Teil 1Genetik · 11 Blätter, nichts ausgelassen

Vom Code
zum Merkmal

Wie eine Zelle Information speichert (DNA), kopiert (Replikation), abschreibt (Transkription), übersetzt (Translation) – und steuert, was gebaut wird (Genregulation).

00Systemkarte

Die Landkarte: Dinge & Vorgänge

Die ganze Genetik lässt sich in zwei Sorten Begriffe aufteilen. Operanden sind die Dinge – Strukturen, die da sind. Operationen sind die Vorgänge – Prozesse, die mit diesen Dingen etwas machen. Jede Operation nimmt einen Operanden als Eingang und erzeugt einen neuen als Ausgang.

Operanden · statisch

Nukleotid · DNA-Doppelhelix · Basenpaar · Gen & Allel · Histon · Nukleosom · Chromosom · mRNA · tRNA · rRNA · Ribosom · Promotor · Terminator · Codon · Aminosäure · Protein

Operationen · dynamisch

Replikation · Transkription · mRNA-Prozessierung (Splicing, Cap, Poly-A) · Translation · Genregulation (Acetylierung, Methylierung, Transkriptionsfaktoren)

OperationEingang → AusgangOrt
Replikation1 DNA → 2 identische DNAZellkern
TranskriptionGen (DNA-Abschnitt) → prä-mRNAZellkern
Prozessierungprä-mRNA → reife mRNAZellkern
TranslationmRNA → Protein (Aminosäurekette)Ribosom im Zytoplasma
Genregulationsteuert, ob und wie oft transkribiert wirdZellkern
MerkmalsbildungProtein → Merkmal (z. B. braune Augen)Organismus

Inhalt

Teil A

Operanden – die Bausteine

Erst die Dinge verstehen, dann was mit ihnen passiert.

01Operand

DNA & RNA sind Nukleinsäuren

DNA

deoxyribonucleic acid

Desoxyribonukleinsäure (deutsch auch DNS). Der dauerhafte Speicher der Erbinformation.

RNA

ribonucleic acid

Ribonukleinsäure (deutsch auch RNS). Die Arbeitskopie und das Werkzeug zum Bauen von Proteinen.

Warum ist Genetik-Forschung wichtig?

Klonen

Genetisch identische Tiere und Pflanzen erzeugen.

Tierzüchtung

Gewünschte Eigenschaften gezielt weitergeben.

Pflanzenzüchtung

z. B. Soja, Reis, Mais.

Forensik & Familie

Vaterschaftstest, Täter überführen, Tote identifizieren.

Geschichte rekonstruieren

Abstammung und Wanderungen aus der DNA lesen.

Lebensmittel optimieren

z. B. Golden Rice – Reis mit zusätzlichem Provitamin A.

02Operand

Das Nukleotid – der Legostein

Ein Nukleotid besteht aus drei Teilen: Phosphat + Zucker + Base. In der DNA ist der Zucker die Desoxyribose. Viele Nukleotide (die Monomere) hängen sich aneinander – so entsteht ein sehr langes Polymer: der DNA-Strang.

Animation · Nukleotid → PolymerTipp: Base antippen

Die vier Basen der DNA: A = Adenin, T = Thymin, G = Guanin, C = Cytosin. Nur die Base unterscheidet die Nukleotide – Zucker und Phosphat sind immer gleich und bilden das „Rückgrat".

03Operand

Die Doppelhelix

Zwei Stränge winden sich umeinander wie eine verdrehte Strickleiter – oder wie ein Reißverschluss. Die Holme der Leiter sind Zucker und Phosphat (P–Z–P–Z …), die Sprossen sind die Basenpaare.

Animation · Helix entwinden

Doppelhelix: zwei Stränge, schraubig umeinander gewunden.

99,9 %

So identisch ist die DNA aller Menschen. Die Unterschiede stecken in 0,1 %.

≈ 8 %

unserer DNA stammt ursprünglich von Viren, die sich vor langer Zeit ins Erbgut eingebaut haben.

> 100

Basenfehler pro Tag entstehen beim Verdoppeln. Reparaturenzyme beheben sie – versagt die Reparatur, kann Krebs entstehen.

04OperandRegel

Feste Basenpaarung

Jede Base hat genau einen Partner: A = T (2 Wasserstoffbrücken) und G ≡ C (3 Wasserstoffbrücken). Man nennt sie komplementäre Basen.

Das ist die „feste Basenpaarung": Kennt man einen Strang, ist der andere automatisch festgelegt. Genau deshalb kann die Zelle DNA fehlerarm kopieren – jeder Strang ist die Vorlage für seinen Partner.

Interaktiv · Gegenstrang bauen

Die Beispielsequenz ist die aus deiner Mitschrift (TCAG TTAAGCATCC …). Ein echtes Gen ist viel länger – das „… 100 …" im Heft deutet an: Hunderte bis Tausende Basen.

05Operand

Gen & Allel

Ein Gen ist eine ganz bestimmte Abfolge von Nukleotiden – ein Abschnitt der DNA mit der Bauanleitung für ein Protein. Der Mensch hat etwa 20.000–25.000 Gene. Sie bestimmen Aussehen und Verhalten von Organismen mit.

