Biologie Hausaufgaben?

hi, könntet ihr mir bei der aufgabe 2 helfen ? am liebsten step by step :)

Answer 1

[DedeM]

Moin,

Schritt für Schritt und möglichst ausführlich? Na gut, aber dann gibt es einiges zu lesen. Bitte beschwere dich später nicht...

Hier hast du's:

Die Banden in den Generationen bei konservativer Replikation
Wenn die Replikation konservativ abliefe, so müsste die Dichtegradientenzentrifugation in der F₁-Generation zwei Banden zeigen, nämlich eine obere von der neu erstellten DNA, in die ausschließlich ¹⁴N eingebaut wäre (leichte DNA) und eine weiter unten liegende der ursprünglichen DNA, in der ja nur ¹⁵N vorkäme (schwere DNA).
Nach der nächsten Replikation (F₂-Generation) müssten dann wieder zwei Banden an gleicher Position vorliegen, nämlich eine breitere obere (weil bei der zweiten Replikation insgesamt mehr leichte DNA entstehen würde) und eine genauso breite untere Bande wie nach der ersten Replikation, die immer noch von der ursprünglichen schweren DNA stammen würde. Analog müsste es nach der dritten Replikation in der F₃-Generation wiederum zwei Banden geben: eine sehr breite obere (leichte DNA) und eine ebenso schmale untere Bande wie in den vorherigen Generationen (in der immer noch die ursprüngliche schwere DNA versammelt wäre).

Die Banden in den Generationen bei semikonservativer Replikation
Wenn die Replikation semikonservativ abliefe, so müsste die Dichtegradientenzentrifugation in der F₁-Generation eine Bande zeigen, die in der Mitte zwischen der Bande für leichte DNA und der für schwere DNA läge, denn die DNA-Moleküle bestünden in diesem Fall alle aus einem schweren Strang mit eingebautem ¹⁵N und einem leichten Strang mit eingebautem ¹⁴N. Zusammengesetzt ergäben sich also insgesamt nur halbschwere DNA-Moleküle. Nach der nächsten Replikation müssten dann zwei Banden zu sehen sein: eine obere, in der nur leichte DNA vorläge und eine mittlere mit mittelschwerer DNA. Analog müsste dann auch das Bild in der F3-Generation sein, nur dass die obere Bande verhältnismäßig breiter als die mittlere Bande wäre.

Die Banden in den Generationen bei disperser (dispersiver) Replikation
Komplizierter wird es, wenn man die Bandenmuster angeben möchte, die bei einer dispersen Replikation entstehen müssten. Für die F₁-Generation ist das noch relativ einfach, denn hier müsste sich das gleiche Bild wie bei einer semikonservativen Replikation ergeben. Schließlich würden die DNA-Moleküle jeweils zur Hälfte aus Bruchstücken mit schwerer und leichter DNA bestehen und insgesamt mittelschwere DNA-Moleküle hervorbringen.
Aber in den nachfolgenden Generationen kommt es zu Fallunterscheidungen. Einerseits müsste geklärt werden, ob immer die gleichen Bruchstücke entstehen oder ob das variabel wäre. Andererseits ist nicht klar, ob es eine gerade oder eine ungerade Anzahl von Bruchstücken gibt. Im ersten Fall ergäben sich für die Banden keine Konsequenzen, aber im anderen Fall gäbe es ja schon am Anfang einen Strang, in dem es ein Teilstück mit schwerer DNA mehr gibt. Dadurch könnte es bei der Zentrifugation zu kleinen Unterschieden kommen (was im Grunde dann auch schon für die F₁-Generation gelten müsste). Schließlich wäre auch noch zu klären, ob bei einer Replikation getrennte Bruchstücke später bei einer weiteren wieder zusammengefügt werden können oder nicht. Wenn die erstere Annahme möglich ist, dann könnte es sein, dass sich die schweren Teilstücke der ursprünglichen Mutter-DNA später in unterschiedlicher Häufung wieder in DNA-Molekülen anhäufen könnten. Auch das ergäbe unterschiedliche Banden, deren Höhe davon abhinge, wie groß der Anteil der schweren Bruchstücke in den jeweiligen DNA-Molekülen ist. Fazit: Für die Bestimmung der Bandenmuster ist entscheidend, wie in einer dispersen Replikation die DNA-Bruchstücke entstehen und später wieder zusammengefügt würden. Aus all dem geht hervor, dass für eine dispersive Replikation eine klare Angabe von Banden im Vorfeld nicht möglich ist, ohne dass man bestimmte Parameter festlegt. Also lege ich jetzt Parameter fest und unterscheide damit zwei Möglichkeiten:

1. Fall: Bei einer dispersiven Replikation entsteht eine gerade Anzahl von DNA-Bruchstücken und die Teilstücke können nach einer Trennung nicht wieder im gleichen Molekül zusammenkommen. Dann ergäben sich folgende Bandenmuster:
In der F₁-Generation würden ausschließlich halbschwere DNA-Moleküle entstehen, so dass es nur zu einer mittelschweren Bande nach einer Dichtegradientenzentrifugation käme (wie bei der semikonservativen Replikation). In der F₂-Generation ergäbe sich wieder nur eine Bande, die aber zwischen einer Bande für leichte und der für eine halbschwere DNA läge. Das käme daher, dass die halbschweren DNA-Stränge aus der F₁-Generation im zweiten Replikationsgang am Ende mit leichter DNA gepaart würden, was zu einer insgesamt viertelschweren DNA führte. In der F₃-Generation gäbe es schließlich zwei Banden, nämlich eine für viertelschwere und eine für leichte DNA.

