bereitet die Folie fürs Protokoll vor und

stoppt die Zeit.

5. Diskussion: Versucht während den 10 Minuten Dauer der Diskussion Euern Gegner von

der Meinung Eurer Rolle zu überzeugen. Braucht dazu möglichst viele Argumente und

haltet dabei die 8 Regeln des rationalen Argumentierens ein. Der Protokollführer notiert

wichtige Aussagen in Stichworten.

6. Abschluss und Auswertung: Nach 10 Minuten bricht der Protokollführer die Diskussion ab.

Er notiert noch die Richtung und ein eventuelles Ergebnis der Diskussion auf die Folie.

Dann bestimmt er die Rollenverteilung für den nächsten Anwendungsbereich. Weiter bei

Punkt 4, bis alle Anwendungsbereiche durchgespielt sind.


Gentechnikbefürworter und Gegner sollen abwechselnd zu Wort kommen und möglichst viele

Argumente für die Meinung ihrer Rolle bringen. Dazu könnt Ihr die Argumente aus dem


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Beispielstext nehmen oder, was noch besser ist, Ihr könnt Eure eigenen Argumente bringen,

sofern sie zu Eurer Rolle passen. Haltet aber die 5 Regeln des rationalen Argumentierens ein.

Der Protokollführer soll eure Argumente stichwortartig auf einer Folie notieren. Zuletzt fügt

er noch einen möglichst neutralen Kommentar über den Verlauf und den Ausgang der

Diskussion hinzu.

Maßstab

Ich erwarte, dass Ihr nach diesem Posten zu jedem diskutierten Anwendungsgebiet

mindestens ein Pro- und ein Contraargument notiert habt. Ausserdem solltet Ihr die 5 Regeln

des rationalen Argumentierens aufgefrischt haben und wieder mindestens 2 davon kennen.

Sind diese Anforderungen erreicht, so ist die Aufgabe dieses Postens erfüllt.


144

Anhang


Liste mit Beispielargumenten:

Siehe nächste Seite.



Folie und Folienstift

Uhr


Verwendete und weitführende Literatur:

Greenpeace: Gentechnologie. Zürich; 1996, (Gentechnologie).

Aellen B. Baerlocher T.: Genmanipulierte Lebensmittel? Nein danke!. Basel; 1995,

(Kampagne "Gut statt Gen").

Burckhardt J.: Gentechnik und Gesundheit. Basel; 1996, (Pharma Information).



Auszug aus den Acht Regeln; aus Gatzemeier M.: Grundsätzliche Überlegungen zur

rationalen Argumentation (mit Bezug auf den schulischen Unterricht). In : Künzli R.(Grsg.):

Curriculimentwicklung - Begründung und Legitimation. Kösel, München, 1975.

Theorieblatt zu Posten:

Liste mit Beispielargumenten:

Quelle: Frey S. Brauchbar M.: Blickpunkt Gene. Egg/Zürich; 1994, (Schweizerisches



145

Anhang

Anhang 1: Lehrer-Lernkontrolle/Test


Testftagen Posten 1: Die Geschichte der Genetik

1. Überlege Dir, wieso die 'wissenschaftliche' Geschichte auch heute noch von grosser

Bedeutung sein könnte. K4, 2 Punkte

2. a) Wie heisst der 'Begründer' der klassischen Genetik, und welche Leistungen stammen

von Ihm? K1, 1 Punkt

b) Wie heissen die 'Begründer' der molekularen Genetik? Habt Ihr eine Ahnung, wieso die

Entdeckung dieser beiden Herren so wichtig war und ist? K2, 1 Punkt

Antworten zu Posten 1: Die Geschichte der Genetik

1. Das Ziel ist es, aus der Geschichte zu lernen. Es gibt dabei vor allem zwei Argumente, in

denen die Geschichte in der Forschung zum Tragen kommt:

I. Man muss ja nicht unbedingt die selben Fehler machen wie es ein anderer Forscher

schon getan hat. Das Hilft sowohl Geld, Zeit als auch Nerven zu Sparen.

II. Jedes Problem das in der Forschung gelöst wird, wirft neue Probleme auf. Das heisst,

man kann auf den Ergebnissen der anderen Forscher erstens aufbauen und zweitens neue

Ideen für die eigene Forschung sammeln.

(Hier ist noch anzumerken: Viele Forscher trauen den Ergebnissen anderer Forscher nicht.

So gelangten die Leistungen Mendels erst um die Jahrhundertwende zu Anerkennung!)

2. a) Sein Name ist Gregor Mendel. Aus seinen Forschungen von 1866 stammen die

mendelschen Vererbungsgesetze.

b) Die Herren Watson & Crick lösten als erste die Struktur der DNA auf. Die gesamte

Erbinformation eines Organismus (Bakterien, Pflanzen, Tiere...) ist in dieser DNA

festgehalten. Erst mit der Auflösung der Struktur der DNA wurd es möglich, zu verstehen

wie sich die Proteine in einer Zelle bilden (Transkription und Translation). Mit dieser

Entdeckung begann man die Steuerung von einzelnen Zellen zu verstehen. Weiter tat sich

ein grosses Feld in Form der Bio- und Gentechnologie auf. Die Möglichkeiten die sich

daraus ergben sind sowohl faszinierend (z.B. Bekämpüfung von Krankheiten) als auch

erschreckend (z.B. Jurassic Park?) zugleich.


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Posten 2: Rekonstruktion von Stammbäumen _

Darstellen und Erkennen von Erbgängen

Testfragen Posten 2 - Auftrag 1: Die drei klassischen Erbgänge für Phänotypen

1) Es gibt drei einfache Modelle, nach denen man die meisten Erbgänge gesunder wie kranker

Phänotypen (= Merkmale) einordnen kann. Die einfachen Modelle helfen, Vergangenes zu

erklären und lassen auch gewisse Schlüsse auf zukünftige Entwicklungen zu:

Definieren Sie: Dominant autosomaler Erbgang K1, 0.75 Punkte

Dominant geschlechtsgekoppelter Erbgang K3, 1.25 Punkte

1. Die Definitionen haben 4-5 Sätze.

2. Setzen Sie die Definition aus den Angaben zusammen, die im Theoriekapitel 1 über die

entsprechenden Begriffe gemacht werden.

3. Halten Sie fest, wie Genotyp und Phänotyp der Merkmalträger aussehen.

4. Gehen Sie auf Unterschiede zwischen Mann und Frau, sowie deren Söhnen und

Töchtern ein.

2) Halten Sie die Einteilung der Erbgänge von Merkmalen in dominante und rezessive für

besonders sinnvoll. Erläutern Sie ihre Ansichten anhand des Beispiels für

Sichelzellenanämie (Theoriekapiel 1). Sie argumentieren rational in 5 Sätzen.

K6, 2 Punkte

Testfragen Posten 2 - Auftrag 2: Jedes Stammbaumbeispiel enthält einen der drei

klassischen Erbgänge für Phänotypen

1) Denken Sie an den rezessiv geschlechtsgekoppelten Erbgang für die Bluterkranktheit. Das

Gen liegt auf dem X-Chromosom. Sind die Sätze sinnvoll? K2, je 0.5 Punkte

Jeder Sohn eines Merkmalsträgers ist gesund.

Eine Merkmalsträgerin hat lauter kranke Söhne.

Der Enkel eines Merkmalsträgers ist gesund, sofern es sich um den Großelternteil

väterlicherseits handelt.

Der Enkel eines Merkmalsträgers ist gesund, sofern es sich um den Großelternteil

mütterlicherseits handelt.


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2) Zeichnen Sie einen Modellstammbaum, der die Erbgangsverhältnisse für einen rezessiv

geschlechtsgekoppelten Erbgang erklärt. Der Modellstammbaum enthält folgende

Elemente:

Das Gen liegt auf dem X-Chromosom. Sie passen die Erbgangsverhältnisse an.

(0.5 Punkte)

Sie gehen von einem männlichen Merkmalsträger und einer hetereozygoten Frau aus.

2 Generationen.

Genotyp und Phänotyp sind für jeder Individuum eingetragen. (1 Punkt)

Es ist ersichlich, welches Allel ein Elternteil jeweils an ein Kind weitergegeben hat.

(0.5 Punkte)

K2, 2 Punkte

Testfragen Posten 2 - Auftrag 3: Rekonstruktion von einem Stammbaum

1) Sie haben einen Stammbaum rekonstruiert. Dabei mußten Sie Genotyp und/oder Phänotyp

jedes Indviduums angeben. Denken Sie an einen dominant autosomalen Erbgang: Geben

Sie eine Anleitung in 2-3 Punkten zu je 1-2 Sätzen, wie Sie vom Phänotyp auf den

Genotyp schließen. K4, 2 Punkte

2) Die historischen Stammbäume von Herrscherfamilien bauen auf Datenmaterial auf, das

nicht immer richtig und eindeutig ist. Welche Effekte (Je einen mit 0.5 Punkten bewertet,

wenn rational untermauert.) können Sie sich vorstellen, die die Interpretation beeinflussen,

wenn sie an die folgenden Überlieferungsformen denken:

Schriftliche Überlieferung außerhalb der Geschichtsschreibung

Bildliche Darstellungen

Mündliche Überlieferungen

Geschichtsschreibung K4, je 0.5 Punkte


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Antworten Posten 2 - Auftrag 1: Die drei klassischen Erbgänge für Phänotypen

1a) Dominant autosomaler Erbgang eines Merkmals

Das Gen für das Merkmal liegt auf einem der Autosomen. Es gibt also keine

Geschlechtsunterschiede beim Auftreten des Merkmals. Der Merkmalsträger (Phänotyp)

kann bezügliche des Gens heterocygot oder homozygot sein (Genotyp = GG oder gG).

Jedes Kind, das das dominante Allel erbt, hat den Phänotyp des Merkmalsträgers (Genotyp

= GG oder Gg, G kann auch von der Mutter kommen!)

1b) Dominant geschlechtsgekoppelter Erbgang.Merkmals

Das Gen für das Merkmal liegt auf einem Geschlechtschromosom. Es gibt also

Geschlechtsunterschiede beim Auftreten des Merkmals. Liegt das Gen auf dem X-

Chromosm sind Männer und Frauen mit dem Gen automatisch Merkmalsträger (Genotyp =

XY, xX, XX). Alle Töchter des Mannes sind Merkmalsträgerinnen (Genotyp = Xx oder

XX). Seine Söhne sind gesund. Frauen geben das Gen wie jedes autosomale Gen an ihre

Kinder weiter (Siehe autosomal dominanter Erbgang).

2) Ob sich das Merkmal Sichelzellenanämie dominant oder rezessiv verhält, hängt von der

Gesamtkonstiution des Patienten ab. Damit ist die Einstufung eines Merkmals als

dominant oder rezessiv Ermessenssache! Wenn sich nun die Mehrheit der heterozygoten

Genträger bereits als Krank erweist, ist es sinnvoll, das Merkmals als dominant einstufen.

Umgekehrt gibt es auch Fälle, wo die Bezeichnung rezessiv einen Sinn ergibt. Es handelt

sich aber immer nur um Sonderfälle eines fließenden Überganges zwischen dominant und

rezessiv, bei dem alle Varianten vorkommen.

Antworten Posten 2 - Auftrag 2: Jedes Stammbaumbeispiel enthält einen der vier

klassischen Erbgänge für Phänotypen

1) sinnvoll, sinnvoll, sinnvoll, sinnlos.

2) Modellstammbaum:

Parentalgeneration = P

Filialgeneration = F1

Vererbte Allele von F1

krank gesund

xY xX

Vererbte Allele von Px Y x X

krank

xx

x x

gesund

xX

x X

gesund

XY

X Y

krank

xY

x Y

Genotyp

Phänotyp

Phänotyp

Genotyp

Vater Mutter

Tochter

Alle Söhne sind krank.

Tochter Sohn

Alle Nachkommensind gesund.

Sohn


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Antworten Posten 2 - Auftrag 3: Rekonstruktion von einem Stammbaum


1) 1. Zuächst lege ich fest, welches der drei Erbgangsmodelle in dem Stammbaum

enthalten ist. Der Stammbaum wird rekonstruiert, da ich erst aus dem

Zusammenhang des Stammbaumes vom Phänotyp der Individuen auf den Genotyp

schließen kann.

