DNA Replikation

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Die Replikation beschreibt die Verdopplung der DNA, die zur Weitergabe der Erbinformation notwendig ist. Dabei werden aus einem DNA-Doppelstrang zwei neue DoppelstrĂ€nge, die jeweils aus einem „alten“ und einem „neuen“ Einzelstrang bestehen. 


  • Kurz gesagt lĂ€uft die Replikation folgendermaßen ab: das Enzym Helicase trennt die beiden EinzelstrĂ€nge voneinander


  • es lagern sich Nukleotide mit komplementĂ€ren Basen an, die dann durch die DNA-Polymerase miteinander verknĂŒpft werden. Somit werden neue EinzelstrĂ€nge synthetisiert. 


  • Am „alten“ Einzelstrang in 3‘ →  5‘-Richtung („Leitstrang“) passiert dies kontinuierlich. Am Einzelstrang in 5‘ →  3‘-Richtung („Folgestrang“) lĂ€uft die Synthese diskontinuierlich ab, da die DNA-Polymerase den Strang nur in 3‘ →  5‘-Richtung ablesen kann. In diesem Fall entstehen Okazaki-Fragmente, die durch das Enzym Ligase miteinander verbunden werden.



Was ist die Replikation der DNA?


Damit die genetische Information wÀhrend der Mitose von der Mutterzelle an die Tochterzellen weitergegeben werden kann, muss sie erst vervielfÀltigt werden. Den Vorgang der Verdopplung der DNA nennt man Replikation. Genauer gesagt spricht man von der semikonservativen Replikation der DNA. Hierbei spielt die der doppelstrÀngige Aufbau der DNA eine wichtige Rolle. 


Bei der Replikation werden die beiden EinzelstrĂ€nge der DNA voneinander getrennt. An den Basen der EinzelstrĂ€nge lagern sich dann Nukleotide mit den entsprechenden komplementĂ€ren Basen an. So entstehen zwei neue DoppelstrĂ€nge, die jeweils aus einem „alten“ und einem neuen Einzelstrang bestehen. Wie das genau funktioniert, erfĂ€hrst du in diesem Artikel.






Abb. 1: Das Prinzip der semikonservativen Replikation

aus: STARK: Abitur-Training - Biologie Band 1, S. 67



Wie sieht der Ablauf der DNA Replikation aus?


Die Replikation der DNA kann grob in drei Schritte eingeteilt werden: Zuerst wird der DNA-Doppelstrang entspiralisiert und geöffnet. Dann werden die beiden EinzelstrÀnge ergÀnzt und bilden so neue DoppelstrÀnge. Dabei lÀuft die ErgÀnzung bei beiden EinzelstrÀngen unterschiedlich ab. Warum das so ist, erklÀren wir dir im Folgenden.



1. Entspiralisieren und Öffnen des DNA-Doppelstrangs


Das Enzym Helicase spielt eine wichtige Rolle bei der Replikation der DNA. Sie entspiralisiert die DNA-Doppelhelix und trennt die beiden StrĂ€nge voneinander. Bildlich kannst du dir diesen Vorgang wie einen Reißverschluss vorstellen: Unter Verbrauch von ATP „gleitet“ die Helicase den Doppelstrang entlang und trennt ihn schrittweise auf. Den aufgeteilten Bereich der DNA nennt man Replikationsgabel. Es lagern sich Proteine an die getrennten Abschnitte der DNA. Diese verhindern, dass sich die EinzelstrĂ€nge wieder verbinden oder von DNA-spaltenden Enzymen angegriffen werden. 


2. ErgĂ€nzen des Einzelstrangs mit dem 3‘-Ende


Das Enzym Primase synthetisiert einen sogenannten Primer am DNA-Einzelstrang. Dieses aus wenigen Nukleotiden bestehendes DNA-StĂŒck dient als Startsequenz. Es markiert die Stelle, an der die Synthese des neuen Einzelstrangs beginnen kann. Die Bausteine fĂŒr den neuen Einzelstrang sind Nukleosidtriphosphate: Adenosintriphosphat (ATP), Guanosintriphosphat (GTP), Cytidintriphosphat (CTP) und Thymidintriphosphat (TTP). Sie lagern sich an den vorhandenen Einzelstrang an, immer in komplementĂ€rer Basenpaarung. Das Enzym DNA-Polymerase verknĂŒpft die Nukleotide miteinander. 


