Auf der Suche nach dem genetischen Material das

NATURA_LB Kursstufe_049263170 171© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2020 | www.klett.de | Alle Rechte vor-behalten. Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind abgegolten.

Illustrator: Wolfgang Herzig, EssenIllustratorin: Ingrid Schobel, Essen

© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2020 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten. Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind abgegolten.

Illustrator: Wolfgang Herzig, Essen

Auf der Suche nach dem genetischen Material – das Tabakmosaikvirus

Das Tabakmosaikvirus (TMV) ist ein pflanzen-

pathogenes (Pflanzen krank machendes) Virus und führt wegen seiner leichten Übertragung zu großen

Ertragsverlusten im Anbau von Tabak sowie anderen

Kulturpflanzen. Die Viren dringen durch Verletzungen

am Blattgewebe in die Zellen ein, vermehren sich dort

und stören den Stoffwechsel derart, dass die Blätter

ihr Chlorophyll verlieren und absterben. Diese infi-

zierten Zonen sind als mosaikartige Flecken auf der Blattoberfläche zu erkennen. Die Viren verschiedener

Stämme erzeugen unterschiedliche Flecken (Abb. 1).

Das stäbchenförmige TMV besteht nur aus einer

Hülle von Proteinteilchen (94 %) und darin

enthaltener RNA (6 %).

1 Auswirkung verschiedener Stämme des TMV

Heinz Fraenkel-Conrat und seine Mitarbeiter gingen der Frage nach, welcher Bestandteil des TMV das

genetische Material trägt. Sie untersuchten 1957 die Virenbestandteile auf ihre Infektiosität bei Tabakpflanzen.

Dazu isolierten sie die RNA und die Proteine. Wenn die einzelnen Komponenten im Reagenzglas gemischt

wurden, entstanden durch spontanen Selbstzusammenbau wieder intakte Viren. Ihre Versuchsreihen sind in

Abb. 2 dargestellt.

Versuchsreihe I:

Zeichenerklärung:

o TMV komplett

+ isolierte Proteinpartikel

(Hüllbestandteile)

++ isolierte RNA

neu gebildetes Virus

Versuchsreihe II:

Zeichenerklärung:

+ isolierte Proteinpartikel

(Hüllbestandteile)

++ isolierte RNA neu gebildetes Virus

2 Verschiedene Versuchsreihen zum Nachweis des genetischen Materials im TMV

1 Beschreiben Sie kurz den Ablauf der dargestellten Versuchsreihen (Abb. 2).

2 Beschreiben Sie die Versuchsbeobachtungen (Abb. 2).

3 Leiten Sie aus diesen Beobachtungen die Folgerungen ab, die die Forscher in Bezug auf die Fragestellung

gewinnen konnten, und begründen Sie.

Lösungen 4 Erklären Sie die Verteilung von Radioaktivität nach der Zentrifugation. Die markierte DNA fand man in den Bakterien, die markierten Proteine im Überstand. Die DNA war also in die Bakterien eingedrungen und hatte sie zur Phagenbildung veranlasst.

$ 5 Mit diesem Experiment konnten Hershey und Chase nachweisen, dass DNA das genetische Material darstellt. Erläutern Sie diese Schluss-folgerung. Das genetische Material veranlasst die Bak-terien zur Phagenproduktion. Dazu muss es in die Bakterien eindringen. In den Bakterien fand man radioaktive DNA, aber keine radio-aktiven Proteine. DNA war in die Bakterien eingedrungen. Die DNA ist also das genetische Material.

$

Fraenkel-Conrat, H., Singer, B.: Virus reconstitution and the proof of the existence of genomic RNA. In: Philosophical Transactions of the Royal Society London B: Biological Sciences, 1999, Vol. 251, S. 583 — 586. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1692543/pdf/10212937.pdfFraenkel-Conrat, H., Williams, R. C.: Reconstitution of active Tobacco Mosaic Virus from its inactive Protein and nucleic acid components. In: Proceedings of the national Academy of Sciences, 1955, Vol. 41, S. 690 — 698. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC528165/pdf/pnas00725-0006.pdfPrévost, G.: Genetik. Springer Verlag 1974, S. 17 — 18.Tsugita, A., Fraenkel-Conrat, H., Nirenberg, M. W., Matthei, J. H.: Demonstration of the messenger role of viral RNA. In: Proceedings of the National Academy of Sciences: Biochemistry, 1962, Vol. 48, S. 846 — 1853. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC220864/pdf/pnas00228-0124.pdf

Literatur- und Medienhinweise

Zeitliche Einordnung Frederick Griffith (1877 — 1941): wies 1928 mit seinem Experiment an Pneumokokken nach, dass Vererbung stoffgebunden ist.Oswald Avery (1877 — 1955): erbrachte 1944 mit seinem Experiment ein erstes starkes Indiz da-für, dass die DNA Träger der Erbinformation ist.Alfred Hershey (1908 —1997) und Martha Chase (1927 — 2003): konnten 1952 mit ihrem Expe-riment an Bakteriophagen die Ergebnisse von Avery bestätigen.

Marshall Nirenberg (1927— 2010) und Heinrich Matthaei (*1929) ergänzten 1962 die bis dahin gewonnenen Erkenntnisse, die auf dem Arbeits-blatt „Auf der Suche nach dem genetischen Material — das Tabakmosaikvirus“ (s. Lehrerband S. 171) thematisiert werden. Sie gaben zu einem aufbereiteten zellfreien System von E. coli (ohne DNA und RNA) die TMV-RNA und radioaktiv mar-kierte Aminosäuren nebst t-RNA. Anschließend konnte radioaktiv markiertes Protein nachge-wiesen werden.

Zusatzinformation

Das Capsid (Proteinkapsel des Virus) des Tabak-mosaikvirus (TMV) ist ein Hohlzylinder und erin-nert von außen gesehen an einen Maiskolben. Die RNA, Träger des genetischen Materials bei diesem Virus, verläuft in der Wand dieses Hohl-zylinders ähnlich wie eine Wendeltreppe. Der Aufbau wurde für die Darstellung der Versuchs-reihen auf dem Arbeitsblatt vereinfacht: Der Hohlzylinder entspricht hier einem Rechteck. Die Spirale auf dem Rechteck symbolisiert demnach

das komplette TMV: Es handelt sich um die RNA im Capsid. Die RNA wird im Schülerbuch erst auf S. 104/105 eingeführt. Eventuell ist es im Zusam-menhang mit der Bearbeitung des Arbeitsblatts „Auf der Suche nach dem genetischen Material — das Tabakmosaikvirus“ (s. Lehrerband S. 171) sinnvoll, die Schülerinnen und Schüler darauf hinzuweisen, dass viele Viren RNA statt DNA als Träger genetischer Information besitzen.

