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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
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.
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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).
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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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
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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'
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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'
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
8
Klassische Genetik
Posten 1
Die Geschichte derGenetik
Autor: Cyrill Arnet
1 Auftrag
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
9
Posten 1: Die Geschichte der Genetik
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.
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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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:
Sozialform: Einzelarbeit
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!
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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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.
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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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]
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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]
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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)
-
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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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.
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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
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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
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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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]
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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
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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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
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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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.
Formale Antwortstruktur
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.
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
23
Posten 2: Rekonstruktion von Stambäumen -Darstellen und Erkennen von Erbgängen
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!)
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
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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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):
1. Dominant autosomaler Erbgang
2. Rezessiv autosomaler Erbgang
3. Rezessiv geschlechtgekoppelter Erbgang
Auftragsformulierung
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.
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Posten 2: Rekonstruktion von Stambäumen -Darstellen und Erkennen von Erbgängen
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.
Vorkenntnisse: Keine
Vorkenntnisse aus andern Werkstattposten:
Keine, dieser Posten kann für sich bearbeitet werden
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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.
Auftragsformulierung
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.
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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.
Formale Antwortstruktur
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.
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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).
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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.
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Lösungsblatt Posten2 - Auftrag3:
Quelle 1: Linder Biologie, 19. Auflage, J. B. Metzlersche Verlagsbuchhandlung & Carl Ernst
Poeschel Verlag GmbH, Stuttgart, 1983, S. 364.
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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.
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Quelle 3: Wandruska, A., Das Haus Habsburg, Die Geschichte einer europäischen Dynastie,
Herder-Bücherei, Köln, 1968, S.173.
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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.
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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.
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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.
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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:
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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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:
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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:
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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:
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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:
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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:
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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.
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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:
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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:
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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:
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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:
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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:
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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:
Institut für Verahaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
Dokumentation Posten 2
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).
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
Vorkenntnisse aus andern Werkstattposten:
Keine, dieser Posten kann für sich bearbeitet werden
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
Auftragsformulierung
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).
Formale Antwortstruktur
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).
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
59
Maßstab
Wenn Ihr eine eigene richtige Formulierung des 1. Mendelschen Gesetzes aufgeschrieben und
die obigen Fragen beantwortet habt, so ist dieser Arbeitsauftrag erfüllt.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
60
Posten 3: Die Mendelschen Gesetze
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.
Bearbeitungsdauer: 15 min
Sozialform: Einzel- oder Gruppenarbeit: Einer- bis Vierer-Gruppen
Vorkenntnisse: Keine speziellen erforderlich; Allfällige Fremdwörter sind im Glossar
bzw. im Theorieteil erklärt.
Vorkenntnisse aus andern Werkstattposten:
Keine, dieser Posten kann für sich bearbeitet werden
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
61
Posten 3 - Auftrag 2:
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.
Auftragsformulierung
Sozialform: Einzel- oder Gruppenarbeit (bis 4 Leute)
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.
Formale Antwortstruktur
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
62
Posten 3: Die Mendelschen Gesetze
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.
Bearbeitungsdauer: 10 min
Sozialform: Einzel- oder Gruppenarbeit: Einer- bis Vierer-Gruppen
Vorkenntnisse: Vorkenntnisse: Keine speziellen erforderlich; Allfällige Fremdwörter
sind im Glossar bzw. im Theorieteil erklärt.
Vorkenntnisse aus andern Werkstattposten:
Keine, dieser Posten kann für sich bearbeitet werden
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
63
Posten 3 - Auftrag 3:
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.
Auftragsformulierung
Sozialform: Einzel- oder Gruppenarbeit (bis 4 Leute)
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.
Formale Antwortstruktur
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
65
Materialien Posten 3:
Kopiervorlage: Lösung für die Arbeitsaufträge 1 und 2:
Mendelsche Gesetze:
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.
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.
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
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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’
Sozialform: Einzelarbeit
Vorkenntnisse: Keine speziellen erforderlich; Allfällige Fremdwörter sind im
Glossar erklärt.