Dabei wird die Phosphatgruppe eines Nukleotids mit der Desoxyribose des vorhergehenden Nukleotids verknĂŒpft, der Einzelstrang wird also an seinem 3‘-Ende verlĂ€ngert. Durch Abspaltung von zwei Phosphatgruppen des Triphosphates wird die fĂŒr diesen Vorgang notwendige Energie aufgebracht.


Somit liest die DNA-Polymerase den bestehenden Einzelstrang vom 3‘-Ende zum 5‘-Ende ab. Sie bewegt sich also in die gleiche Richtung wie die Helicase. Die ErgĂ€nzung des Einzelstrangs zum Doppelstrang lĂ€uft damit kontinuierlich ab. Warum das so wichtig ist, erfĂ€hrst du im nĂ€chsten Abschnitt.



3. ErgĂ€nzen des Einzelstrangs mit dem 5‘-Ende


Die DNA-Polymerase kann den Einzelstrang nur vom 3‘-Ende zum 5‘-Ende ablesen, nicht in die andere Richtung. Somit kann der zweite Einzelstrang nicht kontinuierlich ergĂ€nzt werden. Die ErgĂ€nzung erfolgt in diesem Fall diskontinuierlich, also abschnittsweise. Die DNA-Polymerase wandert in die entgegengesetzte Richtung der Helicase. Ist ein ausreichend langer Abschnitt des Doppelstrangs getrennt, ergĂ€nzt ihn die DNA-Polymerase bis zum nĂ€chsten bereits ergĂ€nzten Abschnitt oder zum 5‘-Ende. Auch hierbei mĂŒssen zuerst Primer synthetisiert werden. Die so entstehenden Abschnitte werden Okazaki-Fragmente genannt. Das Enzym DNA-Ligase verknĂŒpft schließlich unter Energieverbrauch die Okazaki-Fragmente miteinander.



Abb. 2: Semikonservative Replikation der DNA (Primer nicht dargestellt)

aus: STARK: Abitur-Training - Biologie Band 1, S. 67


Durch diese drei Schritte wird die DNA repliziert. Beim Menschen lĂ€uft die Replikation mit einer Geschwindigkeit von circa 50 Nukleotiden pro Sekunde ab. Dabei ist die Replikation sehr genau: Pro 106 bis 108 eingebauten Nukleotiden findet sich ein Fehler, also ein falsches Nukleotid. Ein Fehler dieser Art bei der DNA Replikation kann zu Mutationen fĂŒhren. Allerdings gibt es in der Zelle verschiedene Reparaturmechanismen, die Fehler bei der Replikation korrigieren können. Mehr zu Mutationen und den Reparatursystemen findest du hier. 



FERTIG! Jetzt kennst du die DNA Replikation und ihren Ablauf. Weitere Artikel zur Genetik und zu vielen anderen Themen, hilfreiche Literatur sowie Übungsaufgaben findest du auf StudySmarter.






Finales DNA Replikation Quiz

Frage

Was befindet sich in fast allen eukaryotischen somatischen Zellen und Keimzellen?

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Antwort

Mitochondrien

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Frage

Welche der folgenden Konstellationen stellt eine lebensfÀhige Monosomie des Menschen dar?

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Antwort

45, Y0

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Frage

Was bedeutet Molekulargenetik?

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Antwort

Genetik auf molekularer und biochemischer Ebene.

