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Genetik
Leistungskurs Biologie
1. Halbjahr 2007 / 2008
12 A Ontogenese

 

1. Woche

Einzelstunde: Einleitung 20.08.2007

Material

http://www.bossert-bcs.de/biologie/genetik1/12.1A0Ontogenese/12_1A.htm

Ergebnisse (Diskussion der Abbildungen)

Genetik ist die Wissenschaft von Ähnlichkeiten und Unterschieden. Es wird die Entwicklung des Individuums (Lebenszyklus, Ontogenese) untersucht.
Das vorhandene Erbgut ist umfangreicher als das aktuell genutzte. Es muss „Schalter“ in dem Erbgut geben, die verschiedene Stellungen einnehmen können – aktive oder inaktive Gene sind die Folge.
Es gibt innere und äußere Faktoren, die die Genaktivität (Genexpression) steuern.

Die Modelle1 und 2 veranschaulichen diese Vorstellung.

In den beiden Hausaufgaben werden weitere konkrete Beispiele unter dem erarbeiteten dynamischen Blickwinkel betrachtet.

Hausaufgaben: "Gerettete Gesichtszüge“ und „Epigentik“

Weiterführende Literatur
Christian Schwärgel: Das Dogma fällt, GEO 4/2007
Richard Lewontin: Die Dreifachhelix – Gen, Organismus und Umwelt, Heidelberg 2002
(Besprechung in Biologie in unserer Zeit 4/2003, S. 265)

 

Einzelstunde: Imprinting 21.08.2007

Besprechung der Hausaufgaben
„Gerettete Gesichtszüge“: Der Faktor, der die Gene aktiviert, ist in diesem Fall Druck. Die sonst nicht aktiven Gene bewirken unter diesem Einfluss die normale Entwicklung der Gesichtszüge.
„Epigenetik“: der Anfang des Originalartikels spiegelt den Wissenschaftsbetrieb wider und zeigt, dass Englisch die Sprache der Naturwissenschaftler ist.
Bei gleichem Erbgut (Genom) als Ausgangslage gibt es im Laufe der Entwicklung unter Umwelteinflüssen (die „Umwelt“ des Erbguts / Zellkerns besteht aus dem Plasma der Zelle, anderen Zellen, dem Organismus, der Außenwelt) verschiedene Entfaltungsmöglichkeiten. Das Spektrum der Entfaltungsmöglichkeiten wird als Reaktionsnorm des Individuums bezeichnet.

Erbgut, Faktor, Schalter – Moleküle im Kern   steuern die Entwicklung der Zelle, des Gewebes, ... der Ebenen

Die aufgeführten Moleküle veranlassen Aufbau und Organisation der Ebenen. Jede Ebene kann mit von ihr ausgeschütteten Signalstoffen über Rezeptoren an der Zellmembran oder direkt an der DNA zurückwirken. Hinzu kommen Einflüsse der Umwelt.
Die Wechselwirkungen wurden nicht eingezeichnet, weil sonst die Übersicht verloren geht.

 

Material

Das Arbeitsblatt beschreibt Experimente, bei denen Zellkerne verpflanzt werden. Die Technik ist auf dem folgenden Bild angedeutet.


http://infocusmagazine.org/2.1/images/hss_cloning2.gif

 


Abbildungen von „ligers“ im Internet unter:
http://images.google.de/imgres?imgurl=http://epigenome.eu/media/images/large/170.jpg&imgrefurl=http://epigenome.eu/en/2,5,126&h=200&w=200&sz=15&hl=de&start=16&um=1&tbnid=6btXmEf3960NeM:&tbnh=104&tbnw=104&prev=/images%3Fq%3Dligers%26svnum%3D10%26um%3D1%26hl%3Dde%26sa%3DN

 

Ergebnisse

Bisher wurden nur Beeinflussungen der Genaktivität im Laufe der Indivudualentwicklung betrachtet. Die dargestellten Versuchsergebnisse zeigen, dass es auch von den Eltern schon vorgegebene Einstellungen der Genaktivitäten gibt.
Der Organismus entsteht durch das Zusammenspiel der Elterngene und deren Aktivitätszustand. Männliche Gene bewirken Größenwachstum und gute Versorgung („fitte Nachkommen“), weibliche Gene begrenzen diese Entwicklung (Gefahren bei der Geburt, Ausgangslage für weitere Schwangerschaften).
Die Interpretation der Ergebnisse der Tiger- und Löwenkreuzungen können nur hypothetischen Charakter haben, da die Ursachen noch nicht näher untersucht sind.

Epigenese      Entwicklung ist ein schrittweiser Prozess mit zunehmender Komplexität
Prägung          Gene werden geschlechtsabhängig geprägt
Epigenom       Gesamtheit der epigenetischen Merkmale, epigenetische Karte

 

Material

Vorbereitung der nächsten Unterrichtsstunde:
Es wird der Embryo in vorgequollenen Bohnensamen untersucht und die neue Definition („Fünf Reiche“) für „Pflanze“ kennen gelernt.

Bohne

Eine Pflanze entwickelt sich aus einem Embryo, der stets von mütterlichem Gewebe umgeben ist.
(Samen: Embryo umgeben von Schutz- und Nährgewebe.)

 

Doppelstunde: Normogenese 23.08.2007

Material

http://www.bossert-bcs.de/biologie/lkGenetikA/12.1A1Norm_Mensch/index.htm
(Die Hausaufgabe entfällt.)

Die Präformationslehre (1690 erstmals formuliert, keine Theorie – Definition „Theorie“ in den Naturwissenschaften mitteilen) geht davon aus, dass das Lebewesen schon vorgegeben ist und nur noch zu sichtbarer Größe heranwächst.

Eigentlich ist diese Lehre durch einfaches Nachsehen leicht zu überprüfen.

Material

Es werden Dauerpräparate früher Entwicklungsstadien mikroskopiert:

Seeigel Entwicklungsstadien
Entwicklung des Froschembryos, Sagittalschnitte
Entwicklung des Huhnembryos, sagittal längs

Die Untersuchungen (Seeigel, Frosch) zeigen, dass die Ausgangsform eine kugelförmige Zelle ist, die sich wiederholt teilt. Es entsteht eine Kugel aus vielen kleinen Zellen, in der sich dann ein Hohlraum bildet. Die Präparate des Hühnerembryos werden nicht näher interpretiert – sie zeigen, dass sicher kein kleiner Vogel vorhanden ist, der nur noch wächst.

Wolff


Die Abbildung stammt aus der klassischen Untersuchung von Caspar Friedrich Wolff – seine Untersuchungen brachten den Durchbruch zur heutigen Epigenesetheorie.

Er dehnte seine Untersuchungen auch auf Pflanzen aus und zeigte, dass auch hier der Embryo aus einer befruchteten Eizelle über viele Zwischenstadien entsteht.


http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Wolff_keimling.jpg

Definition Tier: Tiere entstehen aus einer befruchteten Eizelle und durchlaufen in ihrer Entwicklung ein Blastulastadium.
(Die Blastula zeigt noch keine Anhaltspunkte, welches Lebewesen sich aus ihr entwickeln wird.)

D.h. die mikroskopierten Stadien der frühen Seeigel- und Amphibienentwicklung müssen auch vom Menschen durchlaufen werden.

Material + Ergebnisse


http://www.ehd.org/images/gasserbook/Gasser_Fig1-1la.jpg

Mit einer Diaserie, die die Eizellenreifung, Befruchtung der Eizelle und die ersten Stadien zeigt, als Hilfe, wird das Arbeitsblatt erläutert.
Zur Abrundung der Vorstellungen werden einige Dias weiterer Entwicklungsstadien bis zur Geburt gezeigt.
Für den Schulunterricht sind die Stadien bis zur Einnistung von Bedeutung, weil sie bei allen Säugetieren vorkommen und die Untersuchungsobjekte der nachfolgenden Versuche sind.
Die Anfangsstadien durchlaufen alle Tiere.

 

2. Woche

Doppelstunde: Kursplan, Problemstellung 27.08.2007

Material:

Zur Wiederholung und zur Darstellung des dynamischen, beeindruckenden Vorgangs der Furchung und Gastrulation werden Zeitrafferfilme der Amphibienentwicklung gezeigt.

"Wer zum ersten Mal Gelegenheit hatte, die Entwicklung eines lebenden Froscheies unter der Lupe zu beobachten, und sah, wie das Ei sich in Zellen gliedert, die stetig kleiner werden, und sich dann in dem Zellkomplex ein Urmund bildet, der kann sich tatsächlich des Eindrucks kaum erwehren, dass hier ein Mechanismus abläuft in der Art, dass die Folge eines Ergebnisses zugleich auch die Ursache des nächsten zu sein scheint.

Man sollte die Anwendung des Begriffs "Mechanismus" in der Biologie tunlichst vermeiden. In der lebenden Zelle gibt es keine Maschinen. Ob sich zwei Reaktionspartner treffen oder nicht, ist der Wahrscheinlichkeit unterworfen. Das Gesamtgeschehen im Organismus hat seinem Prinzip nach keine kausale sondern eine probabilistische Grundlage. Zellen haben (aber) nur ein beschränktes Potential zur Musterbildung, das in erster Linie von ihrem Komplexitätsgrad abhängt. Ein Organismus kann nicht mehr an Strukturenaufbauen, als seine Komponenten zu leisten imstande sind. " Franz Duspiva: Grundlagen der Entwicklungsbiologie der Tiere, Jena 1989

Diese Sichtweise wird durch die folgende Grafik illustriert.    (bitte anklicken)

Ergebnisse der Untersuchungen zur Normogenese (Wiederholung und Ergänzung)

Aus alten, aussortierten Oberstufenbüchern, die noch in großer Anzahl vorhanden sind, werden Seiten herausgetrennt und einzelne Bilder auf einem Blatt zusammengestellt (Hausarbeit).

Amphibienentwicklung

Aus der Präformationslehre ergibt sich in letzter Konsequenz ein statisches, deterministisches Weltbild mit einem einmaligen Schöpfungsakt.
Epigenese dagegen ist ein dynamischer Prozess mit einem – in gewissen Grenzen – offenen Ausgang.

Das soll die folgende Graphik nochmals veranschaulichen.

 

Dynamik

vergrößert als HTML
download als PDF

 

Einschub

Vor den Sommerferien wurde empfohlen, eines der beiden Bücher oder das Zeitschriftenheft zur „Einstimmung“ auf den Kurs zu lesen.

