Biologie Kapitel Zellzyklus und Genetik

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Questions and Answers

Welche Phase des Zellzyklus ist für die Verdopplung der DNA verantwortlich?

M-Phase

G2-Phase

G1-Phase

S-Phase (correct)

Was ist das Hauptmerkmal der Mitose?

Die Aufteilung von DNA in zwei identische Hälften (correct)

Die Bildung von Tochterzellen mit unterschiedlicher genetischer Information

Eine sexuelle Fortpflanzung

Die Verdopplung des Zellinhalts

Welches der folgenden Prozesse ist kein Bestandteil der genetischen Übertragung bei Bakterien?

Konjugation

Mitose (correct)

Transduktion

Transformation

Was beschreibt den Prozess der Apoptose am besten?

Ein geplanter Zelltod ohne Entzündung Signup and view all the answers

Welches Molekül ist entscheidend für die Regulierung des Zellzyklus?

MPF (mitose promoting factor) Signup and view all the answers

Was passiert während der Cytokinese?

Die Zellwand bildet sich Signup and view all the answers

Welches Merkmal unterscheidet die Mitose von der Meiose?

Meiose beinhaltet zwei Teilungen Signup and view all the answers

Welche der folgenden Aussagen über Mendelsche Gesetze ist falsch?

Es gibt keine Wechselwirkungen zwischen Genen Signup and view all the answers

Was ist die Hauptfunktion der Konjugation bei Bakterien?

Übertragung von Plasmiden zwischen Zellen Signup and view all the answers

Welches der folgenden Ereignisse ist kein Teil des Konjugationsprozesses?

Die Bildung neuer Bakteriophagen Signup and view all the answers

Wie nennt man die durch Transformation modifizierten Pflanzen oder Tiere?

Transgene Signup and view all the answers

Welche Form der genetischen Übertragung erfolgt über Bakteriophagen?

Transduktion Signup and view all the answers

Welches Molekül ist von größter Bedeutung bei der Ausbildung der Konjugationsbrücke?

Pilus Signup and view all the answers

Welche der folgenden Aussagen beschreibt die Auswirkungen von Antibiotika-Resistenzen?

Resistenzgene können durch Konjugation verbreitet werden. Signup and view all the answers

Was geschieht nach der Injektion der DNA durch den Bakteriophagen in das Bakterium?

Die DNA vermehrt sich im Bakterium. Signup and view all the answers

Welcher Mechanismus wird verwendet, um die dicke Zellwand von Pflanzen und Pilzen zu durchdringen?

Transformation Signup and view all the answers

Was beschreibt eine Deletion in Bezug auf Chromosomen-Mutationen?

Ein ganzer Abschnitt eines Chromosoms geht verloren Signup and view all the answers

Welche der folgenden Mutationen ist eine Genommutation?

Trisomie Signup and view all the answers

Was ist das Hauptmerkmal einer autopolyploiden Mutation?

Vervielfältigung eines gesamten Chromosomensatzes der gleichen Spezies Signup and view all the answers

Welches der folgenden Symptome ist ein Beispiel für eine Genmutation?

Albinismus Signup and view all the answers

Welche Art von Mutagenen verursacht Dimerisierung von Thyminmolekülen?

Physikalische Mutagene Signup and view all the answers

Was bezeichnet der Begriff 'Trisomie 21'?

Zusätzliche Kopie des 21. Chromosoms Signup and view all the answers

Welche der folgenden Aussagen beschreibt eine Translokation?

Ein Abschnitt eines Chromosoms wechselt seinen Platz mit einem anderen Chromosom Signup and view all the answers

Was ist eine häufige Ursache für Chromosomenbrüche?

Virusinfektionen Signup and view all the answers

Was besagt das Uniformitätsgesetz nach Mendel?

Die Nachkommen homozygoter Individuen sind untereinander gleich. Signup and view all the answers

Wie spalten sich die Nachkommen einer Kreuzung mischerbiger Individuen laut dem Spaltungsgesetz?

Sie sind in einem bestimmten Zahlenverhältnis unterschiedlich. Signup and view all the answers

Was bedeutet es, wenn ein Individuum homozygot ist?

