AMB II Teil Genetik Übungsfragen und Hausaufgaben PDF

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Prüfungsvorbereitung
2. Semester, Preiss...

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Übungsfragen V01 a) Aus welchen Bausteinen ist die DNA aufgebaut? Aus den 4 Basen Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin, die jeweils an einem Zucker(Desoxyribose)-Phosphat-Rückgrat hängen und über H-Brücken miteinander verbunden sind b) Was ist das Substrat der DNA-Polymerase? Wie läuft Replikation ab? Die DNA-Polymerase hängt bei der Replikation neue Nukleotide (=Substrat) an den DNA-Strang an. Bei der Replikation wird der DNA-Doppelstrang zuerst durch das Enzym Helicase aufgewunden und in 2 Einzelstränge zerlegt, es entstehen die Replikationsgabel und die Replikationsblase. Anschließend lagert sich die DNA-Polymerase an (an einen Primer, der durch die Primase eingesetzt wurde) und beginnt mit der Replikation. Sie kann nur in 5‘ – 3‘ Richtung arbeiten, was zur Folge hat, dass ausgehend von der Replikationsgabel nur einer der beiden Einzelstränge (= Matrizen, Vorlagen) kontinuierlich synthetisiert werden kann, währen an dem anderen DNA-Stücke, die Okazaki-Fragmente entstehen, die nachträglich durch das Enzym Ligase verknüpft werden müssen. c) Welches DNA-Molekül wird bei höherer Temperatur denaturiert? AAATGCTTT oder CCGTATGGC TTTACGAAA GGCATACCG Das zweite Molekül wird bei höherer Temperatur denaturiert, weil mehr C-G-Paarungen vorliegen, zwischen welchen 3 H-Brücken ausgebildet werden (A und T bilden dagegen nur 2 Brücken aus). Je mehr H-Brücken vorhanden sind, desto mehr Energie ist nötig, diese zu trennen  höherer Schmelzpunkt d) Welche Elemente gehören zu einem Gen und was ist ihre Funktion? Ein Gen ist eine Transkriptionseinheit inklusive regulatorischer Elemente, das heißt es gibt immer einen kodierenden Bereich und sowohl davor als auch danach Kontrollelemente. Kopf (Element vor dem kodierenden Bereich; regulatorische Region): Promotor = Steuerung Transkription räumlich und zeitlich + Menge der produzierten RNA Rumpf (kodierender Bereich): enthält Introns und Exons, Exons werden in Protein übersetzt. Schwanz (Termination): Terminatorsequenz, die die Transkription beendet + steuert u.a. RNA-Stabilität und Lokalisation e) Was beschreibt das ‚zentrale Dogma’? Das zentrale Dogma besagt, dass Information in der Zelle nur von der DNA zur mRNA und dann weiter zum Protein weitergegeben kann, nicht aber anders herum. Informationsfluss: DNA – Transkription  mRNA – Translation  Protein e.1) Kennen Sie ein Beispiel, bei dem der Informationsfluss (DNA -> mRNA -> Protein) zumindest in Teilen umgekehrt ist? In Retroviren wird RNA in DNA übersetzt, der Fluss läuft also in die andere Richtung. (Mit vielen Fehlern verbunden) Franziska Brändle