2.Ich muß von einem der Merkmalsträger ausgehen. Bei einem dominanten

Erbgang ist er homo- oder heterozygot, bei einem rezessiven Erbgang sicher

homocygot.

3. Von dort aus kann ich sicher auf die Verhältnisse bei den Eltern schließen, denn

Sie haben je eines der Allele vererbt. Für die Nachkommen bin ich auf

Vermutungen angewiesen.

2) a) Die schriftlchen Zeugnisse wie Berichte der Ärzte, Tagebücher und Briefe sollten

einigermaßen zuverlässig sein. Es sind direkte Quellen über die Vergangene Zeit. Keiner

der Beteiligten hat einen Anlaß zu lügen. Allerdings sind der Schreibstil und der

Wissensstand der Epoche zu berücksichtigen.

b) Bildliche Darstellungen sind sehr unzuverlässige Quellen. Sogar wenn es sich um

Photografien handelt, kann mit Schminke und Retuschen gearbeitet werden. Nur bei

Jugendbildern (Geringer Einfluß und Ansehen der Person) und Schnappschüssen ist

Zuverlässigkeit zu erwarten.

c) Die Güte der mündlichen Überlieferungen hängt von vielen Einflüssen ab. Sie müssen

gegeinander abgewoden werden, bevor man eine Quelle heranziehen kann:

Alter der Person, Beziehung der Person zu den Geschehnissen und Individuen, Sozialer

Hintergrund des Beobachters.

d) Die Geschichtsschreibung aller Zeiten ist eine trügerische Bezugsquelle. Sie hängt

stark von den politischen Verhältnissen und einer Gewohnheit in der Interpretation der

Quellendaten ab. Es sind immer Informationen aus zweiter Hand. Entsprechend sollten

Sie behandelt werden.

Testfragen Posten 3 - Auftrag 1: Das 1. Mendelsche Gesetz

1. Formulieren Sie die Kerngedanken des 1. Mendelschen Gesetzes in 1-2 Sätzen.

K1, 2 Punkte

2. Welches Gesetz nennt man das Uniformitätsgesetz und wieso? Antworten Sie in 1-2

Sätzen. K2, 2

Punkte

Testfragen Posten 3 - Auftrag 2: Das 2. Mendelsche Gesetz

1. Formulieren Sie die Kerngedanken des 2. Mendelschen Gesetzes in 2-3 Sätzen.


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K1, 2 Punkte

2. Welches Gesetz nennt man das Spaltungsgesetz und wieso? Antworten Sie in 1-2 Sätzen.

K2, 2 Punkte

Testfragen Posten 3 - Auftrag 3: Die Rückkreuzung

1. Zeigen Sie dieses 2. Mendelsche Gesetz am Beispiel der Vererbung des Merkmals

"Strichaugen" (dominant) anstatt "Normalaugen" bei Drosophila. Zeichnen Sie dazu einen

Stammbaum mit Phänotyp- und Allelangaben (1 Punkt) und das dazugehörige

Kombinationsquadrat. (1 Punkt) K2, 2 Punkte

2. Erklären Sie die Fachwörter "homozygot" (1 Punkt) und "heterozygot" (1 Punkt) je in 1-2

Sätzen. K1, 2 Punkte

Antworten zu Posten 3 - Auftrag 1: Das 1. Mendelsche Gesetz


Zwei Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal unterscheiden werden gekreuzt.

Wenn sie für dieses Merkmal reinrassig sind, so sind die Nachkommen in der 1.

Filialgeneration untereinander gleich, also uniform. (2 Punkte)

2. Das 1. Mendelsches Gesetz ist das Gesetz der Uniformität (1 Punkt), weil die Nachkommen

von reinerbigen (für ein Merkmal) Eltern in der 1. Filialgeneration untereinander gleich,

also uniform sind. (1 Punkt)

Antworten zu Posten 3 - Auftrag 2: Das 2. Mendelsche Gesetz

1. 2. Mendelsches Gesetz oder Spaltungsgesetz:


nicht uniform. (1 Punkt) Die F2-Generation spaltet in bestimmten Zahlenverhältnissen auf.

Beim dominant-rezessiven Erbgang ist es im Verhältnis 3:1. (1 Punkt)

2. Das 2. Mendelsches Gesetz ist das Spaltungsgesetz (1 Punkt), weil die F2-Generation

spaltet in bestimmten Zahlenverhältnissen auf. Beim dominant-rezessiven Erbgang ist es

im Verhältnis 3:1. (1 Punkt)

Antworten zu Posten 3 - Auftrag 3: Die Rückkreuzung

1. P: SS X nn

F1: Sn X Sn

F2: Genotyp: SS : Sn : nn = 1 : 2 : 1

Phänotyp: S : n = 3 : 1 (1 Punkt)


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M_nnlich/Weiblich S n

S SS : Strichaugen Sn : Strichaugen

n Sn : Strichaugen nn : Normalaugen

(1 Punkt)

2. Die Definitionen von "homozygot" (1 Punkt) und "heterozygot" (1 Punkt) stehen im

Glossar.


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Testfragen Posten 4 - Auftrag 1: Herstellung einer grafischen Darstellung der Mitose und

der Meiose

1. a) Erkläre den Unterschied zwischen der Meiose und der Mitose!K1, 1 Punkt

b) Was denkst Du: spielt die Mitose bei Erwachsenen noch eine Rolle?

K4, 1 Punkt

2. a) Erkläre die Begriffe diploid und haploid. K1, 1 Punkt

b) Wieso spielt die Meiose in unserem aber auch in (fast) allen anderen Lebewesen eine

entscheidende Rolle? Du darfst die Grafik der Meiose benützen um diese Frage zu

analysieren und begründen. K4, 1 Punkt

Testfragen Posten 4 - Auftrag 2: Verpackung der DNA

1. Welches sind die Bausteine der Chromosomen? Zähle Sie auf und kommentieren Sie!

K1, 1 Punkt

2. Erkläre in kurzen Sätzen, wie die Chromosomen aufgebaut sind.K2, 1 Punkt

Testfragen Posten 4 - Auftrag 3: Kombinationsmöglichkeiten in der Meiose

1. Wieviele verschiedene mögliche Keimzellen (ohne crossing over) gibt es aus der Meiose

mit 2 homologen Chromosomenpaaren? Zeichne diese mit Farben auf.K2, 1 Punkt

2.Nenne die beiden wichtigsten Funktionen der Meiose in 2 Sätzen.K1, 1 Punkt

Antworten Posten 4 - Auftrag 1: Herstellung einer grafischen Darstellung der Mitose und

der Meiose

1. a) Die Mitose ist die eigentliche Zellteilung. Ihr liegt ein Wachstum zugrunde. Die Meiose

ist die Reifeteilung der Urkeimzellen. D.h. die Meiose macht aus einer diploiden Zelle vier

haploide. Außerdem werden bei der Meiose elterliche Chromosomen (und somit Gene

bzw. Merkmale) auf die Keimzellen verteilt. Die Meiose ist also nicht einfach eine

'normale' Zellteilung.

b) Die Mitose spielt natürlich das ganze Leben eine wichtige Rolle. Alle Zellen des

Körpers werden mit der Zeit erneuert. Haare, Nägel, Haut, Gewebe,... alles wird erneuert

durch den mitotischen Zyklus. (Ein Pikantes Detail: Das Fettgewebe wird alle ca. neun

Monate erneuert. D.h. wenn man in einer Diät (sagen wir 10 kg) abnimmt inerhalb 2

Monaten, besitzt man immer noch die meisten Fettzellen (einfach weniger gefüllt). Das

Bedeutet, dass eine Diät mindestens neuen Monate gehen muss, bevor man wirklich einen

effektiven Abbau der Fettzellen erreichen kann!)

2. a) Diploid bedeutet: Man hat einen doppelten Chromosomensatz in der Zelle. Je ein Teil

von der Mutter und einer vom Vater. Die Chromosomen die von der Mutter und vom Vater


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zusammengehören nennt man homologe Chromosomen. Haploid bedeutet: Die Zellen

besitzen nur noch einen Chromosomensatz. Es können dabei Chromosomen von der

Mutter und vom Vater gemischt vorkommen, jedoch kommen niemals homologe

Chromosomen in einer haploiden Zelle vor.

b) Bei der Meiose wird eine diploide Zelle in vier haploide Zellen umgewandelt. Dabei

wird nicht nur der Chromosomensatz auf die Hälfte reduziert, sondern werden auch die

elterlichen Chromosomen gemischt (interchromosomale Rekombination) und auch

einzelne Regionen der Chromosomen ausgetauscht (Crossover = intrachromosomale

Rekombination). Wenn wir die Frage beantworten wollen wieso diese Funktionen so

wichtig sind für 'Lebewesen', so müssen wir uns fragen: Was ist wenn wir diese

Funktionen nicht zur Verfügung hätten?

• Wenn die Reduktion von diploid zu haploid nicht geschehen würde, dann würde bei

jeder neuen Generation die Chromosomenzahl verdoppelt. D.h. man hätte ein

exponentielles 'Wachstum' der Chromosomenzahl. Dies könnte zur Folge haben: a)

der Platz im Zellkern wird langsam aber sicher zu eng; b) Die Chance, daß krankes

oder falsches Genmaterial immer über jede Generation mitgeschleppt würde ist

außerordentlich hoch. Die Reduktion ist also sehr sehr wichtig!

• Durch die inter- und intrachromosomale Rekombination wird die genetische

Vielfalt der Lebewesen gesichert. Diese Tatsache ist ein Grundlage der Evolution.

Antwort Posten 4 - Auftrag 2: Verpackung der DNA

1. Die Chromosomen sind aus DNA und Histon-Proteinen aufgebaut. Die DNA ist dabei um

die Histonproteine aufgeschraubt. Ein Histonprotein mit der DNA wird als Nucleosom

bezeichnet.

2. a) die DNA selbst besteht aus zwei Strängen, die in einer Helix ineinandergewoben sind.

b) Die DNA wickelt sich in den Chromosomen 1.5 bis 2 mal um die Histonproteine. (Ein

Histonprotein mit der DNA wird als Nucleosom bezeichnet).

c) die Histonproteine liegen gestapelt übereinander.

d) während der Verkürzung der Chromosomen verdrehen sich diese Nucleosomen immer

weiter ineinander, bis die maximale Verkürzung in der Metaphase erreicht ist.


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Antwort Posten 4 - Auftrag 3: Kombinationsmöglichkeiten in der Meiose

1. Urkeimzelle Mögliche Keimzellen (4 Möglichkeiten)

2.a) Halbierung des Chromosomensatzes. D.h. in der Meiose werden aus einer diploiden Zelle

vier haploide.

b) Neuverteilung der elterlichen Gene auf die Keimzellen. In der Meiose gibt es für den

Menschen (ohne crossing over!) bereits 223 (haploider Chromosomensatz: 23

Chromosomen) mögliche Verteilungen der elterlichen Chromosomen.


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Posten 5: Die Umsetzung der genetischen Information

Testfragen Posten 5 - Auftrag 1: Die Umsetzung der genetischen Information

1. Beschreiben Sie je in einem Satz die Funktionen von DNA (0.5 Punkte), RNA (0.5

Punkte), Ribosom (0.5 Punkte) und Enzym (0.5 Punkte). K1, 2

Punkte

2. Illustrieren Sie in einer Zeichnung das Zusammenspiel dieser 4 Komponenten (DNA, RNA,

Ribosom und Enzym) beim Abruf der genetischen Information. K1, 2 Punkte

Antworten Posten 5 - Auftrag 1: Die Umsetzung der genetischen Information

1. DNA = Speicher für die genetische Information. (0.5 Punkte)

RNA = kurzlebige Arbeitskopie eines kurzen DNA-Stücks. (0.5 Punkte)

Ribosom = Übersetzung des Basencodes in eine Aminosäurensequenz nach dem

genetischen Code. (0.5 Punkte)

Enzym = Protein (Aminosäurensequenz mit einer 3-D-Struktur) das ein Substrat in ein

Produkt umwandelt. (0.5 Punkte)

2. Zusammenspiel der Komponenten:

DNA ------------> RNA ------------> Enzym(0.5 Punkte)

Was: Transkription Translation

Wer: RNA-Polymerase Ribosom (0.5 Punkte)

Produkt -----------> Substrat (0.5 Punkte)

Was: Enzymaktivität

Wer: Enzym (0.5 Punkte)

Posten 6: DNA und Proteine

Testfragen Posten 6 - Auftrag 1: Das DNA-Modell

1) Bescheiben Sie die Unterschiede in Aufbau und Struktur von DNA und Proteinen:

Gegen Sie zuerst an aus welchen Bausteinen die beiden Arten von Biomolekülen aufgebaut

sind. (1 Punkt)

Geben Sie 2 Unterschiede an, die es in der Faltung der beiden Arten von Biomolekülen

gibt.