Christiane Nüsslein-Volhard: Von Genen und Embryonen, Reclam Stuttgart 2004
Christiane Nüsslein-Volhard: Das Werden des Lebens, dtv München 2006
GEOkompakt Nr.7 – Der Mensch und seine Gene

Nachdem bei mit dem jetzigen Unterrichtsstand ein grober Überblick des Kurses erreicht ist, soll der Lehrplan besprochen werden. Diese Zeit sollte man sich nehmen, da Antizipation eine der wesentlichsten Voraussetzungen für eine erfolgreiche Mitarbeit ist.

Dazu ist das Faltblatt des Cornelsen Verlags hervorragend geeignet – zumal wir das entsprechende Schulbuch benutzen. Das Buch dient der selbständigen Nacharbeit und dem Nachschlagen. Für den Unterricht ist es nicht geeignet, weil es den Stoff „erzählt“.

 

Problemstellung für den weiteren Unterricht

Morula
1 Zona pellucida - 2 Blastomere - 3 Polkörper
http://www.embryology.ch/indexde.html

 

Sieht man sich das Bild der Morula an, so können viele Fragen durch den Kopf gehen.

            Welche Bedeutung hat die unterschiedliche Zellgröße?
            Entwickelt sich aus den kleinen eine besondere Struktur?
            Was entsteht aus den großen Zellen?
            Was fehlt dem späteren Embryo, wenn man Zellen entfernt?
            Wie viele Zellen kann man entfernen?
            ...

 

Fragestellungen / Problemstellungen, Hypothesen, Vorschläge für Experimente werden gesammelt.

Da man die zur Klärung der Fragen nötigen Versuche am Menschen nicht durchführen kann, muss man einen anderen Organismus auswählen.

Der Frosch ist ein Modellorganismus der Entwicklungsbiologie (deshalb wurde die Amphibienentwicklung betrachtet), es gibt jedoch noch viele andere. Die Entscheidung für das Amphibienei kann man nachvollziehen. Dazu benötigt man Abbildungen von ersten Entwicklungsstadien von Fischen, Amphibien, Reptilien, Vögeln und Säugern und muss eine Vorstellung von den nötigen Versuchen entwickelt haben.
(Menge der Nachkommen, methodische Anforderung und vor allem die Dotterverteilung)

 

Einzelstunde: Entwicklungsphysiologie 28.08.2007

Material

Der folgende zu umfangreiche Entwurf wird nicht mehr benutzt.

http://www.bossert-bcs.de/biologie/lkGenetikA/12.1A2NormAmph/index.htm

Er wird durch ein Arbeitsblatt (PDF-File) ersetzt.

Ergebnisse - Entwicklungsphysiologie

Ergänzung des Arbeitsblattes:

Ergänzug Arbeitsblatt
Download als PDF

 

Skizzen der Versuche:

Experimente - Skizzen

 

Deutung der Versuchsergebnisse:

Experiment 1:
Das Plasma der Eizelle ist uneinheitlich; d.h. es ist keine „herumschwappende“ Flüssigkeit (Cytoskelett!).
Bei der befruchteten Eizelle gibt es Umlagerungen (Transportvorgänge).
Die Lage der ersten Teilungsebene scheint vom Zufall abzuhängen.
Bei beiden Zellen sind das Erbgut und die Rezeptoren gleich (Mitose); die Umgebung auch – d.h. der Unterschied kann dann nur in den Signalmolekülen liegen.
Die Signalmoleküle, die teilweise von der Mutter vorgegeben sind, sind für die normale Entwicklung notwendig und sind auf den grauen Halbmond konzentriert.
Die beiden Zellen können gleichwertig sein. Beide sind noch in der Lage, ein vollständiges Lebewesen zu bilden.

Experiment 2:
Hier ist das Wörtchen „kann“ zu beachten. D.h. nicht in jedem Fall entstehen vollständige Lebewesen. Es wird auch hier wieder von der Teilungsebene abhängen.
Querteilungen werden nicht zu zwei Lebewesen führen.
Als Ergebnis von Längsteilungen der Blastula kann man zwei Tiere erwarten.
Die beiden Teile des Keims können gleichwertig sein. Beide sind noch in der Lage, ein vollständiges Lebewesen zu bilden.
Bei der Gastrula muss man die innere Struktur beachten. Es ist kaum eine Teilungsebene vorstellbar, die alle vorhandenen Keimblätter gleich aufteilt.
Eine Querteilung, die so gelegt wird, dass der Urmund bei dem oberen Pol verbleibt, führt zu einem Tier (aus dem oberen Teil) und einem „Krüppel“.
D.h. Zellen und Keimteile sind nicht mehr gleichwertig. Unterschiedliche Rezeptoren sind mit Signalmolekülen besetzt. Der Vorgang ist offensichtlich nicht ohne weiteres rückgängig zu machen.

Experiment 3:
Durch Farbmarkierungen in frühen Keimen hat man entdeckt, aus welchen Teilabschnitten sich später welche Organsysteme bilden (Normogenese).
Jetzt greift man in den normalen Ablauf durch die Transplantationen eine.
Bis zu einem bestimmten Entwicklungspunkt können die Zellen des transplantierten Stückchens des Keims von den Zellen der neuen Umgebung noch beeinflusst / „umgestimmt“ werden. Sie entwickeln sich in Abhängigkeit vom neuen Ort (ortgemäß).
Ab einem späteren Zeitpunkt ist das nicht mehr möglich. Sie entwickeln sich dann entsprechend ihrer Herkunft (herkunftgemäß).

Experiment 4:
Es gibt Bereiche des Keims mit Ausnahmeeigenschaften.
Aus dem kleinen transplantierten Stückchen der Urmundoberlippe kann sich nicht der zweite Embryo gebildet haben. Dazu waren Teile des Empfängerkeims zusätzlich nötig.
D.h. die Urmundoberlippe (Organisator) hat ihre Umgebung so beeinflusst, dass ein zweiter Keim entstanden ist (Induktion).

 

Material zur Hausaufgabe:

BioMax
http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/multimedial/biomax/heft2007_21/pdfBM-1de.pdf

Hausaufgabe: Im Menschen ist der Wurm drin
Text bis zum Absatz „Zellen ausschalten“(ausschließlich) lesen
Amphibienkeime wurden im Hinblick auf die geplanten Versuche ausgewählt. Für welche Versuche ist C. elegans besonders geeignet?
Vergleichen Sie die Entwicklungssteuerung bei Amphibien (Experimente mit Amphibienkeimen) mit der von C. elegans.

Zygote:           Diploide Zellen, die durch die Verschmelzung zweier haploider Zellen entstanden ist (meist Eizelle und Spermium)
Keim:               Frühstadium, aus dem sich das eigentliche Lebewesen entwickelt (meist deutlich kleiner), kann ein Ruhestadium durchlaufen
Embryo :          Frühstadium eines sich entwickelnden Organismus, beim Menschen beginnt es mit der Befruchtung und dauert bis zur 8. Schwangerschaftswoche

 

Doppelstunde: Entwicklung von Caenorhabditis elegans – Stammzellen 30.08.2007

Lösung der Hausaufgabe mit Ergänzungen:

Besonderheiten der Entwicklung von C. elegans werden im Vergleich mit der Amphibienentwicklung deutlich.

C. elegans

beiden gemeinsam

Amphibien

 

Ausgangsstadium: befruchtete Eizelle

 

erste Zellteilung asymmetrisch

Serie rasch ablaufender Zellteilungen / Zellvermehrung

erste Zellteilung ergibt zwei gleiche Zellen

Bestimmung der einzelnen Zellen sehr früh (ab 28 Zellstadium) festgelegt,
geringe Einwirkungsmöglichkeiten durch andere Zellen / die Umwelt
d.h. eine abgetötet Zelle hat Schäden zur Folge

es bilden sich Pole aus,
Musterbildung

Bestimmung der einzelnen Bezirke später festgelegt, Einfluss anderer Zellen (Induktion) und der Umwelt möglich

Stammbaum aller Zellen

 

kein durchgehender Stammbaum möglich

Organismus besitzt im Endstadium eine feste Zellzahl

Zellen in verschiedene Zelltypen differenziert

erwachsene Tiere mit unterschiedlicher, schwer bestimmbarer Zellzahl

direkte Linie der P-Zellen, nur die P-Zellen enthalten die P-Granula

Keimbahn

direkte Linie zu den Urkeimzellen

Darm entsteht aus einer Gründerzelle, Nervensystem entsteht aus einer Zelllinie
(AB bildet aber auch andere Zelltypen aus), Pharynx (Schlund) und Muskeln werden von mehreren Zelllinien gebildet

 

Organsysteme entstehen aus bestimmten Keimblättern

Nervensystem besteht aus 302 Zellen und ist aus 407 Vorläuferzellen entstanden

Apoptose

Kaulquappe  -  Frosch

Entwicklung endet stets mit 959 Zellen und etwa 2000 Keimzellen (Zwitter).
Entwicklung endet stets mit 1031 Zellen und etwa 1000 Keimzellen (männlicher Wurm).
Das Nervensystem besteht aus 302 Nervenzellen und entsteht aus 407 Vorläuferzellen.
Im 28 Zellstadium sind alle Zellen festgelegt (vorher kann durch Verschiebung einer Zelle im Keim ihr weiteres Schicksal verändert werden), vorher  entscheiden Erbgut und Signale der umgebenden Zellen.

Vergleich

Die drei Entwicklungsabläufe können jetzt an Hand der Abbildungen aus BIOMAX, der Collage zur Amphiebienentwicklung und dem Arbeitsblatt zum Menschen verglichen werden.

 

Der Modellorganismus

Caenorhabditis elegans

Der 1mm lange Fadenwurm (Nematode) kommt in feuchten Böden mit viel verrottendem Material vor. Dort weidet er Bakterienkolonien ab.


http://www.bioclips.com/dvd/movies/cleavage05.html target=

Er ist leicht in großer Menge zu züchten, die Generationsfolge ist kurz (die Embryonalentwicklung dauert 12 Stunden, nach 40 Stunden ist er erwachsen, Generationsdauer etwa 3,5 Tage, lebt 2 bis 3 Wochen und legt in dieser Zeit etwa 400 Eier, selbstbefruchtender Zwitter), der Körper ist transparent und seine innere Anatomie einfach. Mutanten sind leicht zu gewinnen.

http://www.bioclips.com/dvd/movies/cleavage06.html

Der Embryo ist auch durchsichtig und kann ohne Schaden vorzeitig aus dem Uterus entfernt werden. In einzelne Zellen kann man fluoreszierned Farbstoffe einspritzen und so ihren weiteren Weg leicht verfolden.
Er war das erste Tier, dessen Genom vollständig aufgeklärt wurde (1998).

http://www.onlinebachelordegreeprograms.com/resources/bachelor-of-science-in-biology-caenorhabditis-elegans-and-genetics/

 

Material: Organe aus dem Zelllabor

Zelllabor Biomax
http://www.mpg.de/bilderBerichteDokumente/multimedial/biomax/heft2004_16/pdf.pdf

Aus dem Artikel werden der Abschnitt "Engpass im Blutfluss" und die Legende zur Abbildung "Regenerationskünstler" gelesen.