Praktische Tipps

172 2 Genetik 173

2. 1 DNA – Träger der genetischen Information

NATURA_LB Kursstufe_049263 NATURA_LB Kursstufe_049263


Die Nucleinsäuren DNA und RNA [SB S. 104/105]

So können Sie mit dem Thema arbeiten

Einstieg/Motivation Leitfragen• Welche DNA-Modelle wurden entwickelt, bis das aktuell gültige Modell gefunden war?• Wie ist die DNA aufgebaut? Methodenauswahl• Zum Einstieg bietet sich die Demonstration des heute gültigen Modells der Doppelhelix an.

Die Schülerinnen und Schüler beschreiben den Aufbau des DNA-Modells.• Weiter kann die Lehrkraft Fotos von Rosalind Franklin, Maurice Wilkens, Linus Pauling, James

Watson und Francis Crick zeigen, die alle an der Modellentwicklung beteiligt waren.

Erarbeitung • Die Schülerinnen und Schüler lesen den Text auf S. 104/105 im Schülerbuch und bearbeiten die Aufgaben 1 — 3.

• Der Film „Aufbau der DNA“ (s. Literatur- und Medienhinweise, Lehrerband S. 174) kann zur Visualisierung präsentiert werden.

• Arbeitsteilig wird das Arbeitsblatt „Auf dem Weg zur DNA-Struktur — ein frühes DNA-Modell“ (s. Lehrerband S. 175) bearbeitet.

Sicherung Die Lösungen zu den Aufgaben 1 — 3 im Schülerbuch S. 105 sowie das Arbeitsblatt „Auf dem Weg zur DNA-Struktur — ein frühes DNA-Modell“ (s. Lehrerband S. 175) werden besprochen.

Vertiefung Um eine bessere Vorstellung vom Aufbau der DNA zu erhalten, können die Schülerinnen und Schüler in Gruppen verschiedene eigene Modelle bauen oder Modelle aus der Schulsammlung untersuchen. Diese werden anschließend kritisch betrachtet und bewertet (s. Praktische Tipps, Lehrerband S. 174)

sich Adenin und Thymin sowie Cytosin und Gu-anin gegenüber. Zwischen Adenin und Thymin liegen zwei, zwischen Guanin und Cytosin drei Wasserstoffbrücken vor. Die beiden Stränge eines Doppelstrangs haben unterschiedliche Richtungen. Das bedeutet, dass das 5’-Ende des einen Strangs immer dort liegt, wo das 3’-Ende des anderen Strangs liegt. Man sagt, die Stränge verlaufen antiparallel.

2 Nennen Sie Unterschiede und Gemeinsam-keiten im Bau von DNA- und RNA-Molekülen. Wie DNA-Moleküle bestehen auch RNA-Mole-küle aus langen Ketten miteinander verknüpf-ter Nucleotide, die jedoch Ribose-Reste anstelle der Desoxyribose-Reste enthalten. Thymin kommt in der RNA nicht vor. Es wird von Uracil (U) ersetzt, das ebenfalls komplementär zu Adenin ist. Während die DNA in der Zelle nahezu immer als Doppelstrang vorliegt, sind RNA-Moleküle meist einzelsträngig. Sie können aber auch Doppelstränge bilden, sowohl unter-einander als auch mit DNA-Einzelsträngen.

$

[zu SB S. 104/105]

1 Beschreiben Sie die Struktur eines DNA-Doppelstrangs. Nehmen Sie exakt Bezug auf die Verknüpfungen der Nucleotide, die Richtungen der Stränge und die Anzahl der Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen. Ein DNA-Doppelstrang besteht aus zwei unverzweigten Ketten, in denen vier verschie-dene Bausteine, die Nucleotide, miteinander verknüpft sind. Jedes Nucleotid besteht aus einem Molekülrest der Desoxyribose, der Phos-phorsäure (bzw. Phosphat) und einer organi-schen Base. Die Nucleotide unterscheiden sich voneinander in der Art der organischen Base. Die vier Basen sind Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin. Nummeriert man die fünf Kohlen-stoffatome der Desoxyribose von 1 bis 5, so ist die Base immer an das Kohlenstoffatom 1 und der Phosphat-Rest an das Kohlenstoffatom 5 gebunden. An die Nummern wird ein Strich als Index angefügt. Die Nucleotide jedes Strangs sind untereinander verbunden, indem jeweils ein Phosphat-Rest mit dem 3‘-Kohlenstoffatom des einen Nucleotids und dem 5‘-Kohlenstoff-atom des nächsten Nucleotids verknüpft ist. Jeder Einzelstrang endet unabhängig von seiner Länge auf einer Seite mit einer freien OH-Gruppe am 3‘-Kohlenstoffatom und auf der anderen Seite mit einem Phosphat-Rest, der an das 5‘-Kohlenstoffatom gebunden ist. Die beiden Einzelstränge eines DNA-Doppelstrangs sind durch Wasserstoffbrücken zwischen den Basen miteinander verbunden. Dabei liegen

Lösungen

0

ARBEITSBLATT Auf der Suche nach dem genetischen Material — das Tabakmosaikvirus

Lösungen 1 Versuchsreihe I: Getrennt nach den Stämmen A und B wurden Tabakblätter einmal mit intakten Viren, mit den beiden isolierten Bestandteilen (Proteinpartikeln oder RNA) und mit den wieder zusammengesetzten Viren infiziert. Anschließend wurden die Flecken auf die enthaltenen TMV überprüft. Versuchsreihe II: Für diese Infektionen wurden die Kombinationen der Bestandteile jeweils einzeln und zusammengebaut getestet. Dafür wurden die Proteine des einen Stamms vom TMV (Stamm A) und die RNA des anderen Stamms vom TMV (Stamm B) sowie umgekehrt genutzt. Anschließend wurden die Flecken auf die darin enthaltenen TMV überprüft.

2 Versuchsreihe I: Bei beiden TMV-Stämmen waren die isolierten Proteinpartikel nicht infektiös. Die Mosaikflecken auf den Blättern entstanden bei beiden Stämmen bei der Infektion mit vollständigen Viren, in geringerem Ausmaß bei der Infektion mit isolierter RNA. Die Flecken waren jeweils stammspezifisch. Versuchsreihe II: Nach wie vor sind die verwendeten isolierten Proteinpartikel nicht infektiös. Die einzeln eingesetzten RNAs riefen stammspezifische Flecken hervor. Die neu zusammengesetzten Viren waren wiederum infektiös und erzeugten Flecken, die zum jeweiligen Stamm der eingesetzten RNAs passten. Die aus den jeweiligen Flecken isolier-ten, neu entstandenen Viren waren entsprechend der Viren der ursprünglichen Stämme aufgebaut, aus denen die RNA entnommen worden war. Die Infektiosität der isolierten RNAs war wie in Versuchsreihe I geringer als bei den kombinierten Viren. Das sieht man daran, dass sich durch die isolierten RNAs weniger Flecken bildeten.

