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Vererbungslehre Grundlagen

Geschrieben von: Dennis Rudolph
Donnerstag, 28. Dezember 2017 um 18:51 Uhr

Mit den Grundlagen der Vererbungslehre befassen wir uns in diesem Artikel. Wir werfen somit einen Blick auf die Grundlagen der Genetik. Dabei behandeln wir die Mendelschen Gesetze, verschiedene Typen von Erbgängen sowie die Meiose.

Jeder kennt das: Zwillinge sehen sich oftmals zum Verwechseln ähnlich. Und viele Kinder scheinen optisch eine "junge Version" ihrer Eltern darzustellen oder haben zumindest einige optische Ähnlichkeiten aufzuweisen. Woran liegt das?  Die Antwort auf diese Frage findet sich in einem großen biologischen Thema, der Genetik. Aber womit genau beschäftigt sich die Genetik? Nun, die menschlichen Erbanlagen, auch DNA genannt, oder andere wichtige Erbträger in pflanzlichen und menschlichen Zellen und Körpern werden im Teilbereich Genetik behandelt.

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Vererbungslehre: Mendelsche Gesetze / Regeln

Johann Gregor Mendel war ein böhmischer Augustinerpater, der im Garten seines Klosters Experimente mit Pflanzen durchführte. Dabei benutzte er die - biologisch gesehen - recht einfache Erbsenpflanze. Die Vorteile der Erbsenpflanze: Sie ist pflegeleicht, da sie nur Wasser und Licht zum Wachsen benötigt. Außerdem führt sie viele Früchte, hier können Experimente besonders repräsentativ durchgeführt werden. Damit war diese Pflanze optimal um die Grundlagen der Vererbungslehre zu untersuchen.

Mit dieser Erbsenpflanze führte er Experimente durch. Er kreuzte Erbsenpflanzen mit weißen Blüten mit Erbsenpflanzen, welche rote Blüten aufwiesen. Die dabei herauskommenden Blüten ( F1-Generation oder auch Tochter-Generation genannt ) wiesen dabei rote Blüten auf. Schaut man sich das Ganze aus Sicht der Vererbung an, so hat die weiße Erbsenpflanze die Information für weiße Blüten vererbt und die rote die Information für rote. Normalerweise müsste man jetzt sagen: Rot und weiß gemischt müsste rosa ergeben. Aber warum ist das hier nicht so? Der Grund liegt darin, dass die rote Farbe sich durchsetzt, sie ist dominant gegenüber der weißen Farbe. Die Erbinformation weiß hat sich nicht durchgesetzt und wird als rezessiv bezeichnet. Aus diesem Grund spricht man hier von einem dominant-rezessiven Erbgang.

Heißt: Wenn reinerbige rotblühende und reinerbige weißblühende Individuen gekreuzt werden, haben alle Mitglieder der F1-Generation eine Erbanlage (ein Gen) für weiß (von einem Elternteil ) und eine Erbanlage für rot (vom anderen Elternteil) vererbt bekommen, sie sind heterozygot. Trotzdem sind sie alle rotblühend, eben weil rot gegenüber weiß dominant ist. Die verschiedenen Formen einer Erbanlage (im Beispiel die Genformen für rot und weiß ) werden auch als Allele bezeichnet. Die folgende Grafik zeigt dies. Dabei werden dominante Eigenschaften in großen Buchstaben geschrieben, rezessive Eigenschaften in kleinen Buchstaben.

Dominant-Rezessive Vererbung:

Uniformitätsregel Dominant-Rezessiv

Nun kann man aber auch Pflanzen mit roten und weißen Blüten kreuzen und lila Blüten erhalten. Was soll denn das jetzt? Nun, beim dominant-rezessiven Erbgang hat sich ein Merkmal durchgesetzt. Das war bei der oben genannten Blütenpflanze der Fall. Bei anderen Pflanzen, z.B. der Mirabilis jalapa ( Wunderblume ) liegt kein dominant-rezessiver Erbgang vor, sondern ein intermediärer Erbgang. Hier setzt sich also keine Blütenfarbe durch, sondern es entsteht eine Mischform. Aus roten und weißen Blüten der Eltern werden rosafarbene Blüten der Nachkommen. Die folgende Grafik zeigt wie dies aussieht. Man beachte, dass alle Buchstaben für die Erbinformationen klein geschrieben sind, da kein dominanter Anteil vorliegt.

