Biologie in der Oberstufe

DNA als Träger der Erbinformation

Beschreibe die historischen Versuche von GRIFFITH, AVERY und HERSHEY und formuliere deren Ergebnisse.

GRIFFITH

Griffith führte 1928 ein Experiment durch, das Aufschluss darüber gab, ob Erbinformation geistig oder stofflich übertragen wird. Er untersuchte zwei verschiedene Stämme der Streptococcus pneumoniae, Bakterien, die eine Lungenentzündung bewirken. Die S-Bakterien sind fähig, eine Kapsel zu bilden, die sie vor dem Immunsystem des Wirts schützte. Die R-Bakterien besitzen diese Eigenschaft nicht.

Er injizierte unterschiedliche Kombinationen dieser Stämme in Mäuse und untersuchte, ob sie starben.

Bei der Injektion lebender S-Bakterien starben die Mäuse. Bei der Injektion lebender R-Bakterien oder toter S-Baktieren blieben die Mäuse gesund.

Die entscheidende Idee von Griffith war dann, lebende R-Bakterien mit toten S-Bakterien zu kombinieren. Dies führte zum Tod einiger Mäuse.

Daraus schloss Griffith auf einen transformierenden Faktor, auf dem die Erbinformation liegt und der von den toten S-Baktieren an die lebenden R-Baktieren vererbt wurde, sodass sich aus diesen lebende S-Baktieren entwickelten, die fähig waren, eine Kapsel zu bilden und so zum Tod der Mäuse führten.

AVERY

Avery griff 1944 diesen Versuch auf und untersuchte, ob Proteine oder die DNA der Erbinfoträger waren. Die meisten Wissenschaftler glaubten damals es seien Proteine, da diese weitaus komplexer und variabler aufgebaut waren.

Er homogenisierte S-Bakterien, wobei er erst den Homogenatanteil, bestehend aus Proteinen der toten S-Bakterien, zu den R-Bakterien hinzugab, dann in ein anderes Gefäß den Homogenatanteil, bestehend aus DNA, zu den R-Bakterien gab.

Er wartete eine Zeit lang, bevor er die erste Portion in Mäuse injizierte. Mäuse, die mit der ersten Portion injiziert worden waren, überlebten, die mit dem Inhalt der zweiten starben. Daraus schloss Avery, dass überraschenderweise DNA der Erbinformationsträger ist.

HERSHEY CHASE

Auch Hershey und Chase widmeten sich dieser Frage, gingen jedoch anders vor. Sie experimentierten mit Bakteriophagen, also Viren, die auf Bakterien als Wirtszellen spezialisiert sind.

Viren vermehren sich so, dass sie an Bakterien andocken und ihr Erbgut in die Zelle abgeben. Diese wird dann so verändert, dass sie weitere Viren produziert.

DNA enthält große Mengen an Phosphor, Proteine große Mengen an Schwefel.

So füllten Hershey und Chase zwei verschiedene Gefäße mit Bakteriophagen und den passenden Bakterien, mit dem Unterschied, dass sie in Gefäß 1 den Schwefel radioaktiv markierten (also die Proteine), in Gefäß 2 das Phosphor (also die DNA).

Diese Markierung diente als Nachweismittel, um später farblich erkennen zu können, ob Proteine oder DNA in die Bakterien eingedrungen sind und somit vererbt wurden.

Nach einer kurzen Zeit (=Inkubationszeit), in der sich die Viren vermehren konnten, wurden die Substanzen durch Mischen voneinander getrennt. Dann fand eine Zentrifugation statt, um Baktieren und Viren räumlich voneinander zu trennen. Die schweren Baktieren lagen auf dem Boden und die leichteren Viren über ihnen.

In Gefäß 2 ist eine farbliche Markierung der Bakterien zu erkennen gewesen, in Gefäß 1 hatten nur die Viren eine farbliche Markierung.

Dadurch ist bewiesen worden, dass die DNA der Erbinformationsträger ist.

Beschreibe die Vermehrung von Viren, also den lytischen und lysogenen Zyklus.

Beschreibe den Aufbau der DNA, das heißt den Grundbauplan aus Nucleotiden, den Doppelstrang und den räumlichen Bau nach WATSON und CRICK. Stelle ihn in einer Skizze dar.