Es hat zwei identische Allele für ein bestimmtes Merkmal. Signup and view all the answers

Welche Aussage über das Neukombinations-/Spaltungsgesetz von Mendel ist korrekt?

Es gilt nur für Gene, die auf unterschiedlichen Chromosomen vererbt werden. Signup and view all the answers

Welche der folgenden Krankheiten wird rezessiv vererbt?

Cystische Fibrose Signup and view all the answers

Was ist eine typische Merkmale von dominanten Erbkrankheiten?

Jeder Nachkomme eines betroffenen Elternteils hat eine 50%-Chance, betroffen zu sein. Signup and view all the answers

Was passiert beim Crossing-over?

Gene auf dem gleichen Chromosom werden rekombiniert. Signup and view all the answers

Welcher Prozess wird bei Bakterien nicht verwendet?

Meiose Signup and view all the answers

Was geschieht während des Kernphasenwechsels?

Es findet ein Wechsel zwischen haploiden und diploiden Phasen statt. Signup and view all the answers

Welches der folgenden Aussagen beschreibt die Meiose korrekt?

Sie erzeugt vier genetisch unterschiedliche Gameten. Signup and view all the answers

Was versteht man unter 'crossing over' im Kontext der homologen Rekombination?

Es ist der Austausch von Genabschnitten zwischen homologen Chromosomen. Signup and view all the answers

Was beinhaltet das Erbmaterial eines Organismus?

Es ist die Gesamtheit der Gene eines Organismus. Signup and view all the answers

Was versteht man unter einem heterozygoten Organismus?

Der Organismus hat unterschiedliche Allele für ein bestimmtes Merkmal. Signup and view all the answers

Welche Rolle spielen Mendelsche Gesetze in der Genetik?

Sie definieren die Prinzipien der Merkmalsweitergabe von den Eltern an die Nachkommen. Signup and view all the answers

Was charakterisiert die diplohaploide Generation bei höheren Pflanzen?

Es ist ein Wechsel zwischen haploiden und diploiden Phasen. Signup and view all the answers

Welches der folgenden Merkmale beschreibt einen homozygoten Organismus?

Beide allelen Gene sind identisch für ein bestimmtes Merkmal. Signup and view all the answers

Welche Aussage beschreibt die Funktion der Helicase während der DNA-Replikation?

Sie bricht Wasserstoffbrückenbindungen auf. Signup and view all the answers

Was geschieht während der Transkription?

Die DNA wird in Boten-RNA (mRNA) umgeschrieben. Signup and view all the answers

Welches Protein spielt eine Schlüsselrolle bei der Stabilisierung einzelsträngiger DNA während der Replikation?

SSB-Proteine Signup and view all the answers

Welche Art von Mutation betrifft nur eine normale Körperzelle und wird nicht vererbt?

Somatische Mutation Signup and view all the answers

Welche Aussage zu Punktmutationen ist korrekt?

Eine nonsens Mutation führt zu einem nicht funktionsfähigen Protein. Signup and view all the answers

Was beschreibt eine Insertion in der Genetik?

Die Zugabe von Basenpaaren mit verschobenem Leserahmen. Signup and view all the answers

Welche Funktion haben Primers in der DNA-Replikation?

Sie dienen als Startpunkt für die Nukleotidsynthese. Signup and view all the answers

Was ist die spontane Mutationsrate eines Gens?

10^-5 bis 10^-9 pro Verdopplung Signup and view all the answers

Study Notes

Gliederung

Einführung
Grundstrukturen biologischer Makromoleküle
Zytologie
Genetik

Genetik

Mitose
Meiose
Mendelsche Gesetze
Übertragung genetischer Materialien bei Bakterien
- Konjugation
- Transformation
- Transduktion
DNA-Replikation
Transkription
Translation
Mutationen

Mitose

Teilung = Knospung
ungeschlechtliche Vermehrung
geordnete Kette von Ereignissen zur Verdopplung des Zellinhalts und seiner Teilung
→ Tochterzellen mit gleichem Inhalt und gleicher genetischer Information

Zellzyklus

INTERPHASE (G1, S, G2)
MITOTIC PHASE (M)
- Mitose
- Cytokinese

Mitose (Detail)

