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Meselson und Stahl – Replikation der DNA 07:33 min

Textversion des Videos

Transkript Meselson und Stahl – Replikation der DNA

Hallo! Noch unter 30 waren zwei US-amerikanische Genetiker, als ihnen ein Versuch gelang, der sie weltberühmt machen sollte. Sie versuchten die Vorgänge bei der Vervielfältigung der DNA aufzudecken. In diesem Video geht es um Versuche mit Bakterien von Meselson und Stahl. Wir werden uns die drei Theorien zur Replikation der DNA anschauen und das entscheidende Experiment zur Lösung des Rätsels nachvollziehen. Dazu schauen wir uns den Versuchsaufbau, Beobachtung und die Erklärung der Ergebnisse an. Dabei wird auf die Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation und die DNA-Visualisierung mit UV-Licht eingegangen. Beginnen wir mit den drei Theorien zur Struktur der DNA, die noch in den Fünfzigern gleichwertig kursierten. Wie du schon weißt, muss die DNA nach der Teilung verdoppelt werden, damit zwei funktionsfähige Zellen entstehen. Die alten Stränge dienen dabei immer als Matrize, da sich Basen komplementär anlagern: Adenin an Thymin, Guanin an Cytosin und umgekehrt. 1953 hatten Watson und Crick bereits ihr Modell der semikonservativen Replikation der DNA vorgestellt. Das heißt, jeder DNA-Strang besteht aus einem neuen und einem alten Strang. Dem gegenüber steht ein zweites Modell, das der konservativen Replikation. Dieses sieht vor, dass von der doppelsträngigen DNA eine komplette Kopie angefertigt wird. Die alte DNA bleibt bestehen und eine komplett neue wird gebildet. Die dritte Theorie geht von einer dispersen Replikation aus. Die DNA-Stränge zerfallen in Bruchstücke, werden mit neuen DNA-Fragmenten vermischt und später wieder zusammengesetzt. Doch wie kann man nun nachweisen, ob DNA konservativ, semikonservativ oder dispers repliziert wird? Der Durchbruch kam 1957 mit den Experimenten mit Matthew Meselson und Frank Stahl. Im Versuchsaufbau verwendeten sie Escherichia coli-Bakterien. Sie ließen sie sich auf einem Nährmedium vermehren, das nur das schwere Stickstoffisotop 15N statt das in der Umwelt vorkommende, leichtere Isotop 14N enthielt. Bei der Replikation bauten die Bakterien 15N in die organischen Basen ihrer DNA ein. Da 15N eine höhere Dichte hat als 14N, war die DNA nun insgesamt schwerer als gewöhnlich. Im zweiten Schritt wurden die Bakterien auf ein Nährmedium verpflanzt, das nur das leichte 14N enthielt. Nach exakt zwanzig Minuten, also der Dauer einer Teilung, wurden Zellen entnommen. Deren DNA wurde extrahiert und gereinigt. Nach insgesamt 40 Minuten, also nach zwei Teilungen, wurde dieser Vorgang wiederholt. Für den letzten Schritt nutzten Meselson und Stahl die Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation. Das ist eine Trennmethode, die verschiedene Stoffe nach ihrer Dichte trennt. Grundlage dessen ist die Eigenschaft von Teilchen sich in einer Lösung gemäß ihrer Dichte zu positionieren, also abzusinken oder zu schweben. In der Zentrifuge herrscht nun ein starkes, künstliches Schwerefeld vor. Im oberen Teil ist daher die Dichte der Lösung viel geringer als im unteren Teil. Die DNA-Probe, die mitzentrifugiert wird, wandert nun innerhalb des Röhrchens zu der Cäsiumchlorid-Lösung gleicher Dichte. Zuletzt wird die DNA unter UV-Licht sichtbar gemacht. Sie absorbiert UV-Strahlen. Was beobachteten die beiden Forscher und zu welchem Ergebnis kamen sie? Bei einer Zentrifugation der DNA, die entnommen wurde, bevor die Bakterien auf das 14N Nährmedium verpflanzt werden, bildete sich nur eine DNA-Bande im unteren Teil des Röhrchens. Die DNA enthielt also ausschließlich 15N-Isotope. Bei der Zentrifugation der nach zwanzig Minuten entnommen DNA war wieder nur eine DNA-Bande vorhanden. Da sie sich in der Mitte des Röhrchens befand, noch unter der üblichen Position der reinen 14N-DNA, schlossen Meselson und Stahl, dass die DNA nun mittelschwer sei. Dies widersprach bereits der Theorie der konservativen Replikation. Bei dieser wären zwei Banden, eine unten und eine oben, in Höhe der normalen 14N-DNA entstanden. Die letzte nach vierzig Minuten entnommene Probe, lieferte zwei Banden nach der Zentrifugation, eine obere und eine in der Mitte. Die Hälfte der DNA ist also leicht, die andere Hälfte mittelschwer. Somit wird die DNA semikonservativ repliziert, wobei immer ein alter Strang als Vorlage für den neuen Strang dient. Hier kannst du noch einmal die Replikation nachvollziehen. Nach der ersten Teilung enthält die DNA einen alten und einen neuen, also je einen schweren und einen leichten DNA-Strang. Im Nährmedium liegen aber nur 14N-DNA-Bausteine vor. Im Laufe der zweiten Teilung werden die schweren Stränge daher erneut zu gemischter DNA repliziert. Die leichten DNA-Stränge, die nur 14N-Isotope eingebaut haben, werden jedoch ganz normal zu leichten Strängen repliziert. Findet eine disperse Replikation statt, würde sich wieder nur eine gemischte Bande bilden, die die mittelschwere DNA repräsentierte. Fassen wir noch einmal zusammen: Man unterscheidet die Theorien der semikonservativen, der konservativen und der dispersen DNA-Replikation. Meselson und Stahl entwickelten 1957 ein Experiment, das die Theorie der semikonservativen Replikation stützt. Sie nährten Bakterien erst in einer Kulturflüssigkeit mit 15N-, dann in einer mit 14N-Isotopen. Nach null, zwanzig und vierzig Minuten extrahierten sie DNA, die sie mit einer Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation und unter UV-Licht untersuchten. Dabei zeigte sich, dass die DNA nach der ersten Teilung mittelschwer, nach der zweiten zur Hälfte mittelschwer und zur anderen leicht war. Daraus schlossen die Forscher, dass DNA semikonservativ repliziert wird. Ich hoffe du hast viel gelernt. Tschüss!