Die DNA ist eine Doppelhelix (=Tertiärstruktur der DNA), was bedeutet, dass sie aus zwei Strängen besteht, die wie eine Wendeltreppe umeinander gewunden sind, wobei 10 Basen eine Umwindung ergeben.

Die beiden Stränge verlaufen antiparallel, also parallel, aber gegenläufig. Dabei bezeichnet man das Ende des Stranges, an dem ein Phosphat hängt, als 5'-Ende, das, an dem die OH-Gruppe hängt und woran weitere Nucleotide gehängt werden können, als 3'-Ende.

Ein Nucleotid besteht aus einem Phosphatrest, einer Desoxyribose und einem organischen basischen Bestandteil. Als Nucleosid wird ein Nucleotid ohne Phosphatrest bezeichnet.

Diese oganischen Basen hängen am Zucker und sind entweder Purinbasen (haben zwei Ringe) oder Pyrimidinbasen (haben einen Ring), wobei sich gegenüber einer Purinbase immer eine Pyrimidinbase befindet, sodass die DNA-Doppelhelix nicht unterschiedlich breit ist und sich die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen gut ausbilden können (=Sekundärstruktur der DNA).

Adenin und Guanin sind Purinbasen, Thymin und Cytosin Pyrimidinbasen. Zwischen den Basen Adenin und Thymin bilden sich zwei WBB aus, zwischen den Basen Guanin und Cytosin drei WBB. Daraus ergibt sich die komplementäre Basenpaarung.

Das Watson-Crick-Modell hat mithilfe von Ergebnissen, die sich aus der Untersuchung mit Röntgenstrahlen ergeben haben, den Aufbau der DNA herausgefunden. Denn Röntgenstrahlen werden von Kristallen und Makromolekülen abgelenkt und erzeugen deshalb ein Muster, anhand dem man die Molekülabstände und dreidimensionale Molekülstruktur berechnen kann.

Laut der Chargaff-Regel (=Gesetzmäßigkeit über die quantitative DNA-Basenzusammensetzung) wusste man außerdem, dass Purinbasen so oft wie Pyrimidinbasen in Tieren und Menschen vorhanden waren und dass genannte komplementäre Basen immer in gleicher Anzahl vorhanden waren. (Also Adenin so häufig wie Thymin und Cytosin so häufig wie Guanin.)

Aus all diesen Informationen konnten Watson, Crick und Wilkins auf den Aufbau der DNA schließen.

Erläutere, wie die DNA in ihrem Bau den Anforderungen an eine Erbsubstanz gerecht wird.

Erläutere den Begriff Kondensation, die Verpackungsstrukturen der DNA und ihre Bedeutung.

Kondensation bedeutet in der Genetik den Grad der Verdichtung der DNA. Maximal verdichtet/kondensiert sind Chromosomen beispielsweise in der Metaphase der Mitose.

Chromatin ist ein DNA-Proteinkomplex, welches während dem Zellzyklus unterschiedliche Verpackungszustände durchläuft und in ihrer kompaktesten Form zu Metaphase-Chromosomen wird.

Grundstruktur bildet eine Fibrille, auf der Nucleosomen perlenschnurartig aufgereiht sind. Nucleosomen bestehen aus DNA und Histonen(=Proteine), wobei die DNA zwei Mal um einen kugelförmigen Proteinkern, bestehend aus 8 Histon-Untereinheiten, gewunden ist. An der Außenseite ist wiederum ein Histonmolekül angeheftet.

Wickelt man die Nucleosomenkette so zu einem Hohlzylinder auf, dass immer 6 Nucleosomen in einer Ebene liegen, entsteht eine Chromatinfibrille.

Vor der Zellteilung heften sich diese Chromatinfibrillen an ein Gerüst aus Nicht-Histon-Proteinen und bilden Schleifen. Wird weiter verdrillt und aufgefaltet, entsteht die Struktur des Metaphase-Chromosoms.

Je nach dem, wie das Chromatin verpackt ist, verfolgt es eine andere Aufgabe. Ist es wenig verkürzt, so befindet es sich in seiner Arbeitsform - die Proteinbiosynthese kann gut stattfinden.

Ist das Chromatin stark kondensiert, so befindet es sich in seiner Transportform. Die Zellteilung kann gut stattfinden, da es in der Transportform leichter ist, die gleichmäßige Verteilung der Erbinformation auf beide Tochterzellen zu garantieren.