(1 Punkt) K1, 2 Punkte

Testfragen Posten 6 - Auftrag 2: Das Protein-Modell

1) Schildern Sie das Faltungsproblem in 8-10 Sätzen. Gehe auf folgende Punkte ein:


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Was versteht man unter dem Faltungsproblem. (1 Punkt)

Welche Auswirkungen (3 Stück) hätte die Lösung des Faltungsproblems für die Biologie?

(0.5 Punkte)

Welche Anwendung fände die Lösung in der Biotechnologie? (0.5 Punkte)

K1, 2 Punkte

Antworten Posten 6 - Auftrag 1: Das DNA-Modell

Antworten Posten 6 - Auftrag 2: Das Protein-Modell


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Posten 7: Herstellen des eigenen 'Gemüses'

Testfragen Posten 7 - Auftrag: Klonieren im Modell

1. In der folgenden Abbildung siehst Du, wie man Gene in Pflanzen kloniert (Aus: Baufeld

R., Kühne E., Lohaus G., Meyer H. und Schwarzbach A.: Unterrichtsmaterialien

Gentechnologie; 1992, 1. Auflage (AOL-Verlag), S.16). Erkläre in eigenen Worten das

Vorgehen. Wenn Du Fremdwörter gebrauchst, dann erkläre diese in Klammern nach dem

Fremdwort. K4, 1 Punkt

2. Beziehe Stellung: Bist Du für oder gegen Gentechnologie? Pro Argument das Sie in ein bis

zwei Sätzen begründen erhalten Sie 1/4 Punkte (Maximal 1 Punkt).K3, 1 Punkt

Antwort Posten 7 - Auftrag: Klonieren im Modell

1. Zuerst muss man ein Isoliertes Gen (= Abschnitt der DNA, der die Information für ein

bestimmtes Merkmal trägt) zur Verfügung haben, mit den gewünschten Eigenschaften.

Dieses Gen wird in ein Plasmid (= ein DNA-Ring der neben der Haupt-DNA vorkommt)

eingebaut und in E.coli (Darmbakterien des Menschen, eignet sich besonders gut um zu

klonieren) Bakterien vermehrt. Jetzt wird das Plasmid aus dem E.coli isoliert und

anschliessend in Agrobacterium tumefaciens (Bakterium das verwendet wird um die

Plasmide auf die Pflanzen zu bringen) übertragen.

Die Pflanze muss parallel auch noch vorbereitet werden. Dazu verwendet man

Blattstückchen, die man auf einem Nährboden anzüchtet. Es muss sich dabei um Zellen

handeln, die a) die gesamte genetische Information in sich tragen und b) befähigt sind auf

einem Kulturboden zu wachsen. Dadurch bekommt man Zellkolonien (= Zellhaufen auf

dem Nährboden, der aus einer Zelle hervorgegangen ist.)

Diese Zellkolonien werden nun mit dem genetisch veränderten Bakterium

zusammengegeben. Dabei wird das Plasmid mit 'unserer' genetischen Information in die

Pflanzenzelle geschleust. Durch eine Hormonbehandlung (Hormone = Signalstoffe, die

eine (biochemische) Reaktion auslösen) werden diese veränderten Pflanzenzellen dann

zum wachsen gebracht.

2. z.B.:

a) Die Bauern könnten Ihre Pflanzen vor Schädlingen schützen, und dadurch mehr

produzieren. Die Wettbewerbsfähigkeit gegenüber ausländischen Bauern würde dadurch

erhöht.

b) Der Ertrag einzelner Pflanzen könnte erhöht werden. Dadurch würde ein Beitrag

geleistet, um Hungergebiete zu unterstützen.

c) Der Einsatz von z.B. Herbizidresistenten Pflanzen treibt die Natur (bzw. die Schädlinge)

dazu, sich anzupassen. Es würde durchaus die Möglichkeit bestehen, dass es bald


158

Schädlinge geben würde, die Resistent sind gegenüber einem Herbizideinsatz. Wie will

man dann diese Plage bekämpfen?

d) Durch den Eingriff in die Gene der Pflanzen greift man auch in ein ganzes Ökosystem.

Wer garantiert einem, dass z.B. der Einsatz von Frostsicheren Erdbeeren nicht verheerende

Folgen für uns und viele andere Lebensformen haben könnte?


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Testfragen Posten 8 - Auftrag 1: Isolieren von DNA aus Zwiebeln

1) Sie haben "Hinführen" zu Posten 8 genau gelesen. Können Sie das Schema für die

Herstellung menschlicher Proteine in E. coli-Bakterien zusammenbringen? Es macht

nichts, wenn nicht alle Fachwörter dabei sind. Sie müssen nur alle 8 Schritte aufführen.

(Je 0.25 Punkte) K1, 2 Punkte

2) Was könnten die Motive sein, menschliche Porteine (= Eiweiße) für die Medizin nicht aus

Menschen zu isolieren, sondern sie in Bakterien herzustellen. Geben Sie zwei mögliche,

rationale Gründe an. K5, 2 Punkte

Testfragen Posten 8 - Auftrag 2: Agarose-Gelelektrophorese

1) Sie haben Farbstoffe mit Gelelektrophorese aufgetrennt:

Schildern Sie das Prinzip (1 Punkt) und die Apparatur (1 Punkt) zur

Gelelektrophorese.

Sie erklären, was die Methode leistet und welche Mechanismen dahinterstehen (4-5

Sätze). Die Apparatur können Sie skizzieren. Die Polung der Appartur muß ersichtlich

sein. K1, 2 Punkte

2) Die Gelelektrophorese kommt an einem ganz bestimmten Punkt im Fließdiagramm zu

Posten 8 vor. Wozu wird diese Technik bei der gentechnologischen Herstellung von

Proteinen eingesetzt? K1, 0.5 Punkte

Welche Konsequenzen hat es, wenn die Elektrophorese nicht korrekt abläuft?

Sie arbeiten dann mit einem Gemisch. Der Unterschied kommt nach der Selektion der

Produktionsbakterien an den Tag, wenn Sie versuchen Protein herzustellen.

K2, 1.5 Punkte

Testfragen Posten 8 - Auftrag 3: Transformation von E. coli mit einem Resistenzplasmid

1) Nach dem Auftrag 3 sollten Sie wissen, was es mit dem Zauber um

Antibiotikaresistenzen und Plasmiden auf sich hat. Dahinter steckt eine

Selektionsidee. Welches Ereignis wird selektiert? (1 Satz = 1 Punkt)

Warum ist das wichtig? (3-4 Sätze = 1 Punkt)K1, 2 Punkte

2) Nachdem Sie E. Coli-Bakterien mit ihrem Resistenzplasmid transformiert haben,

können Sie auf der Agarplatte mit Ampicillin aus dem Kontrollexperiment ebensoviele

Bakterien, wie auf der Agarplatte mit Ampicillin aus dem Hauptexperiment. Geben

Sie 2 mögliche Ursachen dafür an. Jede Ursache wird sauber begründet (1-2 Sätze).

K3, 2 Punkte

Antwort Posten 8 - Auftrag 1: Isolieren von DNA aus Zwiebeln

1) Siehe Grafik in der Einleitung zu Posten 3 - Auftrag 1.


160

2) - Es ist nicht denkbar Insulin für 200000 Patienten in der Schweiz aus Menschen zu

isolieren. So viele Organspender stehen nicht zur Verfügung. Der Import von

menschlichen Geweben aus der 3. Welt ist ethisch nicht vertretbar.

- Das Insulin läßt sich in Bakterien billiger herstellen. Denkbar wären auch tierische

Quellen für Insulin, aber Bakterien wachsen schneller und umsonst. Die Kosten kommen

nur aus der indurstriellen Umsetzung des Verfahrens.

Antwort Posten 8 - Auftrag 2: Agarose-Gelelektrophorese

1) Bei der Trennung von geschnittenem und ungeschnittenem Plasmid.

2) Mißlingt die Trennung von geschnittenem und ungeschnittenem Plasmid, passiert

folgendes:

Die Ligation läuft ab wie gehabt. Das menschliche Gen wird in das geschnittene Plasmid

eingebaut. Es ist fertig für die Transformation der E. coli-Bakterien. Leider haben wir

diesmal auch ungeschnittenes Plasmid in der Transformation dabei. Es enthält kein

menschliches Gen. Bakterien, die es Aufnehmen verhalten sich bei der Selektion auf

Ampicillin gleich, wie die Bakterien mit den rekombinierten Plasmid. Nur produzieren Sie

kein Insulin. Die Ausbeute des Herstellunsprozesses leidet darunter, wenn wir nicht

mit einer zweiten Methode nachselektieren.

Antwort Posten 8 - Auftrag 3: Transformation von E. coli mit einem Resistenzplasmid.

1a) Die Aufnahme von einem Resistenzplasmid in ein E. coli-Bakterium.

1b) Die Transformation läuft nicht besonders gut ab. Nur wenige E. coli-Bakterien nehmen

das Resistenzplasmid auf. Wir könnten die transformierten Bakterien unter den

Wildtypbakterien nicht finden. Sie würden wegverdünnt. Auf einem ampicillinhaltigen

Nährboden sterben alle Bakterien ohne das Plasmid ab.

2) Die Baktereien aus der "Kontrolle" sollten keine Resistenzplasmide besitzen und nicht

wachsen. Wenn Sie dennoch Kolonien auf der Agarplatte mit Ampicillin sehen, kann das

die folgenden Gründe haben:

- Das Antibiotikum ist alt geworden.

- Die Kolonien wachsen auf Grund von Mutationen auf der Amicillinplatte an.

- Sie haben nicht sauber gearbeitet und die "Kontrolle" mit Resistenzplasmiden verseucht.


161

Posten 9: Gentechnologie-Diskussion

Testfragen Posten 9- Auftrag : Die Gentechnologie-Diskussion

1. Nennen Sie je in einem Satz je ein stichhaltiges Pro- und ein Contraargument zur

Anwendung der Gentechnologie a) in der Medizin und b) in der Lebensmittelproduktion.

