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Die Mendelschen Regeln
Wer war Gregor Mendel?
Als der Augustinermönch Gregor Mendel (1822-1884) in den 60er
Jahren des 19. Jahrhu
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KLASSISCHE Die Mendelschen Regeln Wer war Gregor Mendel? Als der Augustinermönch Gregor Mendel (1822-1884) in den 60er Jahren des 19. Jahrhunderts im Klostergarten Brünn mit Erbsen experimentierte, ahnte er zu Lebzeizen nicht, welche Wichtigkeit seine Ergebnisse haben sollten. Die Mendelschen Regeln gehen alle auf Gregor Mendel zurück und legen dar, nach welchen Regelmäßigkeiten in einfachen Erbgängen die Merkmalsausprägung erfolgt. Während die Botaniker Correns und de Vries Anfangs des 20. Jahrhunderts ähnliche Beobachtungen bei Erbgängen machten, war Mendel bereits verstorben. So erkannte man erst posthum die Bedeutsamkeit seiner Veröffentlichungen und würdigte seine Arbeiten zumindest rückwirkend. Heute gilt er als Begründer der klassischen Genetik. Zusammenfassung Der Augustinermönch Gregor Mendel stieß bei Kreuzungsversuchen mit Erbsen auf allgemeine Gesetzmäßigkeiten der Vererbung GENETIK Vokabular der Klassischen Genetik Phänotyp: äußeres Erscheinungsbild eines Organismus. Das Erscheinungsbild wird stets vom Genotyp bestimmt Genotyp: gesamte genetische Ausstattung eines Organismus rezessives Merkmal: bezeichnet ein phänotypisch nicht auftretendes Merkmal, dieses ist aber dennoch im Genotyp vorhanden (Xy). Damit es Auftritt muss es reinergebig vorliegen (yy) dominantes Merkmal: phänotypisch auftretendes Merkmal, tritt sowohl bei einem reinerbigen- (XX), als auch mischerbigen (Xxy) Genotyp auf. Allel bezeichnet die verschiedenen Varianten/Ausprägungen eines Merkmals bzw. Gens homozygot beide Allele für eine bestimmtes Merkmal sind identisch (zB. AA oder aa) heterozygot: Allele für eine bestimmtes Merkmal unterscheiden sich (zB. Ab, Ba) Parentalgeneration Elterngeneration bzw. Ausgangsgruppe einer zu untersuchenden Erblinie Filialgeneration Nachfolgegeneration der Parentalgeneration monohybrider Erbgang: betrachtet nur ein Merkmal (z.B. Farbe) dihybrider Erbgang: betrachtet zwei Merkmale (zB. Farbe und Form)...

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uniformitätsresel (1. Mendeische Resel) Laut Uniformitätsregel sind die Nachkommen einer reinerbigen (homozygot = ww, RR) Parentalgeneration, die sich nur in einem Merkmal unterscheiden (als Beispiel Farbe -> eine Blume rot, die andere weiß), stets uniform. Bedeutet dementsprechend den selben Phänotyp zu haben. Bei dominant-rezessiven Erbgängen setzt sich nur ein Gen durch, in diesem Beispiel) ist die Farbe rot dominant. Der Genotyp der Filialgeneration besteht für jede Blume aus jeweils einem dominanten Gen R und einem rezessiven Gen w. Folglich setzt sich das dominante R durch und die Blumen werden beide rot. Im Falle eines intermediären Erbgangs würden alle Blumen der Filialgeneration eine Mischform ausbilden, da weder R noch w dominant wären. Zusammenfassung . Die Filialgeneration einer in einem Merkmal homozygoten Parentalgeneration, bildet stets nur einen uniformen Phänotyp aus. Dies gilt sowohl bei intermediären- als auch bei dominant- rezessiven Erbgängen. Spaltungsresel (2. Mendeische Resed Die Spaltungsregel besagt, dass sich im Falle einer gleichartig heterozygoten Parentalgeneration (beide Blumen mit wR), die Filialgeneration in unterschiedliche Phänotypen aufspaltet. Bei dominant-rezessiven Erbgängen zeigen 3/4 der Blumen den Phänotyp des dominanten Gens (R). Denn jede Blume die mindestens ein dominantes (R) Gen trägt, wird einen rotes Erscheinungsbild besitzen. Dies gilt für die eine reinerbige (RR), wie auch für die beiden mischerbigen (Rw) Blumen. 