2. Fall: Bei einer dispersiven Replikation entsteht eine gerade Anzahl von DNA-Bruchstücken, aber die Teilstücke können nach einer Trennung zufällig auch wieder im gleichen Molekül zusammenkommen. Dann ergäben sich folgende Bandenmuster:
In der F₁-Generation entstünde eine etwas diffuse Bande für halbschwere DNA, denn in ein paar Molekülen könnten beim Zusammensetzen zufällig etwas mehr Bruchstücke mit schwerer DNA gelandet sein als in anderen, so dass die Ränder der Bande nach oben und unten unscharf würden. In der F₂-Generation gäbe es eine unscharfe („verschmierte“) Bande mit viertelschwerer DNA, weil die schweren DNA-Bruchstücke in verschiedenster Konzentration in den DNA-Molekülen auftreten würden. Insgesamt gäbe es aber tendenziell eher leichte DNA-Moleküle. In der F3-Generation wäre das Bild ähnlich. Über den gesamten Bereich zwischen leichter und mittelschwerer DNA gäbe es eine große „verschmierte“ Bande mit deutlicher Tendenz zur leichten DNA.

Die Ergebnisse im Meselson-Stahl-Versuch zeigen eindeutig, dass die Replikation der DNA nach einem semikonservativen Muster abläuft. Ein Strang der ursprünglichen DNA bleibt jeweils vollständig erhalten, während der andere am jeweiligen Musterstrang neu synthetisiert wird, indem Nukleotide mit komplementär-passender Base angelagert und zusammengefügt werden.
Bereits nach der ersten Replikation kann man einen konservativen Verlauf ausschließen, denn es gibt nicht zwei, sondern nur eine Bande im Bereich von mittelschwerer DNA. Das Ergebnis wäre nun sowohl bei einer semikonservativen als auch bei einer dispersen Replikation (Fall1) zu erwarten. Nach der zweiten Replikation kann man dann allerdings auch die disperse (dispersive) Replikation ausschließen, denn einerseits weichen die hypothetischen Bandenmuster der dispersiven Replikation (welche auch immer stimmen mag) in jedem Fall von denen des Meselson-Stahl-Versuchs ab, aber vor allem stimmt das Ergebnis des Versuchs in jeder Einzelheit mit der Hypothese überein, wenn man einen semikonservativen Replikation zugrundelegt.

Alles klar?

LG von der Waterkant

Comments

[Slatti71]

oh hahahahahah vielen herzlichen dank ich mach mich schonmal ran ans lesen !

Answer 2

[Darwinist]

Ziel des Meselsen-Stahl-Experiments war es ja, herauszufinden, auf welche Weise die Vervielfältigung der DNA (Replikation) während der Zellteilung erfolgt. Denn da jede Tochterzelle dieselbe und v. a. die vollständige Erbinformation besitzen soll, muss die Mutterzelle ihre DNA vorher identisch verdoppeln. Dabei gäbe es im Prinzip drei Möglichkeiten:

• konservative Replikation: die doppelsträngige DNA der Mutterzelle wird vollständig auf eine Tochterzelle übertragen. Die DNA für die andere Tochterzelle wird vollständig neu als Doppelstrang synthetisiert.
• semikonservative Replikation: die doppelsträngige DNA wird in die Einzelstränge getrennt. Jeder Einzelstrang dient dann als Matritze für die Synthese eines neuen komplementären Strangs. Jeder Doppelstrang der Tochterzellen besteht also jeweils zur Hälfte aus einem "alten" und einem neuen Strang.
• disperse Replikation: das bedeutet "zerstreute" Replikation. Auch hier besteht die DNA der Tochterzelle zur Hälfte aus alter und zur Hälfte aus neuer DNA, aber diese sind nicht jeweils zu kompletten Einzelsträngen zusammengesetzt, sondern wechseln sich abschnittsweise als Bereiche in den Doppelsträngen ab.

Wie lief nun das Meselson-Stahl-Experiment ab? In der DNA befinden sich auch Stickstoffatome und zwar in den vier Nukleo-Basen (Adenin, Thymin, Guanin und Cytosin). Wie du vielleicht aus dem Chemie- und Physikunterricht weißt, gibt es von den Elementen verschiedene Isotope. Bei den Isotopen eines Elements ist jeweils die Anzahl der Protonen gleich aber die Anzahl der Neutronen ist verschieden, deshalb haben die verschiedenen Isotope unterschiedliche Massen. Es gibt den leichteren Stickstoff ¹⁴N (7 Protonen und 7 Neutronen) und den schwereren Stickstoff ¹⁵N (7 Protonen und 8 Neutronen). In der Natur kommt zum größten Teil (≈99.6 %) das ¹⁴N vor, deshalb ist in der DNA natürlicherweise (fast) nur das leichtere ¹⁴N verbaut.