3 Die Frage nach der Lokalisation des Erbguts im TMV war geklärt. Die isolierten Protein-partikel tragen eindeutig keine Erbinformation, die RNA ist der Träger der genetischen Information. Sie ist einerseits verantwortlich für die spezifischen Flecken und anderer-seits für den Aufbau der stammspezifischen Proteinhülle bei der Vermehrung. Dies wird besonders bei der Überprüfung der neu gebildeten Viren in der Versuchsreihe II deutlich: Wurden Viren, deren Bestandteile aus zwei verschiedenen Stämmen kombiniert worden waren, eingesetzt, so entstanden immer nur die Viren, die zu den eingesetzten Nuclein-säuren passen.

Zusatzinformation Die Infektiosität der isolierten Virus-RNA kann möglicherweise dadurch eingeschränkt sein, dass sie gegenüber den Ribonucleasen der Wirtszellen sehr empfindlich ist. Das komplette TMV ist davon nicht betroffen, weil die Virus-RNA durch die Proteinhülle geschützt ist.


Illustratoren: Ingrid Schobel, Hannover Wolfgang Herzig, Essen

© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2020 | www.klett.de | Alle Rechte

vorbehalten. Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen

Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind abgegolten.

Illustratoren: Ingrid Schobel, Hannover; Wolfgang Herzig, Essen

Auf dem Weg zur DNA-Struktur – ein frühes DNA-Modell

Linus Pauling erkannte 1952, dass es sich bei der Raumstruktur der DNA um eine regelmäßige helicale

Struktur mit einem bestimmten Durchmesser und einer bestimmten Windungshöhe handeln musste.

Er entwickelte ein Jahr, bevor Watson und Crick ihr DNA-Modell präsentierten, das unten dargestellte Modell

(Abb. 1 – 4).

1 Polynucleotidstrang der DNA 2 Aus 3 Polynucleotidsträngen gebildete Helixform

des DNA-Modells

3 Aufsicht auf das DNA-Modell 4 Wasserstoffbrücke

1 Beschreiben Sie den Aufbau des DNA-Modells von Pauling.

2 Vergleichen Sie das DNA-Modell von Pauling mit dem DNA-Modell von Watson und Crick.

3 Beurteilen Sie, ob die von Pauling vorgeschlagene DNA-Struktur stabil ist.

Der Bau eines DNA-Modells aus verschiede-nen Materialien (z. B. Bastelperlen, Fotodosen, Gummibärchen, Legosteine etc.) bewirkt ein besseres Verständnis der dargestellten DNA-Struktur. Falls in der Schulsammlung bereits selbst gebaute DNA-Modelle existieren, ist auch die Analyse dieser Modelle gewinnbringend. Die anschließende Bewertung der unterschiedli-chen Modelle nach zuvor festgelegten Kriterien

(Anschaulichkeit, Gültigkeit, Korrektheit, Kosten etc.) fördert die Bewertungskompetenz. Am Beispiel der Entdeckung der DNA-Struktur kann die naturwissenschaftliche Arbeitsweise thematisiert werden: Beobachtung (Ergebnisse der Röntgenstrukturanalyse) — Hypothesenbil-dung (theoretische Modelle) — Überprüfung (Übereinstimmung des Modells mit Bildern der Röntgenstrukturanalyse).

Praktische Tipps

Francis Crick (1916 — 2004), James Watson (*1928) und Maurice Wilkins (1916 — 2004) erhiel-ten 1962 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin für die Entdeckung der Molekularstruk-tur der DNA (1953) und die Bedeutung der DNA für die Informationsübertragung in lebenden

Zellen. Rosalind Franklin (1920 — 1958), die mit ihren Röntgenstrukturanalysen von kristalliner DNA die entscheidenden Vorarbeiten für die Entdeckung der DNA-Struktur geleistet hatte, war vier Jahre vor der Nobelpreisverleihung an Krebs verstorben.

Zusatzinformation

Pauling, L., Corey, R. B.: A proposed structure for the nucleic acids. In: Proceedings of National Sciences Chemistry, 1953, Vol. 39, S. 84— 97. Watson, J., Crick, F. H. C.: Molecular structure of nucleic acids, A Molecular Structure of Desoxyribose Nucleic Acid. In: Nature 1953, Vol. 171, No. 4356, S. 737 — 738. http://www.nature.com/nature/dna50/ watsoncrick.pdf Lucius, E.: Ausschneidemodell einer DNA. In: EIBE European Initiative for Biotechnology Education, Einheit 1, Mikroorganismen und Moleküle. IPN Kiel, 1998, S. 6 — 7. Understanding Science, The structure of DNA: A model approach. http://undsci.berkeley.edu/article /0_0_0/dna_07

Molekulare Genetik: Weitergabe des Erbguts. 1.: Aufbau der DNA. GIDA Odenthal, 2009. DVD. 06:10 min.

Verschiedene Animationen (englischsprachig) zum Thema DNA:DNA Learning Center. https://www.dnalc.org


Lösungen 3 Bei der Analyse eines 900 Bp langen DNA-Strangs erhielt man 250 Adeninmoleküle. Berechnen Sie die Anzahl der anderen Basen-moleküle des Strangs und begründen Sie Ihre Lösung mithilfe der Regel von Chargaff. Die von Erwin Chargaff entdeckte Regel sagt aus, dass in der DNA immer ebenso viele Adenin- wie Thymin-Reste auftreten und

. die Anzahl der Cytosin- mit der Anzahl der Guanin-Reste übereinstimmt. Daraus kann man schließen, dass die Analyse des betrach-teten Strangs 250 Thyminmoleküle ergab. Die Summe von Guanin und Cytosin muss dann (900 – 250 – 250) = 400 sein. Die Analyse muss somit 200 Guanin- und 200 Cytosinmoleküle ergeben.

176 2 Genetik 177





Einstieg/Motivation Leitfrage Wie erfolgt die Verdopplung eines DNA-Doppelstrangs?MethodenauswahlDer Einstieg kann über die Frage erfolgen, welche Mechanismen zur Verdopplung eines DNA-Doppelstrangs denkbar sind. Hilfsfragen könnten sein: Verdoppelt sich der gesamte DNA-Strang auf einmal? Werden die Einzelstränge getrennt voneinander verdoppelt? Werden die Stränge stückweise verdoppelt? Abb. 1 auf S. 107 im Schülerbuch kann dabei hinzugezogen werden.