(K2) (je 0.5 Punkte) K1, 2 Punkte

2. Beschreiben Sie in je 1-2 Sätzen zwei der 5 Regeln des rationalen Argumentierens.

K1, 2 Punkte

3. Beschreiben Sie in 5-10 Sätzen Ihre persönliche Meinung zur Anwendung der

Gentechnologie in der Landwirtschaft. Zeigen Sie die positiven und negativen Aspekte

einer solchen Anwendung auf und begründen Sie Ihren Entscheid nach den Regeln des

rationalen Argumentierens. K6, 2

Punkte

Antworten zu Posten 9 - Auftrag: Die Gentechnologie-Diskussion

1. a. pro: Dank der Gentechnologie können neue Medikamente gegen Infektionskrankheiten

entwickelt werden. (z. B. Impfungen). (0.5 Punkte)

contra: In Zukunft könnte eine Diskriminierung allein aufgrund der genetischen

Veranlagung stattfinden. (0.5 Punkte)

b. pro: Die Gentechnologie könnte helfen, die stetig wachsende Weltbevölkerung auch im

nächsten Jahrtausend noch zu ernähren. (0.5 Punkte)

contra: Anbau von Genfood hat unklare Langzeitfolgen auf das Ökosystem. (0.5 Punkte)

2. Alle wichtige Worte müssen verständlich erläutert werden. (1 Punkt)

Alle Behauptungen müssen begründet werden. (1 Punkt)

3. Unter strengen Richtlinien und Kontrollen bin ich für die Anwendung der Gentechnologie

in der Landwirtschaft. Dies weil ich denke, dass die wachsende Weltbevölkerung bei

abnehmender Ackerfläche ernährt werden muss. Die Gentechnologie ist ein Weg zur

Ertragssteigerung. Weiters denke ich, dass bereits in der Vergangenheit durch Züchtung

ein Eingriff in die Natur stattgefunden hat. Die Gentechnologie ist lediglich eine

Perfektionierung. Natürlich bin ich mir auch der unbekannten ökologischen und sozialen

Langzeitfolgen einer solchen Anwendung bewusst. Trotzdem bin ich aus den oben

genannten Gründen für eine geregelte Anwendung der Gentechnologie in der

Landwirtschaft. (2 Punkte)


162

Anhang 2: Materialliste

Material für Posten 1: Die Geschichte der Genetik

• Puzzle: selbst gebastelt aus Holz (3x 20 Teile: Jahreszahlen (20) Namen der Forscher (20)

bereits auf den Puzzle-Teilen, für die Leistungen (20) Blankopuzzle-Teile)

• Schere, Stecknadeln

• Arbeitsblätter für den Schüler mit den wissenschaftlichen Leistungen der Forscher

• Rahmen um die Puzzleteile einfügen zu können

Material für Posten 2: Rekonstruktion von Stammbäumen

Material für Posten 3: Die Mendelschen Gesetze

• Rote Bohnen: Rote Kidney-Bohnen getrocknet, Migros, 500g, Fr. 1.80.

• Gesprenkelte Bohnen: Borlotti-Bohnen getrocknet, Migros, 500g, Fr. 1.50.

• Schilder und Säcke für P-, F1- und F2-Generation.

• Blatt mit den 2 Mendelschen Gesetzen.

Material für Posten 4: Mitose und Meiose

• Befestigungswand (Pakpapier mit Klettverschlüssen) für die Mitose und die Meiose

Einige Phasen und einige Bilder sind dabei bereits auf der Wand befestigt, damit die

Schüler direkt wissen wie die Aufgabe zu verstehen ist.

• Die Phasen für die Platzhalter sind aus Karton hergestellt und mit einem Klettverschluss

versehen. Damit kann man die Phasen ganz einfach an der Wand anbringen und wieder

entfernen. Die Phasen wurden dabei 1:1 übernommen aus: Miram W., Schaf K.-H.:

Biologie heute SII; Hannover 1988, Neubearbeitung (Schroedel Schulbuchverlag), S. 176,

178.

• Geringte Kordel und Schnüre

• Filze oder ähnlicher Farbige Stoffe

Material für Posten 5: Die Umsetzung der genetischen Information

• Küchengeräte (Dosenöffner, Raffel, Schäler, Nussknacker) als Enzymersatz.

• Äpfel, Nüsse, Konservendose als Substrate.

• Ansteckbare Kärtchen mit Fachwörtern (DNA, RNA, Ribosom, Enzym, Enzymaktivität,

Produkt und Substrat) und solche mit Funktionen.

• Papier und Schreibzeug.


163

Material für Posten 7: Herstellen des eigene Gmüses

• Alte WC-Rollen, Rundholz, Holz und Schaumstoff um die DNA darzustellen

• Vordefinierte Verbindungsstücke zwischen den Genen (Mit den Schnittstellen

gekennzeichnet)

• Situationsschilderung mit der Problemstellung

• Lösungsmappe mit einer Bewertungsskala

Material für Posten 8: Gentechnologie in der Praxis

Tabelle: Material für 25 Schüler. Aurtrag 1

2 Autragsblatt für Posten 8 - Auftrag 1

1 Spritzflasche


1 1000 ml-Becherglas


1 500 ml- Saugflasche mit Gummidichtung

1 Wasserstrahlvakuum mit Vakkuumschlauch und Dreiweghahn (Entlüfung)

1 Trichter und Filterpapier (Kaffefilter) passend zu Saugflasche und

Gummidichtung


15 20 ml-Reagenzgläser mit Aluminiumfolie verschlossen.

1 Spatel

1 Küchenmesser

1 Esslöffel

1 Thermometer 0-100 °C

1 Wasserbad bei 60 °C

1 Eisbad

2 Gummihandschuhe


10 ml Möglichst farbloses Abwaschmittel oder Duschgel

1 große Zwiebel

1.5 g Kochsalz


164

Tabelle: Material für 25 Schüler. Auftrag 2.

2 Auftragsblätter für Posten 8 - Auftrag 2:


1 Rolle 1 cm-Mahlerklebeband (Papier)

2 Holzstückchen für die Probenvertiefung

100 g Knetmasse

30 Kleine Büroklammern

100 ml 0.25 %ige Agarlösung in einem feuerfesten Gefäß

(250 ml-Erlenmeyerkolben)

10 ml Farbstoffprobe:

25 mg wasserlösliches Bromphenolblau, 25 mg Xylen Cyanol,

3 ml Glycerol, 1.2 ml 0.5 M EDTA, 5.8 ml destilliertes

Wasser.

1 Petrischale mit 15 cm Durchmesser

1 Bunsenbrenner mit Feueranzünder oder Heizplatte oder

Mikrowellenofen.

400 ml 1M Kochsalzlösung als Gelpuffer

1 Große druchsichtige Schachtel oder eine

Schuhkartonschachtel mit Sichtfenster.

1 Spannungsquelle mit 30V Gleichstrom

2 Passende Stromkabel mit Krokodilklemmen

1 Schere


165

Tabelle: Material für 25 Schüler. Auftrag 3.

Anzahl/

Menge

Material

60 Zahnstocher

60 Büroklammern

5 Gumminuggis für Pasteurpipetten

60 12 cm-Pasteurpipetten aus Glas


20 20 ml-Reagenzgläser

3 100 ml-Glasflasche mit Schraubverschluß


50 ml Calciumchloridlösung (0,75 g/ 50 ml)

50 ml LB-Nährmedium (1 g/ 50 ml)

15 20 ml-Reagenzgläser mit LB-Nährmedium (je 2

ml)

2000 ml Destilliertes Wasse.

2 Großes Marmeladenglas mit Schraubverschluß

60 Eppendorftubes

1 ml Plasmidlösung (5 ng/ µl)

0,75 ml Ampicillinlösung (37 mg/ 0,75 ml)


2 1000 ml-Glasflaschen mit Schraubverschluß

60 Petrischalen aus Glas oder Kunststoff:

30 Agarplatten ohne Ampicillin

30 Agarplatten mit Ampicillin

3 "E. coli-Starterplatte"

2 Styroporraster

1 Inkubator

1

1 Behälter für biologischen Abfall

Material für Posten 9: Gentechnologie-Diskussion

Folie und Folienstift.

Uhr


166

Anhang 3: Zielebenenmodell


Leitidee

Die Geschichte prägt und leitet uns. Wir lernen und profitieren von Ihr jeden Tag. Die

Geschichte spielt dabei nicht nur politisch eine wichtige Rolle, sondern sie ist auch in der

Forschung, aus den gleichen Gründen von grossem Intersse.

Dispositionsziel

Der Schüler wird sich bewusst, dass auch er einenTeil der Geschichte ausmacht. Mit seinem

Verhalten und seinen Leistungen kann er Geschichte schreiben, die auch für andere wichtig

sein können – und sei es nur um von seinen Fehlern zu lernen. Der Schüler wird sich bewusst,

dass Geschichte nicht nur einfach einen 'alten Hut' darstellt, sondern dass sie auch in der

Moderne immer wieder zu Hilfe und Rate gezogen wird.

Operationalisierte Lernziele

• Der/die Schüler/in kann aus der Liste von 20 verschiedenen Forschern mindestens drei

herausgreifen, von welchen er/sie die Jahreszahlen und die Leistungen kennt. Die

Forschungsleistungen von Mendel und Watson & Crick sind dabei ein Muss.

• Der/die Schüler/in kann erklären, wieso Geschichte auch in der modernen Forschung etwas

wichtiges sein kann.


167

Posten 2: Rekonstruktion von Stammbäumen

Darstellen und Erkennen von Erbgängen

Leitidee

Auch wenn es bei dem ganzen Hightech-Rummel immer wieder in Vergessenheit gerät:

Die Genetik ist und bleibt die Wissenschaft von der Vererbung von Merkmalen und Genen

von Elterngeneration zu Kindergeneration.

Die einfachen Modelle helfen, Vergangenes zu erklären und lassen auch gewisse Schlüsse auf

zukünftige Entwicklungen zu. Damit helfen sie jedem Schüler und jeder Schülerin, ein Stück

der dirketen Umwelt besser zu verstehen. Im Falle der pränatalen Diagnostik im Hinblick auf

mögliche Erbkrankheiten sind sogar wichtige Lebensentscheidungen meist junger Menschen

betroffen. So gilt es, den Schülern und Schülerinnen einen Einstieg in die Denkweisen und die

Begriffswelt der klassischen Genetik zu geben.

Dispositionsziel

• Die Schülerinnen und Schüler haben ein Instrumentarium bekommen, mit dem sie die

ohnehin spannenden Vererbungsphänomene einordnen können. Sie sind bereit z. B. in

ihrer Verwandtschaft nach Entwicklungen Ausschau zu halten, die sich mit einem der

Modellerbgänge beschreiben lassen. Damit ist die Voraussetzung für Spaß und Einsatz bei

eigenen Beobachtungen gegeben.


• Die Schüler und Schülerinnen können einen Stammbaum auf Grund einer einfachen

Datensammlung selbst erstellen.

• Die Schüler und Schülerinnen können einen Stammbaum danach untersuchen, ob er einen

der folgenden Erbgänge abbildet:



3. Dominant geschlechtgekoppelter Erbgang.

• Die Schüler können Genotyp und Phänotyp der im Stammbaum aufgeführten Individuen

angeben. Sie können Unsicherheiten bei der Zuweisung von Phänotyp oder Genotyp

rational begründen.


168


Leitidee

In Zeitung und Fernseher wird heute immer wieder über neue Möglichkeiten in

Gentechnologie, Biotechnologie und Genetik berichtet.

Um diese neuen Technologien besser zu verstehen und um sich selbst eine Meinung dazu zu

bilden ist es wichtig, die genetischen Grundlagen dieser neuen Technologien zu kennen.

Dispositionsziel

Die SchülerInnen können aus einer eigenen Beobachtung eine Gesetzmässigkeit formulieren.


• Die SchülerInnen sollen die Kerngedanken des 1. und des 2. Mendelschen Gesetzes je in 1-

2 Sätzen formulieren können.

• Sie sollen für die Vererbung eines einfachen Merkmals selbst einen Stammbaum mit

Phänotyp- und Allelangaben und das dazugehörige Kombinationsquadrat aufzeichnen

können.


169


Leitidee

Das Leben ist seit jeher etwas was die Menschen immer fasziniert hat. Wie ein Organismus

entsteht und zu wachsen beginnt ist dabei von zentralem Interesse. Wohl nicht alle, doch die

meisten von uns werden einmal Kinder haben. Der Geschlechtsakt ist nur ein kleiner Schritt

bei der Zeugung und Entwicklung von neuem Leben...

Dispositionsziel

Die Schüler zeigen einen Respekt gegebüber dem Wachstum, der Entwicklung und generell

gegenüber dem Leben.


• Der/die Schüler/in kann einem Laien in kurzen einfachen Sätzen die Funktionen der

Meiose und der Mitose mitteilen. Falls er/sie 'Fremdwörter' benutzt wie Gene oder

homologe Chromosomen, kann er/sie diese auch erklären.

• Die Schüler wissen aus was die Chromosomen zusammengesetzt sind. Sie verstehen dabei,

daß diese sehr kompakte Strukturen sind.

• In der Meiose werden unter anderem die Gene der Eltern neu verteilt. Die SchülerInnen

können mit 6 Chromosomen (3 homologe Chromosomenpaare) die Möglichen

Kombinationen die sich in der Meiose ergeben grafisch darstellen.