 

Interpretation:

 

Es zeigt sich, dass jede Art unterschiedlich auf Verletzungen reagiert (Mensch – Molch) und dass aber innerhalb der Art die einzelnen Zelltypen (Herzmuskelzelle – Kollateralgefäße) nicht die gleichen Fähigkeiten besitzen.
Für den Menschen werden etwa 200 Zelltypen angegeben. Die Herzmuskelzellen sind nicht umkehrbar determiniert und haben ihre Teilungsfähigkeit verloren. In der Wand der Mikro-Arterien dagegen sind Zellteilungen und Gewebsumbau noch möglich.
Sieht man das obige Schema an, so sind zwei Möglichkeiten denkbar, die auch beide verwirklicht sind.
Zellen bleiben auf einer früheren Stufe stehen, behalten ihre Teilungsfähigkeit und können bei Bedarf verlorene differenzierte Zellen ersetzen.
Eine andere Möglichkeit wäre, den Entwicklungsweg zurück zu gehen: Redifferenzierung.

 

Stammzellen: eine Tochterzelle bleibt Stammzelle, die andere differenziert sich.
Gründerzellen: beide Tochterzellen können zu differenzierten Zellen werden.
Determination (determinare – abgrenzen): zunächst undifferenzierter Zellen bilden differenzierte Gewebezellen. Wenn eine Zelle für eine Zellart determiniert ist, folgt sie diesem Weg auch, wenn sie andere Information erhalten sollte.
Differenzierung (differe – sich unterscheiden): strukturelle bzw. funktionelle Spezialisierung von Zellen oder biologischen Strukturen (Zellverbänden) während der Individualentwicklung.

 

Rück- und Ausblick

 

 

Die Abbildung fasst die bisherigen Ergebnisse zusammen. Die verschiedenen Moleküle der unteren Ebene regulieren in Zusammenarbeit die Entwicklung der Zellen, die Muster- und Gestaltbildung. Die zugrunde liegenden Prinzipien sind aber bei jeder Tiergruppe verschieden ausgestaltet.
So zeigte sich, dass jede Art unterschiedlich auf Verletzungen reagiert (Mensch – Molch) und dass aber auch innerhalb einer Art die einzelnen Gewebezellen (Herzmuskelzelle – Kollateralgefäße) nicht die gleichen Fähigkeiten besitzen.
Für den Menschen werden etwa 200 Zelltypen angegeben. Die Herzmuskelzellen sind nicht umkehrbar determiniert und haben ihre Teilungsfähigkeit verloren. In der Wand der Mikro-Arterien dagegen sind Zellteilungen und Gewebsumbau noch möglich.
Sieht man das obige Schema an, so sind zwei Möglichkeiten denkbar, die auch beide verwirklicht sind.
Zellen bleiben auf einer früheren Stufe stehen, behalten ihre Teilungsfähigkeit und können bei Bedarf verlorene differenzierte Zellen ersetzen.
Eine andere Möglichkeit wäre, den Entwicklungsweg zurück zu gehen: Redifferenzierung.

 

Entwicklung C. elegans     Amphibienentwicklung

 

Zum Abschluss werden die Verhältnisse bei der menschlichen Entwicklung untersucht.

 

Entwicklung Mensch

 

Dabei geht man von den Strukturen aus (Vergleich der Anfangsstadien der Amphibienentwicklung mit denen des Menschen) und untersucht anschließend die innere Regulation (Determination - Zwillingsbildungen).

 

Morula      BLASTOCYSTE

 

Aus der befruchteten Eizelle (Zygote) entwickelt sich eine Morula. Im weiteren Verlauf entsteht im Inneren eine Höhle. Die Zellen sehen jetzt ungleich aus: in einer Hohlkugel aus Zellen mit kleinen Fortsätzen liegt eine Zellgruppe aus andersartigen Zellen, die auf einer Seite konzentriert ist. Deshalb und aufgrund der zukünftigen Entwicklung hat man das Keimstadium Blastocyste (und nicht Blastula) genannt.
Die Hohlkugel wird zum Nährgewebe, der Zellhaufen zum Keimling. Er liegt in der Hohlkugel, die später zu der äußeren Fruchthülle (Chorion, Zottenhaut) wird. Der Keimling bildet zwei weitere Hohlräume (Amnionhöhle und Dottersack) aus.

 

Keim 1

http://www.dkfz-heidelberg.de/spec/influenza/aktuelles/monoklonaleak/mkak25.html

 

Der Dottersack (enthält keinen Dotter) hat vorübergehend eine wichtige Funktion und wird dann zurückgebildet. Die andere Höhle (Amnionhöhle) vergrößert sich, umschließt später als Fruchtblase den gesamten Keim und ist mit Fruchtwasser gefüllt.

Keim 2

 

1

Embryo mit Dottersack (nach unten)

 

A

Fruchtwasserentnahme

2

Fruchtblase

 

B

Zottenbiopsie durch die Bauchwand

3

Fruchthülle

 

C

Nabelschnurpunktion

4

Gebärmutterraum

 

D

Zottenbiopsie durch die Scheide

5

Zotten der Fruchthülle

 

 

 

 

http://www.embryology.ch/allemand/jfetalperiod/diagno04.html

 

 

Der Ablauf und die Begriffe sind für den Schulunterricht nicht von großer Wichtigkeit. Man kann aus den vorhandenen Strukturen aber das Alter des Keimes ableiten und für pränatale Untersuchungen sind sie von großer Bedeutung.

 

 

 

3. Woche

Das folgende umfangreiche Konzept wird aufgelöst.

http://www.bossert-bcs.de/biologie/lkGenetikA/12.6AKlonen/

Texte zu einzelnen Themenkreisen können herausgenommen und als Kurzreferate angeboten werden.

 

Doppelstunde: Zwillingsbildung, splitting, klonen, Stammzellen 03.09.2007

 

Wiederholung

Das Fortpflanzungsverhalten im Tierreich ist so unterschiedlich, dass es immer wieder ganze Bücher füllt.

Wilhelm Bölsche: Das Liebesleben in der Natur, Jena 1907
Ulrich Gerahardt: Biologie der Fortpflanzung im Tierreiche, Berlin 1934
Wolfgang von Buddenbrock: Das Liebesleben der Tiere, Bonn 1953
Herbert Wendt: Das Liebesleben in der Tierwelt, Hamburg 1962
Einhard Bezzel: Paschas, Paare. Partnerschaften, München 1993

Die Literatur zur Entwicklungsgeschichte, Entwicklungsbiologie, Entwicklungsphysiologie, vergleichenden Embryologie und Humanembryologie ist unübersehbar. Dazu kommen die Atlanten zur Embryologie und der Anatomie der Entwicklungsstadien und Organsysteme mit ihrer verwirrenden Detailfülle.

Die Fülle der Fortpflanzungsverhalten führen aber immer zu einer befruchteten Eizelle (Zygote) und aus ihr entwickelt sich nach bestimmten Grundprinzipien, die bei allen Lebwesen gleich sind, die Fülle der verschiedenen Lebewesen.

Verhältnisse beim Menschen

Es steht noch aus, Determination und Differenzierung beim Menschen zu untersuchen. Das ist nicht über experimentelle Eingriffe möglich, sondern muss indirekt erfolgen.

Kurzreferate

Zwillingsbildung: Die Untersuchung der Zeitpunkte, zu denen die Bildung eineiiger Zwillinge noch möglich ist, sagt etwas über den Determinationszeitpunkt aus.

Embryo splitting: Eine Art des Klonens wird vorgestellt, die das erste Referat ergänzt.

Therapeutisches Klonen: Bei dieser zweiten Art des Klonens werden die gewonnen Erkenntnisse angewendet. Ethische Fragen werden angesprochen.

Stammzellen: Dieses Referat, das einen Überblick über die Stammzellentypen und ihre Gewinnung gibt, verdeutlicht die ethischen Probleme, die sich ergeben können, zeigt aber auch mögliche Auswege auf.

 


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Einzelstunde: Wiederholungsfragen 04.09.2007

Nach der Wiederholung der letzten Stunde und nachdem das Thema "Entwicklung" in den Grundzügen abgeschlossen ist, werden Fragen in kleinen Gruppen bearbeitet. Die nicht beantworteten Fragen verbleiben als Hausaufgaben.

 

1.

Von welchen Faktoren hängt die Entwicklung einer Pflanze ab?

2.

Wann spricht man von Muster- und wann von Gestaltbildung?

3.

Einige Pflanzen locken, wenn sie von Insekten angefressen werden, deren Feinde an. Wie kann ein Blatt eine Schlupfwespe „rufen“?

4.

Skizzieren Sie die grundlegenden Manipulationsmöglichkeiten an Keimen.

5.

Nach welchen Gesichtspunkten hat man Molche und C. elegans als Modellorganismen ausgewählt?

6.

Welche Unterschiede zwischen den Zellen treten bei C. elegans und Amphibien zuerst auf?

7.

Skizzieren Sie ein Morula- und ein Blastulastadium der Amphibien.

8.

Wie unterscheidet sich das Blastulastadium des Menschen von dem der Amphibien? (Deshalb wird es Blastocyste genannt.)

9.

Zellen, die äußerlich gleich aussehen, können verschieden determiniert sein.
Wie kann man das überprüfen?
Wie kann man das erklären?

10.

Man kann ein Leberteilstück (Leberlappen) von einem Erwachsenen auf ein Kind als vollständigen Leberersatz transplantieren. Nach einiger Zeit besitzen beide eine vollständige Leber.
Wie kann man das Wachstum erklären?

11.

Bei menschlichen Keimen bilden sich mehrere Zellschichten. Wie kann man die zukünftige Bedeutung der Zellschichten bestimmen?

12.

Bei Zwillingen stimmen Teile des Erbgutes überein.
Wann ist es völlig gleich, wann ist genau die Hälfte gleich (sehr seltener Fall)?

13.

Wie kann man embryonale, pluripotente Stammzellen erhalten?

14.

Wie kann man adulte Stammzellen erhalten und erkennen?

15.

Warum reicht die Untersuchung eines Modellorganismus nicht aus?

16.