Erarbeitung • Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten den unteren Teil der Materialseite im Schülerbuch S. 107 zu den Versuchen von Meselson und Stahl.

• Danach erfolgt die Durchführung eines Modellexperiments mit Legosteinen (s. Praktische Tipps, Lehrerband S. 178) unter dem Aspekt der naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung.

• Zur Visualisierung bietet sich der Film „Das DNA-Replikationsmodell“ an (s. Medienhinweise, Lehrerband S. 178).

Sicherung Nach der Durchführung des Modellexperiments (s. Praktische Tipps, Lehrerband S. 178) ist eine Diskussion zur Endgültigkeit von experimentellen Daten und deren Deutung sinnvoll.

Vertiefung • Zum Verständnis der Technik hinter den Methoden der besprochenen Experimente kann das Arbeitsblatt „Forschungstechniken: Dichtegradienten-Zentrifugation“ (s. Lehrerband S. 179) bearbeitet und ausgewertet werden.

• Die Schülerinnen und Schüler können das Experiment zur Isolation von DNA durchführen (s. Schülerbuch S. 106).

[zu SB S. 107]

1 Beschreiben Sie die drei unterschiedlichen, hypothetisch möglichen Replikationsmecha-nismen mithilfe von Abb. 1. konservativer Mechanismus: Das Original bleibt komplett erhalten; die Kopie wird neu erstellt / dispersiver Mechanismus: Original und Kopie bestehen stückweise aus neuen und alten Teilen / semikonservativer Mechanismus: Ein Teil der DNA-Doppelhelix dient als Matrize, an der eine Kopie aufgebaut wird.

2 Erläutern Sie, welcher Mechanismus auf-grund der bisherigen Kenntnisse zum Bau der DNA am wahrscheinlichsten ist. Semikonservativer Mechanismus; er ist durch den Bau der DNA festgelegt; die beiden komplementären Einzelstränge der DNA-Doppelhelix sind über Wasserstoffbrücken an den komplementären Basen verbunden. Da eine Wasserstoffbrückenbindung vergleichs-weise einfach gelöst werden kann, stellen sie die „Sollbruchstellen“ bei der DNA-Verdopplung dar: An ihnen wird der Doppelstrang in zwei Einzelstränge aufgelöst. An den Einzelsträngen kann durch komplementäre Basenpaarung ein neuer, komplementärer Einzelstrang aufgebaut werden. Eine fehlerfreie Weitergabe der DNA an die Tochterzellen ist wichtig; beim semikon-servativen Mechanismus bleibt die Hälfte im Original erhalten. Dadurch können Fehler in der Kopie anhand des fehlerfreien Originals besser erkannt und entfernt werden.

0

$

[zu SB S. 106]

1 Ordnen Sie die folgenden Funktionen den einzelnen Schritten der DNA-Isolierung zu: – DNA von Proteinen befreien – Zellwände zerstören – Zellmembranen auflösen – DNA aus der Lösung fällen Durch das Zerreiben im Mörser werden die Zellwände zerstört. Das Auflösen der Zellmem-branen erfolgt durch die Zugabe von Spülmit-tel. Das Feinwaschpulver enthält Proteasen, die die DNA von den Proteinen befreien. Da sich die DNA in Alkohol schlecht löst, lässt sie sich mit Brennspiritus ausfällen. Anmerkung: Die Zugabe von Kochsalz dient zur Hemmung von DNAsen.

2 Beschreiben Sie, wie mit DNAse geprüft wer-den könnte, ob bei diesem Versuch reine DNA gewonnen werden konnte. DNAsen bauen die gewonnene DNA ab, d. h. durch Zugabe von DNAsen käme es nicht zu einer Schlierenbildung bzw. könnte die DNA nicht mithilfe des Holzstabs entnommen werden.

3 Erläutern Sie, weshalb sich DNA aus tieri-schen Zellen leichter isolieren lässt als aus pflanzlichen Zellen. Pflanzliche Zellen sind von einer Zellwand umgeben, die mechanisch durch das Zerreiben im Mörser entfernt wird. Bei tierischen Zellen entfällt dieser Schritt.

Lösungen

Praktikum: DNA-Isolierung [SB S. 106]

Material: Replikation der DNA [SB S. 107]ARBEITSBLATT Auf dem Weg zur DNA-Struktur —

ein frühes DNA-Modell

Lösungen 1 Beschreibung: Dreifachhelix bestehend aus drei Polynucleotidsträngen. Diese sind ver-setzt und parallel, aber in die gleiche Richtung ausgerichtet. Die Phosphatgruppen zeigen in den Innenraum der Helix, die Basen nach außen. Die nahe beieinanderliegenden Phosphatgruppen bilden Wasserstoffbrücken.

2 Übereinstimmende Aspekte beider Modelle: Nucleotidaufbau, Polynucleotidstruktur, helicale Grundform. Aspekte im Modell von Pauling, die vom Modell von Watson und Crick abweichen: Dreifachhelix, gleiche Richtung der parallelen Polynucleotidstränge, Phosphatgruppen im Innenraum der Helix, Basen im Außenbereich der Helix, keine komplementäre Basenpaa-rung. Die Phosphatgruppen bilden keine Wasserstoffbrücken, da in der DNA (sie ist eine Säure) keine Protonen existieren, sondern die Phosphatgruppen negativ geladen sind.

3 Die vorgeschlagene Struktur ist nicht stabil, da sich die zum Innenraum der Helix gerich-teten, negativ geladenen Phosphatgruppen gegenseitig abstoßen würden.



© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2020 | www.klett.de | Alle Rechte vorbehalten. Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind abgegolten.


Forschungstechniken: Dichtegradienten-Zentrifugation

1 Aufbau einer Ultrazentrifuge 2 Befüllung und Trennung bei der

Dichtegradienten-Zentrifugation

Die Ultrazentrifuge ist für hohe Rotorgeschwindig-keiten ausgelegt. Bis zu 100 000 Umdrehungen pro

Minute sind bei einer solchen Zentrifuge möglich.

Der Rotor bewegt sich in einem Vakuum. Eine

ständige Luftreibung des Rotors würde diese hohen

Umdrehungszahlen nicht zulassen, zudem würde

sie zu einer starken Erwärmung des Rotors und der Substanzen führen. Der Rotor und die Zentrifugier-

kammer werden zusätzlich während der Auftrennung

der verschiedenen Moleküle oder Zellbestandteile

ständig gekühlt (Abb. 1).

Eine Auftrennung kann bis zu 48 Stunden dauern.