170

Posten 5: Die Genexpression

Leitidee

Immer wieder wird die Bevölkerung mit Forschungserfolgen aus der Molekular- und

Zellbiologie konfrontiert. Beispiele dazu sind: Rinderwahnsinn, Erbkrankheiten,

Gentherapien, AIDS oder Genfood. Über Waschmittel-Enzyme, Medikamente und Genfood

macht sich die Gentechnologie langsam in unserem Alltag breit.

Weil im Sommer 1997 die Genschutz-Initiative über eine drastische Einschränkung der

Gentechnologie stattfindet, ist es wichtig, dass die SchülerInnen zur eigenen

Meinungsbildung ein Grundverständnis von Genetik haben.

Dispositionsziel

Bei Diskussionen über Gentechnologie in den Medien werden die SchülerInnen nicht durch

Fachbegriffe abgeschreckt, sondern sie schlagen diese in einem Biobuch nach und verfolgen

die Diskussion weiter.


• Die SchülerInnen können die Funktionen von DNA, RNA, Ribosom und Enzym in je

einem Satz erklären.

• Weiters können sie Begriffe wie Enzymaktivität, Produkt und Substrat erklären.

• Auch sollten sie in einer Zeichnung das Zusammenspiel all dieser Komponenten aufzeigen

können.


171

Posten 6: Die Moleküle der Genexpression - DNA und Proteine

Leitidee

Wer den Blick hinter die Kulissen der Gentechnologie wagen möchte, wir schnell durch die

Vielfalt der Konzepte und Modelle verwirrt. Die stofflichen und molekularen Grundlagen der

Genetik werden oft zitiert und diskutiert, ohne je verstanden worden zu sein. Deshalb muß

sich jeder der sich ein fundiertes Bild von der Genetik und der Gentechnologie machen

möchte, eine Vorstellung von Aufbau und Zusammenspiel der Riesenmoleküle aus der

Molekularbiologie haben: DNA und Proteinen.

Dispositionsziele

• Der Stoff, der in diesem Posten präsentiert wird, ist fast der fordersten Front der Forschung

entnommen. Im Hinblick auf die Auswahl eines Hochschulstudien wird den Schülern und

Schülerinnen einen Einblick in die moderne biologische Forschung gewährt.

• Die Berührungsängste vieler Schülerinnen und Schüler mit der Chemie können durch die

sanfte, biologische Verpackung vielleicht ein Stück weit überwunden werden. Es wäre der

Versuch hier eine anschauliche und sehr interessante Querverbindung auch in den Köpfen

der Schüler zu schaffen.


• Die Schüler und Schülerinnen können die Besonderheiten (Strukturen) und Aufgaben von

DNA und Proteinen beschreiben.

• Die Schüler können das Faltungsproblem beschreiben.


172

Posten 7: Herstellen des eigenen 'Gemüses'

Leitidee

Genetik ist heute ein Schlagwort in allen Zeitungen, in den Nachrichten aber auch im Kino

(z.B. Jurassic Park). Gentechnologie, Biotechnologie und Genetik sind Themen die also

allgegenwärtig sind. Es gibt sowohl viele Argumente für wie gegen diese neuen

Technologien. Das beste ist es jedoch immer noch, sich eine eigene Meinung zu bilden. Aus

diesem Grunde behandeln wir das Thema.

Dispositionsziel

In einer Diskussion über Gentechnologie, Biotechnologie oder Genetik kann sich der Schüler

aktiv beteiligen. Er kennt einige Argumente für und gegen diese Technologien.


• Der/Die Schüler/in kennt mindestens eine Einsatzmöglichkeit für die Gentechnologie.

Er/Sie bildet sich eine eigene Meinung darüber, ob Gentechnologie etwas sinnvolles ist

oder nicht. Mit zwei bis drei kurzen Sätzen nimmt der/die Schüler/in Stellung zu dieser

Einsatzmöglichkeit.

• Der/Die Schüler/in kann mit eigenen Worten eine Grafik erklären, in der der

genetechnische Weg eines Fremdgens in eine Pflanze gezeigt ist.


173


Leitidee

Täglich können wir der Presse Nachrichten über den letzten Schrei aus den Genküchen

entnehmen. Bei der Wiedersprüchlichkeit der Meldungen bleiben viele Fragen offen:

Machen uns die Journalisten nur Angst? Müssen wir Angst haben? Wie steht es mit der

Allmacht der Genetiker und der Unberechenbarkeit der Risiken? Was steht eigentlich hinter

dem Schlagwort: Gentechnologie?

Wenn wir uns nicht nur auf Grund unserer Emotionen ein Bild von der Situation machen

wollen, müssen wir uns mit den Methoden der Gentechnologie befassen.

Dispositionsziele

• Die Schülerinnen und Schüler erkennen, daß Gentechnologie zwar verzwickt ist, aber die

Prinzipien dem ´Normalmenschen´ zugänglich bleiben. Sie werden in Zukunft darauf

beharren, die Sachlage erklärt zu bekommen.

• Die Schülerinnen und Schüler können sich nach der Lektüre eines Zeitungsartikels (z. B.

Gentomate, ETH-Reis) ein einfaches Bild davon machen, was mit dem Organismus

überhaupt gemacht wurde.


• Die Schüler und Schülerinnen haben die Handhabung einfacher Laborgeräte geübt:

Petrischalen, Pasteurpipetten, Eppendortubes.

• Die Schülerinnen und Schüler haben ausgesuchte, einfache Labormethoden kennen gelernt:

Agarose-Gelelektrophorese, Transformation,

Sie können in weinigen Sätzen schildern, welche physikalischen, chemischen oder

biologischen Prinzipien hinter den einzelenen Verfahren stecken.

• Die Schüler können die Expression eines Fremdgens in E. Coli an Hand des gegebenen

Schemas erklären. 0.5 A4 Seiten Aufsatz.


174

Posten 9: Gentechnologie-Diskussion

Leitidee

Immer wieder wird die Bevölkerung mit Forschungserfolgen aus der Molekular- und

Zellbiologie konfrontiert. Beispiele dazu sind: Rinderwahnsinn, Erbkrankheiten,

Gentherapien, AIDS oder Genfood. Über Waschmittel-Enzyme, Medikamente und Genfood

macht sich die Gentechnologie langsam in unserem Alltag breit.

Weil im Sommer 1997 die Genschutz-Initiative über eine drastische Einschränkung der

Gentechnologie stattfindet, ist es wichtig, dass die SchülerInnen zur eigenen

Meinungsbildung die wichtigsten Pro- und Contra-Argumente kennen.

Dispositionsziel

Die SchülerInnen lesen auch neutrale Zeitungsartikel kritisch und aus der Sicht von

verschiedenen Kontrahenten. Weiters führen die SchülerInnen Diskussionen nicht nur

emotional, sondern können die 5 Regeln des rationalen Argumentierens in einer Diskussion

anwenden.


• Die SchülerInnen können zu jedem diskutierten Anwendungsgebiet mindestens ein Pro-

und ein Contraargument liefern.

• Die SchülerInnen können von den 5 Regeln des rationalen Argumentierens mindestens 2

anhand eines Diskussionsbeispiels je in 1-3 Sätzen erklären .


175

Anhang 4: Der Theorieteil

Theoriekapitel 1: Die Grundbegriffe der klassischen Genetik

Genotyp und Phänotyp

Das Gen ist in der klassischen Genetik nur ein abstrakter Begriff: Es bezeichnet die

Erbanlage für ein Merkmal, ohne auf dessen stoffliche Grundlage (= DNA) Bezug zu nehmen.

Die gesamte Ausstatttung an Erbanlagen, die ein Organismus in sich trägt, nennen wir

Genotyp. Er enthält die exakte Information über alle möglichen Merkmale des Organismus

(Theorie). Diese Informationen sind vererbbar.

Ein Merkmal selbst entsteht durch die Umsetung der entsprechenden genetischen Information

(=Genotyp). Je nach Umwelteinfluß kann diese Umsetzung verschiedenartig ausfallen. Sie ist

variabel und kann nicht vererbt werden. Somit ist das äußere Erscheinungsbild eines

Organismus immer einzigartig. Das nennen wir Phänotyp (Praxis). Natürlich sind

Phänotypen, die aus demselben Genotyp hervorgehen sehr ähnlich (= eineiige Zwillinge).

Eigenschaften des Genotyps: homozygot oder heterozygot

Bei den Säugetieren sind die Erbanlagen (= Gene) für jedes Merkmal doppelt vorhanden.

Die beiden Gene müssen nicht gleich sein. Verschiedene Varianten eines Gens bezeichnen wir

als Allele.

Gehen Sie für die folgenden Überlegungen davon aus, daß es Allele gibt, die gesund und

funktionstüchtig sind und andere, die aber krank und funktionslos sind. Ein Beispiel für ein

kaputtes Allel kommt bei der Sichelzellenanämie vor (Vererbbare Blutarmut). Das

Sichelzellallel oder Sichelzellgen ist eine leistungsarme Variante des Gens für Hämoglobin

(Sauerstofftransporteiweiß im Blut).

Trägt ein Patient zweimal das Sichelzellallel s für Hämoglobin (Genotyp = ss), so zeigt er

alle Mermale der Krankheit (Phänotyp = krank). Alle Organe des Patienten leiden an

Sauerstoffunterversorgung, der Patient stirbt früh. Nur Veränderungen durch Umwelteinflüße

(ärztliche Versorgung) können den Phänotypus leicht variieren. Der Patient ist bezüglich des

Gens für Hämoglobin reinerbig. Sein Genotyp ist homozygot.

Auch ein Mensch mit zwei gesunden Hämoglobinallelen H ist homozygot bezüglich des Gens

für Hämoglobin (Gentoyp = HH).


176

Sind die beiden Allele verschieden, so beizeichnen den Genotyp des Menschen als

heterozygot.

Dominante oder rezessive Phänotypen

Es gibt für hererocygote Menschen mehrer Möglichkeiten (Phänotypen), mit den beiden

Bauplanvarianten (Allele) für ein und dasselbe Merkmal umzugehen.

1. Das eine krankmachende Gen ruiniert die Sauerstoffversorgung des Patienten. Der Mensch

ist krank uns stirbt früh (Phänotyp = krank). Der Effekt des kranken Gens überlagert hier

denjenigen des gesunden Hämoglobingens. Der Genetiker sagt, das kranke

Sichelzellenmerkal (Allelbezeichner: groß-S) verhält sich dominant. Die Wirkung des

gesunden Hämoglobingens (Allelbezeichner: klein-h) wird unterdrückt. Der Patient hat

Genotyp = Sh.

2. Das eine krankmachende Gen führt bei den Patienten zu einer schlechten

Sauerstoffversorgung. Solange sie nicht extremen Belastungen ausgesetzt sind, ist aber

außer einer leichten Leistungsschwäche nichts zu bemerken (Phänotyp = nicht

belastbar). Die Effekte des gesunden Hämoglobingens (Allelbezeichner: groß-H oder

klein-h) und des kranken Sichelzellgens (Allelbezeichner: groß-S oder klein-s) halten sich

etwa die Waage. Der Genetiker spricht von einem intermediären Erbgang für das

Sichelzellenmerkmal. Die Patienten haben den Genotyp = SH oder sh.

3. Das eine Sichelzellengen ist für die Sauerstoffversorgung in den Organen des Patienten

nicht ausschlaggebend. Das gesunde Hämoglobingen kann den Fehler völlig

kompensieren. Der Patient merkt nichts von seinem kranken Sichelzellgen

(Allelbezeichner: klein-s) (Phänotyp = gesund). Das Sichelzellenmerkmal verhält sich

rezessiv. Das gesunde Hämoglobingen (Allelbezeichner: groß-H) bestimmt den

Phänotypen. Die Genträger haben den Genotyp sH.

Ob sich das Merkmal Sichelzellenanämie dominant oder rezessiv verhält, hängt von der

Gesamtkonstiution des Patienten ab. Manche robuste Typen können ganz gut mit einem

kranken Allel leben und zeigen keine Merkmale der Krankheit. Ein schwächlicher Mensch ist

schon mit einem kranken Allel nicht mehr leistungsfähig. Damit ist die Einstufung eines

Merkmals als dominant oder rezessiv Ermessenssache!