Skizzieren Sie die beiden grundsätzlichen Möglichkeiten, ein Schaf zu klonen.

17.

Das erste Schaf, das geklont wurde, war Dolly. Es wurde nur halb so alt wie seine „Mutter“. Die „Mutter“ hatte zum Zeitpunkt der Spende ihre halbe Lebenserwartung erreicht.
Was muss man aus diesem Versuch schließen?

18.

Welche Entwicklungsvorgänge sind bei allen Tieren gleich?

19.

Welche Entwicklungsprinzipien sind bei allen Tieren gleich?

20.

Was haben alle Menschen gemeinsam?

21.

Ganz selten kommen Siebenlinge zur Welt. Wie können sie entstehen und warum überleben meist nicht alle?

 

Doppelstunde: Wiederholung und Festigung 06.09.2007

Die Antworten zu den Fragen werden diskutiert.

Stammzellen: Zusammenfassung und Ausblick

Klonierungstechnik

 

Während der normalen Entwicklung verschmilzt eine Eizelle mit einer Samenzelle. Es bildet sich zunächst die Zygote, aus der dann die Blastozyste entsteht, die bei der in vitro Fertilisation in den Uterus der Mutter implantiert wird. In ihr bilden sich embryonale Stammzellen, aus denen die verschiedenen Körpergewebe hervorgehen. Beim reproduktiven Klonen wir in eine entkernte Eizelle der Kern einer erwachsenen Zelle eines Spenders implantiert. Daraus entsteht unter bestimmten Bedingungen eine klonierte Blastozyste, die sich – implantiert in einen Uterus – in wenigen Fällen zu einem neugeborenen Klon entwickeln kann, der jedoch meist schwer geschädigt ist. Beim therapeutischen Klonen werden dem klonierten Blastozysten Stammzellen entnommen, aus denen im Labor bestimmte Gewebezellen kultiviert werden können.

 

Der folgende Zeitungsartikel zeigt, dass die Forschungen noch lange nicht abgeschlossen sind und welche Hoffnungen man hat.


vergrößern

IVF: in vitro Fertilisation (Befruchtung)
In vitro: im (Reagenz-) Glas
In vivo: Im Leben (im Lebewesen)

 

Im weiteren Verlauf des Unterrichts werden noch drei Themenbereiche bearbeitet, die sich aus den bisherigen Überlegungen ergeben:

 

Zellteilung und Mitose

Unterrichtsvoraussetzungen

Im Unterricht der verschiedenen Klassenstufen wurde die historische Entwicklung nachvollzogen. Die Beobachtung der Phänomene (die Entdeckung der Struktur) geht den Erklärungen (logischerweise) immer voraus – die Erkenntnis der Funktion(en) folgt. Erst zusammen und im Wechselspiel ergeben sich ein „Sinn“ und damit das vollständige Verstehen.

Voraussetzungen zur Besprechung der Regulation der Zellteilungen

Im Zusammenhang mit der Befruchtung wurden die Chromosomen entdeckt und ihre Verteilung beobachtet und beschrieben. Man erkannte auch, dass die Anzahl bei einer Art konstant ist (1875 – 1888). Man kannte also die Abläufe von Befruchtung und Mitose bzw. von Wachstum und Mitose.

Zu der Funktion konnte es nur Spekulationen geben:
„ … Alles was wir bisher besprochen haben, scheint mir zu der Ansicht zu drängen, dass das funktionelle Wachstum ein allmähliches, der Intensität der Funktion korrespondierendes Wachstum ist, dass dagegen das Teilungswachstum ein plötzlich eintretendes, rasch verlaufendes sein wird. … Die zur Bildung zweier Tochterkerne nötige Massenzunahme von Kernsubstanz müsste dann in die Anfangsstadien der Teilung fallen. Dass Zellen auf dem Teilungsstadium sich so intensiv färben, erkläre ich daraus, dass um diese Zeit chromatisches Material aus dem Protoplasten abgespalten wird, welches zum Wachstum des Kernes seine Verwendung findet. In diesem plötzlichen Wachstum des Kernes und den damit zusammenhängenden Veränderungen des Plasmas erblicke ich die Ursache der Teilung. … „
R. Hertwig: Ueber das Wechselverhältnis von Kern und Protoplasma (04.12.1902).
Die Beobachtungen waren gut, die Deutungen mussten Vermutungen bleiben.

Das Konzept der Chromosomen als Träger des Erbgutes wurde durch die Beobachtung der Reduktion ihrer Zahl bei der Bildung der Keimzellen und die Chromosomenkarten für Drosophila (1911 – 1919) wahrscheinlich, aber nicht von allen akzeptiert.

Das allmähliche Wachstum und die Verteilung der Chromosomen mit anschließender Zellteilung konnte man unter dem Mikroskop beobachten.
Erst nach der Entdeckung der DNA und ihrer Funktion und nachdem man Zellen in-vitro kultivieren und DNA mit radioaktivem Thymidin (3H – Thymidin) markieren konnte, konnten weitere Experimente Aufschluss geben.

Zellen wurden 30 Minuten in einem Medium kultiviert, das 3H – Thymidin enthielt.
Dann wurden sie in Nährlösung ohne 3H – Thymidin überführt und dort verschieden
Lange weiterkultiviert, bevor sie abgetötet wurden. Die Probe wurde dann auf Zellen
untersucht, die sich in Mitosestadien befanden und ausgezählt wie viele davon radioaktiv markiert waren.

Damit entdeckte man die S-Phase und die gaps. Wobei die Bezeichnung „Lücke“ auch einseitig von der Beobachtung herrührt. G1 ist die stoffwechselaktive Wachstumsphase der Zelle. G2 ist die Zeit intensiver Kontrolle.

Die Größenverhältnisse verdeutlichen die Bedeutung der Regulation.

Die Untersuchungen der Proteinstruktur und die Interaktionen von Makromolekülen gewinnen immer mehr an Bedeutung.

 

Materialien

1. Das einfache Arbeitsblatt aus der 9.Klasse hebt deutlich die voneinander getrennten Phasen hervor. Die Trennung erlaubt erst eine gute Regulation.

Zellteilung
zum Ausdrucken als PDF-File

 

4. Woche

Doppelstundestunde: Regulation Zellzyklus 10.09.2007

Material - Fortsetzung

2. Mit den folgenden Materialien kann man Lage und Dauer der gaps erarbeiten; die Regulation war als Lehrervortrag gedacht. Jetzt soll sie erarbeitet werden.

http://www.bossert-bcs.de/biologie/lkGenetikA/12.5AZellteilung

 

Regulation des Zellzyklus am Beispiel des G2 checkpoints

Die einzelnen Ergebnisse werden im Unterricht besprochen; das Schema der Regulation wird zu Hause erstellt.

1. checkpoints

What is Ataxia Telangiectasia?
Ataxia telangiectasia (A-T) is a rare, progressive, neurodegenerative childhood disease that affects the brain and other body systems. The first signs of the disease, which include delayed development of motor skills, poor balance, and slurred speech, usually occur during the first decade of life.
AT ist eine seltene, rezessiv vererbte Krankheit. Die Patienten tragen ein hohes Krebsrisiko, das durch Strahlentherapie enorm gesteigert wird.
Den Patienten fehlt das ATM – Protein.
Überlegen Sie, wieso man aus diesen Beobachtungen auf checkpoints (Restriktionspunkte) geschlossen hat.
Wie viele erwarten Sie?
Unter welchen Bedingungen dürfen sie überschritten werden?

 

2. MPF

Man suchte also nach fördernden (mitogenen) und hemmenden Signalen.
Das Versuchstier:
Das Ei des Frosches Xenopus ist, wie bei vielen anderen Tierarten, eine außergewöhnlich große Zelle. Die gespeicherten Stoffe sammeln sich in einer langen Wachstumsperiode an; in dieser Zeit wird die unreife Eizelle in einem Zustand festgehalten den man am ehesten als G2 – Phase ihres ersten Meiosezyklus beschreiben kann. Hormone bewirken die Eireifung und wenn das Ei abgelegt wird, hat es die Meiose weiter durchlaufen und wird nun in der M – Phase der zweiten Meioseteilung festgehalten.
Die Befruchtung löst dann eine erstaunlich schnelle Folge von Zellteilungen aus, die aus der einen Riesenzelle durch Furchung nach etwa 7 Stunden 212 Zellen entstehen lässt. Diese schnellen Zellzyklen werden möglich, weil bereits vorher so viel Material in der Eizelle gespeichert ist, dass für das normalerweise in jedem Zellzyklus erforderliche Zellwachstum keine Zeit gebraucht wird.
Versuchsserie:
Ein Zellkern, der die S – Phase abgeschlossen hat, wird normalerweise nach einer festgelegten Zeitspanne die Mitose durchlaufen.
Experiment 1: Blockiert man künstlich die DNA – Synthese, wird die Mitose so lange hinausgezögert, bis die Blockade entfernt und die DNA – Synthese abgeschlossen ist.
Experiment 2: Verschmilzt (fusioniert) man eine S – Phase – mit einer G2 – Phase – Zelle, so wird der eine Zellkern so lange in seinem Zustand festgehalten, bis der andere ihn „eingeholt“ hat; dann durchlaufen beide Zellkerne gleichzeitig die Mitose.
Experiment 3: Nach einer DNA – Beschädigung in der G2 – Phase (z.B. durch Röntgenstrahlen) wird die Mitose solange verzögert, bis der Defekt repariert ist.
Experiment 4: Fusioniert man eine Zelle der M – Phase mit einer Zelle aus irgendeinem Interphasestadium, so tritt der Interphasekern augenblicklich in die M – Phase ein.
Experiment 5: Spritzt man Plasma aus einer M – Phase – Zelle in die Eizelle (Xenopus), so geht die Eizelle in die M – Phase über. Spritz man Plasma aus einer Interphase – Zelle, so bleibt die Eizelle im G2 – Stadium.
Experiment 6: Man konnte den Faktor MPF (= M phase promoting factor, M – Phase – Förderfaktor, auch maturation promoting factor, reifungsfördernder Faktor) aus Zellen in der M – Phase isolieren. Der Faktor verhält sich wie ein großes Protein, zu dem zwei verschiedene Untereinheiten (UE) gehören. Der Faktor stimmt bei Säugern, Seeigeln, Hefen und Xenopus weitgehend überein und wirkt auf viele verschiedene Zellen.
Mit den frühen Xenopus – Entwicklungsstadien hat man einmal Zellen, aus denen man den Faktor isolieren kann und zum anderen ein Testsystem.