Die Kräfte, die bei diesen Geschwindigkeiten auf die Moleküle der Substanzen im Zentrifugenröhrchen

wirken, betragen bis zu 106 g; g ist die Gravitations-

feldstärke (früher Erdanziehung) in Newton. Sie

beträgt ca. 9,8 N/kg. Durch die starken Kräfte werden

auch sehr leichte Teilchen zur Bewegung gezwun-

gen. Zum Vergleich: In einer Achterbahn entstehen kurzzeitig Kräfte von maximal 6 g.

Bei der Zentrifugation unterscheidet man zwischen der Sedimentations- und der Dichtegradienten-

Zentrifugation.

Bei der Sedimentations-Zentrifugation werden

Moleküle oder Zellbestandteile bis zum Boden des

Zentrifugiergefäßes bewegt und von dem darüber

liegenden Überstand getrennt. Zur Auftrennung verschiedener Moleküle wird häufig

die Dichtegradienten-Zentrifugation verwendet

(Abb. 2). Hier befindet sich in den Zentrifugiergefäßen

ein Medium mit einem Dichtegradienten, z. B. eine

Zuckerlösung mit verschiedenen Zuckerkonzentratio-

nen. Diese Zentrifugationsart eignet sich besonders zur Trennung von Substanzen, die sich in ihrer

Dichte, nicht jedoch in ihrer Größe unterscheiden. Die

Moleküle bewegen sich während der Zentrifugation

durch die Zentrifugalkraft so lange, bis ihre Dichte der

Dichte des umgebenden Mediums entspricht.

1 Beschreiben Sie anhand der Abb. 1 und des Textes den Aufbau und die Funktion einer Ultrazentrifuge.

2 Erklären Sie die Bedeutung des Dichtegradienten bei der Auftrennung von verschiedenen Molekülen.

3 Erläutern Sie, weshalb Meselson und Stahl zur Untersuchung ihrer Fragestellung die Dichtegratienten-

Zentrifugation mit der Ultrazentrifuge anwenden mussten.

ModellexperimentEs werden je Arbeitsgruppe 10 dicke gelbe Legosteine für die schwere DNA, 10 gleich große, aber flache rosa Legosteine für die leichte DNA und 20 flache grüne Steine für die Verbindungen benötigt. Als Waage reicht eine digitale Küchen-waage. Die Ergebnisse für die konservative, se-mikonservative und disperse Replikation werden jeweils für beide Replikationsrunden tabellarisch festgehalten (evtl. Vorgabe einer Tabelle durch die Lehrkraft). Um mit einer überschaubaren Menge an Steinen auszukommen, arbeiten bei der 2. Replikationsrunde 3 Gruppen zusammen.

Durchführung:1. Benutzen Sie die dicken Legosteine (gelb)

und bauen Sie je fünf zu einer Linie zusam-men. Nutzen Sie die grünen Legosteine als Verbindung. Bauen Sie zwei Linien, die Sie dann nebeneinanderlegen. Die beiden Linien aus gelben Legosteinen repräsentieren einen 15N-DNA-Doppelstrang. Beachten Sie die Orientierung des jeweiligen DNA-Strangs (5‘-Ende wird durch einen grünen Legostein dargestellt).

2. Wiegen Sie den Doppelstrang (2 Lego-Linien). 3. Replizieren Sie wie im Experiment von Mesel-

son und Stahl die DNA in der 1. Replikations-

runde. Nutzen Sie dabei zusätzlich die flachen Legosteine (rosa), die die 14N-DNA repräsen-tieren. Probieren Sie jeweils die konservative, semikonservative und disperse Replikation aus.

4. Bestimmen Sie die Masse von jedem der DNA-Doppelstränge der 1. Replikationsrunde und tragen Sie die Daten in eine Tabelle ein — jeweils für die unterschiedlichen Replika-tionsmechanismen. Zeichnen Sie auf dem Arbeitsblatt eine entsprechende Linie in dem Zentrifugenröhrchen für die jeweilige Masse der DNA-Doppelstränge ein.

5. Diskutieren Sie, welche Replikationsmecha-nismen bestätigt wurden und welche nicht. Erklären Sie, ob die Aussagen eindeutig sind.

6. Replizieren Sie nach dem Experiment von Meselson und Stahl die DNA in der 2. Replika-tionsrunde (je 3 Gruppen zusammen). Wiegen Sie die sich ergebenden DNA-Doppelstränge einzeln. Tragen Sie die Ergebnisse in die Tabel-le ein.

7. Diskutieren Sie, welche Replikationsmecha-nismen bestätigt wurden und welche nicht. Erklären Sie, ob die in den Experimenten gefundenen Aussagen eindeutig sind und die Fragestellung zu den Replikationsmechanis-men dadurch geklärt wurde.

Praktische Tipps

Molekulare Genetik: Weitergabe des Erbguts. 2.: Das DNA-Replikationsmodell. GIDA Odenthal, 2009. DVD. 04:40 min.


Lösungen 3 Beschreiben Sie anhand des Meselson-Stahl-Experiments die Methode der Isotopenmar-kierung. Mit schweren Isotopen (z. B. 15N, 18O) bzw. radioaktiven Isotopen (14C) können Bestandtei-le der Zelle (z. B. DNA mit 15N, Kohlenhydrate mit 14C oder Wasser mit 18O) z. B. mithilfe eines bestimmten Nährmediums markiert werden. Weil die leichteren Isotope in der Natur domi-nieren, kann der Einbau der schweren Isotope in bestimmte Zellbestandteile z. B. mit der Dichtegradienten-Zentrifugation oder durch radioaktiven Zerfall nachgewiesen werden. Auch viele Stoffwechselwege wurden mit dieser Methode aufgeklärt.

4 Erläutern Sie mithilfe eines dafür geeigne-ten Replikationsmechanismus (Abb. 1) das Zustandekommen der unterschiedlichen Ban-den bei den drei Zentrifugationen (Abb. 2). Semikonservativer Mechanismus: Schwere Bande: Die Doppelstränge der DNA enthalten nur den schweren Stickstoff 15N. Mittelschwere Bande: Bei der semikonserva-tiven Replikation (an einem alten, 15N-Einzel-

0

.

strang) wurde im 14N-Medium ein komplemen-tärer, leichter 14N-Einzelstrang aufgebaut. Die DNA besteht nach einer Replikation aus einem schweren 15N- und einem leichten 14N-Strang. Leichte Bande: Nach einer weiteren Replikation überwiegen die leichten Einzelstränge mit 14N-Isotopen (siehe Abb. 1 im Schülerbuch).