1. Für ihr Experiment kultivierten Meselson und Stahl zunächst E. coli auf einem Nährmedium, das nur den schwereren ¹⁵N enthielt. Die Mutter-DNA bestand somit also nur aus schwerem ¹⁵N. Wenn man die DNA isoliert und zentrifugiert, lässt sich die DNA nach ihrer Masse auftrennen. Wenn man den ersten Ansatz zentrifugiert, erhält man erwartungsgemäß eine einzige Bande, denn die gesamte DNA enthält ja nur den schweren ¹⁵N (siehe dazu das Reagenzglas ganz links).
2. Dann überführten sie die Bakterien auf ein Nährmedium, das nur ¹⁴N enthielt. Das bedeutete, dass für die Synthese der Tochter-DNA nur der leichtere ¹⁴N zur Verfügung stand, womit die Tochter-DNA entsprechend leichter als die Mutter-DNA war. Der Ansatz wurde inkubiert und dann die DNA wieder zentrifugiert. Das Ergebnis der Zentrifugation war eine einzelne Bande, die leichter war als die des ersten Ansatzes. Damit konnten die Forscher schon einmal die konservative Replikation ausschließen. Denn wenn die Replikation konservativ erfolgen würde, müssten wir zwei Banden erwarten, eine schwerere und eine leichtere, da ja die DNA der einen Hälfte der Tochterzellen ausschließlich die schwere ¹⁵N-Mutter-DNA enthielte und die andere Hälfte der Tochterzellen nur die neu synthetistierte nur die leichte ¹⁴N-DNA. Dass nur eine Bande vorhanden war und dass diese leichter als die DNA aus dem ersten Reaktionsansatz war muss also bedeuten, dass die DNA der Tochterzellen zur Hälfte aus schwerer "alter" und zur Hälfte aus leichter "neuer" DNA bestand.
3. Nun wurden die Bakterien aus dem zweiten Ansatz erneut auf einem Medium mit ausschließlich ¹⁴N kultiviert und dann wurde abermals zentrifugiert, um zu überprüfen, ob die Replikation dispers oder semikonservativ erfolgt. Das Ergebnis waren zwei Banden, nämlich eine mittelschwere wie im Reaktionsansatz und eine leichtere. Was liegt nun vor, semikonservative oder disperse Replikation? Wir nehmen einmal an, dass die Replikation semikonservativ erfolgt. Dann besteht ja nach der ersten Inkubation auf dem ¹⁴N-Medium die Doppelstrang-DNA der Tochterzellen jeweils aus einem ¹⁵N-Strang und aus einem ¹⁴N-Strang. Bei der semikonservativen Replikation würde jeder der beiden Stränge wiederum als Vorlage für die Synthese eines komplementären Strangs dienen. Da in diesem dritten Ansatz wieder nur ¹⁴N zur Verfügung steht, würde der ¹⁵N-Strang als Matritze für einen komplementären ¹⁴N-Strang dienen, wir erhielten also einen Doppelstrang, der wieder zur Hälfte aus ¹⁴N und aus ¹⁵N besteht, also "mittelschwer" ist. Der ¹⁴N-Einzelstrang würde ebenfalls als Matritze dienen und es entstünde dann ein ¹⁴N/¹⁴N-Doppelstrang, wir müssten also zwei Banden erhalten und genau das war der Fall. Bei einer dispersen Replikation hingegen würde es wieder nur zur Bildung einer einzigen Bande kommen, was aber nicht der Fall war.

Du kannst dir das auch bildlich vorstellen, indem du dir einmal denkst, dass die beiden Farben in den Abb. zu den drei Hypothesen auf deinem Arbeitsblatt die unterschiedlich schweren N-Isotope darstellen, wobei violett die schwerere ¹⁵N-Mutter-DNA und blau die leichtere ¹⁴N-Tochter-DNA synthetisiert. Wie du sehen kannst, würdest du nach dem ersten Durchlauf bei der konservativen Replikation zwei Banden (eine blaue und eine violette) erwarten, bei semikonservativer und disperser nur eine Bande (jeweils blau und violett gemischt). Nach dem zweiten Durchlauf würdest du bei disperser Replikation wiederum nur Fragmente erhalten, die blau-violett gemischt und damit gleich schwer sind (nur mit dem Unterschied, dass sich bei allen der violette Anteil reduziert hat, die Bande müsste also zwischen "mittelschwer" und "leicht" liegen). Bei semikonservativer Replikation erhieltest du hingegen einmal zwei mittelschwere DNAs (zur Hälfte blau und violett) und zwei nur blaue, also insgesamt zwei unterschiedlich schwere Banden.

Woher ich das weiß: Studium / Ausbildung – Biologiestudium, Universität Leipzig