 

3. cdc2 – Kinase

cdc = cell – division cycle

Untersucht man die beiden UE des MPF, so ist die eine eine Proteinkinase, die aber nur zusammen mit der anderen UE aktiv sein kann.
Nun versuchte man die zweite UE zu finden.

 

4. Cyclin

Die weitere Aufklärung begann mit einem Zufall. Eine Studentengruppe entdeckte während eines Sommerpraktikums (Woods Hole, Marine Biological Laboratory – Seeigeleier!) ein Protein, dessen Konzentration am Ende der Mitose drastisch abfiel, um dann während der Interphase wieder anzusteigen. Sie nannten es daher Cyclin.

 

Nun wollte man klären, ob Cyclin die zweite UE ist.


 

Die Untersuchungsergebnisse legen einen Zusammenhang nahe.

Versuchsserie
Experiment 1: In allen Versuchen wurde ein Spermienkern unterschiedlich behandeltem Eiextrakt zugegeben. Kontrollversuch: unbehandelter Eiextrakt; blau – frühe Mitosestadien, gelb späte.

 

Experiment 2: Dem Extrakt wurde ein Hemmstoff der Neusynthese von Proteinen zugegeben.

 

Experiment 3: Wie Experiment 2 – allerdings wird nach Entfernen des Hemmstoffs ein Stoff zugegeben, der nur die Cyclin – Neusynthese fördert.

 

Experiment 4: Wie Experiment 3 – allerdings wird nun ein Stoff zugegeben, der die Neusynthese eines veränderten Cyclins fördert.

 

Ohne die Anlagerung von Cyclin B (Cdc13) kann die Proteinkinase (Cdc2, beim Menschen Cdk2) nicht aktiviert werden.

 

5. Cdc25

Cdc13 und Cdc2 bilden einen inaktiven MPF. Cdc2 hat zwei regulatorische Stellen mit den beiden Aminosäureresten Y15 (Tyrosin-15) und T161 (Threonin-161) im Zentrum. Befindet sich eine Phosphatgruppe an dem Aminosäurerest T161 (wird von dem Enzym CAK phosphoryliert), so ist MPF aktiviert, aber nur dann, wenn sich nicht zugleich eine Phosphatgruppe an dem Aminosäurerest Y15 (wird von dem Enzym Wee1 phosphoryliert und von dem Enzym Cdc25 dephosphoryliert) befindet.

 

6. DBRP

Bei hoher MPF – Aktivität wird ein Cyclin – spezifisches Abbau – Box – Erkennungsprotein (DBRP – destruction-box recognition protein) aktiviert. Aktiviertes DBRP bindet an Cyclin; das markierte Cyclin wird abgebaut.

 

Modellvorstellung

Es wurde hier beispielhaft der Mitose – checkpoint untersucht; es gibt noch andere checkpoints und andere Cycline. Die Hauptuntersuchungsobjekte waren frühe Entwicklungsstadien von Xenopus und verschiedene Hefestämme. Man geht davon aus, dass die so entstandene Modellvorstellung allgemein gültig ist.

 

Literatur:

Alberts, B. et al.: Molekularbiologie der Zelle, Weinheim 1990
Hertwig, R.: Ueber das Wechselverhältnis von Kern und Protoplasma, Sitzungsberichte der Gesellschaft für Morphologie und Physiologie, München 1902
Karp, G.: Cell and Molecular Biology, New York 1999
Lodish, H. et al.: Molekulare Zellbiologie, Berlin 1996
Murray, A.W., Kirschner M.W.: What Controls the Cell Cycle?, Scientific American 3/1991
Stryer, L.: Biochemie, Heidelberg 1999

 

Einzelstunde: Zellteilung und Krebs 11.09.2007

Perhaps the best analogies for cancer genes and tumor suppressor genes are car accelerators and brakes. Normal cells possess accelerators, genes that instruct cells to multiply, and brakes or genes that keep normal cells from multiplying excessively. The normal accelerators are termed proto-oncogenes (precursors of oncogenes or cancer genes), which normally regulates cells as they multiply during growth of a fetus or to replace cells that are lost in adults. The brakes or tumor suppressor genes provide a means to control the multiplication of the cells so that they conform to the normal architecture of tissues and organs. The coordination both accelerators and brakes is extremely important for the cells to navigate through the growth and development of a child or for the repair of damaged tissues. If the brakes are lost and/or the accelerators are stuck on the floor-board, then the cells would go out of control and may result in abnormal multiplication of the cells or tumor development.
http://www.myccancergene.org/site/about.asp

Es gibt drei Wege, auf denen aus einem Proto – Oncogen ein Oncogen werden kann.
Eine Mutation führt zu einem überaktiven, in normaler Menge gebildeten Protein.
Ein Gen wurde vervielfältigt und das normale Protein wird stark überproduziert.
Durch Chromosomenumordnung oder den Einfluss der DNA eines Retrovirus kommt das Gen unter die Kontrolle eines starken Enhancers oder wird mit einem aktiv abgelesenen Gen verbunden. Beides führt zu einer Überproduktion des normalen Proteins.

http://neumanngen677s09.weebly.com/phenotypes-and-gene-ontology.html

Das Burkitt- Lymphom ist eine Krebserkrankung, die auf einen Genaustausch zwischen den Chromosomen 8 und 14 in B – Lymphocyten zurück geht. Es treten schnell wachsende Tumoren auf.

 

http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/B/BurkittLymphoma.html

Das c-myc Proto - Oncogen wurde hinter ein Gen eingefügt, das eine sehr häufig benötigte Untereinheit von Antikörpern codiert. Es kommt zu einer Überproduktion des Proteins c-Myc, das sehr viele unterschiedliche Funktionen hat.

The myc family of proto-oncogenes is believed to be involved in the establishment of many types of human malignancy. The members of this family have been shown to function as transcription factors, and through a designated target sequence bring about continued cell-cycle progression, cellular immortalization and blockages to differentiation in many lineages. However, while much of the recent work focusing on the c-myc oncogene has provided some very important advances, it has also brought to light a large amount of conflicting data as to the mechanism of action of the gene product. In this regard, it has now been shown that c-myc is effective in transcriptional repression as well as transcriptional activation and, perhaps more paradoxically, that it has a role in programmed cell death (apoptosis) as well as in processes of cell-cycle progression.
http://www.biochemj.org/bj/314/0713/bj3140713.htm

 

Mit dem Burkitt Lymphom wurde eine Art der Krebsentstehung durch die Translokation eines Gens kennen gelernt. Das c-myc Gen gehört zu einer ganzen Genfamilie (siehe erste Internetadresse). Eine Vertiefung ist im Schulunterricht aus Zeitgründen nicht möglich. Die Karte zeigt Mutationen, die zu Krebs führen können; sie ist keinesfalls vollständig.


http://www.nature.com/nrc/poster/subpathways/index.html

 

Literatur:
Gibbs, W.W.: Untangling the Roots of Cancer, Scientific American 7/2003
Collins, F.S., Barker, A.D.: Mapping the Cancer Genome, Scientific American, 3/2007

 

Doppelstunde: Apoptose 13.08.2007

Das Arbeitsblatt informiert über den Zelltod als Teil der normalen Entwicklung und dann über die Funktion der Apoptose als „Notbremse“ bei DNA – Schäden im Laufe des Zellzyklus.

Apoptose Arbeitsblatt (Download als PDF)

Material

Christopher Potten et al.: Apoptosis, Cambridge University Press 2004
publicrelations.unibe.ch/. ../beitrag01.html

Entwicklung von Lebewesen verbindet man mit Wachstum durch Mitosen. Sieht man sich einzelne Stadien an, so wird klar, dass im Laufe der Entwicklung Zellen geordnet sterben.

                 

Bei der Apoptose (geordneter Zelltod, Begriff 1972 gebildet) wird in einzelnen Zellen ein Programm ausgelöst, das zu dem abgebildeten Ablauf führt.

Die Zelle schrumpft und verliert den Kontakt zu den Nachbarzellen. Die Zellmembran bleibt die ganze Zeit intakt, unterliegt aber starken Veränderungen. Ein umgesteuerter Stoffwechsel läuft weiter, das Erbgut wird geordnet abgebaut. Die Zelle bildet Fragmente, die von anderen Zellen vollständig aufgenommen werden.

Sterben dagegen Zellen durch mechanische Verletzungen, Hitze oder Gift (Nekrose), so sind immer ganze Zellgruppen betroffen. Es treten Membrandefekte auf und es kommt zu einer Reaktion des Immunsystems. Andere Zellen werden durch den freigesetzten Inhalt geschädigt. Im weiteren Verlauf kann es zu Entzündungen und Blutvergiftung kommen.

Apoptose tritt auf im Laufe der Entwicklung (siehe oben, besonders bei Metamorphosen) und bei der Beseitigung defekter oder überalterter Zellen. Bei Erwachsenen werden Organe nicht größer, schrumpfen aber auch nicht, d.h. sie behalten eine bestimmte Größe – dabei spielt Apoptose wahrscheinlich auch eine Rolle.

Im Falle eines Defekts (z.B. im Verlauf einer Mitose) wird durch ein umfangreiches Netzwerk von Entscheidungsprozessen zwischen einem Reparatur- und einem Todesprogramm entschieden. Dabei spielen innere und äußere Faktoren eine Rolle, die Konzentrationen und der Aktivitätszustand von Proteinen ändern sich und der Ort in der Zelle, an dem sie sich befinden, kann sich auch ändern.

Das Diagramm zeigt das Zusammenspiel zweier Signalwege („Todessignale“ von außen und Signale, die von Mitochondrien ausgehen), das zum Zelltod führt.

Besonders gut ist Apoptose im Zusammenhang mit dem Zellzyklus und der dabei ablaufenden Mitose untersucht. Es gibt mehrere „checkpoints“, an denen die Zelle auf Defekte überprüft wird.

Das Protein p53 („guardian of the genome“, „tumor supressor gene“) spielt bei der Überprüfung der Intaktheit der DNA eine große Rolle (es hat noch eine Reihe weiterer Funktionen).

Das Protein p53 ist ein checkpoint-Faktor, das als „Notbremse“ des Zellzyklus wirken kann. Er wird angehalten und zwischen Reparatur- und Todesprogramm entschieden.

 

Ergebnis: Wächter des Genoms

Das Übersichtsschema wird besprochen und die Regulationsmechanismen herausgearbeitet (Tafelbild). Die Aktivierung der Hemmung ist hier grün dargestellt. Die Deaktivierung der Hemmung (Hemmung der Hemmung = weiterer Ablauf des Zellzyklus) ist rot eingezeichnet.

p53

Ist die DNA beschädigt, wird p53 gebildet, dessen Konzentration sonst niedrig bis nicht nachweisbar ist. Durch p53 werden die Gene aktiviert, die Waf 1, Gadd 45 und Mdm-2 bilden. Waf 1 und Gadd 45 hemmen Cyclin-abhängige Kinasen und arretieren sowohl G1 als auch G2.