5 Leiten Sie mithilfe von Abb. 1 ab, zu welchen Ergebnissen die Dichtegradienten-Zentrifu-gation bei den beiden anderen hypothetisch möglichen Replikationsmechanismen führen würde. Bei einem konservativen Mechanismus würden sich eine schwere und eine besonders leichte Bande nach einer Replikation ergeben. Nach einer 2. Replikation würde sich das gleiche Bandenmuster ergeben (die leichte Bande wäre aber dicker, weil die DNA mit leichtem 14N dann überwiegt (siehe Abb. 1). Bei einem dispersiven Mechanismus würden sich nach beiden Replikationen mittelschwere Ban-den ergeben, weil der schwere und leichte Stickstoff in allen Einzelsträngen gleichmäßig verteilt wäre (Abb. 1).

.

• GefährdungsbeurteilungenDaten auf DVD &

180 2 Genetik 181





Replikation — Verdopplung der DNA [SB S. 108/109]

2 An den Replikationsstartpunkten findet man sehr viel mehr A — T- als G — C-Basenpaare. Stellen Sie eine Hypothese auf, worin der Vorteil dieser Tatsache liegen könnte. Da beim Öffnen des Doppelstrangs die Was-serstoffbrückenbindungen zwischen den Basen getrennt werden müssen, ist die Trennung von A —T-Paaren vermutlich mit geringerem ATP-Verbrauch verbunden, da zwischen A und T zwei Wasserstoffbrücken, zwischen G und C jedoch drei Wasserstoffbrückenbindungen vorliegen.

3 Erklären Sie, warum jeder der beiden neuen Doppelstränge im Lauf der Replikation Okazaki-Fragmente enthält. Da sich Helicasen in beide Richtungen bewe-gen, entstehen von jedem Startpunkt aus zwei Replikationsgabeln, an denen die Replikation beginnt und von hier aus weiterläuft. An jeder Replikationsgabel entstehen im Lauf der Repli-kation ein Leitstrang und ein Folgestrang. Da die Polymerasen den neuen Strang immer in 5‘— 3’-Richtung synthe-tisieren, die Replikation an den beiden Gabeln aber in entgegengesetzte Richtungen verläuft, müssen die Folgestränge, die ausgehend von den beiden Replikations gabeln gebildet wer-den, jeweils Okazaki-Fragmente enthalten).

$

.

[zu SB S. 108/109]

1 Entwerfen Sie ein Verlaufsschema zum Ab-lauf der Replikation. Bildung der Replikationsgabel durch Entspi-ralisierung der Doppelhelix an spezifischen Positionen des Chromosoms → Proteine stabilisieren die entwundenen Einzelstränge. → RNA-Polymerasemoleküle (Primasen) synthetisieren an den nun vorliegenden freien Einzelsträngen ein Stück komplementäre RNA-Nucleotide (Primer) in 5’— 3’-Richtung. → Nach ungefähr 10 Nucleotiden wird die Primer-Synthese beendet. Nun bindet ein Molekül DNA-Polymerase an den Primer und synthe-tisiert in 5’— 3’-Richtung kontinuierlich einen komplementären DNA-Strang. → Da die bei-den Stränge der DNA-Doppelhelix antiparallel sind, laufen sowohl die Primasen als auch die DNA-Polymerasen an den beiden als Vorlagen dienenden Strängen in entgegengesetzte Rich-tungen. → An jeder Replikationsgabel wächst ein Strang (Leitstrang) kontinuierlich, während der andere (Folgestrang) immer wieder neu begonnen wird, wenn sich die Helicase ein Stück weiterbewegt hat. → Am Folgestrang entstehen zunächst 100 bis 200 Nucleotide lan-ge Abschnitte, sogenannte Okazaki-Fragmente. → Die RNA-Primer werden schließlich mithilfe von spezifischen Enzymen wieder entfernt und mithilfe bestimmter Polymerasemoleküle durch DNA ersetzt. → Ein weiteres Enzym (DNA-Ligase) schließt unter ATP-Verbrauch die Lücke, die am letzten Nucleotid beim Ersatz des Primers durch DNA entstanden ist.

Lösungen

0

ARBEITSBLATT Forschungstechniken: Dichtegradienten-Zentrifugation

Lösungen 1 Die Ultrazentrifuge besteht aus einer Zentrifugationskammer, dem Rotor und einer Vakuum pumpe. Über eine Steuerzentrale wird die Geschwindigkeit des Rotors einge-stellt. In der Zentrifugationskammer wird ein Vakuum erzeugt. Hierin kann sich der Rotor mit bis zu 100 000 Umdrehungen pro Minute drehen. Die Zentrifugationskammer wird während des Trennungsvorgangs ständig gekühlt.

2 Die Moleküle sammeln sich innerhalb des Dichtegradienten in der ihrer eigenen Dichte entsprechenden Schicht der Lösung und werden dadurch voneinander getrennt.

3 Meselson und Stahl konnten die unterschiedlichen DNA-Stränge der Replikation durch die Stickstoffisotope mit verschiedener Atommasse nachweisen. Hierzu mussten sie die relativ geringen Unterschiede zwischen den DNA-Strängen nachweisen. Dies war über die Auftrennung in einem Dichtegradienten möglich. Die exakte Auftrennung der im Experiment entstandenen DNA-Stränge erforderte jedoch auch große Kräfte, die auf die relativ geringen Molekülmassen der DNA einwirkten. Diese Kräfte während der Zentrifu-gation sind nur mit der Ultrazentrifuge erreichbar.

Zusatzinformation Die Zentrifugation ist eine Methode zur Trennung und Gewinnung von Zellen, Organellen oder Makromolekülen durch eine beschleunigte Sedimentation. Die Sedimentation beruht darauf, dass alle Teilchen im Zentrifugenröhrchen mit konstanter Winkelgeschwindigkeit kreisförmig bewegt werden. Hierdurch wirkt auf die Teilchen eine nach außen gerichtete Beschleunigung. Es werden verschiedene Zentrifugierverfahren angewendet.

Differentielle Zentrifugation (Abb. 1): Mithilfe der Zentrifugalbeschleunigung wandern Zellbestanteile oder Moleküle entspre-chend ihrer Dichte oder Molmasse verschieden schnell in die Richtung des Röhrchenbodens. Die kleinen Teilchen bleiben im Überstand und werden von den größeren getrennt. Je nach Zentrifugationsdauer können nacheinander jeweils die größeren Teilchen von den mittleren und kleineren getrennt werden.

Dichtegradienten-Zentrifugation (Abb. 2):Die verschiedenen Teilchen wandern während der Zentrifugation durch einen Dichtegradi-enten, der sich in dem Zentrifugenröhrchen befindet. Dies ist häufig ein gestufter Gradient, der durch Übereinanderschichten verschiedener Lösungen mit unterschied licher Dichte aufgebaut wird. Danach wird die Probe mit den verschiedenen Teilchen auf die Oberfläche der Lösungen pipettiert. Die Trennung erfolgt durch die Anordnung der Teilchen während der Wanderung in der Dichtezone, die ihrer eigenen Dichte entspricht. Die Größe spielt hierbei keine entscheidende Rolle.Meselson und Stahl nutzten zur Trennung der gleich großen Moleküle mit unterschied licher Dichte daher die Dichtegradienten-Zentrifugation. Die unterschiedliche Dichte wurde haupt-sächlich durch die unterschiedlichen Stickstoffisotope bedingt.