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Oder auch Proteine, die als Transkriptionsfaktoren auf die DNA wirken (geben allerdings streng genommen nicht wirklich Information weiter). f) Was versteht man unter einem ‚kodierendem’ Genabschnitt? Der kodierende Genabschnitt wird nicht abgelesen, sondern entspricht dem neu gebildeten RNA-Strang. (Abgelesen wird der Matrizenstrang = kodogener Strang.) Der Genabschnitt wird in ein Protein übersetzt. g) Was ist eine ‚Transkriptionseinheit’? Ein Bereich/Gen auf der DNA, der zu einem primären Transkript = prä-mRNA führt. D.h. Gen ohne Kopf und Schwanz = Gen ohne regulatorische Elemente h) Welche Schritte umfasst die ‚Prozessierung’ der RNA? 1. 5‘-Cap wird an Vorderende der mRNA angehängt 2. Spleißvorgang, bei dem die Introns entfernt werden und eine mRNA nur aus Exons bestehend entsteht 3. 3‘-Poly(A+)-Schwanz wird am Ende angehängt  reife mRNA i) Was ist eine ‚Punktmutation’? Welche Auswirkungen kann sie haben? Änderung, Verlust oder Gewinn einer einzelnen Base in einem Gen. - im kodierenden Bereich: Änderung  1. Nonsense: AS wird zu Stopp-Codon 2. Missense: AS wird zu anderer AS 3. Silent: AS bleibt gleich (degenerierter Code) 4. Readthrough: Stopp wird zu AS Gewinn/Verlust  1. Rasterschubmutation; das Lesemuster der Codons verändert sich » es entsteht ein anderes mutantes/defektes Protein - außerhalb des kodierenden Bereichs: Kontrollelement ist betroffen  veränderte Transkriptionsrate Spleißstelle ist betroffen  gestörte mRNA-Reifung Terminatorsequenz ist betroffen  kein Transkriptionsstopp, Protein wird zu lang/defekt j) Unterscheiden Sie Genotyp von Phänotyp! Genotyp: genetische Ausstattung, Genom Phänotyp: Erscheinungsbild, Eigenschaften k) Definieren Sie ‚Allel’! Ein Allel ist eine „Zustandsform“ eines Gens, diploide Organismen besitzen jeweils homologe Chromosomen, das heißt es gibt immer 2 Allele pro Locus (Genort). Bsp.: ein Allel für rote Blüten, ein Allel für weiße Blüten. l) Wie kann man die ‚Dominanz’ eines Allels erklären? Ein Allel kodiert meist für ein Protein, von dem in der Regel 50% für eine normale Franziska Brändle

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Funktion ausreichen und so zu einem normalen Phänotyp führen. Besitzt man also ein „gesundes“ und ein „defektes“ Allel, wirkt sich das nicht phänotypisch aus. Das gesunde Allel ist demnach also dominant über das defekte.

HA + Übungsfragen V02 Testkreuzung zwischen: unbekannter Genotyp glatt, gelb ???? 1) Welche Genotypen kann diese

x x

rezessiv Homozygote grün, schrumpelig yyrr

Erbse haben?

YyRr oder YYRR oder YyRR oder YYRr 2) Welche Gameten sind zu erwarten? bekannte Pflanze: yr unbekannte Pflanze: YR

yr

Yr

yR

3) Was sind die jeweiligen Phänotypen der Rückkreuzung? YyRr: gelb, glatt Yyrr: grün, schrumpelig Yyrr: gelb, schrumpelig yyRr: grün, glatt a) Aus welchen Gründen wird Mendel als Begründer der klassischen Genetik betrachtet? Besaß gutes Studienobjekt; geplante Experimente; führte mathematische Auswertungen durch; erkannte Korrelationen und baute darauf Hypothesen auf, die er wiederum durch Experimente bestätigte oder verwarf b) Definieren Sie homozygot, heterozygot, dominant, rezessiv reinerbig, mischerbig, (phänotypisch) ausgeprägtes Allel, verdecktes Allel c) Was ist das Ergebnis einer Monohybridkreuzung, wenn beide Eltern homozygot sind? Uniforme heterozygote Hybride in der Filialgeneration, die alle das dominante Merkmal ausprägen (auch bei reziproker Kreuzung)