Erbanlagen werden in der Ruhephase des Zellkerns verdoppelt
und bei der Zellteilung gleichmäßig auf Tochterzellen verteilt

Zentriolenreplikation

Zellteilung (Stadien)

Interphase (G2)
Frühprophase
Spätprophase
Metaphase
Anaphase
Telophase
Interphase (G1)

Mitose (weitere Details)

Centrosomen (mit Zentriollenpaaren)
Aster (frühe mitotische Spindel)
Chromatin (dupliziert)
Fragmente von Kernhülle
Kinetochor-Mikrotubuli
Spindelapparat
Kinetochor-Mikrotubuli
Chromosomen, bestehend aus zwei Schwester-Chromatiden
Metaphase-Platte
Schwester-Chromatiden trennen sich während der Anaphase
Kernhülle bildet sich um die Tochterchromosomen
Cytokinese (Teilung des Zytoplasmas)

Cytokinese

(a) Cytokinese bei Tierzellen: Einschnürung durch einen Einschnitt, kontraktiler Ring aus Mikrotubuli
(b) Cytokinese bei Pflanzenzellen: Bildung einer Zellplatte aus Vesikeln, die Golgi-Material enthalten

Zytokinese: Bildung pflanzlicher Zellwand

Präprophase-Band aus Mikrotubuli und Aktinfilamenten
Vakuole
Mutterzellwand
Golgi-abgeleitete Vesikel
Cytokinese
Phragmoplast-Mikrotubuli
Neue Zellwand

Regulation der Zellteilung

G1-Checkpoint: Ist die Zelle groß genug? Sind die Umweltbedingungen günstig? Eintritt in die S-Phase
M-Checkpoint: Sind alle Chromosomen an der Spindel angeheftet? Beginn der Cytokinese
G2-Checkpoint: Wurde die gesamte DNA verdoppelt? Sind die Umweltbedingungen günstig? Eintritt in die Mitose

Regulatoren der Zellteilung

MPF: Mitose-promoting Faktor
Cycline
Cdk: Cyclin-abhängige Kinasen

Programmierter Zelltod - Apoptose

geplanter Zelltod
geordnete Kaskade
DNA kondensiert, wird abgebaut
Zelle schrumpft
Beseitigung durch Phagozytose
keine Entzündung

Proliferation - Zelltod

Nekrose: Tod infolge akuter Schädigung (Verbrennung, Vergiftung, Bestrahlung). DNA kondensiert nicht, Zelle schwillt an, Zelle zerplatzt, Entzündung
Apoptose (siehe oben)

Fortpflanzung

asexuelle Fortpflanzung: vegetative Vermehrung durch Teilungen, Nachkommen genetisch identisch
sexuelle Fortpflanzung:
- Genome zweier Individuen werden vermischt
- Nachkommen genetisch unterschiedlich
- Wechsel von haploiden und diploiden Phasen (Kernphasenwechsel, Generationswechsel)

Diploider Chromosomensatz

Zentromer
Schwester-Chromatiden
Paar homologer Chromosomen
5 µm

Kernphasenwechsel

Haploide verschmelzen zu diploiden
Diploide teilen sich durch Meiose zu haploiden

Kernphasenwechsel, Generationswechsel

Diplonten (Mensch, Tier)
Haplonten (viele Pilze, manche Algen)
Diplohaplonten (höhere Pflanzen und manche Algen)

Kernphasenwechsel beim Menschen

Haploid (n): Haploide Gameten (n = 23)
Diploid (2n): 2n = 46

Meiose

zwei aufeinander folgende Teilungen
aus einer Zelle entstehen vier genetisch nicht identische Gameten mit haploidem Chromosomensatz

Homologe Rekombination - crossing over

Austausch von Genabschnitten zwischen homologen Chromosomen
an den Chiasmata
Mosaikchromosomen: tragen väterliches und mütterliches Erbgut

Meiose (Stadien)