Ein Allel ist eine Genvariante. Allele eines Gens haben sehr ähnliche Nukleotidsequenzen – oft unterscheiden sie sich nur an wenigen Stellen.

Beispiel · Gen „Augenfarbe"
Allel „braun"
Allel „blau"

Gleicher Ort, gleiches Gen – eine kleine Abweichung (pulsierend markiert) ergibt eine andere Variante.

06Operand

Das Chromosom

Animation · Vom Faden zum Chromosom
  1. DNA-Doppelhelix – frei, ungeordnet
  2. Histone – Proteine, um die sich die DNA wickelt
  3. Nukleosom = DNA + Histone („Perlenkette")
  4. Chromatinfaden – die Perlenkette wird weiter aufgewickelt
  5. Chromosom – maximal verdichtet, sichtbar bei der Zellteilung

In eigenen Worten (Arbeitsblatt, Aufgabe 2): Die DNA wickelt sich um Histone, das ergibt ein Nukleosom. Viele Nukleosomen bilden zusammen den Chromatinfaden. Dieser wird immer weiter aufgewickelt und verdichtet, bis das fertige Chromosom entsteht.

Bau eines Chromosoms

Animation · 1- und 2-Chromatid-Chromosom

Nach der Verdopplung besteht ein Chromosom aus zwei identischen Chromatiden, die am Zentromer zusammenhängen.

Chromatide

Eine Hälfte des Chromosoms – ein DNA-Molekül.

Zentromer

Die Einschnürung, an der beide Chromatiden zusammenhängen.

Telomere

Die Enden der Chromosomenarme; schützen die DNA.

Chromosomenarm

Teil der Chromatide oberhalb bzw. unterhalb des Zentromers.

Arbeitsblatt „Bau der DNA" – Lösung: ① Zucker · ② Phosphat · ③ Cytosin · ④ Guanin · ⑤ Adenin · ⑥ Thymin · ⑦ Nukleotid (Baustein) · ⑧ DNA-Doppelhelix · ⑨ Nukleosom · ⑩ Histon · ⑪ Chromatide · ⑫ Zentromer.

07Operand

Prokaryoten & Eukaryoten

Prokaryoten · Bakterien
  • kein Zellkern
  • DNA liegt frei im Zellplasma
  • meist ein ringförmiges Chromosom
Eukaryoten · Tiere & Pflanzen
  • ca. 1000× so viel DNA
  • DNA liegt im Zellkern und kann nicht einfach heraus
  • Chromosomen bestehen aus DNA und Proteinen (Histone)
  • mehrere Chromosomen, eng verpackt

Bei Eukaryoten wird die DNA zu Chromosomen kondensiert (verdichtet). Proteine + DNA = Nukleosomen; die helfenden Proteine heißen Histone.

08OperandVergleich

DNA vs. RNA

Gemeinsamkeit: Beide bestehen aus Monomeren (Nukleotiden) aus Zucker + Phosphat + Base.

MerkmalDNARNA
ZuckerDesoxyriboseRibose
FormDoppelstrangEinzelstrang
OrtZellkernwandert aus dem Zellkern ins Zellplasma
Arten13 (mRNA, tRNA, rRNA)
Funktionspeichert & schützt die Erbinformationviele verschiedene Funktionen
BasenA, T, G, C – mit ThyminA, U, G, C – mit Uracil statt Thymin

DNA-Doppelstrang

A↔T, G↔C

RNA wird von DNA kopiert

Gegenüber von A steht jetzt U.

09Operand

Drei Arten der RNA

mRNA

Messenger- / Boten-RNA

Trägt die Information der DNA aus dem Zellkern zum Ribosom – eine Kopie eines DNA-Abschnitts.

tRNA

Transfer-RNA

Transportiert passende Aminosäuren zum Ribosom und erkennt die mRNA über ihr Anticodon.

rRNA

ribosomale RNA

Bestandteil der Ribosomen. Ribosomen bestehen aus rRNA und Proteinen.

mRNAtRNArRNA
VorkommenZellkern, ZellplasmaZellkern, ZellplasmaBestandteil eines Ribosoms
FunktionInformationstransferTransport der Aminosäuren zum RibosomBestandteil eines Ribosoms
AufbaueinsträngigKleeblattform; 3 Nukleotide = Anticodonviele verschiedene Formen; unterscheiden sich bei Pro- und Eukaryoten
Aufbau einer tRNA · Kleeblatt

Oben hängt die Aminosäure, die genau zu den 3 Basen unten passt. Unten sitzt das Anticodon – es muss komplementär zum Codon der mRNA sein.

10OperandGrößenordnungen

Wie viel DNA ist das?

≈ 2 m

DNA steckt in einer einzigen menschlichen Zelle – verpackt in einen Zellkern von wenigen Tausendstel Millimetern.

≈ 1 Mio.

Seiten hätte ein Buch mit dem Erbgut, wenn jede Seite ca. 500 Wörter (≈ 3.000 Buchstaben) hat.

🌍 → 🌙

Die gesamte DNA eines Menschen aneinandergelegt reicht zigtausendfach zum Mond.