Nun gibt es drei Möglichkeiten: Die DNA wird repariert und der normale Zellzyklus wird beendet oder der Weg zur Apoptose wird eingeschlagen oder es entsteht eine Krebszelle.

Mdm-2 beeinflusst / ermöglicht G2 sehr indirekt. Es bindet an p53 und markiert es dadurch für den Proteinabbau.

Prinzipien

Eine gute Versorgungslage ist Voraussetzung für Zellteilungen und damit Wachstum und Erneuerung des Organismus.

Die Entstehung neuer Zellen muss mit dem Wachstum bzw. dem Abbau abgestimmt werden; innerhalb einer geringen Schwankungsbreite muss reguliert werden (Homöodynamik). Das geschieht über Proteine.

Fließgleichgewicht

Protein, das den Zellzyklus
hemmt (Tumor Suppressorgene)
Protein, das den Zellzyklus
antreibt (Proto Oncogene)

 

Die Regulation erfolgt über die Veränderung der Konzentrationen der verschiednen Proteine. Es müssen Möglichkeiten bestehen beide Wege zu aktivieren und zu deaktivieren.

Dabei gibt es zwei Prinzipien.

Regulation                    Regulation

Schnelligkeit und Sicherheit der Kontrolle in jedem Fall und in jede Richtung werden diskutiert.
Beispiele für Kaskaden (molekulare Verstärkung, Dominoeffekt): Sehvorgang, Hormone – c-AMP, Immunantwort, Blutgerinnung, Geschlechtsbestimmung beim Menschen, …

Dominoeffekt

 

5. Woche

Doppelstunde: Gestaltbildung 17.09.2007

Grundsätzliches

Es ist schwer vorstellbar, wie Signalstoffe auf die Entwicklung von Mustern und der Gestalt des Organismus hinsteuern sollen. Das hört sich sehr mechanistisch an.
Es wird ein grundlegendes Bild entwickelt, das überraschend einfach und elegant ist.

Ausgehend von einem (vielzelligen) Keim mit einer Stelle, die einen bestimmten Stoff bildet, kann man sich leicht vorstellen, wie „vorne“ und „hinten“ festgelegt wird. Bei den vorerst theoretischen Überlegungen erwägt und diskutiert man die folgenden Gesichtspunkte:

            Ockhams Messer
            Signalstoff / Gradient
            Diffusion / Geschwindigkeit
            Rezeptor / Schwelle
            pulsierende Quelle
            Halbwertszeit des Signalstoffs

Ein Stoff steuert die Aktivität eines bestimmten Gens, das man sich z.B. als einen „Hauptschalter“ der Kopfentwicklung denken kann. Der durch die Genaktivität entstehende Stoff löst eine Kaskade aus, die zur Kopfentwicklung führt.

Nüsslein-Volhard
Nüsslein-Volhard, Christiane: Gradients That Organize Embryo Development, Scientific American 8/1996

Die Untersuchungsmethoden sind: Mutationen finden und untersuchen, Stoffe bzw. zusätzliche Gene einbringen, mit Hemmstoffen arbeiten, Schwellenwerte verändern, ...
Hat man eine Kopf und ein Hinterteil erhalten, so ist es leicht, sich die Festlegung von Rücken und Bauch vorzustellen.
Es wirken ein oder mehrere weitere Stoffe. Ein Stoffverteilungsmuster (=Determination) bewirkt eine Muster- bzw. Gestaltbildung des Keims. Innere Muster bestimmen äußere.

Gestaltbildung

Der komplexe Embryo entwickelt sich aus der einfach strukturierten Eizelle. Abbildung a zeigt eine Skizze der länglichen befruchteten Eizelle einer Taufliege (Drosophila). Auf die Entwicklung des Eis wird hier nicht näher eingegangen, da sie von der bei Wirbeltieren stark abweicht. Es soll ein wesentliches Regulationsprizip erläutert werden.

Von den vier farbig markierten Stellen, gehen Signale aus. Vier verschiedene Stoffe werden gebildet und diffundieren in das Ei; die frühe Entwicklung findet zunächst ohne die Ausbildung von Zellen statt.

Die beiden Abbildungen unter b stellen getrennt für die Längsachse (oben) und die Querachse (unten) Muster dar, die sich durch die Menge und Kombination verschiedener Proteine ergeben können.

Durch Mutanten, denen das Gen für einen der Signalstoffe fehlte, konnte man die Funktion der Signalmoleküle aufklären. Durch die Gradienten und die Kombination werden die Körperachsen mit Kopf, Thorax (mit Bauch- und Rückenseite) und Abdomen bestimmt und ausgebildet.

Das zugrunde liegende Prinzip wird nochmals mit dem folgenden Modell veranschaulicht.

Die obere Reihe der Quadrate symbolisiert Zellen, die sich blau, weiß oder rot entwickeln können. Wie sie sich entwickeln, hängt von der Konzentration eines Signalmoleküls ab.

Hier ist der Gradient so gewählt, dass sich die französische Flagge ergibt.

Die folgende Abbildung zeigt sechs Vertreter von verschiedenen Fischgattungen, die paarweise angeordnet sind. Das Bild der jeweils erste Gattung kann man durch eine Transformation des Koordinatensystems in das der zweiten überführen.

Man kann nun spekulieren, wie es durch leichte Variationen in der Embryonalentwicklung im Laufe der Evolution zu der Vielzahl von Gattungen kommen konnte.

Musterbildung

Über einen Stoff sind wir zu vielen gelangt; jede Molekülart hat eigene Eigenschaften (siehe obige Liste). Die Musterbildung bei Schnecken kann man gut mit einem Aktivatormolekül und einer Inhibitorsubstanz erklären.


Meinhardt, Hans: Wie Schnecken sich in Schale werfen, Berlin 1997

 

Einzelstunde 18.09.2007

Abtreibung  -  Ebenen

Die beiden Zeitungsartikel zu den Abtreibungszahlen liefern Diskussionsmaterial und stecken den gesellschaftlichen Rahmen ab. Die Zahlen sind für alle beschämend: Eltern, Jugendliche, Lehrkräfte, Kirchen, Staat, Gesellschaft ...

Abtreibung         Abtreibung

Der nächste Artikel grenzt den Personenkreis auf wenige ein: die junge Frau, ihren Partner (?), ihre Eltern (?), die Krankenschwester. Die Person tritt in den Vordergrund, Emotionen spielen eine große Rolle.

Abtreibung

Die „Lösung“ des Problems erfordert einen Sprung zum Organ (Gebärmutter), zum Gewebe (Gebärmutterwand) und zum Molekül (Progesteron). Das Hormon ermöglicht und erhält die Schwangerschaft.

Abtreibung

Die „Pille danach“ müsste diese fördernden Wirkungen ausschalten. Nun befinden wir uns auf der Zell-, Kern- und Molekülebene. Die Progesteronwirkung wird so stark „verdünnt“, dass sie völlig entfällt.
RU 486 besetzt die Passstelle ohne zu wirken oder verändert die Tertiärstruktur so stark, dass die Passform nicht mehr dem Rezeptor entspricht.

Abtreibung

 

Doppelstunde: Embryopathie 21.09.2007

Die Materialien stammen aus
Raether, Wulf: Gestörte Entwicklungsprozesse beim Menschen, Unterricht Biologie, 17, 1/1978

Material

http://www.bossert-bcs.de/biologie/lkGenetikA/12.4AEmbyophathien/index.htm

Ergänzung:

Die vorgeburtliche Entwicklung des Menschen dauert von der Befruchtung bis zur Geburt in der Regel 264 – 268 Tage (38 Wochen).
Es gibt aber noch andere Zeitangaben mit anderen Ausgangspositionen für die Berechnung.
So wird aus praktisch – diagnostischen Gründen in der Gynäkologie die Dauer der vorgeburtlichen Entwicklung nicht von der Befruchtung, sondern vom ersten Tag der letzten Periode vor einer Befruchtung an gerechnet, was dann 280 Tage (oder 40 Wochen = 10 Lunarmonate) ergibt.
Onlineberechnungen unter:
http://www.birth-date.com/index2.html
http://www.gyn.de/schwangerschaft/geburtstermin.php3
Diese Berechnungsmethode setzt voraus, dass die Frau sich ihre Zyklen im Kalender eingetragen hat und die Zykluslänge nicht zu stark schwankt.

Als „Schwangerschaft“ definieren aber ärztlicher Sprachgebrauch und Gesetzestext erst den Zustand nach Beendigung der Einnistung des Eies vom 14. Tag nach der Befruchtung an.

Da es sich um eine kontinuierliche Entwicklung handelt, ist die Einteilung in Embryonal- und Fetalzeit etwas willkürlich. Die Embryologen haben sich auf das Ende der 8. Woche nach der Befruchtung geeinigt.

Der errechnete Geburtstermin kann mit Hilfe des Computers und dem Ultraschall-Gerät überprüft werden und gegebenenfalls vom Frauenarzt korrigiert werden. Die Größe des Embryos ist für die Korrektur des Geburtstermins ausschlaggebend. Die Terminkorrektur per Ultraschall ist nur im ersten Drittel der Schwangerschaft sinnvoll, am besten zwischen der sechsten und zehnten Schwangerschaftswoche. Größe und Gewicht des Ungeborenen lassen zu einem späteren Zeitpunkt keine genauen Rückschlüsse auf den voraussichtlichen Geburtstermin mehr zu.
Am errechneten Geburtstermin kommen die wenigsten Kinder zur Welt; der tatsächliche Termin kann um zwei Wochen abweichen (nach beiden Seiten).
Einzelheiten und Abbildungen unter:
http://www.villarsgyn.ch/usscreening.htm

 

6. Woche

Doppelstunde: 1. Arbeit 24.09.2007

Aufgabenstellung


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Hinweise:

Die Aufgabenstellungen setzen voraus, dass diese Art von Fragestellung schon länger eingeübt wurde. Die Beschreibung der Versuchsergebnisse sollte sehr, sehr knapp sein – gefragt sind Schlussfolgerungen aus den Resultaten, die zur Interpretation der Regulation führen. Die Deutungen können dann wiederum mit weiteren Befunden (z.B. Aufgabe zur Entwicklung des Flügelmusters) bestätigt werden.