Vorkenntnisse aus anderen Werkstattposten:
Keine, dieser Posten kann für sich bearbeitet werden.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
Auftragsformulierung
Sozialform: Einzelarbeit
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.
Formale Antwortstruktur
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
71
Posten 4: Mitose und Meiose
Auftrag 2: Verpackung der DNA
Kurzbeschreibung:
Bei diesem Auftrag wird die Verkürzung der DNA bei der Bildung der Chromosomen
betrachtet.
Bearbeitungsdauer: 10'
Sozialform: Einzelarbeit
Vorkenntnisse: Allfällige Fremdwörter sind im Glossar erklärt.
Vorkenntnisse aus anderen Werkstattposten:
Keine, dieser Auftrag kann für sich bearbeitet werden. Von
Vorteil aber nach Auftrag 1 dieses Postens.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
Auftragsformulierung
Sozialform: Einzelarbeit
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?
Formale Antwortstruktur
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
74
Posten 4: Mitose und Meiose
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.
Bearbeitungsdauer: 10'
Sozialform: Einzelarbeit
Vorkenntnisse: Keine speziellen erforderlich; Allfällige Fremdwörter sind im
Glossar erklärt.
Vorkenntnisse aus anderen Werkstattposten:
Auftrag 1 dieses Postens
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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).
Auftragsformulierung
Sozialform: Einzelarbeit
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
Formale Antwortstruktur
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
dem Buch: Miram W., Schaf K.-H.: Biologie heute SII; Hannover 1988, Neubearbeitung
(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
dem Buch: Miram W., Schaf K.-H.: Biologie heute SII; Hannover 1988, Neubearbeitung
(Schroedel Schulbuchverlag), S. 178, 179 zur Verfügung gestellt. Mit der Abbildung 179.1
kann dann die korreckte Anzahl der möglichen Keimzellen direkt abgelesen werden.
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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.
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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.
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80
Arbeitsblatt 1 für den Schüler:
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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.
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82
Dokumentation Posten 4
• 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
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83
Molekulare Genetik
Posten 5
Die GenexpressionAutor: Jakob Lindenmeyer
1 Auftrag
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
Bearbeitungsdauer: 45 min
Sozialform: Gruppenarbeit, Dreiergruppen
Vorkenntnisse: Keine
Vorkenntnisse aus andern Werkstattposten:
Keine, dieser Posten kann für sich bearbeitet werden.
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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.
Auftragsformulierung
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)
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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.
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87
DNA ProduktRNA EnzymaktivitätProtein RNA-PolymeraseRibosom TranskriptionEnzym TranslationSubstrat
Kärtchen bitte ausschneiden und zuordnen!
Formale Antwortstruktur
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.
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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)
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Materialien Posten 5:
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.
Dokumentation Posten 5:
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).
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90
Molekulare Genetik
Posten 6
DNA und ProteineAutor: Florian Gaiser
UNVOLLSTÄNDIGER POSTEN!2 Aufträge
Auftrag 1: Das DNA-ModellAuftrag 2: Das Protein-Modell
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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
Bearbeitungsdauer: 20 min
Sozialform: Die 2er Gruppen werden vom Lehrer eingeteilt.
Vorkenntnisse: Grundkenntnisse aus dem Chemieunterricht
(Wasserstoffbrücken, Ionenbindung, hydrophobe
Wecheselwirkung)
Vorkenntnisse aus andern Werkstattposten:
Keine, dieser Posten kann für sich bearbeitet werden
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
Auftragsformulierung
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!
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
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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.
Auftragsformulierung
Formale Antwortstruktur
Maßstab
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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.
Dokumentation Posten 6
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.
Knodel H., Bayrhuber H.: Linder Biologie. Stuttgart 1986 (J. B. Metzlersche
Verlagsbuchhandlung und Carl ErnstPoeschel Verlag GmbH), 20. Auflage.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
97
Watson J. D., Witkowski J., Gilman M., Zoller M.: Recombinant DNA. New York 1992.