Überschlag Buch: 3,2·10⁹ Basen ÷ 3.000 Zeichen/Seite ≈ 1,1·10⁶ Seiten
Überschlag 2 m: 6,4·10⁹ Basenpaare × 0,34 nm ≈ 2,2 m
Überschlag Mond: 2 m × ~10¹³ Zellen mit Kern ≈ 2·10¹⁰ km ÷ 384.400 km ≈ 50.000×

In der Mitschrift steht „6000× zum Mond". Solche Vergleiche schwanken stark je nach angenommener Zellzahl – die Größenordnung „unvorstellbar weit" stimmt in jedem Fall.

Teil B

Operationen – die Prozesse

Jetzt wird es dynamisch: kopieren, abschreiben, zuschneiden, übersetzen, steuern.

11OperationÜberblick

Der Weg vom Gen zum Merkmal

DNABauplan · ↻ ReplikationZellkern
Transkription
mRNAArbeitskopieKern → Plasma
Translation
ProteinAminosäureketteRibosom
wirkt
Merkmalz. B. braune AugenOrganismus

Codierung: Die Nukleotidabfolge sagt, welches Protein entsteht – sie ist die Bauanleitung für Proteine. Genauer: Die Nukleotidsequenz legt die Sequenz (Reihenfolge) der Aminosäuren fest.

Die gesamte Proteinherstellung heißt Proteinbiosynthese (in der Mitschrift: Eiweißsynthese). Sie hat zwei Teile: Transkription und Translation.

12OperationDNA → 2 DNA

DNA-Replikation

Replikation = Verdopplung (Vermehrung) der DNA, bevor sich eine Zelle teilt. Der Reißverschluss wird geöffnet, und an jeden alten Strang wird nach der Basenpaarungsregel ein neuer Strang gebaut.

Animation · semikonservative Replikation
alter Strang neuer Strang

Warum „semikonservativ"?

Semi = halb, konservativ = bewahrend. Jedes der beiden neuen DNA-Moleküle besitzt einen alten und einen neuen Strang. Die anderen denkbaren Modelle (in der Mitschrift durchgestrichen) sind falsch:

konservativ
✕
semikonservativ
✓
dispersiv
✕

Bei jeder Verdopplung passieren Fehler: mehr als 100 Basenfehler pro Tag. Reparaturenzyme korrigieren sie. Funktioniert die Reparatur nicht, können sich Fehler anhäufen → Krebs.

13OperationGen → mRNA

Transkription

Transkription = Umschreiben. Sie ist der erste Teil der Proteinbiosynthese. Die DNA-Doppelhelix wird an einer Stelle geöffnet, und ein kleiner Teil der DNA (≈ 1 Gen) wird als mRNA kopiert.

Warum nicht einfach die DNA benutzen?

Die DNA bleibt geschützt im Zellkern. Im Zytoplasma bestünde die Gefahr, dass sie abgebaut („verdaut") wird.

Warum nur ein Stück?

Die gesamte DNA wird nicht gebraucht. Nur die Gene werden transkribiert, deren Protein gerade benötigt wird.

Start- und Stoppschild

Promotor

Woher weiß die Zelle, wo ein Gen beginnt? Am Promotor: eine kurze Nukleotidsequenz, die vor dem Gen liegt.

Terminator

Woher weiß die Zelle, wo das Gen aufhört? An der Terminatorsequenz – hier stoppt die Transkription.

Das Werkzeug: RNA-Polymerase

Animation · Schritte der Transkription
grün: Promotor blau: Terminator Kreis: RNA-Polymerase lila: mRNA

1 · Initiation

RNA-Polymerase bindet am Promotor.

2 · Elongation

RNA-Polymerase läuft an der DNA entlang und kopiert sie.

3 · Termination

RNA-Polymerase erkennt die Terminationssequenz und löst sich von der DNA.

Unterschied DNA- & RNA-Polymerase

RNA-PolymeraseDNA-Polymerase
Startbraucht kein freies 3'-Ende – also keinen Primerbraucht ein freies 3'-Ende (Primer)
Entwindenentwindet die DNA selbstkann die DNA nicht selbst entwinden (das macht die Helikase)
14RegelwerkWörterbuch DNA → Protein

Der genetische Code

Es gibt 4 Basen, aber 20 Aminosäuren. Wie viele Basen braucht ein „Wort" (Codon), damit jede Aminosäure ein eigenes Wort bekommt? Reine Kombinatorik:

Animation · Kombinationen zählen

Ergebnis: Triplett-Code – 3 Nukleotide ergeben 1 Aminosäure. Es gibt viel mehr Möglichkeiten als Aminosäuren, deshalb werden die meisten Aminosäuren durch mehr als ein Triplett codiert.

Eigenschaften des Codes

degeneriert

Eine Aminosäure kann durch mehrere Tripletts codiert werden (z. B. Leucin durch 6).

eindeutig

Jedes Triplett steht für genau eine Aminosäure – man weiß immer, welche entsteht.

kommafrei & überlappungsfrei

Codons werden lückenlos hintereinander gelesen; keine Base gehört zu zwei Codons.

universell

Für (fast) alle Lebewesen gleich – vom Bakterium bis zum Menschen.

