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<span style="color:#F00">'''Seite noch im Aufbau!'''</span>
 
<span style="color:#F00">'''Seite noch im Aufbau!'''</span>
  
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<div style="margin:0;  margin-right:8px; border:0px solid #dfdfdf; padding: 0em 1em 1em 1em; background-color:#DFF; align:left;">
<span style="color:#060">'''Einstieg/Wiederholung'''</span><br>
+
<span style="color:#006">'''Aufgabe'''</span><br>
Zur Erinnerung: Das langfristige Ziel dieser Einheit ist es, zu klären, wie ein Stück DNS die Ausprägung eines Merkmals (also z.B. eure Haarfarbe) beeinflussen kann.<br>
+
Zunächst eine Aufgabe, die mit dem letzten Thema "Mutationen" zusammenhängt: <br>
In der letzten Einheit habt ihr den Aufbau der DNS kennengelernt. Bevor wir uns anschauen, wie dieser Aufbau nun ein sichtbares Merkmal beeinflussen kann, zunächst ein Zwischenschritt: <br>
+
* Ein Mutationstyp wurde im Unterricht nicht besprochen: Die so genannte '''Rastermutation'''.
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* Bei einer Rastermutation wir eine Base (bzw. mehrere) zusätzlich in die DNA eingefügt (= '''Insertion''') oder eine Base (bzw. mehrere) entfernt (= '''Deletion''').
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* Dadurch wird ab diesem Punkt das gesamte '''Leseraster''' der DNA verschoben. Es kommt zur Bildung völlig anderer AS-Ketten, die so gut wie nie die Funktion des ursprünglichen Proteins erfüllen können.
 +
* s. auch Buch: S. 76 letzter Absatz - S. 77 erster Absatz
 +
* ein Beispiel für einen chemischen Stoff, der in der Lage ist, eine Rastermutation zu verursachen, wäre z.B. [https://de.wikipedia.org/wiki/Ethidiumbromid Ethidiumbromid]
 
<br>
 
<br>
Euer aktueller Körper, in dem ihr steckt, besteht aus ca. 100 000 000 000 000 Zellen. Entstanden seid ihr aber alle zunächst aus einer einzigen befruchteten Eizelle. Das Erbgut in dieser befruchteten Eizelle musste sehr oft vervielfältigt werden, damit alle Zellen eures heutigen Körpers exakt das gleiche Erbgut enthalten und eine Einheit bilden. Ihr kennt den Prozess schon, der hierbei eine entscheidende Rolle spielt: '''Die Mitose'''. <br>
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Eine Beispielaufgabe:
 
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* Betrachte den folgenden DNA-Strang. Zunächst nur den mit schwarz dargestellten Normalfall: <br>
Sucht das Arbeitsblatt zum Thema '''Mitose''' heraus (auch im Buch wäre eine Abbildung)! Analysiert die einzelnen Schritte noch einmal und formuliert dann '''einen Satz''', der die relativ simple Frage beantwortet:
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[[Datei:GenMut_Raster_AA.jpg|800px]]
 
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* Leite den entsprechenden mRNA-Strang ab und übersetze diesen in eine AS-Kette (Code-Sonne auf S. 68 im Buch)
* Was passiert in der Meiose (weniger auf den Mechanismus eingehen, sondern auf das Ergebnis)?
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{{versteckt|
Die Meiose ist ein Abschnitt während der Zellteilung, bei der das Erbgut eines Zellkerns in zwei gleich große Portionen aufgeteilt wird, die jeweils in den beiden entstehenden Tochterzellen landen. <br>
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[[Datei:GenMut_Raster_ML_T1.jpg|800px]] <br>
An dem oben stehenden Satz erkennt man, dass folgende Aspekte berücksichtigt wurden (überprüft, ob euch das klar ist!):
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Typische Fehler:
* Die Meiose ist nur ein Abschnitt der Zellteilung
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* falschen Strang abgelesen
* Bei der Meiose wird das Erbgut im Zellkern halbiert
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* Translation nicht bei AUG begonnen
* Die Tochterzellen enthalten nach der Meiose zunächst nur die Hälfte des ursprünglichen Erbguts.
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<div style="margin:0;  margin-right:8px; border:0px solid #dfdfdf; padding: 0em 1em 1em 1em; background-color:#DFF; align:left;">
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* Füge nun - wie in rot dargestellt - an der gekennzeichneten Position das Nukleotid mit der Base Adenin ein und führe erneute eine Transkription und Translation durch!
'''Vorüberlegungen 1'''<br>
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Die Tochterzellen einer Zelle, die sich soeben geteilt hat, besitzen also nur die Hälfte des "normalen" Erbguts. Die folgende Abbildung verdeutlicht die Situation noch einmal an einem Chromosom. Macht euch anhand dieser Abbildung noch einmal klar: Aus wie vielen DNS-Fäden besteht das Erbgut eines Menschen? <u>Ohne</u> '''numerische Chromosomenaberration'''! (was war das noch mal?) <br>
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[[Datei:Repli_Vgl_Chromo_DNS.jpg|800px]]
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<div style="border: 1px solid #FF0000; padding:7px;">
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{{versteckt|
 