Beispiel: Nur die letzten beiden Fälle lassen sich bei Sichelzellanämie klinisch beobachten,

das Merkmal Sichelzellenanämie wird als rezessiv eingestuft (Allelbezeichner für das

verantwortliche Gen: klein-s, Gentotyp = sH).


177

Einfache Vererbungsregel

Jeder Eltenteil gibt nur eines seiner Allele an seine Kinder weiter. Die haben also ein

Allel (= Genvariante) von der Mutter die andere vom Vater. Welches Allel jeweils

weitergegeben wird hängt vom Zufall ab.

Grafik: Einfache Vererbungsregel.

Parentalgeneration = P

Filialgeneration = F1

Vererbte Allele von F1

krank gesund

ss sH

Vererbte Allele von Ps s s H

krank

ss

s s

gesund

sH

s H

gesund

sH

s H

krank

ss

s s

Genotyp

Phänotyp

Phänotyp

Genotyp

Autosomen und Geschlechtschromosomen

Die Chromosomen im Zellkern sind die Träger der Gene. Auffällig ist, dass bei den

Säugetieren jeder Chromosomentyp zweimal vorkommt. Ebenso, wie jedes Gen

(=Erbanlage) zweimal vorkommt. Die Hälfte der Chromosomen und Gene kommen von der

Mutter, die andere vom Vater.

Der Mensch hat 2 x 23 = 46 Chromosomen. 2 x 22 =44 Chromosomen kommen bei allen

Menschen vor. Sie kodieren für die meisten Gene, die für die Entwicklung eines Menschen

wichtig sind. Diese Chromosomen nennt man Autosomen.

Die beiden restlichen Chromosomen sind die Geschlechtschromosomen:

Genetische Geschlechtsbestimmung

Männer haben haben zwei verschiedene Geschlechtschromosomen, die mit X und Y

bezeichnet werden. Demzufolge sind die Gene, die auf den Gechlechtschromosomen liegen,

bei Männern in nur einer Kopie vorhanden. Für kranke Gene auf den

Geschlechtschromosomen können keine gesunden Gene kompensieren. Söhne bekommen das

Y-Chromosom, Töchter das X-Chromosom vererbt.

Frauen haben zwei X-Chromosomen. Sie haben auch für die Gene auf ihrem

Geschlechtschromosom ein zweites Allel. Sie geben an Söhne und Töchter ein X-Chromosom

weiter.

Auf Grund dieser Besonderheiten kann es zu geschlechtsgekoppelten Vererbungsvorgängen

kommen.


178

Theoriekapitel 2: Die Umsetzung der genetischen Information - Genexpression

Wie ist die genetische Information gespeichert? - DNA

Viele Bausteine unseres Körpers sind Proteine (= Eiweiße). Ihr Bauplan ( = Gen) ist ein

kleines Stück der Erbinformaion im Zellkern. Die Erbinformation ist chemisch in Form eines

sehr langen Fadenmoleküls gespeichert. Man nennt es DNA (enlg. = desoxyribonucleic acid)

Grafik: DNA-Struktur

(Alberts et al., The Molekular Biology of

the Cell, Garland Publishing Inc., New

York & London, 1994, S. 60.,

Gentechnologie, AOL-Verlag & Verlag

DIE WERKSTATT, Lichtenau &

Göttingen, 1992, S. 7

1. DNA ist ein langes Kettenmolekül, das aus vier verschiedenen Bausteinen (Nukleotiden)

besteht:

- Desoxyadenosin-phosphat (A) - Desoxyguanosin-phosphat (G)

- Desoxythymidin-phosphat (T) - Desoxycytidin-phosphat (C)

Diese Bausteine sind die Buchstaben des genetischen Codes (= Bauplan für den

Organismuns).

2. Jedes Nukleotid besteht aus drei chemisch verschiedenen Teilen: Phosphatrest,

Zuckerbaustein, Base.


179

3. Die Zucker- und die Phosphatreste der aufeinanderfolgenden Nukelotide bilden eine

lange Kette: das Rückgrat des DNA-Stranges. Jeder Phosphatrest trägt eine negative

Ladung.

4. Die Basen stehen seitlich vom Rücklgrat ab.

5. Die Bausteine der DNA-Stränge sind unsymmetrisch. Deshalb hat das Rückgrat der

DNA eine Richtung. Je nachem, ob das C5´-Atom oder das C3´-Atom des Endständigen

Nukelotidbausteins übersteht, redet man von 5´- oder von 3´-Ende der DNA.

6. Zu jedem DNA-Strang gibt es einen zweiten, komplementären Strang. Die beiden

Stränge sind zu einer langen Spirale aufgewunden. Die Genetiker sprechen von einer

Doppelhelix.

Was ist mit genetischer Information gemeint? -

DNA codiert für Proteine! Proteine sind biologische Strukturen und führen Aktivitäten

aus.

Die Nukleotide sollen die Buchstaben für den Bauplan eines Organismus sein?

Worür stehen Sie?

DNA-Sequenzen sind Baupläne von Proteinen (=Eiweißen):

1. Proteine (= Eiweiße) sind uns als Strukturelemente (Gewebe, Schnitzel) und als

Zellbestandteile (Actin-Myosin-Filamente, Mirkotubuli) bekannt.

2. Hinzu kommt ihre Aktivität als Biokatalysatoren. Diese Proteine können aus einfachen

Bausteinen der Nahrung (Zucker, Fette, Eiweiße, Vitamine, Mineralien etc.) komplizierte

Sturkturen aufbauen: Gehirn, Knochen, Bein etc.

Auch die Proteine sind lange Fadenmoleküle (Polymere); ganz ähnlich wie DNA. Nur

bestehen sie aus anderen Bausteinen, den Aminosäuren. Es gibt in der Natur 20 verschiedene

Aminosäuren.

Die Nucleotidabfolge auf der DNA kann in die Abfolge der Aminosäuren eines Proteins

übertragen werden. Das bezeichnet man als Genexpression.

Die Umsetzung der Nukleotidsequenz auf der DNA in eine Aminosäuresequenz erfolgt nach

den Regeln des genetischen Codes. Der genetische Code ist bei allen Organismen gleich

(Als ob alle Menschen Englisch reden würden). Deshalb sind menschliche Gene in Bakterien

funktionsfähig.


180

Wie wird die genetische Information umgesetzt?

Grafik: Genexpression (Linder Biologie, S. 340)

Transkription: Übersetzung von DNA in mRNA durch RNA-Polymerase

Die DNA wird nicht direkt als Vorlage für die Proteinsynthese verwendet. Zuerst werden

billige Kopien der DNA für ein Gen angefertigt. Es gibt einen Vervielfältigungseffekt. Die

mRNA (engl. = messenger - RNA, = Boten RNA) wird komplementär zu einem der beiden

DNA-Stränge gebildet. Das Enzym, das diesen Vorgang bewirkt heißt RNA-Polymerase.

Den Vorgang bezeichnet man als Tanskription. DNA und mRNA unterscheiden sich

chemisch nur geringfügig: Auch mRNA ist eine lange Nukleotidkette. Es ist aber ein

Einzelstrang. Desweiteren hat RNA statt Desoxythymidin-phosphat (T)

Desoxyuridinphosphat (U). So kann die Zelle leichter zwischen den beiden Nukleotidketten

unterscheiden.


181

Grafik: Transkription (De Duve, S. 306.)


182

Translation: Übersetzung von mRNA in Protein an den Ribosomen

Grafik: Translation (De Duve, S. 314.)

Die mRNA trägt eine Sequenz von Nucleotiden, die für eine bestimmte Aminosäurenkette

„codiert“. An den Ribosomen wird die Nucleotidsequenz in eine Aminosäuresequenz

übertragen. Die Umsetzung erfolgt nach den Regeln des genetischen Codes:

1. Immer drei aufeinanderfolgende Nukleotide stehen für eine Aminosäure.

2. Vom 5´-Ende des mRNA-Stranges her wird abgelesen.

3. Die Aminosäurenkette wird dann vom N- zum C-Terminus (Terminus = Ende)

geschrieben.

4. Die Seqeunz der Aminosäurenkette wird als die Primärstruktur des Proteins bezeichnet.


183

Tabelle: Der genetische Code I - Der Einbuchstabencode.

Also: UUU = F, CCC = P, AUG= M und START etc.

Erste

Base

Zweite

Base

Dritte

Base

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I T K R A

M START T K R G

G V A D G U

V A D G C

V A E G A

V A E G G


184

Theoriekapitel 3: Das Faltungsproblem

Nur gefaltete Proteine sind aktiv: Das Faltungsproblem

Proteine (= Aminosäureketten) haben genau wie die DNA eine ganz bestimmte gefaltete

Struktur. Diese ist entscheidend für die Funktion der Proteine als Strukturelemente,

Biokatalysatoren. Vergleiche das mit dem Zustand eines Wollknäuls und eines

Wollpullovers.

Was die Proteine aber von einem Wollpullover unterscheidet, ist der Kniff, daß die

Faltungsinformation bei Proteinen in der Sequenz schon vorgegeben ist. Eine bestimmte

Aminosäurenkette kann sich also von selbst auf eine ganz bestimmte Art zu einem

aktiven Protein falten.

Das Ziel der Biologen ist, diese Faltung vorhersagen zu können: Das Faltungsproblem

1. Man könnte die Struktur aller Proteine vorhersagen, deren Aminosäuresequenz man

kennt.

2. Damit könnte man auch etwas über die Funktion aussagen.

3. Umgekehrt könnte man sich zu jeder gewünschten Funktion eine Struktur und damit

eine Aminosäuresequenz ausdenken.

Fantastische Möglichkeiten für die Gentechniker, die dann ganz neue und unerwartete

biolobische Aktivitäten bereitstellen könnten.


185

Ein einfaches Faltungsmodell: Das Öltropfchenprinzip.

Natürlich sind die Wissenschaftler dem

Faltungsproblem schon auf die Pelle

gerückt:

Die Aminosäureketten kann man rein für die

Buchhaltung auch in ein Rückgrad

(Grafik) und Seitenketten zerlegen. Das

Rückgrad läuft vom N- zum C-Terminus

(Terminus = Ende). Die Seitenketten lassen

sich im wesentlichen in zwei Gruppen

einteilen: Geladene (hydrophile,

wasserliebende) und ungeladene

(hydrophobe, wasserfliehende). Die

ungeladenen Aminosäuren zeigen in der

gefalteten Struktur im Wasser alle nach

innen, um den Wasserkontakt zu vermeiden

(Öltröpfchenprinzip ). Die Geladenen

Aminosäuren zeigen dann alle zum Wasser

hin.

Grafik: Faltungsmodell

(Alberts, S. 67)

Grafik: Rückgrat und Seitenketten


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Tabelle: Der genetische Code II - Die 20 natürlichen Aminosäuren. Einteilung nach den

Eigenschaften der Seitenketten.

Hydrophobe Aminosäuren (rot)

Geladene Aminosäuren (blau)

Strukturbrecher (gelb)

Strukturneutrale Aminosäuren (braun)

Sekundärsturkturen: Die Lösung des Faltungsproblems.

Das Öltröpfchenmodell ist sehr einfach. Es gilt deshalb einen großen Fehler auszugleichen:

Die Atome des Proteinrückgrats können sowohl aktive, als auch passive Wasserstoffbrücken

mit dem Wasser aus der Umgebung bilden. Wir das Rückgrat ins innere des Öltröpfenkerns

der Proteine gezogen, so gehen die Wasserkontakte verloren. Das ist energetisch sehr

ungünstig. Es gibt nur einen Weg um das Problem zu umgehen:

Die Wasserstoffbrücken mit dem Wasser werden im Öltröpfchenkern durch

Wasserstoffbrücken innerhalb des Rückgrats ersetzt.