Übersetzen mit der Codesonne

Die Codesonne liest man von innen nach außen: innerer Ring = 1. Base, mittlerer = 2. Base, äußerer = 3. Base, ganz außen die Aminosäure. Die Sequenz unten ist das Beispiel aus deiner Mitschrift – tippe ein Codon an.

Interaktiv · DNA → mRNA → Aminosäuren

Das erste Codon UAG ist ein Stoppcodon (im Heft durchgestrichen). Danach folgen Ala – Glu – Pro; das letzte A bildet kein vollständiges Triplett. In echten Genen beginnt das Lesen am Startcodon AUG (Methionin).

15Operationprä-mRNA → reife mRNA

mRNA-Prozessierung

Was passiert mit der mRNA, bevor sie zum Ribosom kommt? Ein Gen besteht aus zwei Sorten Abschnitten:

Exon

Der Teil des Gens, der in ein Protein translatiert wird.

Intron

Der Teil, der nicht zum Protein wird – z. B. Reste von Viren oder alten Genvarianten.

Animation · Zuschneiden & Verpacken
5'
Cap
Exon 1
Intron
Exon 2
Intron
Exon 3
AAAAAA
3'
  1. prä-mRNA: frisch transkribiert, mit Exons und Introns
  2. ① Splicing: Introns werden herausgeschnitten → kleinere mRNA
  3. ② Poly-A-Schwanz ans 3'-Ende angefügt – zum Schutz (z. B. beim Austritt aus dem Zellkern)
  4. ③ Cap ans 5'-Ende gefügt → reife mRNA
  5. ④ Alternatives Splicing: auch ein Exon wird herausgeschnitten → ein komplett anderes Protein

Warum das wichtig ist: Der Mensch hat nur rund 22.000 Gene, aber durch alternatives Splicing entstehen daraus weit mehr verschiedene Proteine (Schätzungen: deutlich über 100.000). Ein Gen kann also mehrere Proteine liefern.

Detail: In der Zelle wird die Cap sogar schon früh, während der Transkription, angehängt. Die Reihenfolge ①–③ ist die aus der Mitschrift und didaktisch völlig in Ordnung.

16OperationmRNA → Protein

Translation

Die reife mRNA wandert aus dem Zellkern ins Zytoplasma zum Ribosom. Dort wird übersetzt: von der Sprache der DNA (Codons) in die Sprache der Proteine (Aminosäuresequenz).

tRNA – der Lieferant

Oben: eine Aminosäure, die spezifisch zu den 3 Basen unten passt. Einsträngige Schleifen, doppelsträngige Abschnitte. Unten: 3 Basen = Anticodon, muss komplementär zur mRNA passen.

Ribosom – die Werkbank

Große und kleine Untereinheit, dazwischen läuft die mRNA. Das Ribosom bewegt sich an der mRNA entlang.

Drei Bindestellen im Ribosom

A

2. Bindestelle – hier kommt die neue, beladene tRNA an.

P

1. Bindestelle – hier bindet zu Beginn die Methionin-tRNA (Startcodon AUG); hier hängt die wachsende Kette.

E

Exit – die leere tRNA verlässt das Ribosom.

Animation · Ribosom bei der Arbeit

17OperationSteuerung

Genregulation bei Eukaryoten

Eukaryoten haben ein viel komplexeres Genom als Prokaryoten: mehrere Chromosomen, eng verpackte DNA im Zellkern – statt eines einzigen Chromosoms, das frei im Zytoplasma schwimmt.

Die Steuerung der Transkription entscheidet, welche Gene aktiv sind – also welche zum Protein werden – und wie oft bzw. wie viel Protein hergestellt wird. Drei Stellschrauben:

① Acetylierung

DNA ist um Histone so eng verpackt (Chromatin, Nukleosom), dass die RNA-Polymerase nicht herankommt. Acetylreste binden an die Histone → DNA wird aufgelockert → aktiviert die Transkription.

② Methylierung

Eine Methylgruppe (CH₃) bindet an die Base C → verhindert die Transkription.

③ Transkriptionsfaktoren

Binden ebenfalls am Promotor und können so die Bindung der RNA-Polymerase verhindern oder verstärken.

Interaktiv · Schalte die Stellschrauben
Transkriptionsfaktor:

Wie im Heft skizziert: Sitzt ein Transkriptionsfaktor auf der Bindestelle, kann die RNA-Polymerase nicht binden → keine Transkription → kein Protein. Ein anderer Faktor an einer anderen Bindestelle zieht die Polymerase zum Promotor → mehr Transkription → mehr Protein.