3 Kommentare
  1. Voll gut!

    Von Gini A., vor mehr als 2 Jahren
  2. sehr einfach und anschaulich erklärt

    Von Bella S., vor etwa 3 Jahren
  3. Super erklärt!!!

    Von Anke Fellmann, vor etwa 5 Jahren

Meselson und Stahl – Replikation der DNA Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Meselson und Stahl – Replikation der DNA kannst du es wiederholen und üben.

  • Schildere den Versuchsaufbau von Meselson und Stahl.

    Tipps

    Als Erstes mussten die Forscher die alte DNA „markieren“, um sie später von der neuen DNA unterscheiden zu können. Dabei half ihnen das schwere ¹⁵N-Stickstoffisotop. Dieses ¹⁵N-Stickstoffisotop hat eine höhere Dichte als das normalerweise verbaute ¹⁴N-Stickstoffisotop. Dies half den beiden Forschern, die neue DNA von der alten DNA zu unterscheiden.

    Lösung

    Zuerst wurden E.coli-Bakterien in einem Nährmedium mit dem schweren ¹⁵N-Stickstoffisotop vermehrt. Bei der Replikation bauten die Bakterien diesen Stickstoff in die organischen Basen ihrer DNA ein. Die DNA enthielt in diesem Stadium nur schwere ¹⁵N/¹⁵N-Stickstoffisotope.

    Anschließend wurden die Bakterien auf ein Nährmedium verpflanzt, das nur das leichte ¹⁴N-Stickstoffisotop enthielt. Für die erneute Verdopplung der DNA mussten die Bakterien also das ¹⁴N-Stickstoffisotop verwenden.

    Nach 20 Minuten wurden das erste Mal Zellen entnommen. Diese Dauer entspricht einer Zellteilung. Die entnommene DNA wurde zuerst extrahiert und gereinigt, bevor sie zentrifugiert wurde. Zu diesem Zeitpunkt gab es eine mittelschwere DNA-Bande, die ¹⁴N/¹⁵N-Stickstoffisotope enthielt.

    Nach 40 Minuten, also genau nach zwei Zellteilungen, wurde dieser Vorgang wiederholt. Nun waren 2 DNA-Banden vorhanden. Eine DNA-Bande war leicht und enthielt ausschließlich ¹⁴N-Isotope. Die andere DNA-Bande war mittelschwer und enthielt ¹⁴N/¹⁵N-Stickstoffisotope.

  • Fasse zusammen, welche DNA Meselson und Stahl bei den einzelnen Versuchsschritten vorgefunden haben.

