• Replikation
  • Dilara.ogurlu
  • 22.01.2024
  • Biologie
  • Qualifikationsphase 1
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3 Theo­rien der DNA-​Replikation

Die Theo­rien zum Me­cha­nis­mus der DNA-​Replikation

Damit bei einer mito­ti­schen Tei­lung jede Toch­ter­zel­le genau die glei­che DNA-​Ausstattung wie die Mut­ter­zel­le er­hält, muss vor der Zell­tei­lung zu­nächst die DNA ver­dop­pelt wer­den. Den Pro­zess der DNA-​Verdoppelung be­zeich­net man als Re­pli­ka­ti­on. Theo­re­tisch sind drei ver­schie­de­ne Me­cha­nis­men für die DNA-​Verdoppelung denk­bar: Ers­tens könn­te die DNA wie die Sei­ten eines Bu­ches ver­viel­fäl­tigt wer­den. Bei die­sem kon­ser­va­ti­ven Me­cha­nis­mus blie­be die Vor­la­ge un­ver­än­dert er­hal­ten und es ent­stün­de zu­sätz­lich ein kom­plett neues DNA-​Molekül. Zwei­tens könn­te der Me­cha­nis­mus se­mi­kon­ser­va­tiv sein, wenn die bei­den Strän­ge zu­nächst ge­trennt wer­den und an­schlie­ßend an jedem Strang eine neue Po­ly­nu­cleo­tid­ket­te ge­bil­det wird. Drit­tens könn­te in einem di­sper­sen Me­cha­nis­mus jeder Toch­ter­strang teils aus ur­sprüng­li­chen und teils aus neuen DNA - Ab­schnit­ten zu­sam­men­ge­setzt sein.

El­ter­strang:

Auf­ga­ben

1
Lies den Text genau durch und un­ter­strei­che wich­ti­ge Aspek­te !
2
Be­nen­ne und skiz­zie­re wie die bei­den DNA-​Doppelstränge bei den un­ter­schied­li­chen Me­cha­nis­men nach der ers­ten Re­pli­ka­ti­on aus­se­hen müs­sen und no­tie­re den Namen des je­wei­li­gen Me­cha­nis­mus dar­un­ter in ver­schie­de­nen Far­ben („neu“ syn­the­ti­sier­te am bes­ten in blau und „alte“ DNA-​Stücke in rot)!
3
Wel­chen Me­cha­nis­mus hältst du am wahr­schein­lichs­ten? Be­grün­de!

Meselson-​ Stahl-​ Ex­pe­ri­ment

1996

Wir sind Matthew Me­sel­son und Frank­lin Stahl. 1958 ver­öf­fent­lich­ten wir das nach uns be­nann­te Ex­pe­ri­ment, mit dem wir her­aus­ge­fun­den haben, wie sich die DNA ver­viel­fäl­tigt. Wir stell­ten uns die Frage, wie sich die re­pli­zier­te DNA auf die bei­den Toch­ter­zel­len ver­teilt. Dies war zum da­ma­li­gen Zeit­punkt noch völ­lig un­klar, des­halb schau­ten wir uns die drei Hy­po­the­sen ge­nau­er an und konn­ten mit un­se­rem Ex­pe­ri­ment die kon­kre­te Hy­po­the­se be­le­gen.

Um den Me­cha­nis­mus der Re­pli­ka­ti­on zu un­ter­su­chen, züch­te­ten Me­sel­son und Stahl Esche­ri­chia coli-​Bakterien in Flüs­sig­kul­tu­ren, die ein be­stimm­tes Stick­stoff­iso­top (15N) ent­hiel­ten. Nach der ers­ten Pro­ben­ent­nah­me wur­den die Zel­len wei­ter­hin in einem Me­di­um kul­ti­viert, das Stick­stoff ent­hielt, je­doch nicht 15N, son­dern das leich­te­re Stick­stoff­iso­top 14N. Da Stick­stoff ein Be­stand­teil der Basen der DNA ist und die Zel­len nicht zwi­schen den Stick­stoff­iso­to­pen un­ter­schei­den kön­nen, wur­den die im neuen Me­di­um vor­kom­men­den leich­te­ren 14N-​Isotope wäh­rend des fol­gen­den Re­pli­ka­ti­ons­vor­gangs in die DNA ein­ge­baut. Nach 20 min, also etwa einem Re­pli­ka­ti­ons­zy­klus, wurde wie­der eine Probe ent­nom­men und der Rest der Zel­len wei­ter­hin bis zur zwei­ten Ge­ne­ra­ti­on kul­ti­viert, um im An­schluss mit den ver­schie­de­nen ent­nom­me­nen Pro­ben eine Dich­te­gra­di­en­ten­zen­tri­fu­ga­ti­on durch­zu­füh­ren.