18Qualitätskontrolle

Feinschliff zur Mitschrift

Die Blätter sind inhaltlich stark. Ein paar Stellen sind beim Mitschreiben verrutscht – hier die korrigierte Fassung:

Im HeftKorrekt
Addenien, Guanien, CytosienAdenin, Guanin, Cytosin (Thymin war richtig)
„A = T, G ≡ C" ohne ZahlA=T: 2 Wasserstoffbrücken, G≡C: 3 – die Striche zählen sie
RNA-Polymerase „entwickelt" die DNAsie entwindet die DNA
Translation: „mRNA wandert zum Zellkern"sie wandert aus dem Zellkern ins Zytoplasma zum Ribosom
Methylierung: „Mythylgruppe"Methylgruppe (CH₃) an Cytosin
22.000 Gene, „über 10.000 Proteine"vermutlich eine Null verrutscht: Schätzungen liegen deutlich über 100.000 Proteinvarianten
Genzahl 20.000–26.000 / 25.000 / 22.000alle im Rahmen; aktuell gängig: ca. 20.000 proteincodierende Gene
tRNA-Vorkommen „Zellkern, Zellplasma"entsteht im Kern, arbeitet im Zytoplasma
„Ribosomen bewegt sich an Ribosom lang"das Ribosom bewegt sich an der mRNA entlang
Introns „von Viren oder alten Genvarianten"teils richtig; viele Introns enthalten zusätzlich wichtige Steuersequenzen
19Zusammenfassung

Spickzettel

Bausteine

Nukleotid = Phosphat + Zucker + Base. DNA: Desoxyribose, A T G C, Doppelstrang. RNA: Ribose, A U G C, Einzelstrang.

Paarung

A=T (2 H-Brücken), G≡C (3). In RNA: A=U. Ein Strang legt den anderen fest.

Verpackung

DNA → um Histone → Nukleosom → Chromatinfaden → Chromosom. 46 = 23 + 23.

Chromosom

2 Chromatiden, Zentromer, Telomere, Arme. Sichtbar nur bei der Zellteilung.

Replikation

Semikonservativ: jede neue DNA = 1 alter + 1 neuer Strang.

Transkription

Promotor → Initiation, Elongation, Termination (Terminator). RNA-Polymerase, kein Primer nötig.

Prozessierung

Splicing (Introns raus), Poly-A-Schwanz (3'), Cap (5'). Alternatives Splicing → mehr Proteine als Gene.

Code

Triplett (4³ = 64 ≥ 20). Degeneriert, eindeutig, kommafrei, überlappungsfrei, universell. Start AUG, Stopp UAA/UAG/UGA.

Translation

Ribosom: A (Ankunft), P (Kette), E (Exit). tRNA-Anticodon ↔ mRNA-Codon.

Regulation

Acetylierung lockert → an. Methylierung (CH₃ an C) → aus. Transkriptionsfaktoren → stärker oder schwächer.

Teil 2Zellteilung · 7 Blätter, nichts ausgelassen

Wie Zellen
sich teilen

Teil 1 hat gezeigt, wie Information gespeichert und gelesen wird. Teil 2 zeigt, wie sie weitergegeben wird: an jede neue Körperzelle (Mitose) und an die nächste Generation (Meiose → Spermium + Eizelle → Befruchtung).

20Systemkarte Zellteilung

Die Landkarte: Dinge & Vorgänge

Gleiche Brille wie in Teil 1: Operanden sind die Dinge, Operationen die Vorgänge. Neu ist eine Größe, die sich durch alles zieht: der Chromosomensatz – doppelt (2n) oder einfach (n).

Operanden · statisch

Körperzelle · Keimzelle · Stammzelle · Chromosom (1- / 2-Chromatid) · homologes Chromosomenpaar · Chromosomensatz (2n / n) · Kernhülle · Spindelapparat · Spindelpol · Zentromer · Spermium · Eizelle · Polkörperchen · Zygote

Operationen · dynamisch

Zellzyklus · Interphase (DNA-Verdopplung) · Mitose · Zytokinese · Meiose I (Reduktionsteilung) · Meiose II (Äquationsteilung) · Spermatogenese · Oogenese · Befruchtung

OperationEingang → AusgangOrt
Interphase1-Chromatid- → 2-Chromatid-Chromosomen (DNA verdoppelt)Zellkern
Mitose + Zytokinese1 Körperzelle (2n) → 2 identische Körperzellen (2n)alle Körperzellen
Meiose I1 Zelle (2n) → 2 Zellen (n), Chromosomen noch mit 2 ChromatidenHoden / Eierstöcke
Meiose II2 Zellen (n) → 4 Zellen (n), Chromosomen mit 1 ChromatideHoden / Eierstöcke
Spermatogenese1 Keimzelle → 4 SpermienHoden
Oogenese1 Keimzelle → 1 Eizelle + 3 PolkörperchenEierstöcke
BefruchtungSpermium (n) + Eizelle (n) → Zygote (2n)Eileiter

Brücke zu Teil 1: Die DNA-Verdopplung der Interphase ist genau die semikonservative Replikation (§12). Und das 2-Chromatid-Chromosom kennst du schon aus dem Chromosomenbau (§06).

Inhalt Teil 2

Teil 2A

Operanden – welche Zellen, wie viele Chromosomen

Bevor sich etwas teilt: Wer teilt sich, und was wird gezählt?

21Operand

Körperzellen, Keimzellen, Stammzellen

Körperzellen (somatische Zellen)

z. B. Hautzelle, Leberzelle. Werden durch Mitose vermehrt – für Wachstum und Ersatz.