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Es gibt ganz spezielle, regelmäßige Faltungsmuster der Aminosäurekette, die besonders

erfolgreich Wasserkontakte durch Wasserstoffbrücken innerhalb des Proteinrückgrats

ersetzen helfen. Man spricht von Sekundärstruktruelemeten:

Wir unterscheiden α-Helix und β-Stränge, die zu Faltblättern zusammentreten. Beide

Sekundärstukturelemente werden durch Wasserstoffbrücken zusammengealten:

Bei der α-Helix stehen die Seitenketten seitlich von dem spiralförmig, rechtsdrehend

gewundenen Rückgrat ab. Die Seitenketten umgeben die Helix wie ein dichter Pelz. Auch auf

den Sekudärstruktruelementen liegen die hydrophoben (rot) Aminosäuren auf der Innenseite

(Öltröpfchenprinzip!). Die hydrophilen (blau) Aminosäuren bleiben auf der Außenseite. Es

entsteht ein typisches Sequenzmuster:

z. B. - rot - rot- blau - blau - rot - blau - blau - rot - rot - blau - blau - rot - rot - blau - rot

Unten in der Grafik ist eine solche Helix von der Seite gezeigt. Bei 3.6 Aminosäuren pro

Windung, sind sie untereinander um 100° verschoben.

Grafik: Die α-Helix.


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Bei den β-Faltblättern entsteht eine Ebene mit Ober und Unterseite. Die Seitenketten auf

einem β-Strang liegen abwechslungsweise auf Ober und Unterseite des β-Faltblattes. Liegt

eine Seite außen, so muß Sie geladen sein. Es entsteht ein typisches Sequenzmuster:

z. B. rot - blau - rot - blau - rot - blau - rot - blau

Grafik: Das β-Faltblatt.

Wenn wir also das Sequenzmuster einer Aminosäurenkette genau analysieren, können

wir Regionen erkennen, die zu einem Sekundärstrukturelement gehören müssten. Hilfreich ist,

daß die Amniosäuren Prolin (Abkürzung: Pro, P) und Glycin (Gly, G) recht selten in

Sekundärstrukturelementen zu finden sind (Strukturbrecher, gelb). Sie helfen uns, die

Ränder der regelmäßigen Faltungsmuster zu finden.

Um die Gesamtstruktur des Proteins zu rekonstruieren, müssen wir nur die

Sekundärstruktruelemente mit ihren hydrophoben Seiten aneinander setzen. Dann

bilden die „wasserscheuen“ Aminosäuren einen Öltropfchenkern. Gleichzeitig wird

für dieWasserkontakte des Rückgrats optimal kompensiert!. Dabei dürfen wir nicht

vergessen, daß jeder β-Strang einen zweiten für die Paarung der Wasserstoffbrücken

braucht. Sehen Sie sich das gefaltete Protein in der Grafik zur Genexpression genau

an.


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Theoriekapitel 4: Die Zellteilungen

Mitose

Wie wir alle wissen, ist unser Körper aus Zellen aufgebaut. Ursprünglich aus zwei

miteinander verschmolzenen Zellen (Zygote), der Eizelle der Mutter und der Spermazelle des

Vaters, sind wir im Mutterleib herangewachsen. Aber wie können wir aus einer Zygote

heranwachsen? Die Antwort heisst: durch mitotische Teilung der Zelle. Die Mitose beschreibt

dabei die Zellkernteilung, während die Teilung der ganzen Zelle als Mitosezyklus

bezeichnet wird.

• Das Problem: Wie können sich die Zellen teilen, so dass alle Information in jeder Zelle

Erhalten bleibt?

• Die Lösung: Die Mitose

Die Mitose läuft in fünf Schritten ab: Pro-, Meta-, Ana-, Telo- und Interphase

Prophase:

• Aufknäuelung der DNA zu Chromosomen. Die Chromosomen haben eine X-förmige

Gestalt. Wenn man dieses X der Länge nach teilt, dann hat man je zwei

Chromatiden.Die Stelle an der die beiden Chromatiden zusammengehalten werden

heisst Centromer (Kreuzpunkt des 'X')

• Faserbildung die von einem Pol der Zelle zum andern Pol der Zelle läuft. Diese

Fasern bilden den Spindelapparat aus.

• Zerfall der Kernhülle und Auflösung der Kernkörperchen

Metaphase:

• Die Chromosomen erreichen jetzt die maximale Verkürzung

• Bildung der Äquatorialplatte. Obwohl die Chromosomen noch zusammen sind,

müssen wir diese bereits als Zwei-chromatiden-Chromosomen bezeichnen. (Bevor

Du weiter liest, beantworte für Dich fogende Frage: Zeichne in einem X (Symbol für

ein Chromosom) die beiden Chromatiden ein! Das Centromer wird dabei vom

Spindelapparat erfasst. Die Spindelfasern führen jetzt von einem Pol zum Centromer

der Zwei-Chromatiden-Chromosomen und dann zum anderen Pol:

Pol ----Centromer----Pol

Anaphase:

• Die Chromosomen werden im Centromer (längs-) geteilt und wandern nun als

Chromatiden (= Ein-Chromatid-Chromosomen) zu den Polen. Diese Wanderung

geschieht mit Hilfe der Spindelfasern.

• Jeder Pol enthält jetzt den vollständigen Chromatidensatz


190

Telophase:

• Die Ein-Chromatid-Chromosomen werden entafaltet

• Die Kernhülle und die Kernkörperchen werden neu gebildet

• Die Zelle teilt sich

Interphase: (Zwischen zwei Mitosezyklen liegend; zwischen = inter)

• G1-Stadium: Chromatinfaden ist immer noch einfach, die neue Zelle beginnt zu

wachsen.

• S-Stadium: Verdoppelung der DNA. Die neue Zelle ist jetzt 'komplett'

• G2-Stadium: bezeichnet die Zeit von der Verdoppelung bis zum Start der Prophase

eines neuerlichen Mitosezyklus.

• Beantworte für Dich folgende Frage: besitzen Chromatiden vom selben Chromosom

die selbe genetische Information?

Zusammenfassung des Mitosezyklus:

Der Mitosezyklus beschreibt die vollständige Teilung von Zellen. Die Teilung erfolgt in

mehrern Schritten. Entscheidend dabei ist, dass die Chromosomen in Chromatiden geteilt

werden und anschliessend ganau auf die zwei neuen (eine davon ist natürlich nicht wirklich

neu!) entstehenden Zellen verteilt werden. Die Mitose läuft im Prinzip bei allen Pflanzen und

Tieren gleich ab. Durch mitotische Teilung entsteht aus der befruchteten Eizelle ein

Zweizellstadium, später ein Vierzellstadium und schliesslich ein vielzelliger Organismus.

Meiose

Alle höheren Pflanzen und Tiere pflanzen sich geschlechtlich fort. Das bedeutet, daß eine

männliche und eine weibliche Geschlechtszelle (= Gamet) miteinander verschmelzen. Was

passiert aber mit diesen Zellen bevor sie sich vereinigen? Oder anders: Was zeichnet eine

Geschlechtszelle eigentlich aus?

• Das Problem: Die Erbinformation eines Lebewesens ist in den Chromosomen gespeichert.

Chromosomen sind sehr lange Moleküle im Zellkern. Eine 'normale' Zelle besitzt jeweils

einen Chromosomensatz von der Mutter und einen vom Vater. Man sagt: die Zelle ist

diploid. Diploid bezeichnet einen doppelten Chromosomensatz und wird mit (2n)

abgekürzt dargestellt.

Würde bei einer Befruchtung eine männliche und eine weibliche diploide Geschlechtszelle

verschmelzen, ergäbe es eine (4n) Zelle!

Daraus folgt: Bei jeder Nachfolgegeneration würden die Chromosomen verdoppelt!


191

• Die Lösung: Die Natur hat einen Mechanismus erfunden, der aus diploiden Zellen (2n)

haploide Zellen (1n) macht. Haploide Zellen sind Zellen, die nur einen Chromosomensatz

besitzen. Diesem Vorgang sagt man Meiose.

Wie funktioniert die Meiose?

Reifeteilung I:

1. Chromosomen ordnen sich paarweise (2n) an

2. Anordnung der Chromosomen in der Äquatorialebene (Man stelle sich dabei den

Zellkern als Globus mit einem Äquator vor. Die Chromosomen wandern also in diese

Äquatorebene).

3. Die Paarung der Chromosomen wird aufgehoben. Je ein 'Chromosomenpartner'

wandert jetzt an einen Pol. Man hat also von einem Chromosomenpaar jeweils ein

Chromosom am 'Nordpol' das andere am 'Südpol'. Bei diesem Vorgang können die

männlichen und weiblichen Erbinformationen gemischt werden.

4. Die Zelle teilt sich. Man hat jetzt zwei haploide Zellen.

Reifeteilung II: (entspricht einer Mitose)

5. Die Chromosomen werden jetzt wieder in der Äquatorialebene der Zellen angeordnet.

6. Aufspaltung der Chromatiden Ein Chromosom besteht aus zwei Längsstrukturen, den

Chromatiden).

7. Wanderung der einzelnen Chromatiden an den jeweils entgegengesetzten Pol.

8. Jetzt erfolgt erneut eine Zellteilung.

Aus einer diploiden Zelle (2n) wurde durch die Meiose 4 haploide Keimzellen

Zusammenfassung der wichtigsten Funktionen der Meiose:

1. Chromosomensätze werden auf die Hälfte reduziert

2. Die weiblichen und männlichen Erbinformationen werden durchmischt.


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Theoriekapitel 5: Klonieren

Begriffserklärung:

DNA: Die DNA ist der Träger der genetischen Information. Auf Ihr sind alle Daten eines

Lebewesens festgehalten, codiert. Die DNA ist der Grundstein unseres Lebens.

DNA ist eine Abkürzung für Desoxyribonucleicacid. Die DNA ist aus einem Zucker-

einem Phosphat- und einem Base-Teil zusammengebaut.

Chromosomen: Das Chromosom ist die sehr eng aufgewickelte Form der DNA

(vergleiche wenn Möglich auch mit Posten 4, Auftrag 2: Verpackung der DNA).

Plasmid: Ein Plasmid ist ein DNA-Stück, das ausserhalb der Chromosomen vorkommt.

Daher sagt man auch: Plasmid = extrachromosomale DNA. Die Plasmide sind

ringförmig und besonders gut geeignet um Fremdgene einzufügen.

Klonieren: Ein Klon ist eine genetisch einheitlicher Nachkomme. D.h. alle Gene sind

gleich und dadurch ist auch das 'Induviduum' identisch. Beim Klonieren fügt man

z.B. ein Gen für ein bestimmtes Protein in eine DNA ein. Bei der Vervielfältigung

erhält man dadurch viele identische Proteine.

Ziel:

Das Ziel der Gentechnologie ist es, die genetische Information so zu verändern, dass sie für

uns bestimmte Zwecke erfüllt.

Verwirklichung:

Um dieses Ziel zu erreichen, löscht man, fügt man ein oder verändert man die vorhandene

genetische Information.

Beispiel: Einführen eines Herbizidresistenzgens in eine Pflanze:

Das Gen für die Herbizidresistenz wird in das Plasmid des Bakteriums E.coli eingefügt. Ein

Plasmid ist ein DNA-Stück das neben der Haupt-DNA in E.coli vorkommen kann. Man

spricht auch von einem extrachromosomalen DNA Stück. Diese eignen sich sehr gut um

genetische Information einzuschleusen, wie wir in diesem Beispiel sehen werden.


193

• Ursprungs E.coli-Plasmid noch ohne das Fremdgen:

N de I 0 .0 0

Ec o RI 2 .0 0

E . c o l i P l a s m i d

1 0 .0 0 K b

Mit Nde I und Eco RI sind zwei Schnittstellen bezeichnet. Die Namen spielen hier weiter

keine Rolle. Wichtig ist nur, dass man das Plasmid an diesen Stellen schneiden kann und

dadurch eine Lücke erhält.

• Fremdgen: Hier im Beispiel ist dies ein Herbizidresistenzgen das folgendermassen

aufgebaut ist:

Nde I – Herbizidresistenz – Eco RI Grösse: 1.2 kb

Mit der Grösse wird die Länge des DNA-Stückes bezeichnet. Kb bedeuted dabei kilobasen,

also 1000 Basen.