1/4 der Blumen prägt dagegen den Phänotyp des rezessive Gens (w) aus. Bei der Kreuzung von zwei heterozygoten Blumen kommt es nämlich auch zur Kombination der rezessiven Gene (w) und (w) und somit zu einer weißen Blumen (ww). Während sich der Phänotyp im Verhältnis 3 (rote) zu I (weiße) ausbildet, besitzt der Genotyp ein Verhältnis von I (homozygot rot) zu 2 (heterozygot rot) zu I (homozygot weiß). Intermediäre Erbgänge unterscheiden sich bei der phänotypischen Merkmalsausprägung insoweit nur von den dominant-rezessiven Erbgängen, als dass heterozygote Blumen die Mischfarbe erhalten. Damit erhält man ein Verhältnis von I (homozygot rot) zu 2 (heterozygot pink) zu I (homozygot weiß). Zusammenfassung Die Filialgeneration einer heterozygoten Parentalgeneration mit identischer Merkmalsausprägung (gleiche Farbe) spaltet sich in unterschiedliche Phänotypen auf unabhängigkeitsresel (3. Mendeische Resel) Nach der Unabhängigkeitsregel werden zwei (dihybrider Erbgang!) unterschiedliche Merkmale (Schwanzlänge und Fellfarbe) bei Kreuzung einer reinerbigen Parentalgeneration unabhängig voneinander vererbt. Die Merkmale sind frei miteinander kombinierbar. Außerdem treten ab der F2-Generation neue Merkmalskombinationen auf. Im folgenden Beispiel unterscheiden sich die beiden Individuen der Parentalgeneration sowohl im Hinblick auf Schwanzlänge und Haarfarbe. Übersicht der Merkmale: S = kurzer Schwanz S = langer Schwanz B = braunes Fell b = weißes Fell In der Fl-Generation setzen sich die dominanten Allele jeweils durch, sodass vier braune Katzen mit kurzem Schwanz auftreten. Bereits in der F2 Generation wurden alle Merkmale miteinander kombiniert und es treten sogar ganz neue Phänotypen auf. Zusammenfassung . . Unterschiedliche Merkmale werden unabhängig voneinander vererbt Ab der F2-Generation kommt es zur Neukombination von Merkmalsausprägungen Intermediäre Vererbung Erbgänge mit Bezug auf den Zusammenhang von Genotyp und Phänotyp lassen sich in drei verschiedenen Formen klassifizieren. Dabei wird zwischen dominant-rezessiven, kodominanten und intermediären Erbgängen unterschieden. Während bei dominant-rezessiven Erbgängen immer nur ein Merkmal-, und bei kodominanten Erbgängen beide Merkmale im Phänotyp in Erscheinung treten, zeichnen sich intermediäre Erbgänge durch eine Mischform beider Allele aus. Bedeutet im konkreten Fall, dass weder das eine, noch das andere Allel in der ersten Filialgeneration phänotypisch auftritt. Dies wird im folgenden Beispiel deutlich: Bei der Kreuzung von zwei verschiedenfarbigen Blumen (weiß und rot) mit intermediärem Erbgang, kommt es in der ersten Filialgeneration (FI- Generation) durchweg zu einer neuen rosafarbenen Zwischenform. Zusammenfassung Bei intermediärer Vererbung bzw. einem intermediären Erbgang kommt es zu einer gemischten Merkmalsausprägung von mindestens zwei unterschiedlichen Allelen. . Denkt man dieses Beispiel weiter, käme es in der zweiten Filialgeneration (F2- Generation) dann im Sinne der Spaltungsregel im Verhältnis I (homozygot rot) zu 2 (heterozygot rosa) zu I (homozygot weiß) zu einem Auftreten aller drei Phänotypen. Übrigens: Der Begriff der Intermediären Vererbung