LK Bio K12 Molekulargenetik
LK12BioB Liebe Kollegiatinnen und Kollegiaten,
ich hoffe, dass Ihr schöne Ferien hattet. Für das Neue Jahr 2007 wünsche ich Euch alles Gute. Der Unterricht findet über www.rmgwiki.de und die E-mail-Adresse LK12BioB@web.de statt. Ich hoffe, dass jeder das „Angebot“ annimmt und sich entsprechend aktiv beteiligt. Arbeitsblätter kündige ich per E-mail an – holt sie bitte dann im Sekretariat ab. Die Lösungen der Aufgaben bekommt Ihr per E-Mail. Schon im voraus danke ich Euch für Euer Engagement, Eure Mitarbeit und Euer Verständnis, wenn nicht alles gleich optimal klappt.
Der Text wurde mit einem Sprachprogramm erstellt, daher bewirken Kommunikationsprobleme Schreibfehler, die nicht immer zu vermeiden sind.
==Zeitplan LK 12 B@web.de/Molekulargenetik== Montag 8.1.07 2.1 Bakterien -/Virengenetik Wiederholung Mittwoch 10.1.07 2.2.1 DNS: Bau und Struktur/Watson-Crick Freitag 12.1. 07 2.2.2 Semikonservativer Replikationsmechanismus Mittwoch 17.1. 07 2.3.1 Proteine: Bedeutung Fr.+Mo. 19.+22.1. 07 Proteine: Bauprinzip + räumliche Struktur
Zunächst eine Wiederholung:
2 Molekulargenetik
2.1 Bakterien und Viren als genetische Forschungsobjekte
2.1.1 Transformation
Schlussfolgerungen aus den Experimenten von Griffith und Avery
Info: http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/13/bs13.htm http://www.scheffel.og.bw.schule.de/faecher/science/biologie/molekulargenetik/3parasex/parasex.htm http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/13/bs13.htm siehe Glossar !
Fragen vom "Problembaer":
- ) Welches erstaunliche Ergebnis konnte Griffith in seinem Versuch feststellen?
- ) Wie konnte Avery die Ursache der Transformation eindeutig belegen?
- ) Warum konnte A. ausschließen, dass die Transformation durch Proteine verursacht wird?
- ) Wie konnte Avery ausschließen, dass sich die verwendeten Bakterien durch Mutation zu pathogenen Erregern verändert hatten?
- ) Wie könnte man einen Impfschutz gegen pathogene Bakterien erreichen?
2.1.2 Konjugation
Einfache Darstellung des Gentransfers zwischen Bakterien;Aufzeigen der Bedeutung von Plasmiden für die Rekombination.
Siehe Arbeitsblatt Weitere Infos http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/13/bs13.htm
Fragen vom "Problembaer":
I )Vervollständige das Schaubild: welche Voraussetzungen müssen für eine Konjugation vorliegen? Schaubild - Vorlage siehe E-Mail
II )Nenne 2 Besonderheiten der HfR-Zellen.
III )Wann ist eine Rekombination durch eine HfR-Zelle möglich?
IV )Was versteht man unter Rekombination? 5)Die Bakterien-Mutante A kann die Aminosäuren 1 + 2 nicht selbst produzieren; die Bakterien-Mutante B kann die Aminosäuren 3 + 4 nicht selbst produzieren.Auf einem Minimal- nährboden (ohne Aminosäuren 1,2,3 und 4)können beide Stämme nicht wachsen. Werden die Stämme gemischt (A=HfR-Stamm; B=F- Stamm)tritt plötzlich Wachstum auf.
- a)Erkläre.
- b)Warum ist der Erfolg geringer, wenn man die vermischten Stämme oft schüttelt?
==== 2.1.3 Transduktion ==== Erläutern des Übertragungsprinzips von Bakterien-DNS durch Viren.
Infos:http://www.zum.de/Faecher/Materialien/beck/13/bs13.htm
Fragen vom "Problembaer":
I )Warum spricht man beim HIV-Virus vom lysogenen Vermehrungszyklus?
II )Was ist ein Prophage?
III )Definiere den Begriff Transduktion.