Mögliche Ergänzungen:
Ausgehend von Fragen, die während der Arbeit gestellt wurden, könnte man überlegen, ob man den Aufgabentext ergänzt.
Aufgabe 1 –    Abbildung der normalen Flügelentwicklung.
Aufgabe 2 –    C/D entwickeln sich isoliert weiter
                        Die beiden neu gebildeten Köpfe / Kopffelder entstehen gleichzeitig.

 

Einzelstunde: Rückgabe und Besprechung der 1. Arbeit 25.09.2007

Lösungsblatt und Bemerkung

Alternative Interpretation:
Bei Aufgabe 4 kann man statt der "sensiblen Phase" auch annehmen, dass Zellen / Gewebe schon determiniert sind und bei Verlust nicht mehr ersetzt werden können.

 

Doppelstunde: Strategien zur Aufgabenlösung  -  Referatthemen 27.09.2007

Es ist die letzte gemeinsame Stunde vor den Herbstferien. Die nächste Woche ist als Projektwoche geplant; es sind aber nicht alle Kursteilnehmer in dem Projekt, das ich anbiete.

Es wurden die mündlichen Noten besprochen.

Da bei einigen noch Probleme beim Lösen von Klausuraufgaben bestehen, wurde nochmals im Zusammenhang eine Lösungsstrategie besprochen und auf die erste Aufgabe der letzten Arbeit angewendet.

 

 

Der naturwissenschaftliche Gedankengang wird an einfachen Beispielen wiederholt. Aus zwei Gründen ist eine gute Kenntnis bei der Lösung von Aufgaben vorteilhaft. Da fast alle Aufgaben Material zur Bearbeitung beinhalten, bilden sie zwangsläufig einen Teilausschnitt aus dem Gedankengang ab. Meist sollen Versuchsergebnisse interpretiert werden.

Zudem zeigt die Lösungsstrategie einer Aufgabe viele Parallelen zum naturwissenschaftlichen Gedankengang. Der Problemstellung entspricht die Fragestellung. Um wissenschaftliche Hypothesen zu bilden, musste man über Basiswissen verfügen; das ist bei der Aufgabenlösung leichter, da ja nur ein begrenztes strukturiertes Grundwissen im Verlauf des Halbjahres angesammelt wurde. Daraus leitet man in freier Assoziation Vermutungen zur Beantwortung ab. Erklären sie die Versuchsergebnisse ohne Widersprüche, so wird die Vermutung richtig sein und sie kann zur Lösung ausgearbeitet werden. Wenn nicht, prüft man die nächste Vermutung oder greift mit seinen Assoziationen etwas weiter aus.

Falls zu dem Aufgabenmaterial Kurven gehören, die die Ergebnisse der Experiment wiedergeben, sollte man das unter „Lösungswege“ dargestellte berücksichtigen.

Die Aufgabenstellung sollte sorgfältig gelesen und analysiert werden. Man sollte nicht voreingenommen auf die erste Lösung zusteuern, die einem eingefallen ist, sondern auch Alternativen bedenken.

Bei Aufgabe 1 der Arbeit war gefragt, wie die Flügelbildung gesteuert wird.
Der normale Ablauf ist der Ausgangspunkt jeder Untersuchung. Um die Steuerung der Normogenese zu verstehen, muss man experimentell eingreifen. Die hier benutzten Techniken wurden bei Versuchen mit Amphibienkeimen schon kennen gelernt.
Unter Versuchsbedingungen kommt es zu Abweichungen im Verlauf, die die Hintergründe der Steuerung zeigen. Der Ablauf der einzelnen Entwicklungsschritte soll nicht beschrieben, sondern mit ihrer Hilfe soll argumentiert werden. Jetzt muss man das im Kurs erarbeitete Basiswissen (Prinzipien) einbeziehen. Der Grundablauf ist eine Musterbildung (Aufgabentext) mit einer voranschreitenden Determination. Beteiligt sind DNA, Rezeptormoleküle und Signalstoffe – das sind die „Lösungshypothesen“. Da eine Veränderung der DNA durch die Versuche nicht stattfindet, bleiben zwei Möglichkeiten. Da der Ort, an dem das Gewebestückchen eingefügt wird, variiert, sind ortsfeste Rezeptormoleküle als Ursache auszuschließen. Bei den Überlegungen bietet sich auch ein Transfer der Ergebnisse des Versuchs mit Amphibienkeimen an, bei dem die „Urmundoberlippe“ transplantiert wurde.
Die weitere Lösung würde durch Skizzen der Knospe mit dem / den Quellen und Diffusionswegen der Signalstoffe erleichtert. Man sieht, dass bei den verschiedenen Versuchen unterschiedliche Gradienten und durch Addition variierende Konzentrationsmuster zustrande kommen. Ein Transfer der Ergebnisse, die durch die Modellvorstellung, die zu der französischen Flagge führte, dargestellt wurden, führt direkt zur Lösung. Die erhaltene Lösung ist dann mit hoher Wahrscheinlichkeit richtig, wenn mit ihr alle Versuchsergebnisse (kein 2. Finger, ...) erklärt werden können.

Voraussetzung für die Lösung einer solchen Aufgabe ist, dass man das Basiswissen sicher beherrscht, mit ihm spielend arbeiten kann – und es nicht etwa mühsam hervorkramen muss.

 

 

Es wurde eine Reihe von Themen für Referate oder Hausarbeiten vorgeschlagen. In den meisten Fällen werden zur Illustration der Problemstellung Kopien von Zeitungs- bzw. Zeitschriftenartikeln zur Verfügung gestellt. Von dieser Ausgangslage aus soll dann selbständig weiter recherchiert werden; dabei kann, muss aber nicht, die „weitere Quelle“ benutzt werden.

Meist liegen die englischen Texte auch in deutscher Übersetzung vor – siehe erstes Thema.

Es sollen alle benutzen Quellen und auch die verwendeten Suchbegriffe für das Internet dokumentiert werden.

1. Hautkrebs und DNA – Reparatur
als Kopie:
Hummel, K.: Leben mit Lichtschutzfaktor, FAZ 25.09.2002
Reparatur der DNS aus: Kornberg, A.: Die DNS – Synthese – ein Angelpunkt der biologischen Revolution S. 78 - 80, in mannheimer forum 76/77

weitere Quelle:
Devoret, R.: Bacterial Tests for Potential Carcinigenes, Scientific American 8/79 (Spektrum der Wissenschaft 10/1979)
Erwartungen:
Ausgehend von dem Krankheitsbild sollen Reparaturmöglichkeiten und ihre Grenzen dargestellt werden.

2. Phenylketonurie
Material:
Vorhandener Entwurf für eine Unterrichtsstunde: a. Gen – Protein – Merkmal

3. Gentherapie
als Kopie:
Müller – Jung , J.: Glanzpunkt der Gentherapie, FAZ 03.04.2006
Bahnsen, U. und Viviano, A.: Rettung mit Restrisiko, Die Zeit 06.04.2006
Tod nach Gentherapie, FAZ 28.04.2006
Teilnehmer einer Gentherapie – Studie gestorben, NZZ 03.05.2006
Gentherapie scheitert bei Frankfurter Patient, FAZ 24.05.2006

weitere Quellen:
Anderson, W.F.: Gene Therapy, Scientific American 9/95
BioMax: Gentherapie, Broschüre Herbst 1995 – auch im Internet

Erwartungen:
Schema der Gentherapie, Übertragung auf den konkreten Fall

4. Huntington – Chorea
als Kopie:
Protein-Verfilzung und Chorea Huntington, Chemie in unserer Zeit 6/97 S.316
„Stotternde“ Gene töten den Nerv, Max Planck Forschung 3/2001

weitere Quelle:
Cattaneo, E., Rigamonti, D. and Zuccato, C.: The Enigma of Huntington´s Diseaese, Scientific American 12/02
Erwartungen / dargestellte Ebenen:
Krankheitsbild, Art der Vererbung, Änderungen an der DNA, Folgen – Protein, Gehirn

5. Williams Syndrom
als Kopie:
Brasch, C.: So viel Freundlichkeit ist nicht normal, FAZ 17.07.2005 (mit Internetadressen)
weitere Quelle:
Lenhoff, H.M., Wang, P.P., Greenberg, F. and Bellugi U.: Williams Syndrome and the Brain, Scientific American 12/97
Erwartungen / dargestellte Ebenen:
Krankheitsbild / Verhalten, Chromosom - Veränderung, Gehirn

6. Brustkrebs
als Kopie:
Deciphering the Breast Cancer Gene, Scientific American 12/94 p.18
Lenzen – Schulte, M.: Rettung oder Verstümmelung der Frau? FAZ 31.01.2007
Müller – Jung, J.: Wenn der Krebs seine Fühler ausstreckt, FAZ 13.06.2007

weitere Quelle:
Davis, D.L. and Bradlow, H.L.: Can Environmental Estrogens Cause Breast Cancer? Scientific American 10/95
Erwartungen:
Bau und Rolle der Brustkrebsgene

7. Tissue Engineering
a. Wundheilung
als Kopie:
Hobom, B.: Hoffnung auf makellos verheilende Wunden, FAZ 24.04.2002
Wehner – von Segesser, S.: Wenn Wunden nicht heilen wollen, NZZ 06.12.2006

weitere Quelle:
Green, H.: Cultured Cells for the Treatment of Disaese, Scientific American 11/91
b. Ausblick
Quellen:
Scientific American 4/99 (Themenschwerpunkt des Heftes)
Kasper, C.: Ersatzteillager Mensch?, Chemie in unserer Zeit 6/05

Erwartungen:
Herstellung von Hautersatz und Ausblick auf die Vielzahl der zukünftigen Möglichkeiten

8. Zoeliakie und Morbus Crohn
Zu diesen beiden Krankheiten findet man im Internet eine Fülle von Material.
Erwartungen:
Vergleich der beiden Krankheitsbilder, ihrer Ursachen und Therapiemöglichkeiten

9. Telomere und Altern
als Kopie:
Müller – Jung, J.: Düstere Vorsehung im Genom, FAZ 05.02.2003
Klärner, D.: Jungbrunnen im Erbgut, FAZ 27.09.2003
Forscher lassen Krebszellen altern, Technology Review 5/05, S. 19

weitere Quellen:
Moyzis, R.K.: The Human Telomere, Scientific American 8/91
Greider, C.W. and Blackburn, E.H.: Telomeres, Telomerase and Cancer

Erwartungen:
Zusammenhang von Struktur und Funktion

10. Malaria und Sichelzellenanämie
als Kopie:
Hobom, B.: Schädliche Gene zuweilen vorteilhaft, FAZ 28.04.1993
Wehner – von Segesser, S.: Hämoglobin C schützt wirksam vor Malaria, NZZ 16.01.2002
Schuh, H.: Blutschutz, Die Zeit 12.12.2002

weitere Quelle:
Trager, W.: The Biochemistry of Resistance to Malaria, Scientific American 5/81
Erwartungen:
Lebenszyklus des Malariaerregers, Auswirkungen der Sichelbildung, Gründe für die eingeschränkte Verbreitung der Krankheit

11. Der genetische Code: Zufällig?
Das Thema geht auf eine Kapitelüberschrift in
Hofstadter, D.R.: Metamagicum, Stuttgart 1988, S. 731
zurück. Angeregt durch die Frage eines Studenten, versucht er zu beweisen, dass der genetische Code genau so willkürlich ist, wie die Zuordnung der telefonischen Vorwahlnummer.
Material:
Vorhandener Entwurf für eine Unterrichtsstunde: c. Der genetische Code

weitere Quelle:
Freeland, S.J. and Hurst, L.D.: Evolution Encoded, Scientific American 4/04
Erwartungen:
Codierung allgemein, Anfälligkeit des Codes bei Mutationen

 

 

8. Woche

Doppelstunde: Geschlechtsbestimmung beim Menschen 22.10.2007

In den vergangenen Herbstferien habe ich mir überlegt, wie wir, der Biologiekurs, unsere Zusammenarbeit und damit auch die Leistungen verbessern können. Ich habe dazu eine zweite Gesprächsebene vorgeschlagen.