1 Schema der differentiellen Zentrifugation 2 Schema der Dichtegradienten-Zentrifugation

Zent

rifu

galk

raft

Dic

hteg

radi

ent

1 2Zentrifugationszeit

Zent

rifu

galk

raft

Zentrifugationszeit1 2 3 4


Einstieg/Motivation Leitfragen • Wie verläuft die Replikation der DNA?• Wie ist das Ablesen der DNA bei der Replikation in zwei Richtungen gleichzeitig möglich?MethodenauswahlDie Bedeutung der Mitose bei der Zellteilung sollte besprochen werden. Die Wiederholung kann durch einen Lehrervortrag und ein kurzes klärendes Unterrichtsgespräch erfolgen.

Erarbeitung • Zu Beginn sollten die Seiten 108/109 im Schülerbuch erarbeitet werden.• Zur Visualisierung bietet sich der Film „Replikation und Reparatur der DNA” an (s. Literatur-

und Medienhinweise, Lehrerband S. 182).• Die Schülerinnen und Schüler bearbeiten das Arbeitsblatt „Okazaki-Fragmente — Experimen-

te zur Erforschung der DNA-Replikation“ (s. Lehrerband S. 183) in Partnerarbeit und werten ihre Ergebnisse aus.

Sicherung Im Plenum kann die Betrachtung der auf dem Arbeitsblatt „Okazaki-Fragmente — Experimente zur Erforschung der DNA-Replikation” (s. Lehrerband S. 183) behandelten Experimente unter dem Aspekt der „naturwissenschaftlichen Erkenntnisgewinnung durch Experimente“ erfolgen und die Bedeutung der Okazaki-Fragmente für die Erforschung der DNA-Replikation diskutiert werden.

Vertiefung Es können Modellexperimente zur Dichtegradienten-Zentrifugation (s. Praktische Tipps, Lehrer-band S. 182) durchgeführt und die Bedeutung der Methode für die Aufklärung der Fragestel-lung von Reiji und Tsuneko Okazaki erläutert werden.


Illustrator: Wolfgang Herzig, EssenIllustrator: Wolfgang Herzig, Essen

© Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2020 | www.klett.de | Alle Rechte

vorbehalten. Von dieser Druckvorlage ist die Vervielfältigung für den eigenen

Unterrichtsgebrauch gestattet. Die Kopiergebühren sind abgegolten.


Okazaki-Fragmente – Experimente zur Erforschung der DNA-Replikation

Der Wissenschaftler Arthur Kornberg isolierte 1956

das Enzym, das während der DNA-Replikation die

neu entstehenden DNA-Stränge synthetisiert, die

DNA-Polymerase. Die Untersuchungen zu diesem

Enzym zeigten, dass die DNA-Synthese nur in eine

Richtung am DNA-Strang entlang erfolgt: von 5' nach

3'. Da beide DNA-Stränge in eine Richtung abgele-

sen werden, jedoch antiparallel vorliegen, kann an

einem der beiden DNA-Stränge der Lesemechanis-

mus nicht ununterbrochen ablaufen. Das Wissen-

schaftlerpaar Reiji und Tsuneko Okazaki konnte 1968

einen entscheidenden Beitrag zur Lösung dieses

Rätsels liefern.

Die beiden Wissenschaftler führten während des

Vorgangs der DNA-Replikation Experimente mit

radioaktiv markierten Nucleotiden in Bakterienzellen

durch. Die Zugabe der Nucleotide erfolgte über kurze

Zeiträume von 2 bis 120 Sekunden (s) (Abb. 1). Es

wurden auch nicht markierte Nucleotide zugegeben.

Danach wurde die Replikation durch Zugabe von

Chemikalien beendet und die DNA mithilfe der

Dichtegradienten-Zentrifugation getrennt. Hierbei

ordnen sich die DNA-Teile entsprechend ihrer Dichte

(abhängig von der Länge) an. Die längeren DNA-

Abschnitte mit der höheren Dichte befinden sich im

Zentrifugenröhrchen weiter unten, die kürzeren weiter

oben. Anschließend wurde die Menge der radioaktiv

markierten DNA-Abschnitte gemessen, die in den

jeweiligen Zeiträumen neu synthetisiert worden

waren. In einem weiteren Experiment wurde die

gleiche Versuchsdurchführung gewählt, jedoch

wurden mutierte Bakterienzellen verwendet, denen

das Enzym DNA-Ligase fehlt (Abb. 2). Dieses Enzym

verknüpft DNA-Abschnitte.

1 Markierungsversuch der DNA in Zellen 2 Zellen ohne DNA-Ligase

1 Beschreiben Sie Abb. 1 und Abb. 2 und vergleichen Sie diese unter dem Aspekt der Länge der DNA-

Abschnitte.

2 Beschreiben Sie die Durchführung der beiden Versuche. Erläutern Sie hierbei die Bedeutung des zweiten

Versuchsansatzes.

3 Diskutieren Sie, welche Aussagen R. Okazaki und T. Okazaki in Bezug auf die Fragestellung anhand des

ersten und des zweiten Experimentes machen konnten.

Molekulare Genetik: Weitergabe des Erbguts. 2.: Replikation und Reparatur der DNA. GIDA Odenthal, 2009. DVD. 09 : 50 min.


Das Arbeitsblatt „Forschungstechniken: Dichte-gradienten-Zentrifugation” (s. Lehrerband S. 179) befasst sich bereits intensiv mit den technischen Hintergründen der Methode. Der nachfolgend beschriebene Modellversuch kann den Schüle-rinnen und Schülern zusätzlich helfen, ein besse-res Verständnis zu entwickeln. Er eignet sich zur Veranschaulichung der Trennung von Zellbe-standteilen, des Meselson-Stahl-Experiments oder der Okazaki-Experimente.