IV )Bakterien enthalten auf ihrem Chromosom die Gene A+ und B - .Es werden Phagen zugegeben; nach einiger Zeit wird die Lösung durch ein bakteriendichtes Filter gegeben: nur die Phagen können hindurch. Sie werden zu Bakterien gegeben, die die Gene A- und B + besitzen.
- a)Warum gibt es unter den verschiedenen Bakterien keine Mutanten mit A + B + ?
- b)Gelten bei diesem Versuch die Mendelschen Regeln ?
V )Warum ist die Transduktion wichtig? Verwende Fachbegriffe!
VI )Wo wird Transduktion - a)allgemeine T./ b)spezielleT. – angewendet?
VII )Vervollständige:
- Transformation: DNA .......................................................
- Transduktion: DNA .........................................................
- Konjugation: DNA .............................................................
VIII)Unser nächstes Kapitel ist die DNA als Informationsträger. Überlege Dir anhand eines technischen Informationsträgers (z.B. CD, DVD, Schallplatte) 5 verschiedene Eigenschaften, die ein Informationsträger haben sollte. Wir werden dann untersuchen, ob die DNA als Informationsträger taugt.
Hausaufgabe bitte bis Freitag:
Klett-Natura-Schulbuch S. 73 Aufgaben 1-7 bearbeiten.
2.2 Nukleinsäuren als Speicher der genetischen Information
Erläutern der Bausteine und des Bauprinzips mit Hilfe von Symbolen
2.2.1 Watson-Crick-Modell der DNS Hydrolyse von Nukleinsäuren und Nachweis ihrer Bestandteile; Unterschiede zur RNS.
Infos: Klett Natura S.66 + 67
Arbeitsblatt bitte im Sekretariat abholen
[1]
[2]
[3]
===== a)Eigenschaften eines Info-Trägers ===== (z.B. DNS ,CD ,DVD ,Schallplatte u.s.w.)
Info liegt codiert /verschlüsselt vor
- „Einzelteile“ variabel kombinierbar / leicht veränderbar
- Vielfalt an Infos speicherbar
- Stabile Speicherung
- Reparatur möglich
- Umfangreiche Infosammlung, aber dennoch handlich
- Recycelbar
- Leicht herzustellen / „gängiges“ Material
- Infos sind nach Plan / Bedarf beliebig abrufbar
- Infos „steuern“ ein Gerät
...wir werden diese Eigenschaften am Ende des Kapitels für die DNS hinterfragen.
b)Nukleinsäuren als Speicher der genetischen Information
Da man nur wenige Kenntnisse über Nukleinsäuren besaß, dauerte es sehr lange, bis klar war, dass nicht die Proteine in ihrer immensen Vielfalt die genet. Info speichern, sondern die NS. Der Beweis durch Avery ist deshalb bedeutsam ¡ siehe 2.1.1
c)Qualitative und quantitative Analyse der Nukleinsäure(durch Hydrolyse)
Hydrolyse: kochen mit verd, Schwefelsäure = total = qualitative Analyse
oder mit Enzymen (z.B. DNAse) schrittweise = quantitative Analyse der versch. Nukleotide.
1869: Nukleinsäure entdeckt ; enthält N +P
1874: Mischer führt qualitative Analyse durch : C, O, N, H, P.
Zucker (Desoxiribose) und Phosphat immer 1:1 d.h.regelmäßiger Bau
1900: 4 organische Basen entdeckt Purinbasen A denin und G uanin
Pyridinbasen C ytosin und T hymin
A-Menge = T-Menge und G-Menge = C-Menge
Merke: eckig zu eckig und rund zu rund.
Nachweis der Bausteine = Nukleotide aus Zucker+Phosphatrest+Base
Frage vom Problembaer:
- Arbeitsblatt Frage 1
- Hershey und Chase untersuchten, wie Phagen Bakterien infizieren können. Warum arbeiteten sie mit radioaktiv markiertem P ?
d)Bestandteile:
C5-Zucker=Desoxiribose; 3 Bindungen über Sauerstoffbrücken möglich an C1,C3,C5.