Keimzellen (Geschlechtszellen)

Eizelle und Spermium (Samenzelle). Werden durch Meiose gebildet.

Stammzellen

Können sich in viele bzw. alle Zelltypen verwandeln – sie sind noch nicht festgelegt.

Diploid & haploid – der Chromosomensatz

Der Mensch hat 46 Chromosomen = 23 Paare. Von jedem Paar stammt eins von der Mutter und eins vom Vater. Die beiden Partner eines Paares heißen homologe Chromosomen: Sie tragen dieselben Gene, aber eventuell andere Allele.

2n = 46

diploid

doppelter Chromosomensatz – alle Körperzellen.

n = 23

haploid

einfacher Chromosomensatz – Keimzellen (Spermium, Eizelle).

Interaktiv · 23 Chromosomenpaareblau = vom Vater · rot = von der Mutter

Zählfalle: Ob ein Chromosom aus 1 oder 2 Chromatiden besteht, ändert nichts an der Anzahl. Gezählt wird pro Zentromer. Nach der DNA-Verdopplung hat eine Körperzelle also weiterhin 46 Chromosomen – nur eben 46 × 2 Chromatiden.

Teil 2B

Operationen – teilen, halbieren, verschmelzen

Zellzyklus → Mitose → Meiose → Keimzellen → Befruchtung.

22OperationKreislauf

Zellzyklus & Interphase

Eine Körperzelle durchläuft einen Kreislauf: die lange Interphase und die kurze Mitose. Die Interphase ist die Phase zwischen zwei Mitosen – hier arbeitet und wächst die Zelle, und hier verdoppelt sich die DNA: aus dem 1-Chromatid- wird ein 2-Chromatid-Chromosom.

Animation · ein Umlauf des Zellzyklus

G1 · Wachstum

Zelle wächst und erfüllt ihre Aufgaben. Chromosomen: 1 Chromatide.

S · Synthese

DNA verdoppelt sich (Replikation). Danach 2 Chromatiden pro Chromosom.

G2 · Vorbereitung

Kontrolle der Kopie, Vorbereitung der Teilung.

G1, S und G2 sind die genauere Unterteilung der Interphase – in der Mitschrift zusammengefasst als „DNA verdoppelt sich". In der Interphase ist die DNA locker (Chromatin); zu sichtbaren Chromosomen verdichtet sie sich erst in der Prophase.

23Operation2n → 2 × 2n

Mitose

Die Mitose vermehrt die Körperzellen. Aus einer Zelle werden zwei genetisch identische Tochterzellen mit je 46 Chromosomen. Sie hat mehrere Phasen – mit Merksatz:

IIchInterphase
PpoliereProphase
MmeinMetaphase
AAutoAnaphase
TtäglichTelophase
Animation · Mitose Schritt für Schrittvereinfacht: 2n = 4 statt 46

    Prophase

    Zellkern(hülle) löst sich auf · Chromosomen verpacken sich noch enger · Spindelapparat bildet sich.

    Metaphase

    Chromosomen ordnen sich am Äquator an · Spindelfasern binden sich an das Zentromer.

    Anaphase

    Chromatiden werden getrennt und an die Pole gezogen.

    Telophase

    Zelle beginnt sich zu teilen · Zellplasma, Organellen etc. werden aufgeteilt · Zellkern bildet sich neu.

    Zytokinese = die eigentliche Zellteilung (Teilung des Zellplasmas). Ergebnis: 2 Zellen mit je 46 Chromosomen → diploid. Ende – beide Zellen starten wieder in der Interphase.

    24Arbeitsblatt„Die Zellteilung"

    Arbeitsblatt: Die Zellteilung

    Aufgabe 1a verlangt die richtige Reihenfolge. Probier es selbst, bevor du in die Lösung schaust:

    Quiz · Phasen in die richtige Reihenfolge bringen

    Lösung 1a + 1b

    Nr.Phase (Bild)Was passiert
    1Interphase (Zellkern mit lockerem Chromatin)Phase zwischen zwei Teilungen; Zelle arbeitet, DNA verdoppelt sich.
    2Prophase (Kernhülle gestrichelt, Pole mit Fasern)Kernhülle löst sich auf, Chromosomen verdichten sich, Spindelapparat entsteht.
    3Metaphase (Chromosomen in der Mitte)Chromosomen liegen in der Äquatorebene, Spindelfasern am Zentromer.
    4Anaphase (Chromatiden wandern)Schwesterchromatiden werden zu den Polen gezogen.
    5Telophase (zwei Kerne, Trennwand entsteht → Wand fertig)Neue Kernhüllen, Chromosomen entspiralisieren, Zellplasma wird geteilt (Zytokinese). Die beiden Telophase-Bilder zeigen Anfang und Ende dieser Phase.

    Lösung 1c · Zellbestandteile

    A

    Kernhülle (Kernmembran) – der gestrichelte Kreis um den Kern.

    B

    Spindelfasern

    C

    Chromosom (bzw. Chromatide)

    D

    Zentromer

    E

    neue Zellwand bzw. Zellmembran zwischen den Tochterzellen

    F

    Spindelpol (Zentrosom mit Zentriolen) – Ausgangspunkt des Spindelapparats

    25Operation2n → 4 × n

    Meiose

    Die Meiose ist eine Kernteilung mit zwei Teilungsschritten. Sie bildet die Keimzellen und halbiert dabei den Chromosomensatz.