Intermediärer Erbgang:

Intermediärer Erbgang

Aus beiden Versuchen zeigt sich, dass die 1. Tochtergeneration - auch F1-Generation optisch immer gleich aussieht. In unserem Fall weißt die Tochtergeneration sowohl beim dominant-rezessivem Erbgang, als auch beim intermediären Erbgang immer die gleiche Farbe auf. Der Phänotyp ist somit gleich. Aus diesem Wissen lässt sich ein Gesetz der Vererbungslehre ableiten.

Mendel Gesetz Nr.1: Uniformitätsregel. Kreuzt man zwei reine Rassen einer Art miteinander, so zeigen die direkten Nachkommen das gleiche Aussehen.

2. Mendelsches Gesetz

Eine kleine Erinnerung zu den Grundlagen der Vererbungslehre: Bei einem dominant-rezessivem Erbgang setzt sich ein Merkmal durch. Beispiel: Rote und weiße Blüten bei den Eltern und rote Blüten bei den Nachkommen. Beim intermediären Erbgang setzt sich kein Merkmal durch. Beispiel: Rote und weiße Blüten bei der Elterngeneration und rosa Farben bei den Nachkommen. Umgangssprachlich ausgedrückt haben wir nun Eltern und Kinder gehabt. Und jetzt sehen wir uns die Enkel an. Wir kreuzen nun die F1-Generation ( Kinder ) untereinander und erhalten die F2-Generation ( Enkel ).

Beim dominant-rezessivem Erbgang passiert folgendes: Die F1-Generation ( Kinder ) weisen Erbinformationen für weiß und rot auf. Nun kann rot-rot vererbt werden, daraus entsteht rot. Es kann rot-weiß vererbt werden, dabei entsteht auch rot, denn rot ist dominant. Wird hingegen weiß-weiß vererbt, entsteht weiß.  Also: Handelt es sich um eine dominant-rezessive Vererbung, so sind ein Viertel der F2-Individuen reinerbig mit zwei rezessiven Erbanlagen und zeigen eine entsprechende Merkmalsausprägung. Die anderen drei Viertel zeigen eine Ausprägung wie reinerbige Individuen mit zwei dominanten Erbanlagen. Diese drei Viertel setzen sich zusammen aus reinerbigen (ein Viertel) und mischerbigen (zwei Viertel) Individuen. Auch hier eine Grafik zum besseren Verständnis:

Dominant-Rezessive Vererbung:

Spaltungsregel Dominant-Rezessiv

Bei der intermediären Vererbung sieht das Bild ein bisschen anders aus: Die F1-Generation ( Kinder ) weißen Erbinformationen für weiß und rot auf. Die F2-Generation ( Enkel ) kann dann weiß, rot oder auch lila aussehen. Was passiert hier nun? Also 1. Möglichkeit: Die F2-Generation bekommt von beiden Eltern die Erbinformation "rot", dann ist auch der Nachkomme rot. Möglichkeit Nr.2: Es wird rot und weiß vererbt. Beim intermediären Erbgang entsteht dann eine Mischung die lila ist. Und letzte Möglichkeit: Es wird zweimal weiß vererbt, dann entsteht auch ein weißer Nachkomme. Die folgende Grafik zeigt auch dies:

Spaltungsregel Intermediär

Aus diesem Wissen lässt sich das zweite Mendelsche Gesetz ableiten: Die Spaltungsregel.

Mendel Gesetz Nr. 2: Spaltungsregel. Kreuzt man die Mischlinge (Tochtergeneration) untereinander, so spaltet sich die Enkelgeneration in einem bestimmten Zahlenverhältnis auf. Dabei treten auch die Merkmale der Elterngeneration wieder auf.

3. Mendelsches Gesetz:

Mendel führte noch einen weiteren interessanten Versuch durch: Er kreuzte Pflanzen mit runden und gelblichen Früchte mit Pflanzen, die grüne und eckige Früchte aufwiesen. Er interessierte sich nun dafür, wie Farbe und Aussehen bei der Tochtergeneration aussahen. Die F1-Generation (Tochtergeneration) hatte alle runde und gelbe Früchte. Diese kreuzte er erneut und erhielt die F2-Generation (Enkelgeneration), welche jedoch ganz unterschiedlich aussahen: Es entstanden sowohl Früchte mit den Formen der Eltern, also auch zwei neue Rassen mit gelb-eckig und grün-rundem Aussehen.

Mendelsche Gesetze Bild 3

Mendelsche Gesetze Bild 4

Und damit wären wir auch schon beim 3. Mendelschen Gesetz, welches auch unter der Unabhängigkeitsregel bekannt ist.