Kondensation: 2 OH-Gruppen bilden Bdg. unter Abspaltung von Wasser
Wegen der hohen EN(=Elektronegativität von O) polare Bindung + gut wasserlöslich.
Phosphorsäure: sauer wegen Dissoziation, hydrohpil wegen –OH ;mit C3 und C5 des Zuckers
ist jeweils eine Esterbindung möglich
Organische Basen: Purin haben 2 Ringe, sind größer Basen haben flache Struktur
N-glykosidische Bdg. Am C1 des Zuckers möglich. Esterbindung ; H2O wird
Frei.
Nukleosid : Base + Zucker
Nukleotid : Base + Zucker + Phosphatgruppe
Polynukleotide : Zucker-Phosphat-Kette ; am Zucker sitzt eine Base
3´Ende hat freie OH-Gruppe / 5´Ende hat freie Phosphatgruppe : das heißt,
dass der Einzelstrang eine Richtung besitzt.
3C----P-----5C bildet das “Rückgrat” der Nukleinsäure.
e)Struktur:
Zunächst versuchte man die Struktur durch Röntgenbeugung aufzuklären.
Zitat: ..das ist so,als ob jemand im Liegestuhl sitz und ein Buch liest und wir aus dem Schatten an
der Wand schließen wollen, was er gerade tut und wie er aussieht.
Ergebnis: Bei der DNS muß es sich um ein geometrisches Molekül handeln; pro
Windung – 10 Basenpaare. Dicke 2 nm. Zunächst tippte man auf eine Alpha-Helix-Struktur
wie man sie bei Proteinen entdeckt hatte.
Watson und Crick gelang 1953 die Entdeckung der Doppelhelix, weil:
-Immer eine große Purin. und eine kleine Pyrimidinbase miteinander verbunden sind
-außen die Hydrophile=wasserliebende Zucker-Phosphatkette liegt (Basen innen sind
hydrophob=wasserabstoßend—die DNS müsste dann wasserunlöslich sein!!
-die Stränge um ½ Windung versetzt sind vergl. Wendeltreppe.
-die Einzelstränge sind entgegengesetzt gerichtet = antiparallel 3´-5´und 5´-3´nebeneinander.
-A und T sind durch 2Wasserstoffbrücken; C und G durch 3 Wasserstoffbrückenbdg. Ver-
bunden. Komplementäre Basenpaarung ( eckig zu eckig)
-In Längsrichtung ist die DNS durch Wasserstoffbrücken stabilisiert.
Primärstruktur der DNS : Basenfolge
Sekundärstruktur der DNS : Doppelhelix
Tertiärstruktur der DNS : räumliche Struktur
Quartärstruktur der DNS : Chromatide
Frage vom Problembaer:
- Bei 80 bis 90°C „schmilzt“ die DNS , d.h. die Doppelhelix trennt sich durch die Wärme-bewegung
in die 2 Einzelstränge auf. Warum weist ein niedriger Schmelzpunkt darauf hin, dass die DNS besonders viel A/T enthält ?
- Arbeitsblatt Frage 3
- Arbeitsblatt Frage 4
f) Unterschied RNS
*kürzer
*meist einsträngig, aber auch Kleeblattform oder Schlaufen ( hier doppelsträngig).
*Zucker : Ribose an C2 OH statt H
*Statt A=T A=U U racil
*Vorkommen: im Zellkern, in Mitochondrien und Ribosomen.
*Arten : rRNA =Baustoff der Ribosomen (=Eiweißfabriken)
mRNA = Bote zwischen DNA und Ribosom bei der Proteinbiosynthese
tRNA = Sie transportiert die richtige Aminosäure zum Ribosom
Fragen vom Problembaer:
- Arbeitsblatt Frage 2
- Der Reovirus enthält 22,0 % G 22,0 % C 28,0 % A und 0,0 % T .Erkläre!
Infos : Klett-Buch Natura S.74
[4] [5]
2.2.2 Semikonservativer Replikationsmechanismus
(Vorstellen des Experiments von Meselson und Stahl;Bedeutung der komplementären Basenpaarung).
Zellteilung ist nur möglich, wenn die DNS identisch verdoppelt wurde !
Replikation in der Interphase/S - Phase.