Das Stick­stoff­iso­top 15N be­sitzt ein Neu­tron mehr als das Stick­stoff­iso­top 14N und hat daher ein hö­he­res Ge­wicht. Dies konn­te ge­nutzt wer­den, um her­aus­zu­fin­den, wel­cher der be­schrie­be­nen Me­cha­nis­men der DNA-​Replikation zu­grun­de liegt. Nach einer Dich­te­gra­di­en­ten­zen­tri­fu­ga­ti­on der DNA, also einer Auf­tren­nung der iso­lier­ten DNA nach ihrer Dich­te wäh­rend der Zen­tri­fu­ga­ti­on, wurde die DNA der un­ter­schied­li­chen Bak­te­ri­en­ge­ne­ra­tio­nen auf­grund des Ein­baus un­ter­schied­lich schwe­rer Stick­stoff­iso­to­pe in un­ter­schied­li­chen Ban­den sicht­bar. Die Dich­te der F1-​Generation liegt dabei genau zwi­schen den Re­fe­renz­pro­ben der P Ge­ne­ra­ti­on – also der ers­ten Probe (ent­hält aus­schließ­lich 15N-DNA) und einer Probe mit aus­schließ­lich leich­ter 14N-DNA (ent­hält über­wie­gend 14N und nur einen ge­rin­gen Hy­brid­an­teil aus 14N und 15N). F2-​Generation (zwei­te Probe) ent­hält über­wie­gend 14N und ein ge­rin­ger An­teil an mit­tel­schwe­rer hy­brid DNA mit 14N und 15N im glei­chen Ver­hält­nis.

Um den Me­cha­nis­mus der Re­pli­ka­ti­on zu un­ter­su­chen, züch­te­ten Me­sel­son und Stahl Esche­ri­chia coli-​Bakterien in Flüs­sig­kul­tu­ren, die ein be­stimm­tes Stick­stoff­iso­top (15N) ent­hiel­ten. Nach der ers­ten Pro­ben­ent­nah­me wur­den die Zel­len wei­ter­hin in einem Me­di­um kul­ti­viert, das Stick­stoff ent­hielt, je­doch nicht 15N, son­dern das leich­te­re Stick­stoff­iso­top 14N. Da Stick­stoff ein Be­stand­teil der Basen der DNA ist und die Zel­len nicht zwi­schen den Stick­stoff­iso­to­pen un­ter­schei­den kön­nen, wur­den die im neuen Me­di­um vor­kom­men­den leich­te­ren 14N-​Isotope wäh­rend des fol­gen­den Re­pli­ka­ti­ons­vor­gangs in die DNA ein­ge­baut. Nach 20 min, also etwa einem Re­pli­ka­ti­ons­zy­klus, wurde wie­der eine Probe ent­nom­men und der Rest der Zel­len wei­ter­hin bis zur zwei­ten Ge­ne­ra­ti­on kul­ti­viert, um im An­schluss mit den ver­schie­de­nen ent­nom­me­nen Pro­ben eine Dich­te­gra­di­en­ten­zen­tri­fu­ga­ti­on durch­zu­füh­ren.

Das Stick­stoff­iso­top 15N be­sitzt ein Neu­tron mehr als das Stick­stoff­iso­top 14N und hat daher ein hö­he­res Ge­wicht. Dies konn­te ge­nutzt wer­den, um her­aus­zu­fin­den, wel­cher der be­schrie­be­nen Me­cha­nis­men der DNA-​Replikation zu­grun­de liegt. Nach einer Dich­te­gra­di­en­ten­zen­tri­fu­ga­ti­on der DNA, also einer Auf­tren­nung der iso­lier­ten DNA nach ihrer Dich­te wäh­rend der Zen­tri­fu­ga­ti­on, wurde die DNA der un­ter­schied­li­chen Bak­te­ri­en­ge­ne­ra­tio­nen auf­grund des Ein­baus un­ter­schied­lich schwe­rer Stick­stoff­iso­to­pe in un­ter­schied­li­chen Ban­den sicht­bar. Die Dich­te der F1-​Generation liegt dabei genau zwi­schen den Re­fe­renz­pro­ben der P Ge­ne­ra­ti­on – also der ers­ten Probe (ent­hält aus­schließ­lich 15N-DNA) und einer Probe mit aus­schließ­lich leich­ter 14N-DNA (ent­hält über­wie­gend 14N und nur einen ge­rin­gen Hy­brid­an­teil aus 14N und 15N). F2-​Generation (zwei­te Probe) ent­hält über­wie­gend 14N und ein ge­rin­ger An­teil an mit­tel­schwe­rer hy­brid DNA mit 14N und 15N im glei­chen Ver­hält­nis.





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Ver­such

Auf­ga­ben

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Lies den Text genau und un­ter­strei­che wich­ti­ge Aspek­te!
2
Fasse die Ver­suchs­er­geb­nis­se in ei­ge­nen Wor­ten zu­sam­men!
3
Be­grün­de wel­che Me­cha­nis­men ba­sie­rend auf den Er­geb­nis­sen in Frage kom­men!
4
Stel­le dar, wie das Ban­den­mus­tern im Re­agenz­glas nach der drit­ten Tei­lung aus­se­hen würde!
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