    1. Reifeteilung · Reduktionsteilung

    Die homologen Chromosomen werden getrennt. Ergebnis: 2 Zellen mit je 23 Chromosomen (haploid) – jedes aber noch aus 2 Chromatiden.

    2. Reifeteilung · Äquationsteilung

    Die Schwesterchromatiden werden getrennt – Ablauf wie bei der Mitose. Ergebnis: 4 Zellen mit je 23 Chromosomen aus 1 Chromatide.

    Animation · Meiose I + IIvereinfacht: 2n = 4 statt 46

      Die Phasen laut Mitschrift

      PhaseWas passiert
      Prophase IHomologe Chromosomen ordnen sich zusammen an (legen sich paarweise aneinander).
      Metaphase IHomologe Chromosomen bleiben zusammen und liegen als Paare in der Äquatorebene.
      Anaphase IChromatiden bleiben zusammen → die homologen Chromosomen werden aufgetrennt.
      Telophase I2 Zellen mit je 23 Chromosomen → haploider Chromosomensatz. Aber: DNA noch verdoppelt → jedes der 23 Chromosomen hat 2 Chromatiden.
      Meiose IIProphase II, Metaphase II, Anaphase II, Telophase II → läuft ab wie eine Mitose.
      Ergebnis4 Zellen mit je 23 Chromosomen (1 Chromatide): 4 Samenzellen oder 1 Eizelle + 3 Polkörperchen.

      Arbeitsblatt „Meiose" – Lösung

      BildPhaseBeschreibung
      AProphase IChromosomen verdichten sich, Kernhülle löst sich auf, homologe Chromosomen legen sich paarweise zusammen.
      BMetaphase IDie Chromosomenpaare ordnen sich in der Mitte (Äquatorebene) an; der Spindelapparat ist fertig.
      CAnaphase IDie homologen Chromosomen werden zu den Polen gezogen (je ein ganzes 2-Chromatid-Chromosom).
      DTelophase IZwei Zellen bilden sich mit je 23 Chromosomen (2 Chromatiden) – haploid.
      EProphase IIIn beiden Zellen bildet sich ein neuer Spindelapparat (quer zur ersten Teilung).
      FMetaphase IIDie Chromosomen ordnen sich einzeln in der Äquatorebene an.
      GAnaphase IIDie Schwesterchromatiden werden getrennt und zu den Polen gezogen.
      HTelophase IIVier Zellen mit je 23 Chromosomen aus 1 Chromatide entstehen.

      Aufgabe 2 („Welche Bedeutung hat die Meiose?") ist im Heft noch offen – die Antwort steht in §27.

      26Vergleich

      Mitose vs. Meiose

      Mitose46 (2n)→ 1 Teilung →46 + 46identisch
      Meiose46 (2n)→ Meiose I →23 + 23→ Meiose II →4 × 23 (n)verschieden
      MerkmalMitoseMeiose
      ZweckVermehrung der Körperzellen (Wachstum, Ersatz)Bildung der Keimzellen (Eizelle, Spermium)
      Teilungen12 (Reduktions- + Äquationsteilung)
      Ergebnis2 Zellen4 Zellen (bzw. 1 Eizelle + 3 Polkörperchen)
      Chromosomensatz2n → 2n (46 → 46), diploid2n → n (46 → 23), haploid
      Homologe Chromosomenbleiben einzelnpaaren sich in Prophase I, werden in Anaphase I getrennt
      Erbgut der Tochterzellenidentisch mit der Mutterzelleneu kombiniert, alle verschieden
      Ortalle KörperzellenHoden, Eierstöcke
      27Arbeitsblatt Meiose · Aufgabe 2

      Welche Bedeutung hat die Meiose?

      1 · Konstante Chromosomenzahl

      Die Meiose halbiert den Chromosomensatz. Nur so entsteht bei der Befruchtung wieder genau 46:

      46Meiose →23 + 23Befruchtung →46 ✓
      ohne Meiose:46 + 46 = 92→184→368 …pro Generation verdoppelt

      2 · Genetische Vielfalt

      In der Metaphase I legt sich jedes homologe Paar zufällig mal mit dem Vater-, mal mit dem Mutter-Chromosom nach links. Jedes Paar hat 2 Möglichkeiten – bei n Paaren also 2n verschiedene Keimzellen.

      Interaktiv · Kombinationen zählen

      Dazu kommt das Crossing-over: In der Prophase I liegen die homologen Chromosomen so eng aneinander, dass sie Stücke austauschen. Danach ist kein Chromosom mehr rein „Vater" oder rein „Mutter".

      Animation · Crossing-over

      28OperationMeiose in Mann & Frau

      Spermatogenese & Oogenese

      Beides ist Meiose – aber mit unterschiedlichem Ergebnis. Der Mann bildet aus einer Keimzelle 4 Spermien. Die Frau teilt das Zellplasma ungleich: 1 große Eizelle (mit Nährstoffvorrat) und 3 kleine Polkörperchen, die zugrunde gehen.