1. Meselson / Stahl
Info: [6]
Beweis für semikonservative Replikation : der Einzelstrang dient als Matritze für neu- gebildeten komplementären Strang. Versuch mit 15 N-Isotop: dies wird in die DNA eingebaut. (N-atome sind schwerer!) Wechseln des Mediums: 14 N-Isotop. Jetzt wird leichter DNA synthetisiert. Ergebnis der Dichtegradienten-Zentrifugation: nach einer Generation: schwere + halbschwere DNA nach zwei Generationen: halbschwere + leichte DNA (keine schwere DNA mehr!)
2. Akteure und ihre Fähigkeiten
Startstelle - hier beginnt die Replikation
DNA-Polymerase (= Enzymkomplex) `
- kopiert die DNA
- kann Nukleotide nur in 5`-3 Richtung verknüpfen
- ist röhrenförmig gebaut
- braucht DNA als Matritze
- braucht Startermolekül = Primer ; entfernt ihn später
- arbeitet „komplementär“ : A T bzw. C G
Nukleotide
- liegen als Phosphate vor (= energiereich); beim Abspalten der Phosphate wird Energie frei
Proteine
- bilden Wasserstoffbrücken zu den Einzelsträngen aus, damit diese nicht wieder von selbst
zusammengehen
Helicase (Enzym)
- trennt den DNA Doppelstrang / Replikationsgabel entsteht.
Primase = RNS-Polymerase
- synthetisiert kurze RNS=Primer. Dort können die DNS-Nukleotide angeheftet werden.
Ligase (Enzym)
- DNS Stücke werden verbunden
3. Ablauf
Info Siehe Arbeitsblatt
[7] [8] [9]
Am 3´5´Strang erfolgt kontinuierliche Replikation am andern. Diskontinuierliche = stückweise Replikation (= Okazaki- Stücke) Dabei tritt ein Problem auf: wie eine Schnur muss die DNS entdrillt werden. Die Auftrennung erfolgt an vielen Stellen, d.h. viele Replikationsgabel entstehen . Sonst wären die Rotationskräfte viel zu groß.
4. Bedeutung
#Zellteilung wäre ohne Replikation nicht möglich
#bei der Replikation werden Fehler sofort repariert
#die Zahl der Zellteilungen ist vorgegeben , damit das Lebensalter : durch die Replikation wird das Chromosom
jeweils etwas kürzer, daher können Chromosomen nicht beliebig oft repliziert werden.
#Bei der Bekämpfung von Krebszellen werden Medikamente eingesetzt, die die Replikation .
verhindern
Hausaufgabe S. 75 Klett-Natura bitte bis Mittwoch
2.3Molekularer Wirkungsweise der Gene
2.3.1 Bauprinzip und Bedeutung der Proteine
(modellhafte Darstellung von Aminosäuresequenz und räumlicher Struktur)
a)Bedeutung
griechisch: protos = zuerst ,d.h. Proteine sind für Lebewesen besonders wichtig und
Sie erfüllen vielfältige Aufgaben
als Baumaterial/Strukturprotein: Hornsubstanz, Knorpelsubstanz, Cytoskelett
weil sie eine charakteristische räumliche Struktur besitzen
als Reservestoffe in Ei, Soja, Hülsenfrüchten
weil sie ziemlich energiereich sind
als Transport-/Wirkstoffe: für Stoffwechsel, Kommunikation und Regulation
Hämoglobin, Enzyme, Hormone, Antikörper
weil sie anderer Stoffe reversibel binden können
Früher dachte man, dass die Lebensvorgänge entscheidend von den Genen beeinflusst werden. Seit der Entdeckung
von BSE und Alzheimer weiß man, dass Proteine entscheidenden Anteil am Funktionieren von Lebensvorgängen haben.
Vergleiche: du skizzierst dein Traumhaus und gibst die Skizze den Handwerkern ohne sie zu überwachen. Wenn das
Haus fertig ist, wird es kaum mit der Skizze übereinstimmen. Die Proteomik untersucht welche Rolle Proteine
in der Zelle oder im Organismus spielen..