Intensivierung der Arbeit

Die Seiten zu dem laufenden Genetikkurs sind eine Hilfe zur Nacharbeit des Unterrichtstoffes und eine ergänzende Illustration, die über die Arbeitsblätter hinausgeht.
Um ein noch besseres Verständnis und eine erfolgreichere Nutzung zu erreichen, richten wir eine zweite Dialogebene im Internet ein. Neben der nach wie vor wichtigsten ersten Ebene, dem Unterrichtsgespräch, gibt es die zusätzliche Möglichkeit, laufend und zu bestimmten Zeitpunkten Kommentare abzugeben.
Leitfragen dafür können sein:
            Wie hat die Unterrichtsstunde mein Verständnis erweitert?
            Gab es an einer oder mehreren Stellen Schwierigkeiten oder Probleme?
            Kann ich die Inhalte auf vorhergehende beziehen?
            War ich mit dem Stundenablauf zufrieden?
            …
Jede Schülerin und jeder Schüler reflektiert, was im Unterricht passiert ist. Das Unterrichtsgeschehen und die eigenen Lernwege werden bedacht und beurteilt. Die sich daraus ergebenden Kommentare helfen dem Lehrer, seinerseits den Unterricht zu überdenken und die Abläufe zu verbessern.

www.bossert-bcs.de/forum

 

Material für die 8. Woche

http://www.bossert-bcs.de/biologie/lkGenetikA/12.3AGeschlechtsbestimmung/index.html

Anhand der Abbildung zur Stammzellenentstehung und der Keimblattbildung (Doppelstunde vom 03.09.2007) wurden die Prinzipien wiederholt. Aus einer kugelförmigen Ausgangszelle entsteht durch schrittweise Differenzierung ein Embryo mit drei Keimblättern, aus denen sich dann Organsysteme entwickeln. Die Entwicklung wird von Signalstoffen gesteuert.

Was für die allgemeine Entwicklung gilt, trifft sicher auch auf die Ausbildung der Geschlechtsorgane zu.

Es wird diskutiert, ob die befruchtete Eizelle männlich oder weiblich ist (obiges Arbeitsblatt); das leitet zu den Geschlechtschromosomen über. Es werden die Karyogramme analysiert und es werden andere Arten der Geschlechtsbestimmung kennen gelernt.

Das Material (siehe oben) wird ergänzt:


aus. Der Spiegel, 45/2004

 


Natur und Museum 136 (3/4) 2006

Der abgebildete Hauhechelbläuling setzt sich aus einer männlichen (blau) und weiblichen Seite (braun) zusammen (Halbseitengynandromorph); da es ein unfruchtbares Tier ist, sollte man die Bezeichnung „Halbseitenzwitter“ vermeiden.
Sieht man sich die Geschlechtsbestimmung bei Insekten an (siehe Material), so kann man sich leicht vorstellen, wie es zu der Bildung des Tieres kommt.

Nach dem Grundsatz „Struktur und Entwicklung(ssteuerung“ wird die Entwicklung der äußeren und inneren menschlichen Geschlechtsorgane genau verfolgt.
Eine indifferente „Urgonade“ kann sich auf zwei Weisen ausdifferenzieren. Es ist anzunehmen, dass Signalstoffe eine Rolle spielen.
Die Analyse der Zwickenbildung bei Rindern zeigt, dass die Annahme richtig ist. Das Erbmaterial verändert sich nicht – es müssen unterschiedliche Signalstoffe eine Rolle spielen. Mit Hilfe von „Ockhams Messer“ gelangen wird über Stufen (zwei Signalstoffe, unterschiedliche Konzentrationen eines Signalstoffes) zu der einfachsten Annahme: kein Signalstoff – weiblich, ein Signalstoff – männlich.

Die Zwillinge, die gleichgeschlechtlich sind, können nicht zur Lösung beitragen. Bei den anderen Zwillingen fällt auf, dass ausschließlich die weiblichen Tiere betroffen sind. Die unterschiedlich starken Umbildungen könnten auf unterschiedlich starke Verbindungen der Plazenten und damit unterschiedliche Signalstoffkonzentrationen zurückgehen.

Diese Vermutung muss noch geprüft werden. Außerdem scheint der Zeitpunkt, zu dem der Signalstoff auftritt, eine große Rolle zu spielen.

 

Einzelstunde: Geschlechtsbestimmung beim Menschen 23.10.2007

Wenn man annimmt, dass die Steuerung bei allen Säugetieren gleichartig verläuft, kann die Vermutung auch an einer anderen Tierart überprüft werden.
Es werden die Experimente an Kaninchen interpretiert.
Es ist hilfreich, die einzelnen Ereignisse auf einem Zahlenstrahl aufzutragen. Normalerweise ist der Nullpunkt nicht einfach zu bestimmen. Im Fall der Kaninchen liegt eine Besonderheit vor, die es erlaubt, den Befruchtungstag exakt anzugeben.

Bei weiblichen Kaninchen wird die Freisetzung der Eizellen durch den Kopulationsreiz bei der Paarung ausgelöst. Die Befruchtung ist damit immer sicher und der Zeitpunkt auch.

 

Bevor man die Ergebnisse interpretiert, kann man in Gedanken die einzelnen Operationsschritte durchgehen. Bedenkt man noch die Größe des Kaninchens und seiner Embryonen, so sind die handwerklichen Leistungen des Wissenschaftlers erstaunlich.
Seit 1986 gelingen auch beim Menschen Herzoperationen am Embryo!

FAZ
stern
stern
stern
FAZ
Die Zeit
FR
bild der wissenschaft 
Der Spiegel

 

09.10.1986
03.05.1989
29.05.1991
23.04.1992
23.02.1994
05.12.1997
18.03.2000
9/2000
07.07.2003

Ungeborenes außerhalb des Mutterleibes operiert
Patient im Mutterleib
Griff nach dem Leben
Operation vor der Geburt
Operation durchs Schlüsselloch
Der Fötus als Patient
Lebensretter im Mutterleib
Zerschnittene Schwangerschaften
Experiment im Mutterschoß

 

In den Überschriften und auch in dem Bild spiegeln sich die Probleme und Hoffnungen wider.

Die Kombination der Geschlechtschromosomen bestimmt die männliche oder weibliche Ausbildung der Keimdrüsen. Die Eierstöcke sind nicht aktiv; die Hoden geben einen Signalstoff ab, der die männliche Entwicklung bestimmt. Ist sie eingeleitet, kann sie ab einem bestimmten Zeitpunkt nicht mehr rückgängig gemacht werden.

 

Die Übersicht „Festlegung des Geschlechts beim Menschen“ gibt im ersten Abschnitt die besprochenen Versuchsergebnisse wieder. Der Rest wird durchgesprochen und in der nächsten Doppelstunde angewendet. Es geht dann darum, verschiedene Fehlbildungen mit Hilfe der Regulationsübersicht zu erklären.

 

Doppelstunde: Fehlbildungen 25.10.2007

Material: „Aufgaben: Allgemein und Mit Hilfe des Arbeitsblattes“

Abbildungen betroffener Personen in:
Frank H. Netter: Farbatlanten der Medizin, Band 3: Genitalorgane, Stuttgart 1978
Eberhard Passarge: Taschenatlas der Genetik, Stuttgart 1994
Michael R. Cummings: Human Heredity, PacificGrove, 2003

zu 1. und 2.
Das Prinzip der Einheit von Struktur und Funktion auf Molekülebene wird an der Zusammenwirkung von Signalmolekülen („Schlüssel“) und Rezeptormolekülen („Schloß“) besprochen.
An das Beispiel Enzym – Substrat aus Klassenstufe 11 wird erinnert.
Als stammesgeschichtlich älteste Form eines Steuerungssystems ist das Hormonsystem in doppelter Hinsicht sehr variabel. Die Drüse kann aus einer Zelle bestehen oder im Krankheitsfall (Kropf) ein faustgroßes Organ sein. Die Hormonmoleküle gehören keiner einheitlichen Stoffgruppe an; sie sind Nicht-Proteine oder Proteine. Das ist für die Wirkungsweise von großer Bedeutung. In beiden Fällen gilt das „Schlüssel-Schloß-Prinzip“ aber einmal können die Hormonmoleküle (Nicht-Proteine, z.B. Geschlechtshormone) in die Zelle transportiert werden und im anderen Fall (Proteine, z.B. Insulin) nicht.

   

zu 3.
Es entwickelt sich eine Frau.

zu 4.
Hernia uteri Syndrom

zu 5.
Hermaphroditismus verus

zu 6.
Androgenitales Syndrom

Eine entsprechende Entwicklung setzt auch ein, wenn man (unabsichtlich) von außen in der entsprechenden Zeit der Schwangerschaft von außen Testosteron zuführt.
Deshalb gibt es Warnungen auf den Beipackzetteln der Arzneimittel:
http://www.neuroservice.de/produkte/patientinfo-pdf/TestosteronDepotGalen_Stand1106.pdf

zu 7.
5a-Reductase Mangel

zu 8.
Testikuläre Femininisierung

 

 

 

 

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Domäne  Bossert

updated November 2007
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