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Meselson und Stahl – Replikation der DNA

Entdecke das Meselson-Stahl-Experiment, das die Art und Weise, wie DNA repliziert wird, entschlüsselte. Lerne, wie die Wissenschaftler 1958 die semikonservative DNA-Replikation bewiesen, bei der jede neue DNA aus einem alten und einem neuen Strang besteht. Tauche tiefer in die Details des Experiments ein und verstärke dein Wissen durch interaktive Übungen. Bist du bereit, mehr zu erfahren? Dann erkunde jetzt die spannenden Ergebnisse und ihre Bedeutung!

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Mtoto
Meselson und Stahl – Replikation der DNA
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

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.