    Tipps

    Da die Bakterien zu Beginn des Versuchs auf ein Nährmedium mit einem schweren Stickstoff-Isotop gesetzt wurden, bauten sie dieses schwere Stickstoff in ihre Zellen ein. Die Dichte der DNA ist deshalb zu Beginn des Versuchs am höchsten.

    Von Schritt zu Schritt teilt sich die DNA weiter. In einem Röhrchen können also je nach Teilungsschritt auch mehrere DNA-Banden vorhanden sein. Diese können unterschiedlich schwer sein.

    Lösung

    Nach 0 Minuten: Bevor die Bakterien auf das ¹⁴N-Nährmedium gesetzt wurden, war nach der Zentrifugation im Röhrchen nur eine DNA-Bande vorhanden. Da die DNA nur schwere ¹⁵N/¹⁵N-Stickstoff-Isotope enthielt, sank die Bande auf den Boden des Röhrchens.

    Nach 20 Minuten: Nach der ersten Zellteilung war wieder nur eine DNA-Bande vorhanden. Sie befand sich in der Mitte des Röhrchens, noch unter der üblichen Position der reinen ¹⁴N-DNA. Daraus leiteten die Forscher ab, dass jeweils ein leichter und ein schwerer DNA-Strang vorhanden war. Deshalb schwebte die daraus zusammengesetzte mittelschwere DNA-Bande in der Mitte des Röhrchens.

    Nach 40 Minuten: Nach zwei Zellteilungen waren dann zwei DNA-Banden vorhanden. Eine schwebte oben und eine in der Mitte des Röhrchens. Die eine Hälfte der DNA war also leicht, die andere Hälfte mittelschwer.

  • Prüfe, wie die Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation funktioniert.

    Tipps

    Stell dir vor, Asterix und Obelix wollen einen Bootsausflug machen. Leider kommen sie nicht weit, da eine Seite viel tiefer im Wasser liegt und dadurch Wasser ins Boot läuft. Wer sitzt wohl auf dieser Seite?

    Bei der Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation passiert etwas Ähnliches. Die schweren Teilchen sinken nach unten, während die leichten Teilchen oben schweben.

    Lösung

    Diese Aussagen stimmen:

    Die Cäsiumkationen und Chloridanionen des Cäsiumchlorids sind in einer Lösung frei beweglich und können deshalb an verschiedene Stellen innerhalb der Lösung wandern.

    In der Zentrifuge herrscht ein starkes, künstliches Schwerefeld vor.

    Die zentrifugierte DNA wandert im Röhrchen zu der Cäsiumchloridlösung gleicher Dichte.

    Diese Aussagen stimmen nicht:

    Die Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation ist eine Trennmethode, die verschiedene Stoffe nach ihrem Durchmesser trennt. (Richtig wäre: Es ist eine Trennmethode, die Stoffe nach ihrer unterschiedlichen Dichte trennt.)

    Im oberen Teil der Lösung ist die Dichte höher als im unteren Teil der Lösung. Deshalb schweben die schweren Teilchen oben, während die leichten Teilchen auf den Boden absinken. (Richtig wäre: Im oberen Teil der Lösung ist die Dichte geringer als im unteren Teil. Deshalb schweben die leichten Teile oben, während die schweren Teilchen auf den Boden absinken.

  • Analysiere, warum die DNA weder konservativ noch dispers repliziert wird.

    Tipps

    Bei der Theorie der konservativen Replikation ging man davon aus, dass die alte, schwere DNA bestehen bleibt und eine komplett neue, leichte DNA gebildet wird.

    Nach dem zweiten Replikationszyklus enthielt ein Teil der DNA ausschließlich die leichteren ¹⁴N-Stickstoffisotope. Der andere Teil enthielt ein Gemisch aus ¹⁴N/¹⁵N-Isotopen.

    Geht man von der dispersen Theorie aus, würde die alte DNA zerteilt und in die neue DNA wieder eingebaut werden. Die komplette neue DNA würde also aus ¹⁴N/¹⁵N-Stickstoffisotopen bestehen.

    Lösung

    Nach einem Replikationszyklus:

    Bei der konservativen Replikation gäbe es eine schwere und eine leichte DNA-Bande.

    Bei der dispersen Replikation gäbe es nur mittelschwere DNA-Banden. Alle DNA-Stränge bestünden zum Teil aus schwerer und zum Teil aus leichter DNA.

    Bei der semikonservativen Replikation gäbe es ebenfalls nur mittelschwere DNA.

    Da Meselson und Stahl zu diesem Zeitpunkt tatsächlich nur mittelschwere DNA vorgefunden haben, konnten sie die Theorie der konservativen Replikation bereits ausschließen.