Interphase I
Prophase I
Metaphase I
Anaphase I
Telophase I und Cytokinese
Prophase II
Metaphase II
Anaphase II
Telophase II und Cytokinese
Zwei haploide Zellen; Chromosomen sind immer noch doppelt.
weitere haploide Tochterzellen entstehen, jede mit einzelnen Chromosomen

Mitose vs. Meiose

Mitose: Zwei diploide Tochterzellen
Meiose: Vier haploide Tochterzellen

Zufälligkeit der Befruchtung

Eizelle: 2^23 = 8 Millionen mögliche Chromosomen-Kombinationen
Spermium: 2^23 = 8 Millionen mögliche Chromosomen-Kombinationen
Befruchtungsmöglichkeiten: 8 Millionen x 8 Millionen = 64 Billionen
enorme genetische Variabilität
minimale Wahrscheinlichkeit für genetisch identische Nachkommen

Genetik (Zusammenfassend)

lebende Organismen zur Autoreproduktion befähigt
Genetik beantwortet
- warum die Nachkommen Merkmale der Vorfahren tragen
- Gesetzmäßigkeiten der Merkmalsweitergabe

Genetik – grundlegende Erkenntnisse

Charles Darwin (1809-1882)
Gregor Mendel (1822-1884)

Evolution

Populationsvariationen mit vererbten Eigenschaften
Eliminierung von Individuen mit bestimmten Merkmalen
Reproduktion von Überlebenden
Erhöhung der Häufigkeit von Merkmalen, die das Überleben und die Reproduktion verbessern

Genetik – Begriffe

Genom: Gesamtheit der Gene eines Organismus
Gen: Erbfaktor, Abschnitt der DNA, enthält Informationen für die Produktion einer RNA
Phän: Erscheinungsbild eines Merkmals
Phänotyp: Erscheinungsbild eines Individuums, resultierend aus der Gesamtheit der Erbanlagen

Genetik – Begriffe (weiter)

homologe Chromosomen: sich entsprechende Chromosomen eines diploiden Organismus
Allel: Ausprägung eines Gens
homozygot: beide Eltern haben das gleiche Gen in Bezug auf ein bestimmtes Merkmal
heterozygot: beide Eltern haben unterschiedliche Gene für die Ausbildung eines Merkmals

Mendels Versuche – reziproke Kreuzungen

P-Generation (reinerbige Eltern)
F1-Generation (Hybride)
F2-Generation (Verhältnis 3:1)

1. Mendelsches Gesetz

Uniformitätsgesetz: Nachkommen homozygoter Individuen sind untereinander gleich

2. Mendelsches Gesetz

Spaltungsgesetz: Nachkommen mischerbiger Individuen spalten ihr Äußeres Erscheinungsbild in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf

Intermediärer Erbgang

Mischform der Merkmale: Beispielsweise Rosa Blüten bei der Kreuzung von roten und weißen Blüten
F2-Generations-Verhältnisse unterscheiden sich von den Verhältnissen bei dominanten und rezessiven Erbgängen

Genotyp - Phänotyp

Genotyp: die genetische Ausstattung eines Organismus
Phänotyp: das beobachtbare Merkmal des Organismus; resultiert aus dem Genotyp

Homozygot oder Heterozygot?

Bestimmt, ob ein Organismus homozygot (gleiche Allele) oder heterozygot (verschiedene Allele) für ein Merkmal ist

3. Mendelsches Gesetz

Neukombinations-/Spaltungsgesetz: Unabhängige Vererbung verschiedener Gene
Gene sind auf Chromosomen lokalisiert
Rekombination gekoppelter Gene erfolgt durch Crossing over
Chromosomen = Kopplungsgruppen

Menschliche Erbgänge – Stammbaumanalyse

Stammbäume zeigen die Vererbung von Merkmalen über mehrere Generationen
Analyse des Stammbaums zur Bestimmung der Art der Vererbung

Rezessiv vererbt – Cystische Fibrose

häufigste letale genetisch bedingte Erbkrankheit
jedes 2.500. Neugeborene ist Träger
heterozygote Träger in 4% der Bevölkerungs
lebenswichtiges Membranprotein, dessen Fehlfunktion zu starken Schleimbildungen in Lunge führt
ohne Behandlung Todesursache im Kindesalter