leitet sich aus dem lateinischen ab (lat: inter = zwischen; medius = liegen;) und bedeutet soviel wie "dazwischenliegend". . Kreuzt man in einem intermediären Erbgang zwei verschiedenfarbene Blumen, weisen in der Fl-Generation alle Blumen die Mischform auf. In der F2-Generation treten alle drei Phänotypen im Verhältnis 1:2:1 auf. Stammbaumanalyse Zur Stammbaumanalyse durch einen Genetiker kommt es immer dann, wenn in einer Familie der Kinderwunsch aufkommt, aber in der Vergangenheit vermehrt Erbkrankheiten aufgetreten sind. Mit einem genetischen Stammbaum ist die Einschätzung und etwaige Eingrenzung der Risiken möglich. Doch vorweg zunächst einiges an Basiswissen: Der Mensch besitzt insgesamt 46 Chromosomen. Durch die Befruchtung von Ei- und Samenzelle wird aus zwei haploiden (2 x 23) Chromosomensätzen von Mutter und Vater ein diploider Chromosomensatz (46). Dementsprechend liegt in jeder Zelle, abgesehen von den Keimzellen, jedes Chromosom in zwei Varianten vor. Einmal von der Mutter, sowie einmal vom Vater. Man spricht dabei auch von homologen Chromosomen (Chromosomenpaare 1. bis 22.), weil sie die gleichen Gene tragen. Eine Ausnahme hiervon bilden die Geschlechtschromosomen (Chromosomenpaar 23.), auch unter dem Fachbegriff der heterologen Chromosomen (Chromosomenpaar 23.) bekannt. Sie bestimmen, ob wir genetisch Mann (XY) oder Frau (XX) sind. Ob sich bestimmte Erbkrankheiten ausprägen oder nicht, liegt an den gespeicherten Geninformationen auf den einzelnen Chromosomen. Wie und Was im Einzelnen zur Ausprägung führt, wird sich im Laufe dieses Lernmoduls noch von deutlich werden. Bei der Stammbaumanalyse geht es im Wesentlichen um zwei Fragen: 1. Wird das zu untersuchende Merkmal (also die Erbkrankheit) über die Autosomen (Chromosomenpaare I bis 22) oder die Gonosomen (Geschlechtschromosomen XX bzw. XY) vererbt? 2. Liegt ein dominanter- oder ein rezessiver Erbgang vor? Bei dominanten Erbgängen reicht ein dominantes Allel (entweder von der Mutter oder vom Vater) für die Ausbildung der Krankheit (Aa oder AA). Dagegen müssen bei rezessiven Erbgängen beide Allele identisch sein (aa), damit es zur Merkmalsausbildung kommt. Daraus ergeben sich jetzt fünf verschiedene Kombinationen Erbgängen, die im folgenden alle anhand eines beispielhaften Stammbaums erläutert werden. Autosomal-dominanter Erbgang Autosomal-rezessiver Erbgang X-chromosomal-dominanter Erbgang (Gonosomal) X-chromosomal-rezessiver Erbgang (Gonosomal) Y-chromosomaler Erbgang (Gonosomal) Grundvokabular und Visualisierung Biologisches Fachvokabular zum präzisen Ausdruck ist unerlässlich. Daher zu Beginn Standartvokabular aus der klassischen Genetik: Phänotyp: äußeres Erscheinungsbild eines Organismus. Das Erscheinungsbild wird stets vom Genotyp bestimmt. Im Falle der Stammbaumanalyse ist der Phänotyp gleichbedeutend mit der Ausprägung der Krankheit des jeweiligen Erbgangs. Genotyp: gesamte genetische Ausstattung eines Organismus. Für die Stammbaumanalyse werden pro Erbgang immer nur zwei entsprechenden homologe Chromosomen betrachtet, die für die Ausprägung der Krankheit verantwortlich sind. Bei autosomalen Erbgängen werden die Variabeln A und a (stellvertretend für dominant und rezessiv), bei gonosomalen Erbgängen die Variabeln X und Y (stellvertretend für die Chromosomen) benutzt. Allel bezeichnet die verschiedenen Varianten/Ausprägungen eines Merkmals bzw. Gens rezessives Merkmal: wird innerhalb der Stammbaumanalyse mit der Variable "a" dargestellt. dominantes Merkmal: wird innerhalb der Stammbaumanalyse mit der Variable "A" dargestellt. homozygot beide Allele sind identisch (entweder AA oder aa) heterozygot beide Allele unterscheiden sich (zB. Aa) Stammbäume werden einheitlich visualisiert: Kreis (mit Farbe) = Frau (mit Erbkrankheit) Viereck (mit Farbe) = Mann (mit Erbkrankheit) Kreis mit Punkt = Konduktorin (Überträgerin) Erbgänge Autosomal-dominante vererbung Für die Ausprägung des Merkmals in einem autosomal-dominanten Erbgang muss mindestens ein dominantes Allel (A) im Genotyp auftauchen. AA AA Aa Aa Aa Aa 13 (1) und (2) sind homozygot bzw. neterozygot für das entsprechende Merkmal, demnach sind sie beide erkrankt. Ihre Kinder (5) und (6) können wegen der Mutter (1) nur Merkmalsträger sein. Sie vererbt immer mindestens ein dominantes Allel, sodass der Genotyp des Vaters keine Rolle spielt. Dagegen können die Kinder von (3) und (4) durchaus gesund sein, da die Mutter (3) zwei Gesunde Allele besitzt, und der Vater (4) ein gesundes Allel. Solange das dominante Allel des Vaters (4) außen vor bleibt, werden gesunde Kinder immer homozygot (aa -> 7 + 9) und kranke heterozygot (Aa -> 8) sein. Innerhalb eines autosomal-dominanten Erbgangs sind alle gesunden Personen genotypisch immer eindeutig mit (aa) bestimmbar! Demzufolge sind die Kinder der Eltern (9) und (10) auch ausnahmslos gesund, denn wenn kein Elterteil das Merkmal in sich trägt, kann es auch nicht vererbt werden. Bei den Nachkommen von (6) und (7) entscheidet wieder der Zufall, ob sie Merkmalsträger sind oder nicht. Entweder vererbt der Vater (6) das dominante-, oder das rezessive Gen. Im ersten Fall ist das Kind erkrankt (11), im zweiten Fall homozygot gesund (12). Was deutet auf einen autosomal-dominanten Erbgang hin? Fast in jeder Generation finden sich Merkmalsträger Frauen wie Männer sind in einem ähnlichen Verhältnis betroffen Ist ein Kind für das Merkmal positiv, ist es auch ein Elternteil Beispiele für Autosomal-dominante Erbgänge: Chorea Huntington, Marfan- Syndrom, Neurofibromatose, Polydaktylie (Vielfingerigkeit) Autosomal-rezessive vererbung Damit es in einem autosomal-rezessiven Erbgang zu einer Merkmalsausprägung kommt, müssen beide rezessiven Allele homozygot (aa) vorliegen. Mutter (1) und Vater (2) sind phänotypisch gesund. Dennoch tragen sie beide das rezessive (a) Allel in sich. Ihre Nachkommen erkranken nur, wenn sie von beiden Elterteilen das rezessive Gen weitervererbt bekommen (6). Solange mindestens ein dominantes entweder von Mutter oder Vater, vererbt wird, ist das Kind phänotypisch gesund (5). Bei direkten Nachkommen von (3) und (4) wird die Erbkrankheit ohne Ausnahme nicht auftreten. Denn der Genotyp der Mutter (3) erweist sich als homozygot gesund, sodass im Genotyp der Kinder immer mindestens ein (A) vorhanden sein wird. Sowohl bei den Eltern (6) und (1), als auch (8) und (9) besteht die Gefahr einer Weitervererbung. Die Wahrscheinlichkeit dafür ist bei (6) und (7) aber höher, denn Mutter (6) wird im Gegensatz zu Vater (8) auf jeden Fall ein rezessives Allel weitervererben. Bei (8) besteht noch die Möglichkeit einer Weitervererbung des dominanten Allels (A). Was deutet auf einen autosomal-rezessiven Erbgang hin? Nicht in jeder Generation finden sich Merkmalsträger Frauen wie Männer sind in einem ähnlichen Verhältnis betroffen Eltern können gesund sein, während ihre Kinder Merkmalsträger sind Beispiele für Autosomal-rezessive