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Frage

Nenne fĂŒnf Eigenschaften des genetischen Codes

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Antwort

Der genetische Code ist 
 

  • ein Triplettcode: Immer drei Nukleotide codieren eine AminosĂ€ure. 
  • kommafrei: Keine Trennzeichen am Anfang oder Ende eines Tripletts. 
  • ĂŒberlappungsfrei: Keine Überschneidungen zwischen den Tripletts. 
  • degeneriert: Mehrere Tripletts codieren die gleiche AminosĂ€ure. 
  • universell: Bei fast allen Organismen identisch.
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Frage

Beschreibe die Struktur der RNA


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Antwort

RNA-MolekĂŒle 
 

  • sind viel kĂŒrzer als DNA-MolekĂŒle. 
  • liegen als EinzelstrĂ€nge vor. 
  • können sich abschnittsweise mit sich selbst paaren ⇒ schlaufenartige SekundĂ€rstrukturen. 
  • enthalten die Base Uracil (U) statt der Base Thymin.
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Frage

Beschreibe die zwei Schritte der Realisierung der genetischen Information

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Antwort

  • Transkription: Übertragung der Basensequenz der Gene (DNA-Abschnitte) in die Basensequenz einer Boten-Nuklein- sĂ€ure → messenger-RNA (mRNA). 
  • Translation: Übersetzung der Basensequenz der mRNA in die AminosĂ€uresequenz eines Polypeptids (Protein).
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Frage

Wie funktioniert die Genregulation durch Substratinduktion?

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Antwort

Das Repressorprotein wird in der aktiven Form gebildet, bindet an den Operator und verhindert die Transkription der Strukturgene ⇒ Gene „abgeschaltet“. 

Der abzubauende Stoff (Substrat) inaktiviert das Repressorprotein, so- dass es sich vom Operator löst ⇒ Transkription der Gene beginnt ⇒ Substrat wird durch Genprodukt (Enzym) abgebaut.

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Frage

Wie funktioniert die Genregulation durch Endproduktrepression?

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Antwort

Das Repressorprotein wird in der inaktiven Form gebildet und kann sich somit nicht an den Operator binden ⇒ Gene „eingeschaltet“. 

Das Endprodukt, das mithilfe des Genprodukts (Enzym) gebildet wird, aktiviert das Repressorprotein. Dieses bindet an den Operator ⇒ Transkription der Gene stoppt. 


Ein Beispiel fĂŒr die Endproduktrepression ist die Einstellung der Synthese der AminosĂ€ure Tryptophan bei E. coli.

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Frage

Was bedeutet Mutation?

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Antwort

Nicht zielgerichtete, dauerhafte VerÀnderung des Erbguts.

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Frage

Was bedeutet Spontanmutation?

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Antwort

Plötzlich und ohne Ă€ußere Ursachen eintretende Mutation (z. B. Replikationsfehler).

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Frage

Was bedeutet Induzierte Mutation?

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Antwort

Durch Chemikalien oder energiereiche Strahlung (z. B. UV-, Röntgen-, γ-Strahlen) ausgelöste Mutation.

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Frage

Welche Arten von Mutationen gibt es und was sind ihre Folgen?

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Antwort

  • Genommutationen (numerische Chromosomenaberrationen) verĂ€ndern die Anzahl der Chromosomen pro Zelle (Aneu-, Euploidie).
  • Chromosomenmutationen (strukturelle Chromosomenaberrationen) fĂŒhren zu verĂ€nderter Chromosomenstruktur. 
    • Deletion: Verlust eines ChromosomenstĂŒcks.
    • Translokation: Umlagerung eines ChromosomenstĂŒcks auf ein anderes Chromosom. 
  • Genmutationen betreffen die Basensequenz der DNA: 
    • Punktmutation: Austausch einer Base durch eine andere Base. 
    • Rastermutation: Einschub oder Verlust einer Base fĂŒhrt zu einer Verschiebung des Leserasters bei der Proteinbiosynthese.


Mutationen haben in den meisten FĂ€llen negative  Auswirkungen. Andererseits sind spontane Genmutationen die Grundlage der genetischen Vielfalt und damit eine wichtige Voraussetzung fĂŒr die Evolution der Lebewesen.

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Frage

Was sind DNA-Reparatursysteme und welche Mechanismen gibt es?

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Antwort

Mithilfe von DNA-Reparatursystemen lĂ€sst sich ein Teil der Genmutationen beheben. FĂŒr die Erkennung und Beseitigung der Fehler gibt es spezielle Reparaturenzyme. 


Reparaturmechanismen: 

  • Fotoreaktivierung 
  • Postreplikations-Reparatur 
  • Exzisions-Reparatur 
  • SOS-Reparatur
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Frage

Wie lÀuft die Mitose ab?