Wahrscheinlichkeit einer Cystischen Fibrose

Berechnung der Wahrscheinlichkeit, dass zwei Träger der Krankheit treffen
engere Verwandtschaft erhöht die Wahrscheinlichkeit der Krankheit im Nachwuchs

Dominant vererbte Krankheiten

Achondroplasie (Kleinwuchs)
Chorea Huntington (Nervenkrankheit)
Merkmale oft erst spät ersichtlich

Übertragung genetischen Materials bei Bakterien

Keine Meiose
Prozesse bei Bakterien daher parameiotisch oder parasexuell
Übertragung genetischen Materials (DNA) auf drei verschiedene Arten möglich: Konjugation, Transformation, Transduktion
Plasmide: ringförmige DNA

1. Konjugation

Pilus zur Annäherung von Zellen
Ausbildung einer Konjugationsbrücke
Bruch des DNA-Doppelstranges (Plasmid)
Übertragung des Einzelstranges
Neusynthese des zweiten Stranges in Spender- und Empfängerzelle

1. Konjugation (F-Faktor)

F-Faktor in die Haupt-DNA integriert
nach Ausbildung der Konjugationbrücke Bruch eines Einzelstranges der DNA
Entspiralisierung
transferierter gebrochener Einzelstrang mit F-Faktor und damit verknüpftes Genmaterial
Stränge verdoppeln

1. Konjugation (Anwendung)

Häufiger Übertrag von Antibiotikaresistenzen (v.a. in Krankenhäusern)
Multiresistenz bei Bakterien-Stämmen

Antibiotika-Resistenzen

Vancomycin als letzte Rettung, wenn mehrere Resistzen vorliegen
Vancomycin-resistente Stämme ab 2002
Zunahme von Methicillin-resistenten Staphylokokken (MRSA)

2. Transformation

Aufnahme freier DNA von toten Bakterienzellen
Experimenteller Einsatz (z.B. Calciumchlorid)
Eukaryoten: "Transfektion"
Pflanzen/Pilze: spezielle Methoden, um Zellwände durchzudringen
Transgene Pflanzen/Tiere

3. Transduktion

Übertragung genetischen Materials zwischen Bakterien durch Bakteriophagen (Bakterienviren)
Phagen befestigen sich an Bakterium, injizieren ihre DNA
Bildung neuer Viren, Zerstörung des Bakteriums (Lyse)

DNA-Replikation

identische Reduplikation der DNA vor Zellteilung
autokatalytische Funktion (DNA → DNA)
heterokatalytische Umsetzung der Information in Merkmale (DNA → RNA)

DNA-Replikation in Prokaryoten

Kreisförmige DNA
Replikation beginnt an einem Punkt
Zwei neue DNA-Moleküle entstehen

DNA-Replikation in Eukaryonten

Lineare DNA, mehrere Replikationsursprünge
Replikation beginnt in sog. Blasen, die sich ausdehnen
Tochter-DNA-Moleküle entstehen

Helicase

Aufbrechen der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den DNA-Strängen
Energieverbrauch (ATP)
Trennung der DNA-Stänge
SSB-Proteine verhindern Rückbildung

Anheftung der Nukleotide

Komplementäre Basenpaarung (A-T, G-C)
Nukleosidtriphosphate an die Matrize
Abspaltung von Pyrophosphat (2P)

Replikationsrichtung 3' → 5'

neue Stränge nur in 5' → 3' Richtung synthetisiert werden
Matrize dient der Anheftung der neuen Nukleotide
Matrize wird in 3’ → 5' Richtung abgelesen

Synthese der beiden Stränge

Leading Strand: kontinuierliche Synthese
Lagging Strand: diskontinuierliche Synthese in Okazaki-Fragmenten, die später verknüpf werden
DNA-Polymerase, Primasen, Ligase

DNA-Polymerase benötigt Starter – „primers“

Primer (RNA-Primer) werden benötigt, damit DNA-Polymerase Nukleotide zu den Strängen anheften kann
Primase synthetisiert RNA Primer
DNA-Polymerase ersetzt RNA durch DNA