      Animation · Keimzellbildung im Vergleich

        Spermatogenese

        Ort: Hoden
        Wann: von der Pubertät bis zum Tod
        Alter: Qualität & Quantität nehmen mit dem Alter ab
        Ergebnis: 1 Keimzelle (2n) → 4 Spermien (n)

        Oogenese

        Ort: Eierstöcke
        Wann: Die Eizellen bilden sich schon, wenn das Baby (Mädchen) im Bauch der Mutter ist
        Vorrat: wird bis zu den Wechseljahren aufgebraucht; meist 1 Eizelle pro Zyklus
        Ergebnis: 1 Keimzelle (2n) → 1 Eizelle + 3 Polkörperchen (n)

        Zeitstrahl · ein Leben lang
        29Operationn + n → 2n

        Befruchtung

        Spermium (23) + Eizelle (23) verschmelzen zur befruchteten Eizelle (Zygote) mit 46 Chromosomen – wieder diploid (2n). Ab hier übernimmt die Mitose: Die Zygote teilt sich immer weiter, bis daraus ein Baby wird. Der Kreis schließt sich.

        Animation · vom Spermium zum Embryo
        2nElternzellen46
        Meiose
        nSpermium / Eizelle23
        Befruchtung
        2nZygote46
        Mitose
        2nBaby (alle Körperzellen)46
        30Qualitätskontrolle

        Feinschliff zur Mitschrift

        Auch hier ist das meiste richtig. Diese Stellen sind beim Mitschreiben verrutscht:

        Im HeftKorrekt
        Spermalogenese / OogeneseSpermatogenese, Oogenese
        Interphase: „DNA kondensiert → eng verpackt zu Chromosomen"In der Interphase ist die DNA locker (Chromatin) und verdoppelt sich. Zu Chromosomen verdichtet sie sich erst in der Prophase.
        „Zygogenese: Zellteilung"Zytokinese (Teilung des Zellplasmas). Die Zygote ist die befruchtete Eizelle.
        „Spindel binden sich an das Zentromer"Die Spindelfasern heften sich am Zentromer an.
        Telophase: „Zellkern bindet sich"Zellkern bildet sich neu (neue Kernhülle).
        AB Zellteilung: „Telophase I / Telophase II"In der Mitose gibt es kein I/II – beide Bilder zeigen die Telophase (Anfang und Ende). I/II gibt es nur bei der Meiose.
        AB Zellteilung, A: „Zellmembran"A zeigt auf den gestrichelten Kreis um den Kern → Kernhülle (Kernmembran).
        AB Meiose, A: „Interphase – Chromosomen schwimmen im Zellplasma"Die Chromosomen sind schon sichtbar und gepaart → Prophase I.
        AB Meiose, B: „Spindelapparat bildet sich"Der bildet sich in der Prophase; in der Metaphase I liegen die homologen Paare in der Mitte.
        Meiose II „genau wie Mitose"Gleicher Ablauf (Schwesterchromatiden werden getrennt), aber mit haploidem Satz und ohne vorherige DNA-Verdopplung.
        „12–24 Eizellen pro Jahr"Meist 1 Eisprung pro Zyklus ≈ 12–13 pro Jahr (selten 2 → zweieiige Zwillinge).

        Detail für Fortgeschrittene: Bei der Frau beginnt die Meiose I schon vor der Geburt und pausiert dann bis zur Pubertät. Die Meiose II wird erst bei der Befruchtung abgeschlossen.

        31Zusammenfassung

        Spickzettel Teil 2

        Zelltypen

        Körperzellen (somatisch) → Mitose. Keimzellen (Ei, Spermium) → Meiose. Stammzellen → können jeder Zelltyp werden.

        Satz

        2n = 46 diploid (Körperzelle), n = 23 haploid (Keimzelle). Homologe = gleiches Paar, je eins von Mutter und Vater.

        Zellzyklus

        Interphase (G1 · S: DNA ×2 · G2) + Mitose. 1-Chromatid → 2-Chromatid-Chromosom.

        Mitose

        I-P-M-A-T: „Ich poliere mein Auto täglich". + Zytokinese → 2 identische Zellen, je 46.

        Meiose I

        Reduktionsteilung: homologe Paare legen sich zusammen und werden getrennt → 2 × 23 (2 Chromatiden).

        Meiose II

        Äquationsteilung, Ablauf wie Mitose: Schwesterchromatiden getrennt → 4 × 23 (1 Chromatide).

        Mann vs. Frau

        Hoden: 4 Spermien, Pubertät bis Tod. Eierstöcke: 1 Eizelle + 3 Polkörperchen, Vorrat vor Geburt angelegt, bis Wechseljahre.

        Bedeutung

        Halbierung hält 46 konstant. Vielfalt: 223 ≈ 8,4 Mio. Keimzell-Kombinationen + Crossing-over.

        Befruchtung

        23 + 23 = 46 → Zygote (2n) → Mitosen → Baby.

        Zählregel

        Chromosomen zählt man pro Zentromer – egal ob 1 oder 2 Chromatiden.