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Antwort

‱ Prophase

‱ Metaphase

‱ Anaphase

‱ Telophase

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Frage

Was passiert bei der Telophase?

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Antwort

  • Einchromatid-Chromosomen beginnen sich zu entspiralisieren.
  • Spindelfaserapparat wird abgebaut. 
  • Zellplasma wird durch Einziehen einer Zellmembran geteilt. 
  • Kernmembran und Kernkörperchen bilden sich.
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Frage

Welche Aufgaben haben die NukleinsÀuren (DNA/RNA) als TrÀger der genetischen Information?

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Antwort

  • Informationsspeicherung => Aufbau der NukleinsĂ€uren
  • Kopieren => identische Replikation
  • Abrufen => Proteinbiosynthese
  • VerĂ€nderung => Mutationen, Reparatur
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Frage

Was ist ein Nukleotid?

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Antwort

Eine Einheit aus ZuckermolekĂŒl, Phosphatrest und Base.

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Frage

Was ist ein Polynukleotidstrang?

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Antwort

Viele Nukleotide (Monomere) sind zu einer langen Kette (Polymer) verknĂŒpft.

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Frage

Was wird in der Abfolge der Basen eines Polynukleotidstrangs gespeichert?

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Antwort

Der genetische Code

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Frage

Wie kann ein genetischer Code aufgebaut sein?

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Antwort

  1. Triplettcode: Immer drei Nukleotide codieren eine AminosÀure.
  2. kommafrei: Keine Trennzeichen am Anfang oder Ende eines Tripletts.
  3. ĂŒberlappungsfrei: Keine Überschneidungen zwischen den Tripletts.
  4. degeneriert: Mehrere Tripletts codieren die gleiche AminosÀure.
  5. universell: Bei fast allen Organismen identisch.
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Frage

Wie ist die RNA strukturiert?

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Antwort

  • sind viel kĂŒrzer als DNA-MolekĂŒle.
  • liegen als EinzelstrĂ€nge vor.
  • können sich abschnittsweise mit sich selbst paaren ⇒ schlaufenartige SekundĂ€rstrukturen.
  • enthalten die Base Uracil (U) statt der Base Thymin.
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Frage

Was versteht man unter dem semikonservativen Mechanismus der Replikation?

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Antwort

Der DNA-Doppelstrang teilt sich reißverschlussartig in zwei LĂ€ngshĂ€lften, die jeweils mit Nukleotiden zu zwei DNA-DoppelstrĂ€ngen ergĂ€nzt werden

⇒ In den neu gebildeten DNA-StrĂ€ngen bleibt jeweils die HĂ€lfte („semi“) der Ausgangs-DNA erhalten („konserviert“).

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Frage

Durch welche zwei Schritte erfolgt die Realisierung der genetischen Information?

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Antwort

‱ Transkription: Übertragung der Basensequenz der Gene (DNA-Ab

schnitte) in die Basensequenz einer Boten-NukleinsĂ€ure → messenger-RNA (mRNA).

‱ Translation: Übersetzung der Basensequenz der mRNA in die

AminosÀuresequenz eines Polypeptids (Protein).

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Frage

Was ist die Proteinbiosynthese?

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Antwort

Die Realisierung der genetischen Information.

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Frage

Wie funktioniert die Proteinbiosynthese bei Eukaryoten?

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Antwort

‱ Eukaryotengene setzen sich aus Exons (kodierende Abschnitte) und

Introns (nicht kodierende Abschnitte) zusammen (Mosaikgene).

‱ Bei der Transkription entstehende prĂ€-mRNA muss Reifungsprozess (Prozessierung) zur fertigen mRNA durchlaufen. Dabei werden Intronabschnitte der prĂ€-mRNA herausgeschnitten ⇒ mRNA

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Frage

Kann die GenaktivitÀt reguliert werden?

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Antwort

Ja.

Bestimmte Gene werden bei Bedarf an- oder abgeschaltet.

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Frage

Wie funktioniert die Genregulation durch Endproduktrepression?

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Antwort

Das Repressorprotein wird in der inaktiven Form gebildet und kann sich somit nicht an den Operator binden ⇒ Gene „eingeschaltet“.