Mendel Regel Nr. 3: Unabhängigkeitsregel. Kreuzt man zwei Rassen, die sich in mehreren Merkmalen unterscheiden, so werden die einzelnen Erbanlagen unabhängig voneinander vererbt. Diese Erbanlagen können sich neu kombinieren.

Noch ein Hinweis: Die Regeln von Mendel sind nicht universell gültig. Es gibt eine ganze Reihe an Ausnahmen, doch sollt ihr hier erst einmal einen guten Überblick über die Versuche bekommen.  Eine Zusammenfassung der wichtigsten Begriffe zur Genetik findet ihr in unserem Artikel "Grundbegriffe der Genetik Zusammenfassung".

Vererbungslehre: Verschiedene Erbgangtypen

Bei der Vererbung interessiert man sich dafür, wie genetische Informationen von Eltern auf Kinder übertragen werden. Es existieren dabei eine Reihe verschiedene Erbgangtypen, die hier einmal in aller Kürze vorgestellt werden sollen. Auch dies gehört zu den Grundlagen der Vererbungslehre.

  • Monohybride Erbgang: Bei einem monohybriden Erbgang interessiert man sich nur für ein einziges Merkmal und wie dieses auf die Nachkommen vererbt wird. Beispiel: Untersucht man bei der Vererbung nur die Blütenfarbe und wie diese auf einen Nachkommen übertragen wird, so spricht man von einem monohybriden Erbgang. So geschehen bei der Untersuchung von Gregor Mendel und der damit verbundene Aufstellung der Mendelschen Regeln.
  • Dihybrider Erbgang: Bei einem dihybriden Erbgang interessiert man sich für die Vererbung von zwei Merkmalen. Beispiel: Gregor Mendel führte Kreuzungen mit Erbsenpflanzen durch, die sich in zwei Merkmalen ( Farbe und Samen ) unterschieden. Eine der Erbsensorten hatte gelbe und kantige Samen, die andere grüne und runde Samen. In der Folgegeneration traten nur gelbe runde Samen auf. Damit war gelb dominant gegenüber grün und rund über kantig.
  • Dominant-Rezessiver Erbgang: Starten wir kurz mit einem wichtigen Begriff, welchen wir gleich brauchen werden: Allel. Ein Allel bezeichnet eine mögliche Ausprägung eines Gens, das sich an einem bestimmten Ort auf einem Chromosom befindet. Bei einem dominant-rezessiven Erbgang setzt sich ein Allel bei der Ausprägung eines Merkmals gegenüber einem anderen Allel durch. Das sich durchsetzende Allel wird als dominant bezeichnet, das andere als rezessiv. Beispiel: Die Augenfarbe beim Menschen wird z.B. dominant-rezessiv vererbt, wobei das Allel für braune Augen dominant und das Allel für blaue Augen rezessiv ist. Bekommt ein Kind von einem Elternteil die Erbinformation für blaue Augen und vom anderen die für braune Augen, so wird das Kind braune Augen haben. Die Erbinformation für das rezessive Allel (hier "blaue Augen") bleibt jedoch erhalten. Es kann an die nächste Generation weitergegeben werden. Bei einem diploiden Organismus sind die in den Mendelschen Regeln beschriebenen Aufspaltungen zu beobachten. Bei dominant-rezessiver Vererbung gleichen die Nachkommen oft völlig einem Elternteil, da sich nur das dominante Gen durchsetzt - die Merkmale des rezessiven sind zwar im Erbgut vorhanden, kommen jedoch in dieser Generation nicht zur Ausprägung.
  • Intermediärer Erbgang:  Bei einer Vererbung kann es vorkommen, dass sich ein Allel gegenüber einem anderen Allel durchsetzt - sprich dominant ist. Beispiel: Die Augenfarbe beim Menschen wird z.B. dominant-rezessiv vererbt, wobei das Allel für braune Augen dominant und das Allel für blaue Augen rezessiv ist. Bekommt ein Kind von einem Elternteil die Erbinformation für blaue Augen und vom anderen die für braune Augen, so wird das Kind braune Augen haben. Bei manchen Genen unterdrückt jedoch kein Allel das andere. Kreuzt man zum Beispiel Wunderblumen mit roten und weißen Blüten miteinander, so hat die folgende Generation rosafarbene Blüten. Es entsteht somit eine Farbmischung. Und so etwas bezeichnet man als intermediären Erbgang.