Franziska Brändle

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d) Was ist das Ergebnis einer Monohybridkreuzung, wenn beide Eltern heterozygot sind? d.1) in der F1 Generation Verhältnis 3 : 1 von Nachkommen, die das dominante Merkmal phänotypisch ausprägen zu Nachkommen die das rezessive Merkmal ausprägen Dominanter Phänotyp genotypisch wiederum aufgeteilt in 2 : 1  Rr : RR d.2) in der F2 Generation? je nach Paarung sowohl rezessiv/dominant homozygote als auch heterozygote Nachkommen möglich e) Was ist das Ergebnis einer Monohybridkreuzung, wenn einer der Eltern heterozygot und der andere homozygot rezessiv ist? Die Hälfte der Nachkommen wird heterozygot, die andere rezessiv homozygot f) Was versteht man unter einer Testkreuzung Rückkreuzung eines rezessiv homozygoten Organismus mit einem Organismus unbekannten Genotyps. Über das Verhältnis der Merkmalsausprägung bei den Nachkommen kann der Genotyp des Elternorganismus bestimmt werden g) Wie lautet das Mendelgesetz, das sich aus einer Dihybridkreuzung in der F2 ergibt? Unabhängigkeitsregel: Allele segregieren zufällig und unabhängig, dadurch entstehen Neukombinationen h) Wie viele Allelkombinationen ergeben sich maximal aus einer Dihybridkreuzung? 8 Allelkombinationen; maximal 4 verschiedene phänotypische Ausprägungen i) Wie viele Allelkombinationen ergeben sich maximal aus einer Trihybridkreuzung? 28 Allelkombinationen; maximal 8 verschiedene phänotypische Ausprägungen j) Wann lässt der Phänotyp direkte Schlüsse auf den Genotyp zu? Wenn ein rezessiv vererbtes Merkmal phänotypisch ausgeprägt wird weiß man, dass der Organismus reinerbig ist. [Und bei Haploinsuffizienz!]

HA + Übungsfragen V03 a) Anwendung der Additionsregel bzw. Multiplikationsregel ! b) Mit welcher Häufigkeit taucht der Genotyp pp yy rr aus einer Kreuzung von Pp Yy Rr x Pp yy Rr auf? 1 4

×

1 2

×

1 4

=

1 64

c) Eine Selbstung (= inter se Kreuzung) eine hybriden Mäusestamms ergibt ein Aufspaltungsergebnis von 2:1. Erklären Sie das Ergebnis! Franziska Brändle

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Ein homozygoter Genotyp (entweder rezessiv oder dominant) ist letal, das heißt, die Embryonen sterben vor der Geburt und treten so nicht in der F1-Generation auf. Das Aufspaltungsergebnis entspricht dann zu 2 Teilen den heterozygoten Nachkommen und zu 1 Teil den homozygoten Nachkommen eines Genotyps. d) Was verstehen Sie 1. unter Epistasie? Ein Gen wird durch ein weiteres Gen beeinflusst. Entscheidet zum Beispiel das Allel B/b über die Fellfarbe einer Maus, wobei B dominant für schwarze Fellfarbe und b rezessiv für braune Fellfarbe steht, so kann ein weiteres Gen C, das für den Einbau der Farbpigmente zuständig ist, die Wirkung des Gens B unterdrücken. Die Anwesenheit eines homozygoten cc ist epistatisch über B/b und wird phänotypisch ausgeprägt. (Erklärung Enzym Vorlesungsfolien!) 2. unter 'Haploinsuffizienz'? Unvollständige Dominanz  in dem Fall, in dem 1 „funktionierendes“ Allel nicht ausreicht, um zum Beispiel eine ausreichende Menge Protein herzustellen, die für einen bestimmten Genotyp notwendig ist. Bsp.: Blütenfarbe  1 „normales“ und 1 defektes Allel führen zu nur 50% Blütenfarbstoff, also Rosa statt Rot (Verteilung der Pigmente!) 3. unter Kodominanz? Keins der betrachteten Merkmale ist dominant über das andere, zum Beispiel bei Oberflächenproteinen auf Erythrocyten  Blutgruppen Kodominanz kann am molekularen, meist aber nicht am gesamten Phänotyp des Organismus abgelesen werden! 4. unter multipler Allelie? Eine Anzahl von Allelen führt zu mehr verschiedenen Phänotypen als Allele benutzt werden. Bsp.: 3 Allele A, B, O  6 Phänotypen: AA, AO, BB, BO, AB, OO 5. unter Pleiotropie? Ein Genotyp kann verschiedene phänotypische Auswirkungen haben, zum Beispiel bei der Sichelzellanamie: Lähmungen, Organschäden, Lungenentzündung… D.h. Pleiotropie ist ein Phänomen, dass ein einzelnes Gen zwei oder mehrere voneinander unabhängige Merkmale beeinflussen kann.