Das Endprodukt, das mithilfe des Genprodukts (Enzym) gebildet wird,

aktiviert das Repressorprotein. Dieses bindet an den Operator ⇒ Transkription der Gene stoppt.


Beispiel: Einstellung der Synthese der AminosÀure Tryptophan bei E. coli.

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Frage

Welche Ursachen und Folgen von Genmutationen gibt es?

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Antwort

Mutation: Nicht zielgerichtete, dauerhafte VerÀnderung des Erbguts.

Spontanmutation: Plötzlich und ohne Ă€ußere Ursachen eintretende Mutation (z. B. Replikationsfehler).

Induzierte Mutation: Durch Chemikalien oder energiereiche Strahlung (z. B. UV-, Röntgen-, γ-Strahlen) ausgelöste Mutation.

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Frage

Wie wird die Blutgruppe beim Menschen vererbt?

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Antwort

Die Blutgruppensysteme des Menschen werden monogen vererbt. Der Vererbungsmodus entspricht den Mendelschen Regeln fĂŒr einen dominant-rezessiven Erbgang.

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Frage

Welche Blutgruppensysteme gibt es?

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Antwort

  • Das AB0-System
  • Das Rhesus-System
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Frage

Was gibt der Genotyp beim AB0-System an?

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Antwort

Durch Mutation eines Gens sind drei Allele entstanden: 

Allele A, B und 0 → multiple Allelie (mehr als zwei Allele).

Mögliche Genotypen: AA, A0, BB, B0, 00, AB

Die Allele A und B sind jeweils dominant ĂŒber Allel 0. Beim Genotyp AB verhalten sich die Allele A und B kodominant.

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Frage

Was gibt der PhÀnotyp beim AB0-System an?

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Antwort

Die Allele A und B fĂŒhren zur Ausbildung bestimmter Eiweißstrukturen auf der Zellmembran der roten Blutkörperchen → Antigene A und B. Beim Genotyp AB werden sowohl die Antigene A als auch B gebildet (Kodominanz). Beim Genotyp 00 erfolgt keine Antigenbildung.

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Frage

Welche Blutgruppe muss der Vater haben, wenn das Kind die Blutgruppe B und den Genotypen B0 hat und die Mutter Blutgruppe A und Genotyp A0 hat?

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Antwort

  • mögliche Blutgruppen: B, AB
  • ausgeschlossene Blutgruppen: 0, A
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Frage

Wie ist der Genotyp im Rhesus-System aufgebaut?

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Antwort

Allel D (dominant) und Allel d (rezessiv)

⇒ mögliche Genotypen: DD, Dd, dd

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Frage

Wie ist der PhÀnotyp im Rhesus-System aufgebaut?

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Antwort

Allel D fĂŒhrt zur Bildung von Antigenen D auf den roten Blutkörperchen ⇒ Blutgruppe Rhesuspositiv bei Genotyp DD

und Dd, Blutgruppe Rhesusnegativ bei Genotyp dd (keine Antigen-

bildung).

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Frage

Welche Besonderheit gibt es im Rhesus-System?

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Antwort

Antikörperbildung bei einem rhesusnegativen Menschen wird erst ausgelöst, wenn ihm rhesuspositives Blut (mit Antigen D) ĂŒbertragen wird (Sensibilisierung).

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Frage

Welche ErbgÀnge von Erbkrankheiten beim Menschen gibt es?

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Antwort

  • Autosomal-dominante Erbleiden
  • Autosomal-rezessive Erbleiden
  • Gonosomal-rezessive Erbleiden
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Frage

Welche Tests bzw. Analysen können ein mögliches Auftreten einer Erbkrankheit voraussagen?

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Antwort

  • Stammbaumanalyse
  • Heterozygotentest
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Frage

Was sagt uns die Stammbaumanalyse?

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Antwort

Eine Stammbaumanalyse ermöglicht Wahrscheinlichkeitsaussagen ĂŒber das Auftreten einer Erbkrankheit bei den Nachkommen.


Bei einem autosomal-rezessiven Erbleiden sind die Nachkommen

eines phÀnotypisch gesunden, heterozygoten Elternpaars mit einer

Wahrscheinlichkeit von 75 % phÀnotypisch gesund (50 % sind Konduktoren) und mit einer Wahrscheinlichkeit von 25 % erkrankt.