(Freeman and Company), 2nd Edition.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
98
Gentechnologie
Posten 7
Herstellen eineseigenen 'Gemüses'
Autor: Cyrill Arnet
1 Auftrag
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
Bearbeitungsdauer: 45'
Sozialform: Einzelarbeit
Vorkenntnisse: Keine speziellen erforderlich; Allfällige Fremdwörter sind im
Glossar bzw. im Theorieteil erklärt.
Vorkenntnisse aus anderen Werkstattposten:
Keine, dieser Posten kann für sich bearbeitet werden.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
Auftragsformulierung
Sozialform: Einzelarbeit
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:
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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...
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
102
Formale Antwortstruktur
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).
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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. ...
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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–/
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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 –\
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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?
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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?
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
109
Dokumentation
• Baufeld R., Küne E., Lohaus F., Meyer H., Schwarzbach A.: Unterrichtsmaterialien:
Gentechnologie Lichtenau & Göttingen 1992 (AOL-Verlag & Veralg DIE WERKSTATT),
S.16
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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:
Formale Antwortstruktur
• 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!)
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
113
Posten 8: Gentechnologie in der Praxis
Auftrag 1: Isolieren von DNA aus ZwiebelnKurzbeschreibung
Sie bekommen einen Zellextrakt aus Zwiebeln. Sie fällen die DNA aus!
Bearbeitungsdauer: 10 Minuten
Sozialform: 2er Gruppen
Vorkenntnisse: Keine
Vorkenntnisse aus anderen Werkstattposten:
Keine
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114
Posten 8 - Auftrag 1:
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
115
Auftragsformulierung
Sozialform: Arbeit in 2er Gruppen.
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!)
Formale Antwortstruktur
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.
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116
Posten 8: Gentechnologie in der Praxis
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.
Bearbeitungsdauer: 30 Minuten
Sozialform: 2er Gruppen
Vorkenntnisse: Keine
Vorkenntnisse aus anderen Werkstattposten:
Keine
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
Auftragsformulierung
Sozialform: Arbeit in 2er Gruppen.
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
120
Formale Antwortstruktur
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
121
Posten 8: Gentechnologie in der Praxis
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.
Bearbeitungsdauer: 20 Minuten
Sozialform: 2er Gruppen
Vorkenntnisse: Keine
Vorkenntnisse aus anderen Werkstattposten:
Keine
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
122
Posten 8 - Auftrag 3:
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:
Sozialform: Arbeit in 2er Gruppen.
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
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
123
des Experimentes und halten Sie ihr Ergebnis im Laborjounal fest.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
127
Materialien Posten 8:
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
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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:
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
Tabelle: Material für 25 Schüler
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
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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!
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
100 ml Ethanol (Technische Qualität)
Folgende Reserven stehen für jedes Zweierteam bereit:
1 Reagenzglas mit Aluminiumverschlossen und 1,5 ml Zweibelextrakt.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
Folgende Reserven stehen für jedes Zweierteam bereit:
1 Zündholzschachtelschieber
2 Büroklammern
25 ml 1M Kochsalzlösung
5 ml 0,25% ige Agarlösung
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
Tabelle: Material für 25 Schüler
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
+
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
2000 ml Destilliertes Wasser
100 ml destilliertes Wasser wie die
Calciumchloridlösung sterilisieren. Der Rest wird
für die Agarplatten gebraucht.
A/B Wochen
4 °C
-
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
+
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
-
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
-
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
Folgende Reserven stehen für jedes Zweierteam bereit:
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
Dokumentation Posten 8:
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:
Gentechnologie Lichtenau & Göttingen 1992 (AOL-Verlag & Veralg DIE WERKSTATT).
Watson J. D., Witkowski J., Gilman M., Zoller M.: Recombinant DNA. New York 1992.
(Freeman and Company), 2nd Edition.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
140
Gentechnologie
Posten 9
DieGentechnologie-
DiskussionAutor: Jakob Lindenmeyer
1 Auftrag
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
Vorkenntnisse: Keine speziellen erforderlich; Allfällige Fremdwörter sind im Glossar
bzw. im Theorieteil erklärt.
Vorkenntnisse aus andern Werkstattposten:
Keine, dieser Posten kann für sich bearbeitet werden.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
142
Posten 9 - Auftrag 1:
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.
Auftragsformulierung
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.