DNA-Replikation – Zusammenfassung

DNA-Polymerase, Primase, Replikationsgabel, Matrize
Okazaki-Fragmente, DNA-Ligase
Leitstrang und Folgestrang
Replikationsrichtung 3' → 5'

Transkription/Translation

Übersetzung der Information auf 2 Stufen: Transkription und Translation
Transkription: Umschreiben der DNA in Boten-RNA (mRNA)
Translation: Übersetzung der mRNA in ein Polypeptid

Transkription/Translation – Prokaryoten/Eukaryoten

Prokaryoten: Transkription und Translation finden im Zytoplasma statt
Eukaryoten: Transkription im Zellkern, Translation im Zytoplasma

Mutationen

bleibende Veränderungen des Erbguts
zufällig und nicht gerichtet
eine der wesentlichen Voraussetzungen für Evolution
spontane Mutationsrate: 10⁻⁵ bis 10⁻⁹ pro Verdopplung

Mutationen – somatisch/Keimbahn

Somatische Mutationen betreffen Körperzellen, werden nicht vererbt
Mutationen in der Keimbahn betreffen Keimzellen, werden in der Folgegeneration vererbt

Gen-Mutationen: Punktmutationen

stumme Mutation: keine Veränderung der Aminosäure
missense Mutation: Veränderung einer Aminosäure
nonsense Mutation: vorzeitiger Abbruch des Proteins (Stopp-Codon)

Gen-Mutationen – Deletion/Insertion

Deletion: Verlust von Basenpaaren → Verschiebung des Leserasters
Insertion: zusätzliche Basenpaare → Verschiebung des Leserasters

Beispiele für Gen-Mutationen

Albinismus
Xeroderma pigmentosum
Sichelzellen-Anämie

Chromosomen-Mutationen

Veränderung der Form und Struktur ganzer Chromosomen oder großer Chromosomen-Abschnitte
Duplikation
Deletion
Inversion
Translokation
Aneuploidie
- Monosomie (n-1)
- Trisomie (n+1)
Polyploidie

Aneuploidie - Trisomien

Vorkommen der Trisomie 21 (Down-Syndrom) abhängig vom Alter der Frau (z.B. über 40 Jahren erhöhtes Risiko)

Polyploidie - Autopolyploidie

Multiple Chromosomen der gleichen Spezies (z.B. 3n/triploid, 4n/tetraploid)
Häufiger im Pflanzenreich (z.B. Bananen, Wassermelonen)
Oft steril oder mit veränderter Merkmalsausprägung

Polyploidie - Allopolyploidie

Kombination von Chromosomensätzen verwandter Arten (z.B. Weizen)

Mutagene - physikalisch

Ionisierende Strahlen (α, β, γ): Strangbrüche, Peroxidbildung, Abspaltung von Basen
Hitze: Abspaltung von Basen
UV-Licht: Dimerisierung von Thyminmolekülen, Ausbildung kovalenter Bindungen

Mutagene - biologisch

Virusinfektionen können Tumorbildung hervorrufen (z.B. Hepatitis B, C, HPV, Epstein-Barr-Virus)
Chromosomenbrüche und schwere Missbildungen (z.B. Röteln)

Mutagene - chemisch

Basenanaloga (z.B. 5-Bromuracil, 5-Fluoruracil)
Interkalierende Agentien (z.B. Acridinderivate, Ethidiumbromid)
Desaminierung (z.B. durch Salpetrige Säure)
Alkylierende Agentien (z.B. Aflatoxine, Dimethylsulfat)
DNA-Quervernetzung (z.B. Mitomycin C)

Mutagenitätstest: Ames-Test

Testverfahren zur Ermittlung der Mutagenität von Substanzen
Verwendung von histidindefizienten Bakterien
Nachweis mutierter Bakterien auf histidinhaltigen Nährböden

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Description

Dieser Quiz testet Ihr Wissen über den Zellzyklus, die Mitose, genetische Übertragungstechnik bei Bakterien und die Mendelschen Gesetze. Antworten Sie auf Fragen zu zentralen Prozessen wie Apoptose und Konjugation. Überprüfen Sie Ihr Verständnis grundlegender biologischer Konzepte und Mechanismen.