6. unter Polygenie? Verschiedene Gene wirken zusammen auf einen Phänotyp; je mehr Gene einen Phänotyp (z.B. Hautfarbe) beeinflussen, desto höher ist die Variabilität. e) Was ist die ‚Reaktionsnorm’ eines Gens?  Modifikation; d.h. phänotypische Variation aufgrund von Umwelteinflüssen  gleicher Genotyp – unterschiedlicher Phänotyp z.B.: beeinflusst der pH-Wert des Bodens die Blütenfarbe der Hortensie  Phänotyp eines Individuums beruht auf der Kombination von Genotyp und Umwelteinflüssen! Franziska Brändle

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f) Wie können Sie unterscheiden, ob eine rosa Blütenfarbe ein rezessives oder ein dominantes Merkmal ist oder auf Haploinsuffizienz beruht? Über Rückkreuzung mit einer homozygot weißen Pflanze: Ist die Blütenfarbe dominant und wird mit einer homozygot rezessiv weißen Pflanze gekreuzt, erwarten wir in der F1-Generation nur rosafarbene Pflanzen mit heterozygotem Genotyp. Ist die Blütenfarbe rezessiv (immer homozygot!) und wir kreuzen mit einer homozygot dominanten Pflanze, erwarten wir nur weiße Pflanzen in der F1-Generation. Beruht die Farbe auf Haploinsuffizienz, erwarten wir bei einer Selbstung eine Aufspaltung rot : rosa : weiß von 1:2:1 g) Wie können Sie unterscheiden, ob ein Merkmal auf Polygenie beruht oder auf Modifikation? Über Versuche, indem man zum Beispiel Organismen des selben Phänotyps unter verschiedenen Umwelteinflüssen beobachtet oder indem man 2 Individuen mit dem betrachteten Merkmal kreuzt und einen der Nachkommen anderen Umwelteinflüssen aussetzt. h) Papa ist misstrauisch: sein Sohn hat Blutgruppe O ganz wie Mama, aber er hat Blutgruppe A. Können Sie ihn beruhigen? Bei welcher Blutgruppe wäre sein Misstrauen berechtigt? Wenn die Mutter Blutgruppe O hat, besitzt sie den Genotyp OO. Der Vater kann mit Blutgruppe A entweder AA oder AO besitzen. Hat er AO, kann der Sohn von ihm das OAllel erben und so Blutgruppe O bekommen. Sein Misstrauen wäre berechtigt, wenn sein Genotyp AA (oder seine Blutgruppe AB) wäre.

Übungsfragen V04 a) Benennen Sie autosomal rezessive Erbkrankheiten! - Mukoviszidose (defekter Chlorid-Transporter in sekretorischen Zellen, pleiotroper Phänotyp) - Tay-Sachs (gestörter Gangliosid-Stoffwechsel im Gehirn) - Sichelzellanämie (Mutation im Hämoglobin A) b) Welche dominant autosomale Erbkrankheiten des Menschen kennen Sie? - Achondroplasie (Zwergenwuchs) - Chorea Huntington = erblicher Veitstanz (neurodegenerative Erkrankung) - Engelmann-Syndrom (Knochenhypertrophie) c) Mit welcher Wahrscheinlichkeit sind 2 von 3 Kindern eines Paares an PKU erkrankt, wenn beide Träger dieser Krankheit sind? PKU = rezessiv autosomal Kreuzung 2er heterozygoter Eltern  genotypische Aufspaltung der F1-Gereration 2:1:1 Wahrscheinlichkeit eines homozygot rezessiven Kindes: ¼ 9 2 von 3 Kindern krank  Baumdiagramm  Wahrscheinlichkeit 64 Franziska Brändle