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Frage

Was sagt uns der Heterozygotentest?

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Antwort

Bei rezessiven Erbkrankheiten können dadurch heterozygote TrÀger von Erbanlagen ermittelt werden, 

z. B. Konduktorinnen der Bluterkrankheit.

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Frage

Welche Methoden gibt es bei einer prÀnatalen Diagnostik?

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Antwort

‱ Ultraschalluntersuchung

‱ Amniozentese: Entnahme von Fruchtwasser aus der Fruchtblase ab der 15. Schwangerschaftswoche; Vermehrung der darin enthaltenen

Zellen des Kindes fĂŒr Chromosomenanalyse, Gentests und biochemische Untersuchungen.

‱ Chorionzottenbiopsie: Entnahme von Gewebe aus der Embryonal-

hĂŒlle des Kindes etwa ab der 10. Schwangerschaftswoche → Chromosomenanalyse, Gentests und biochemische Untersuchungen.

‱ Nabelschnurpunktion

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Frage

Wie bezeichnet man ein Merkmal betreffende ErbgÀnge?

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Antwort

Nur ein Merkmal betreffende ErbgÀnge bezeichnet man als monohybrid.

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Frage

Was besagt die 1. Mendelsche Regel ( UniformitÀtsregel)?

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Antwort

1. Mendelsche Regel (UniformitÀtsregel): Kreuzt man reinerbige Individuen einer Art, die sich in einem Merkmal unterscheiden, so sind die Nachkommen in der F1-Generation untereinander gleich.

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Frage

Was besagt die 2. Mendelsche Regel (Spaltungsregel)?

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Antwort

2. Mendelsche Regel (Spaltungsregel): Kreuzt man die Individuen der F1-Generation untereinander, so treten in der F2-Generation sowohl die Merkmale der F1-Generation als auch die der Parentalgeneration in einem bestimmten ZahlenverhÀltnis auf.

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Frage

Wann spricht man von einer multiplen Allelie?

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Antwort

SelbstverstÀndlich kann ein Gen auch in mehr als zwei AusprÀgungen vorliegen. In diesen FÀllen, z. B. beim AB0-System der Blutgruppen des Menschen (siehe S. 6), spricht man von multipler Allelie.

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Frage

Wann liegt ein intermediÀrer Erbgang vor?

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Antwort

FĂŒhrt ein heterozygoter Genotyp zu einem gemischten PhĂ€notyp (z. B.

rot + weiß = rosafarbene BlĂŒten), liegt ein intermediĂ€rer Erbgang vor. Es ergibt sich eine Mischform zwischen den parentalen PhĂ€notypen, da kein Allel das andere vollstĂ€ndig unterdrĂŒcken kann.

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Frage

Was versteht man unter der unvollstÀndigen Dominanz?

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Antwort

Meist verschiebt sich die

MerkmalsausprÀgung stÀrker in Richtung eines der beiden beteiligten Allele, sodass man

intermediÀre Vererbung auch als unvollstÀndige Dominanz verstehen kann.

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Frage

Wann fĂŒhrt man eine RĂŒckkreuzung durch?

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Antwort

Um festzustellen, ob ein Individuum bezĂŒglich eines dominanten Allels

homo- oder heterozygot ist, fĂŒhrt man eine RĂŒckkreuzung (Testkreu-

zung) mit einem homozygot rezessiven Partner durch.

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Frage

Was versteht man unter dihybriden ErbgÀnge?

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Antwort

MENDEL untersuchte auch dihybride ErbgĂ€nge, bei denen sich die Erbsenpflanzen in zwei Merkmalen unterschieden, z. B. Samenfarbe (gelb/grĂŒn) und -form (rund/ kantig). 

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Frage

Was besagt die 3.Mendelsche Regel (UnabhÀngigkeitsregel)?

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Antwort

3. Mendelsche Regel (UnabhÀngigkeitsregel): Kreuzt man Individuen, die sich in mehr als einem Merkmal reinerbig unterscheiden, werden die einzelnen Merkmale unabhÀngig voneinander vererbt und in der F2-Generation neu kombiniert.

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