Formale Antwortstruktur
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
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
143
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
144
Anhang
Materialien Posten 9:
Liste mit Beispielargumenten:
Siehe nächste Seite.
Frey S. Brauchbar M.: Blickpunkt Gene. Egg/Zürich; 1994, (Schweizerisches
Jugendschriftenwerk).
Folie und Folienstift
Uhr
Dokumentation Posten 9:
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).
Frey S. Brauchbar M.: Blickpunkt Gene. Egg/Zürich; 1994, (Schweizerisches
Jugendschriftenwerk).
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
Jugendschriftenwerk).
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
145
Anhang
Anhang 1: Lehrer-Lernkontrolle/Test
Posten 1: Die Geschichte der Genetik
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
146
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
147
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
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
148
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
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
149
Antworten Posten 2 - Auftrag 3: Rekonstruktion von einem Stammbaum
Posten 3: Die Mendelschen Gesetze
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
150
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
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. (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:
Kreuzt man die Individuen der 1. Filialgeneration untereinander, so ist die F2-Generation
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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151
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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152
Posten 4: Mitose und Meiose
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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153
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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154
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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155
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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156
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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157
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
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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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159
Posten 8: Gentechnologie in der Praxis
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.
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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.
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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)
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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.
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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
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
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164
Tabelle: Material für 25 Schüler. Auftrag 2.
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
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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
1 Reagenzglasgestell
20 20 ml-Reagenzgläser
3 100 ml-Glasflasche mit Schraubverschluß
1 100 ml-Meßzylinder
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)
1 1000 ml-Meßzylinder
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
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166
Anhang 3: Zielebenenmodell
Posten 1: Die Geschichte der Genetik
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.
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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.
Operationalisierte Lernziele
• 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:
1. Dominant autosomaler Erbgang
2. Rezessiv autosomaler Erbgang
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.
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Posten 3: Die Mendelschen Gesetze
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.
Operationalisierte Lernziele
• 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.
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169
Posten 4: Mitose und Meiose
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.
Operationalisierte Lernziele
• 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.
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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.
Operationalisierte Lernziele
• 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.
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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.
Operationalisierte Lernziele
• Die Schüler und Schülerinnen können die Besonderheiten (Strukturen) und Aufgaben von
DNA und Proteinen beschreiben.
• Die Schüler können das Faltungsproblem beschreiben.
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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.
Operationalisierte Lernziele
• 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.
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173
Posten 8: Gentechnologie in der Praxis
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.
Operationalisierte Lernziele
• 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.
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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.
Operationalisierte Lernziele
• 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 .
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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).
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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).
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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.
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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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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.
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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.
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181
Grafik: Transkription (De Duve, S. 306.)
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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.
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183
Tabelle: Der genetische Code I - Der Einbuchstabencode.
Also: UUU = F, CCC = P, AUG= M und START etc.
Erste
Base
Zweite
Base
Dritte
Base
5´-Anfang U C A G 3´-Ende
U F S Z C U
F S Z C C
L S STOP STOP A
L S STOP W G
C L P H R U
L P H R C
L P Q R A
L P Q R G
A I T N S U
I T N S C
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
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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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
186
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.
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
187
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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188
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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189
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
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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!
ETH Institut für Verhaltenswissenschaft Werkstattunterricht: Genetik
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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192
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.
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• 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.
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• 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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:
Gentechnologie Lichtenau & Göttingen 1992 (AOL-Verlag & Veralg DIE WERKSTATT).
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)
Frey S. Brauchbar M.: Blickpunkt Gene. Egg/Zürich; 1994, (Schweizerisches
Jugendschriftenwerk).
Greenpeace: Gentechnologie. Zürich 1996 (Gentechnologie).
Knippers R., Philippsen P., Schäfer K.-P., Fanning E.: Molekulare Genetik. Stuttgart 1990
(Georg Thieme Verlag).
Knodel H., Bayrhuber H.: Linder Biologie. Stuttgart 1986 (J. B. Metzlersche
Verlagsbuchhandlung und Carl ErnstPoeschel Verlag GmbH), 20. Auflage.
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.
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).