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d) Worin unterscheidet sich die Amnioncentese von der Chorionzotten-Biopsie? - Amnioncentese: Fruchtwasserentnahme (14.-16. Schwangerschaftswoche); Kultivierung embryonaler Zellen; Karyogramm + DNA-Analyse - Chorionzottenbiopsie: Plazentagewebeentnahme (8.-10. Woche); biochemische Tests + Karyogramm + DNA-Analysen e) Worin bestehen die ethischen Bedenken gegen Pränataltests, die auf der Untersuchung mütterlichen Blutes basieren. Was spricht für diese Tests? Für die Tests spricht, dass Komplikationen vermieden werden, die bei invasiven Diagnostik-Typen zu Aborten führen können. Des Weiteren kann man früh auf rezessive und dominante Erbkrankheiten überprüfen. Die Problematik liegt darin, dass so immer mehr Verantwortung auf den Eltern lastet, „perfekte“ Kinder zu bekommen. f) Was verstehen Sie unter ‚personalisierter‘ Medizin, was ist ihre Grundlage, und was ihre Herausforderung? Maßgeschneiderte Pharmakotherapie basierend auf individuellem Genom  optimale Wirkdosis bestimmen  molekulare Ursache der Erkrankung bestimmen  Therapieansätze mit autologen (=körpereigenen) Zellen [z.B. um Abstoßungsreaktionen zu verhindern] Die Voraussetzung hierfür ist eine Sequenzierung des Genoms des Patienten, was auch gleich zu den Herausforderungen führt: 1. Verarbeitung und Analyse riesiger Datenmengen eines Genoms 2. Umsetzung im klinischen Alltag g) Welche Enzymklasse führt zum Abbau von Pharmaka in der Leber? Cytochrom P450 (CYP), variieren je nach Individuum genetisch  variable Nebenwirkungen von Medikamenten! h) Welche Vorteile bietet die Genomsequenzierung, wo liegen die Nachteile? Vorteile: Information, Möglichkeiten zur Behandlung, Prädiagnostik usw. Nachteile: „perfekter Mensch“, riesige Datenmengen, Alltagstauglichkeit gering

Übungsfragen V05 a) Beschreiben Sie den Aufbau eines Chromosoms! Chromosomen sind am besten in der Metaphase als kondensierte 2-ChromatidChromosomen sichtbar. Sie bestehen dann aus 2 identischen Chromatiden, die durch das Zentromer verbunden sind. Das Zentromer kann metazentrisch, d.h. in der Mitte, akrozentrisch, d.h. zu einem Ende verschoben, oder telozentrisch, d.h. ganz an einem Ende eines Chromosoms liegen. Während der Zellteilung bildet sich am Zentromer eine Binderegion, an die der Spindelapparat andockt, sie nennt sich Kinetochor. An den Chromosomenenden befinden sich noch jeweils Telomere, die das Chromosom vor Abbau und Informationsverlust schützen.

Franziska Brändle

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b) Unterscheiden Sie die möglichen Chromosomenformen! 2-Chromatid-Chromosom: nur während der Teilung 1-Chromatid-Chromosom: während den anderen Phasen metazentrisch: Centromer liegt in der Mitte akrozentrisch: Centromer liegt zu einer Seite hin verschoben telozentrisch: Centromer liegt am Ende eines Chromosoms c) Was sind die Folgen der Meiose? Reduktion des Chromosomensatzes 4 haploide Zellen entstehen Neukombination der Chromosomen Rekombination durch Crossing-Over d) Wann (und wozu) bildet sich das Bivalent und löst sich wieder auf? Das Bivalent bildet sich in der Prophase I und Metaphase I und löst sich mit der Trennung der homologen Chromosomen in der Anaphase wieder auf. Es führt zur Neukombination von Genen durch Crossing-Over. e) Was wird in Meiose I und was in Meiose II getrennt? Meiose I: homologe Chromosomen Meiose II: Schwesterchromatiden f) Wie ist der C-Wert definiert? Und wie der n-Wert? C-Wert: DNA-Gehalt des haploiden Genoms n: Chromosomenzahl (2n in Diploiden) g) Wie ändert sich der C-Wert und wie der n-Wert der Zelle im Verlauf der Mitose bzw. der Meiose? C-Wert: Mitose: Während der Interphase ist der C-Wert 2C, durch die Replikation wird er auf 4C verdoppelt und im Zuge der Zellteilung wieder auf 2C in den beiden Tochterzellen reduziert. Meiose: In der Interphase beträgt der Wert 2C, durch die Replikation wird analog zur Mitose auf 4C verdoppelt. Die homologen Chromosomen werden in der Meiose 1 getrennt und es entstehen Tochterzellen mit einem C-Wert von 2. In der Meiose 2 werden anschließend die Schwesternchromatiden getrennt, die entstehenden (haploiden) Zellen besitzen dann einen Wert von 1C. n-Wert: Mitose: in der Interphase ist der n-Wert bei Diploiden 2n. Bei der Replikation werden aus den 1-Chromatid-Chromosomen 2-Chromatid-Chromosomen gebildet, die Anzahl der Chromosomen ändert sich also nicht. In der Anaphase werden die Schwesterchromatiden getrennt und auf die Tochterzellen verteilt, jede entstehende Tochterzelle ist diploid mit einem n-Wert von 2n. Meiose: in der Meiose 1 werden in der Anaphase die homologen Chromosomen getrennt, das heißt es entstehen 2 haploide Zellen mit einem n-Wert von 1. In der Meiose 2 werden dann homolog zur Mitose die Schwesterchromatiden getrennt, wodurch im Endeffekt 4 haploide Zellen mit einem n-Wert von 1 entstehen. Franziska Brändle