    Nach zwei Replikationszyklen:

    Bei der konservativen Replikation gäbe es wieder eine schwere und eine leichte DNA-Bande. Diese Theorie konnte ja aber bereits ausgeschlossen werden.

    Bei der dispersen Replikation hätten wir nur eine Bande, die zwischen der leichten DNA und der mittelschweren DNA liegen würde. Alle DNA-Stränge bestünden zum Teil aus schwerer und zum Teil aus leichter DNA, die leichte DNA würde aber überwiegen.

    Meselson und Stahl erhielten nach der zweiten Zellteilung allerdings zwei Banden, eine leichte und eine mittelschwere. Somit konnten die Forscher zeigen, dass nur noch die semikonservative Replikation in Betracht kam.

  • Stelle dar, wie die verdoppelte DNA bei den drei beschriebenen Theorien aussehen müsste.

    Tipps

    Wenn eine Person konservativ eingestellt ist, hält diese Person an etwas Altherbegrachtem fest. Das Alte soll also bestehen bleiben. Auch bei der konservativen Theorie der DNA-Replikation bleibt die alte Mutter-DNA komplett bestehen und es wird eine komplett neue Tochter-DNA hergestellt.

    „Semi“ bedeutet teilweise. Bei der semikonservativen Theorie bleibt die alte DNA also teilweise bestehen. Der andere Teil besteht aus neu hergestellter DNA.

    „Dispers“ bedeutet zerstreut oder fein verteilt. Bei der dispersen Theorie der DNA-Replikation wird die alte DNA verteilt und mit neuer DNA zusammengefügt.

    Lösung

    Unabhängig davon, von welcher Theorie wir ausgehen, benötigen wir vor der Verdopplung der DNA die vorhandene Mutter-DNA.

    1953 hatten die beiden Forscher Watson und Crick ihre Theorie der semikonservativen Replikation der DNA vorgestellt. In diesem Modell besteht jeder DNA-Strang aus einem neuen und einem alten Strang.

    Die Theorie der konservativen Replikation sieht vor, dass von der doppelsträngigen Mutter-DNA eine komplette Kopie angefertigt wird. Die alte Mutter-DNA bleibt bestehen und eine komplett neue Tochter-DNA wird gebildet.

    Bei der Theorie der dispersen Replikation zerfallen die Mutter-DNA-Stränge in Bruchstücke. Sie werden mit neuen Fragmenten vermischt und später wieder zusammengesetzt. Die neu generierte DNA enthält also sowohl Bruchstücke der Mutter-DNA als auch der Tochter-DNA.

  • Skizziere, wie die Replikation der DNA abläuft.

    Tipps

    Komplementär bedeutet, dass zwei Dinge zwar gegensätzlich sind, sich aber genau ergänzen. So wissen die Polymerasen genau, welche Base sie als nächstes in den neuen Strang einbauen müssen.

    Elongation bedeutet Verlängerung. In dieser Phase wird der neue DNA-Strang verlängert, indem die Basen komplementär aneinandergesetzt werden.

    Lösung

    Bei der DNA-Replikation werden die Erbinformationen in einer Zelle verdoppelt. Diese Verdopplung findet vor der Teilung der Zelle statt. Die Replikation ist notwendig, um beiden Tochterzellen die exakt gleiche Erbinformation mitgeben zu können.

    Wie du bereits gelernt hast, erfolgt die Vervielfältigung semikonservativ. Der ursprüngliche DNA-Doppelstrang wird in seine Einzelstränge getrennt, an denen dann jeweils neue Stränge gebildet werden. Die Bildung der neuen Stränge erfolgt komplementär. Das bedeutet, dass sich jede der vier DNA-Basen mit nur einem passenden Partner verbinden kann. Adenin bildet ein Paar mit Thymin, Guanin mit Cytosin.

    Der Ablauf der Replikation lässt sich in mehrere Phasen unterteilen:

    In der Initiationsphase wird die Replikation angestoßen. Die DNA-Doppelhelix wird an einer bestimmten Stelle aufgebrochen. Bestimmte Enzyme, sogenannte Polymerasen, können nun an der aufgebrochenen DNA anlagern.

    In der Elongationsphase findet die eigentliche Vervielfältigung statt. Die beiden Stränge werden zeitgleich komplementär synthetisiert. Dazu verknüpfen die Polymerasen die passenden DNA-Basen miteinander.

    In der Terminationsphase stoppt die Polymerase mit der Replikation, sobald der DNA-Strang zu Ende ist.