• Das Plasmid wird nun mit Nde I und Eco RI gescnitten und das Fremdgen eingefügt. (Nde

I und Eco RI sind Restriktionsenzyme. Restriktionsenzyme sind Proteine die die DNA an

ganz bestimmten Stellen schneiden). Das so veränderte Produkt würde jetzt so aussehen:

N de I 0 .0 0

Ec o RI 0 .8 0

H er b r e s

E . c o l i + H e r b i z i d r e s i s t e n z

8 .8 0 K b

• Das E.coli Bakterium vervielfacht nun dieses Plasmid.


194

• Um diese Plasmide nun auf die Pflanze zu bringen, transferiert man die Plasmide von

E.coli auf ein anderes Bakterium, welches fähig ist Pflanzenzellen zu infizieren. Durch

diese Infektion wird 'unser' Plasmid in die Pflanzenzelle geschleust.

• Jetzt züchtet man aus dieser genetisch veränderten Zelle eine neue Pflanze. Diese Pflanze

trägt nun durch das eingeschleuste Plasmid, das Resistenzgen.


195

Theoriekapitel 6: Die Regeln für das rationale Argumentieren in der Diskussion und

in Texten

Zeitaufwand: 5 min

An diese Regeln müßt ihr euch bei der Beantwortung aller Fragen zu diesem Werkstattposten

halten. Dann sind eure Argumente rational und nicht gefühlsbetont. Die Regeln helfen euch,

klarer und schneller zu denken, zu diskutieren und zu schreiben:

1. Alle in der Argumentation verwendeten, für ihr verstehen wichtigen Worte müssen

verständlich erläutert werden.

Gültigkeit: Diskussion & Text

Maßstab: Es kann sein, daß in der Prüfung nach der bedeutung der im Text fettgedruchten

Fachwörter gefragt wird.

2. Alle Behauptungen und alle zur Verteidigung einer Behauptung herangezogenen Aussagen

müssen begründet werden.

Gültigkeit: Diskussion & Text

Maßstab: Wenn eine Aussage einfach richtig ist, ist das bei der Bearbeitgung dieses

Postens und der darauffolgenden Prüfung nicht genug! Ihr müßt Belege aufführen.

3. Jeder Teilnehmer an einer Argumentation muß bereit sein, alle seine Begründungen und

Überzeugungen - wie sehr er auch an ihnen hängen mag überprüfen zu lassen und

gegebnenfalls aufzugeben.

Gültigkeit: Diskussion

4. In der Argumentation darf man sich nicht auf ein ungeprüftes gemeinsames Vorverständnis

berufen.

Gültigkeit: Diskussion & Text.

Maßstab: „Es ist klar, daß.....“ oder „Wir wissen alle, daß..“ o. ä. kommen nicht vor!

5. Wenn eine Argumentation nach bestem Wisssen aller Beteiligeten zu einem begründeten

Ergebnis gelangt ist, sollte geprüft werden, ob jeder diesem Ergebnis zustimmen könnte.

Gültigkeit: Diskussion & Text.

Maßstab: Am Ende jeder Argumentationskette ist eine Art Zusammenfassung zu finden. Es

wird klargemacht, daß man auf Grund dieser und jener Argumente ein bestimmtes Resultat

für richtig oder falsch hält.

Tip: Bestimmt für jedes Diskussionselement einen Protokollführer. Wer nichts notiert, ist

angeschmiert! Ihr habt es dann viel leichter, eure Ideen zusammen zu tragen. Der

Protokollführer sorgt für Ordnung: Nicht zu schnell. Die Regeln 1.-5. werden eingehalten.

Nur einer redet zur Zeit.


196

Auszug aus den Acht Regeln; aus Gatzemeier M.: Grundsätzliche Überlegungen zur

rationalen Argumentation (mit Bezug auf den schulischen Unterricht). In : Künzli R.(Grsg.):

Curriculimentwicklung - Begründung und Legitimation. Kösel, München, 1975.


197

Anhang 5: Glossar

Agar: Substanz die als Nährboden oder als Elektrophorese-Medium benutzt wird.

Allele: Gene die auf entsprechenden Genorten homologer Chromosomen liegen

Aminosäuren: Bausteine der Eiweisse (Proteine), es gibt 20 Aminosäuren. Ihre Reihenfolge

im Eiweiss wird durch die entsprechende Nukleotidsequenz bestimmt.

Ampicillin: Ampicillin ist ein Antibiotikum. D.h. es ist eine Substanz, die Bakterien abtötet.

Biotechnik: bezeichnet die technische Nutzung der biologischen Fähigkeiten, d.h. der

Stoffewechseleigenschaften bestimmter Lebewesen.

Chromatiden: Mikroskopisch sichtbare Längsstrukturen bei Metaphase-Chromosomen.

Chromosom: Struktur, auf der die Gene linear angeordnet sind. Sie wird in der verdichteten

Transportform während der Kernteilungen lichtmikroskopisch sichtbar.

crossing over: Überkreuzung homologer Chromosomen, die zum Bruch und zum

anschliessenden wiederzusammenwachsen der DNA führt. Man spricht auch von einer

intrachromosomalen Rekombination: Stückaustausch zwischen Chromatiden väterlicher

und Chromatiden mütterlichen Herkunft.

DNA : = Deoxyribonucleicacid. Die DNA ist aus Phosphat, Zucker und vier verschiedenen

Basen aufgebaut. Die DNA enthält den gesamten Bauplan eines Organismus.

Ein-Chromatiden-Chromosom: = Chromatid

Enzyme: Biokatalysatoren; Proteine, die Stoffwechselreaktionen schon bei niedriger

Temperatur beschleunigen.

Eppendorftube: Dies ist ein kleines Plastikgefäss versehen mit einem Deckel. Diese kleinen

Gefässe gehören zu den 'Hauptverbrauchsmittel' der Gentechnologen und

Molekularbilolgen.

Gen: Erbanlage, Erbfaktor, DNA-Abschnitt, der bestimmte, erblich bedingte Strukturen oder

Funktionen eines Organismus codiert.

Gentechnik: bezeichnet die Methoden zur gezielten und künstlichen Veränderung der

Erbinformation.


198

Genotyp: Erbbild eines Organismus, umfasst alle seine Gene.

heterozygot: Mischerbig, zwei unterschiedliche Allele eines Gens bestimmen dass

betreffende Merkmal.

Histon: Histone sind Proteine die im Zellkern vorkommen. Sie spielen eine grosse Rolle bei

der Verpackung der DNA. Der DNA-Strang windet sich 1 1/2 - 2 mal um ein

Histonprotein und geht dann weiter zum nächsten Histonprotein. Die Einheit von DNA

und Histonprotein wird auch als Nucleom beichnet.

homozygot: Reinerbig; zwei gleiche Allele eines Gens besitmmen das betreffende Merkmal

inkubieren: Einbringen und belassen (Brüten) eines bilog. Untersuchungsobjektes in einem

Brutschrank oder im Wasserbad.

kompetent: Zellen die so präpariert sind, dass sie DNA aufnehmen können, werden als

kompetent bezeichnet.

mRNA: (siehe auch RNA). Die mRNA wird auch als Boten-RNA bezeichnet. Sie ist eine

Abschrift eines Teils der DNA und bringt die genetische Information von dem Zellkern

zu den Ribosomen (daher auch Bote oder englisch: messanger)

Nukleotid: Aus Nukleinbase, Pentose und Phosphorsäure bestehender Grundbaustein der

Nukleinsäuren (DNA und RNA)

Phänotyp: Erscheinungsbild eines Organismus, alle Merkmale umfassend.

Protein: Eiweiss, jedes Protein besteht aus einer besonderen Kombination der 20

proteinbildenden Aminosäuren, Proteine können über 1000 Aminosäuren enthalten und

üben im Organismus vielfältige Funktionen als Strukturelemente (Kreatin, Haar),

Hormone (Insulin) oder als Beschleuniger biochemischer Reaktionen (Enzym) aus.

Primärstruktur : Die Primärstruktur eines Eiweisses ist die Abfolge der Aminosäuren.

Quartärstruktur : Die Proteine bestehen oft aus mehr als nur einem Aminosäurestrang. Jeder

dieser Aminosäurestränge (Primärstruktur) bildet Helices und Faltblätter aus

(Sekundärstrukur) die in einer bestimmten räumlichen Struktur aneinandergelagert

(Tertiärstruktur) sind. Die räumliche Anordnung solcher Tertiärstrukturen zueinander

wird als Quartärstruktur bezeichnet.

Resistenz: Widerstandsfähigkeit eines Organismus gegen Schädlinge oder andere Einflüsse

wie Hitze, Kälte, Gift.


199

Ribosomen: Zellpartikel von etwa 25 nm Durchmesser, bestehen aus RNA und Proteinen;

Orte der Proteinsynthese.

RNA: = Ribonucelicacid. Die RNA hilft die genetische Information der DNA in Proteine

umzusetzen.

RNA-Polymerase: Die RNA-Polymerase schreibt die DNA in eine RNA um. Diesem

Vorgang sagt man Transkription.

Sekundärstruktur : Die Aminosären bilden oft Helices (α-Helix) oder Faltblätter (β-

Faltblatt) aus. Diesen Unterstrukturen eines Proteins sagt man Sekundärstruktur.

Substrat: Stoff der von einem Enzym verwertet, umgesetzt werden kann. Oft passt das

Substrat zu einem Protein wie ein Schlüssel zu einem Schloss.

Tertiärstruktur : Die Tertiärstruktur ist die räumliche Anordnung der Sekunärstrukturen

eines Proteins.

Transkription: Bei der Transkription wird die DNA in eine RNA um- bzw. abgeschrieben.

Also RNA-Synthese an einem DNA-Einzelstrang.

Translation: Übersetzung der genetischen Information einer mRNA-Sequenz in die

Aminosäuresequenz des Proteins.

Zwei-Chromatiden-Chromosom: = Chromosom


200

Anhang 6: Literaturverzeichnis

Aellen B., Baerlocher T.: Genmanipulierte Lebensmittel? Nein danke!. Basel 1995

(Kampagne "Gut statt Gen").

Gatzemeier M.: Grundsätzliche Überlegungen zur rationalen Argumentation (Auszug aus den

Acht Regeln, mit Bezug auf den schulischen Unterricht). In : Künzli R.(Grsg.):

Curriculimentwicklung - Begründung und Legitimation. München 1975 (Kösel).

Baufeld R., Küne E., Lohaus F., Meyer H., Schwarzbach A.: Unterrichtsmaterialien:


Boesch J.: Weltgeschichte, Von der Aufklärung bis zur Gegenwart, Zürich 1984 (Eugen

Rentsch Verlag).

Burckhardt J.: Gentechnik und Gesundheit. Basel 1996, (Pharma Information).

De Duve C.: Die Zelle, Eine Expedition in die Grundstruktur der Zelle Heidelberg 1986

(Spektrum-der-Wissenschaft-Verlagsgesellschaft mbH & Co), Band I-II.

'Editors': Die Moleküle des Lebens. Heidelberg 1986 (Spektrum der Wissenschaft-

Verlagsgesellschaft)



Greenpeace: Gentechnologie. Zürich 1996 (Gentechnologie).

Knippers R., Philippsen P., Schäfer K.-P., Fanning E.: Molekulare Genetik. Stuttgart 1990

(Georg Thieme Verlag).





McKusick V. A.: Medelian Inheritance in Man. atalogs of Autosomal Dominant, Autosomal

Recessive and X-linked Phenotypes. London 1983 (The John Hopkins University Press,

Baltimore), 6th Edition.

Miram W., Scharf K. H.: Biologie heute SII. Hannover 1992 (Neubearbeitung, Schroedel

Schulbuchverlag GmbH).

Neumann H. J., Erbkrankheiten in europäischen Fürstenhäusern. Berlin 1993 (edition q

Verlags-GmbH).

Stryer L.: Biochemestry. New York 1988 (W.H. Freeman and Company), 3th edition

Wandruszka A.: Das Haus Habsburg. Die Geschichte einer europäischen Dynastie. Stuttgart

1956 (Friedrich Vorwerk Verlag KG).


201



Wehner R., Gehrig W.: Zoologie. Stuttgart 1995 (Thieme Verlag), 23 Auflage.

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