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h) Wer hat die Chromosomentheorie der Vererbung begründet? W.S. Sutton und T. Boveri i) Was sagt die Chromosomentheorie der Vererbung aus? - Chromosomen verhalten sich wie Mendels „Faktoren“ - 2n in Diploiden - behalten ihre Identität in Hybriden - verteilen sich unabhängig in der Meiose - gegensätzliche Allelpaare liegen jeweils auf einem der beiden homologen Chromosomen an der selben Stelle (Locus) j) Wie viele möglichen Gameten bilden sich bei einer Chromosomenzahl 1n=5? 𝐴𝑛𝑧𝑎ℎ𝑙 𝑑𝑒𝑟 𝑆𝑡𝑒𝑙𝑙𝑒𝑛 𝐴𝑛𝑧𝑎ℎ𝑙 𝑑𝑒𝑟 𝑀ö𝑔𝑙𝑖𝑐ℎ𝑘𝑒𝑖𝑡𝑒𝑛 aber ich hab ja nur 1 Chromosomensatz? Also nur 1 Allel pro Chromosom » jeder Gamet bekommt die 5 Chromosomen also nur 1 Möglichkeit?? k) Wann findet die Entkopplung von Genen statt? Während der Meiose I, wenn sich die homologen Chromosomen paaren (Bivalentbildung) sich homologe Abschnitte der beiden Chromosomen austauschen. l) Wie heißt der Prozess der Genentkopplung? Crossing-Over m) Wie wird die Rekombinationsfrequenz bestimmt? [Durch Testkreuzungen] 𝑍𝑎ℎ𝑙 𝑑𝑒𝑟 𝑅𝑒𝑘𝑜𝑚𝑏𝑖𝑎𝑛𝑡𝑒𝑛 𝑍𝑎ℎ𝑙 𝑎𝑙𝑙𝑒𝑟 𝑁𝑎𝑐ℎ𝑘𝑜𝑚𝑚𝑒𝑛

 wird in % RF oder cm (centi-Morgan) angegeben

n) Warum nimmt die Rekombinationsfrequenz mit dem Abstand zweier Loci ab? RF ist proportional zum Genabstand  je geringer der Abstand zweier Loci ist, desto kleiner ist die Chance, dass genau zwischen diesen beiden Stellen ein Rekombinationsereignis stattfindet. o) Welchen Abstand kann B - C aufweisen, wenn folgende Rekombinations-frequenzen gemessen wurden: A - C = 5 cM, A - D = 7 cM, C - D = 2 cM, B - D = 6 cM 4 cM p) Was ist eine ‚Rekombinationskarte’? Zeigt den möglichen Abstand zwischen 2 Loci auf der DNA q) Warum widerspricht der gonosomale Erbgang der ersten Mendelregel? Weil das Gen an die Gonosomen (z.B. X-Chromosom) gekoppelt ist » keine Reziprozität!

Franziska Brändle

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Übungsfragen V06 a) Welches Geschlecht hat eine haploide Biene? Männlich b) Warum widerspricht der gonosomale Erbgang der ersten Mendelregel? 1. Mendelregel: Uniformitätsregel = alle Nachkommen zweier Individuen, die ein Merkmal jeweils einmal homozygot rezessiv und einmal dominant aufweisen, sind uniform heterozygot. Die gonosomalen Chromosomen sind X und Y, nur X kann homozygot sein. Eine Kreuzung geschieht immer zwischen den Genotypen XX und XY, die Aufspaltung in der F1-Generation ist 1:1. Bzw: das Gen ist an die Gonosomen...