ModellversuchMaterial: 3 Bechergläser (250 ml), 1 Messzylin-der (100 ml), 1 Injektionsnadel, 1 großer Stand-zylinder oder durchsichtiger Behälter, 3 Tischten-nisbälle, Kochsalz, Rohrzucker.Durchführung: Lösen Sie in einem Becherglas so viel Kochsalz auf, dass eine gesättigte Kochsalz-lösung entsteht. Entnehmen Sie 10 ml dieser Kochsalz lösung und verdünnen Sie diese in einem zweiten Becherglas im Verhältnis 1 : 10. Nehmen Sie von dieser verdünnten Lösung 10 ml und verdünnen diese in einem dritten Becher-glas noch einmal im Verhältnis 1 : 10. Drei unterschiedlich markierte Tischtennisbälle werden nun mithilfe einer Injektionsnadel mit den drei verschieden konzentrierten Kochsalz- lösungen gefüllt. Beginnen Sie mit der gerings-ten Konzentration. Geben Sie die drei Tischten-nisbälle in einen Standzylinder mit Wasser und lösen Sie dann langsam den Rohrzucker in dem Standzylinder auf.

Aufgaben1 Notieren Sie Ihre Beobachtungen.2 Erklären Sie diesen Modellversuch mithilfe

des Textes und Ihrer Beobachtungen unter dem Aspekt der Dichtegradienten-Zentrifu-gation.

3 Erläutern Sie, weshalb es sich um einen Modellversuch handelt.

1 Modellversuch zum Dichtegradienten

Lösungen1 Die drei Tischtennisbälle mit den unter-

schiedlichen Salzkonzentrationen liegen im Wasser auf dem Boden des Gefäßes. Bei Zugabe des Zuckers beginnen sie nach oben zu steigen. Der Tischtennisball mit der ge-ringsten Kochsalzlösung steigt zuerst. Nach der Zugabe einer bestimmten Zuckermenge schwimmen die drei Tischtennisbälle in verschiedenen Höhen des Gefäßes (Abb. 2).

2 Die Anordnung der Tischtennisbälle entspricht der Dichte der Salzlösung im Ver-gleich zur Zuckerlösung im Gefäß. So können in Experimenten Strukturen mit unterschied-licher Dichte getrennt werden.

3 Dieser Versuch hat keine wissenschaftliche Fragestellung, sondern dient dazu, komplexe Zusammenhänge in Form eines Modells vereinfacht darzustellen.

Praktische Tipps

1 1

2

3

23

Wasser Zuckerlösung

184 NATURA_LB Kursstufe_049263



ARBEITSBLATT Okazaki-Fragmente — Experimente zur Erforschung der DNA-Replikation

Lösungen 1 In Abb. 1 sind die Ergebnisse der Auftrennung der DNA-Abschnitte nach der Dichtegradi-enten-Zentrifugation gezeigt. Auf der x-Achse ist die Entfernung der DNA-Abschnitte zur Oberfläche im Zentrifugenröhrchen aufgetragen. Auf der y-Achse ist der Anteil an radio-aktiv markierten Stoffen in Form des radioaktiven Zerfalls dargestellt. Die Messkurven geben die DNA-Abschnitte nach unterschiedlich langen Markierungszeiträumen wieder. Bei den Messwerten nach 2 s liegt die gesamte Radioaktivität im Bereich der kurzen DNA-Abschnitte. Es hat nur wenig radioaktiver Zerfall stattgefunden. Bei den Messungen nach 15 s, 30 s und 60 s findet man eine steigende Radioaktivität im Bereich der kurzen DNA-Ab-schnitte und zunehmend auch im Bereich der langen DNA-Abschnitte. In den Ergebnissen der Messung nach 60 und 120 s liegt der Schwerpunkt bei den langen DNA-Abschnitten. In Abb. 2 ist eine ähnliche Grafik dargestellt, hier wurden jedoch Zellen ohne DNA-Ligase verwendet. Gemessen wurden die DNA-Abschnitte in diesem 2. Experiment nach Markierungszeiten von 10 s, 20 s, 40 s und 60 s. Bei den Messungen liegen alle Werte der markierten DNA-Abschnitte im Bereich der kurzen Abschnitte. Im Bereich der langen Abschnitte sind nur sehr geringe Messwerte zu finden.

2 Während der DNA-Replikation in Bakterienzellen wurden radioaktiv markierte Nucleotide in den Versuchsansatz gegeben. Bei der Replikation wurden dann diese markierten Bau-steine genutzt. Die Zeit, in der die Replikation ablaufen konnte, variierte nach der Zugabe der markierten Nucleotide von 2 bis 120 s. Danach wurde die Replikation gestoppt und die DNA zentrifugiert. Unterschiedlich lange DNA-Abschnitte ordnen sich je nach Dichte in den verschiedenen Zonen im Zentrifugenröhrchen an. Die einzelnen Zonen wurden auf ihre Radioaktivität untersucht. Im zweiten Versuch wurden mutierte Bakterienzellen ver-wendet, die kein Enzym zur Verknüpfung von DNA-Abschnitten (Ligase) besitzen. Durch das Fehlen von Ligase kann man folgern, dass längere (dichtere) Stücke nur entstehen können, wenn sie aus kürzeren verbunden werden.

3 Die durch die Experimente von Kornberg entstandene Fragestellung nach der Bildung des DNA-Strangs in 3’– 5’-Richtung konnte erst durch die Experimente von R. Okazaki und T. Okazaki beantwortet werden, da diese nicht nur die gesamte DNA, sondern auch DNA-Stücke während der Replikation untersuchten. Durch den Nachweis der kurzen DNA-Abschnitte, die im zeitlichen Verlauf zu längeren Abschnitten zusammengesetzt wurden, konnte gezeigt werden, dass zuerst kurze DNA-Abschnitte in der üblichen Leserichtung gebildet werden. Diese werden anschließend zu längeren Abschnitten verknüpft. Das lässt sich durch die initiale Zunahme der kurzen Abschnitte und die deutlich verzögerte Zunahme der langen DNA-Abschnitte zeigen. Der zweite Versuch zeigt durch das Fehlen der langen Abschnitte, dass diese nur aus den kurzen gebildet werden und kein alternativer Replikationsweg vorhanden ist.

Zusatzinformation Die kurzen Fragmente wurden nach den Entdeckern Okazaki-Fragmente genannt.Die Durchführung der Okazaki-Experimente lief mit unterschiedlichen Ansätzen wie in Abb. 1 ab. Diese kann den Schülerinnen und Schülern zum besseren Verständnis während der Erarbeitung des Arbeitsblatts oder bei der Auswertung und Diskussion zur Verfügung gestellt werden.

1 Versuchsdurchführung von R. und T. Okazaki

DNA DNA

Nucleotide

isolierteDNA-

Strängenach

Replika-tions-stopp

1

4

2

5

3

6

radioaktiv markierte

Nucleotide

Rotor der Ultrazentrifuge

„zusammen-gehefteter“DNA-Strang

Okazaki-Fragmente

DNA im Zucker-

gradienten

nicht radioaktiv markierte

Nucleotide

Documents

Auf der Suche nach dem genetischen Material das