Vererbungslehre: Die Meisoe

Bei der Befruchtung verschmilzt das Sperma des Mannes mit der Eizelle der Frau. Es entsteht eine befruchtete Eizelle mit den genetischen Informationen beider Elternteile. Es kommt bei der Befruchtung somit zu einer Vereinigung der Geschlechtszellen und somit auch der Chromosomensätze. Während der Entwicklung des Lebens muss eine Halbierung der Chromsomenzahl erfolgen, sonst würde sich bei jeder Generation die Anzahl der Chromosomen verdoppeln. Der Halbierungsvorgang wird durch einen Prozess namens Meiose erreicht.

Meiose Phasen:

Die Meiose unterteilt man zur besseren Übersicht in verschiedenen Phasen, bei der man grob gesagt  eine erste Reifeteilung und eine zweite Reifeteilung unterscheidet. Vor der Meiose findet zuvor jedoch noch eine Interphase statt, in der sich die Chromosomen verdoppeln. Um die Meiose verstehen zu können, muss man wissen, was ein Chromatid ist. Daher noch schnell die entsprechende Definition: Ein Chromatid besteht aus einem DNA-Doppelstrang und den zugehörigen Chromatin-Proteinen. Je nachdem in welcher Zellzyklus-Phase sich eine Zelle befindet, besteht ein Chromosom aus einem oder zwei Chromatiden.

Erste Reifeteilung:

Die erste Reifeteilung besteht aus der Prophase 1, der Metaphase 1, der Anaphase 1 und der Telophase 1. Die erste Reifeteilung dient insgesamt dazu, die Chromosomen, die aus zwei Chromatiden bestehen voneinander zu trennen.

Prophase 1:

In der Prophase 1 spiralisieren sich die Chromosomen und sind unter dem Mikroskop als feine Fäden zu erkennen. Die homologen Chromosomen beginnen sich eng und parallel aneinander zu lagern. Es entsteht eine Tetrade aus vier Chromatiden. Zwischen den Chromatiden kann man "Kontaktstellen" erkennen, an denen sich die Chromatiden überkreuzen. Diese Überkreuzung wird Chiasma genannt und entsteht durch Crossing Over.

Die folgende Grafik zeigt, was beim Crossing Over passiert:

  1. Wir haben zwei Chromosomen ( rot und grün eingezeichnet ), die jeweils aus zwei Chromatiden bestehen.
  2. Ein Chromatid des grün eingezeichneten Chromosoms überlappt sich mit einem Chromatiden des rot eingezeichneten Chromosoms.
  3. Es kommt zu Brüchen bei den Chromatiden. An den Bruchstellen werden die Chromatidenstücke "über Kreuz" neu zusammengesetzt.

Crossing Over

Metaphase 1:

In der Metaphase 1 ist die Kernmembran aufgelöst. In dieser Phase ordnen sich die homologen Chromosomen beiderseits der Äquatorialebene an und je ein Chromosom ( bestehend aus zwei Chromatiden ) weist zu einem Spindelpol.

Anaphase 1:

Die homologen Chromosomen werden durch die Spindelfasern zu den Polen gezogen. Dabei ist die Verteilung der männlichen und weiblichen Chromosomenpaare zufällig.

Telophase 1:

In der Telophase 1 findet eine Einschnürung der Zellen mit anschließender Trennung statt. Es bilden sich zwei Zellen mit verschiedenem Erbgut. Eine Entspiralisierung der Chromosomen findet statt.

Zweite Reifeteilung:

Die zweite Reifeteilung besteht aus Prophase 2, Metaphase 2, Anaphase 2 und Telophase 2. Bei der zweiten Reifeteilung geht es darum, die beiden Schwesterchromatiden voneinander zu trennen. Sie verläuft ähnlich der Mitose.

Prophase 2:

In der Prophase 2 werden die Chromosomen wieder sichtbar und der Spindelapparat bildet sich aus. Die Chromosomen verkürzen sich und die Kernmembran löst sich auf.

Metaphase 2:

Die Tochterzellen beginnen mit der Bildung neuer Kernspindel. Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene an.

Anaphase 2:

In der Anaphase 2 werden die Schwesterchromatiden auseinander gezogen. Es findet eine Trennung der Chromosomen in zwei Chromatide statt, welche sich zu den Polen bewegen.

Telophase 2:

In der Telophase 2 entstehen aus den beiden Tochterzellen der Meiose 1 jeweils zwei neue Tochterzellen. Insgesamt sind also vier Tochterzellen entstanden, welche alle nur einen haploiden Chromosomensatz aufweisen. Ebenfalls noch zu erwähnen: In der Telophase 2 bildet sich eine neue Kernmembran.

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