Infos:
[10]
[11]
[12]
[13] bis S.35/5
Bitte Arbeitsblatt zum Thema Proteine im Sekretariat abholen
Wiederholung: Bedeutung der Proteine Info[14] Lösung: [15]
b) Aminosäuren =AS
Info: Klettbuch Natura
[16] [17]
es gibt 20 verschiedene Aminosäuren, 8 - 10 sind essentielle: Sie müssen aus der Nahrung
aufgenommen werden (z.B. Phenylalanin siehe PKU). In der Natur kommt nur die L-Form vor.
I)Struktur einer Aminosäure:
das zentrale C - Atom kann vier Bindungen ausbilden (= alpha C-atom)
*Aminogruppe -NH2
*Carboxygruppe -COOH
*Wasserstoffatom
*variabler Rest -R
II)daraus resultierende Eigenschaften:
*R kann unpolar, polar oder elektrisch geladen sein (sauer/basisch)
*aus der AS kann ein dipolares Zwitterion entstehen, das im elektrischen Feld wandert
(Gelelektrophorese) ; ab pH 7,4 gibt die –COOH Gruppe ein Proton ab, die
-NH2 Gruppe nimmt ein Proton auf: es entstehen Kation / Anion
*da C vier verschiedene Substituente besitzt, ist das Molekül assymmetrisch : es gibt
eine D- und eine L- form (vergleiche Bild für Spiegelbild/Handschuhe)
III) Peptidbindung:
2 AS können durch eine Kondensation unter Wasserabspaltung ein Dipeptid bilden. Die Peptidbindung ist eben gebaut ......... - CO – NH - ....... Die C – N Bindung ist jetzt nicht mehr frei drehbar. Chemisch entsteht eine Säureamid, da die –NH2 Gruppe die -OH Gruppe ersetzt. (Gegensatz der Kondensation ist die Hydrolyse). Mit weiteren AS können Polypeptide (ab 10 AS ) entstehen. Protein = Polypeptid mit einer bestimmten Aufgabe.
c) räumliche Struktur (Konformation)
Info [18]
I)Primärstruktur
· Reihenfolge der AS ; linear
· Siehe: genetische Information / ungeheure Vielfalt, da 20 AS frei kombinierbar sind
· Da R der Aminosäuren verschieden sind, folgt aus der Reihenfolge der AS die räumliche
Struktur des Proteins(siehe Folgen von Gen- Mutationen)
II)Sekundärstruktur
· räumliche Anordnung der Polypeptidketten:
Alpha-Helix oder Faltblatt, meist ungeordnet oder in schleifen
· Ursache: Wasserstoffbrückenbindungen die sich zwischen den freien
Ketogruppen (-C=O) und den freien Aminogruppen ( -N-H ) bilden
können.
· Alpha Helix: schraubenförmig, z.B. Haare, Wolle sind dehnbar + elastisch
· Faltblatt: in Zickzack Form; stärkere Ebenen z.B. Seide, Spinnfäden sind fest
etwas elastisch, aber wenig dehnbar
III)Tertiärstruktur
· übergeordnete Raumstruktur = miteinander verwundene Sekundärstrukturen
· Ursache: Disulfidbrücken -S – S –
· Ionen Bindung
· Wasserstoffbrückenbindungen
· Hydrophobe Wechselwirkungen (Wasser abstoßend)
Durch veränderten pH - Wert, durch Hitze und bei Zugabe von Schwermetallen
können sich die Bindungen verändern: das Protein denaturiert
IV)Quartärstruktur
· Zusammenhalt mehrerer Polypeptid-Ketten (meist globulär = Kugelförmig)
· Protein-symbiosen: Enzymkomplexe, Ribosomen, Proteinfasern, Hämoglobin
V)Fehlfaltung
Nach der Bildung der ganzen Proteinkette waltet sich das Eiweißmoleküle selbstständig.
Tritt hier eine Störung auf, so für Klumpen sich die Proteine. Solche Ablagerungen bilden
sich zum Beispiel bei Alzheimer oder Parkinson.
„ Molekulare Anstandsdamen = Chaperone " haben die Aufgabe, Verklumpungen zu verhindern.
Info:[19]