Erbgänge: Albinismus, Mukoviszidose, Kretinismus, Sichelzellanämie X-Chromosomal-dominante vererbuns (Gonosomal) Im Unterschied zu autosomalen Erbgängen werden bei gonosomalen Erbgängen die Merkmale über die Geschlechtschromosomen vererbt. Daher benutzt man praktischerweise als Variabeln direkt die Chromosomen X (dominant),x (rezessiv) und Y (in diesem Erbgang bei der Vererbung ohne Bedeutung). Xx Aufgrund der Tatsache das Männer lediglich ein X-Chromosom besitzen, ist ihr Genotyp bei X-chromosomal-dominanten Erbgängen immer eindeutig. Entweder sie besitzen ein rezessives Allel und sind gesund (XY), oder sie besitzen ein dominantes Allel und sind krank (XY). Die Töchter eines Vaters mit Merkmalsausprägung werden phänotypisch immer die Krankheit ausbilden, denn sie erhalten in jedem Fall das dominante X-Chromosom. Im Stammbaum ist das an Vater (7) und seinen Töchtern (10) und (11) erkennbar. Bei der heterozygoten Mutter (1) und dem gesunden Vater (2) entscheidet abermals der Zufall der Chromosomenverteilung, ob es zur Merkmalsausprägung kommt (5 und 7) oder nicht (6). Demnach sind auch phänotypisch gesunde Töchter immer zweifelsfrei genotypisch bestimmtbar (xx). Eltern (3) und (4) sind dagegen für die Erbkrankheit unbedeutend. Wie schon bei den autosomal-dominanten Erbgängen gilt: Nicht vorhandene Merkmale können auch nicht vererbt werden. Was deutet auf einen X-gonosomal-dominanten Erbgang hin? In fast jeder Generation finden sich Merkmalssträger Frauen wie Männer sind betroffen, erstere idk häufiger Ist der Vater Merkmalsträger, so sind es alle seine Töchter ebenfalls Beispiele für X-gonosomal-dominante Erbgänge: Alport-Syndrom, Vitamin-D-resistente Rachitis X-Chromosomal-rezessive vererbung (Gonosomal) Xx Xx XY Wie auch schon beim X-chromosomal-dominanten Erbgang, sind Männer beim X-chromosomal-rezessiven Erbgang immer eindeutig hinsichtlich ihres Genotyps und Phänotyps zu bestimmen. Entweder sie besitzen ein rezessives Allel und sind krank (xY), oder sie besitzen ein dominantes Allel und sind gesund (XY). Innerhalb dieses Erbgangs fungieren Frauen als Konduktorinnen, daher übertragen sie das rezessive Allel (x), ohne selbst von der Erbkrankheit betroffen zu sein (Xx). Frauen können im Gegensatz zu Männern das rezessive (kranke) Gen durch ein dominantes (gesundes) Gen ausgleichen, wodurch es nicht zur Ausprägung des Merkmals kommt. Deshalb sind in X-chromosomal-rezessiven Erbgängen deutlich mehr Männer betroffen. Im vorliegenden Stammbaum sind (1), (3) und (6) Konduktorinnen der Erbkrankheit. Der Zufall entscheidet erneut über die Chromosomenverteilung der Nachkommen. Wegen ihres dominanten Allels sind (unabhängig des Genotyps des Vaters) sowohl gesunde (8), als auch kranke (10,11) Kinder möglich. Einen Unterschied gibt es lediglich hinsichtlich der Wahrscheinlichkeit für eine Ausprägung des Merkmals, denn ein gesunder Vater (7) vererbt im Gegensatz zu einem kranken Vater (4) nur dominante Allele (die eine Ausprägung verhindern). Doch auch Frauen können erkranken (9). Nämlich dann, wenn die Mutter Konduktorin (3), und der Vater (4) selbst Träger der Erbkrankheit ist. Was deutet auf einen X-gonosomal-rezessiven Erbgang hin? Überwiegend sind Männer die Merkmalsträger Frauen als Konduktorinnen, ohne selbst betroffen zu sein Frauen sind nur betroffen, wenn Vater betroffen und Mutter Konduktorin Beispiele für X-gonosomal-rezessive Erbgänge: Hämophilie (Bluterkrankheit), Rot-Grün-Blindheit