{{versteckt|
* Numerische Chromosomenaberration: Abweichung von der "normalen Anzahl" an Chromosomen. Bsp.: Trisomie-21, Turner-Syndrom, Klinefelter-Syndrom
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[[Datei:GenMut_Raster_ML_T2.jpg|800px]] <br>
* Normalerweise: '''23 Chromosomenpaare''' entspricht '''46 einzelnen Chromosomen''' entspricht '''92 Chromatiden'''. Ein Chromatid entspricht einem DNS-Faden, also besteht das Erbgut eines Menschen normalerweise aus '''92 DNS-Fäden'''.
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* Beschreibe (am besten schriftlich, damit Du das Formulieren übst) welche Konsequenzen diese Mutation für das Lebewesen hat!
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<div style="margin:0;  margin-right:8px; border:0px solid #dfdfdf; padding: 0em 1em 1em 1em; background-color:#DFF; align:left;">
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'''Vorüberlegungen 2'''<br>
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Damit sich eine Tochterzelle erneut teilen kann, muss das "halbe Erbgut" zunächst wieder verdoppelt werden. Dieser Prozess nennt sich '''Replikation'''. Die Forscher, die maßgeblich an der Entschlüsselung dieses Prozesses mitgewirkt haben, waren Matthew Meselson und das Ehepaar Mary und Frank Stahl (müssten alle noch leben). Das Meselson-Stahl-Experiment soll hier nachempfunden werden.<br>
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Rein theoretisch gibt es drei verschiedene Möglichkeiten wie ein DNS-Faden repliziert (verdoppelt) werden kann:
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* konservativ: Könnte man mit einem Kopierer vergleichen. Es gibt ein Orginal, das unverändert bleibt und ein Duplikat, das aus neuen Bausteinen zusammengebastelt wird.
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* semikonservativ: Bei der DNS sind die beiden Einzelsträng komplementär. Das bedeutet, wenn ich den einen Einzelstrang kenne, kann ich den fehlenden einfach erzeugen. Das ermöglich eine semikonservative Replikation: Die doppelsträngige DNS wird in ihre zwei Einzelstränge getrennt, und es wird jeweils ein neuer ergänzt.
+
* dispers: Das könnte man wohl am ehesten mit... "irgendwie" oder "durcheinander" übersetzen. Gemeint ist: Das Original wird zerstückelt und mit neuen Bausteinen zu zwei Abbildungen des Originals wieder zusammengesetzt. Dafür gibt es in unserer Lebensumwelt kein vernünftiges Beispiel.
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Die folgenden Abbildungen zeigen einen grafischen Überblick über diese drei Varianten: <br>
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[[Datei:Repli_Mechanismen_denkbareVarianten.jpg|800px]]<br>
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[[Datei:Repli_Mechanismen_denkbareVarianten_einfach.jpg|800px]]<br>
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Das Problem an dieser Darstellung: Auf den Bildern könnt ihr aufgrund von Farben sehr schön sehen, welcher Teil der DNS alt ist und welcher neu. In der Realität geht das nicht! Erstens gibt es überhaupt kein Mikroskop, mit dem man einen DNS-Strang überhaupt sehen könnte und selbst wenn, wüsste man nicht, was an einem DNS-Strang alt und was neu ist... <br>
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Wir haben schon oft über solche Phänomene gesprochen: Man braucht ein Experiment, mit dem man etwas sichtbar machen kann, was eigentlich nicht sichtbar ist. Und genau hier kommt das Experiment von Meselson und Stahl ins Spiel. Sie machten sich folgenden Effekt zu Nutze: Isoliert man DNS aus Bakterien, kann man sie in einem Reagenzglas auf eine Salz-Lösung auftragen und den Ansatz stark zentrifugieren. Je nachdem, wie "schwer" (das ist nicht ganz korrekt, aber ich bleibe mal bei diesem Begriff) die DNS ist, wird sie beim Zentrifugieren durch die Zentrifugalkraft im Reagenzglas weiter nach unten gedrückt (oder gezogen, wie ihr wollt).<br>
+
[[Datei:Repli_MeselsonStahl_VDesign.jpg|800px]]<br>
+
Wenn man das Experiment mehrfach wiederholt, kommt logischerweise immer das gleiche Ergebnis heraus: Die isolierte DNS wandert immer die gleiche Strecke im Reagenzglas nach unten. Meselson und Stahl haben nun aber einen Weg gefunden, die DNS in den Bakterien zu manipulieren. Sie konnten sie '''schwerer''' machen als normal: Sie ließen die Bakterien auf einem Medium wachsen und sich vermehren, welches '''schwere Stickstoff-Atome''' enthielt (man symbolisiert schweren Stickstoff mit <sup>15</sup>N). Auch die DNS enthält Stickstoff-Atome. Normalerweise leichten Stickstoff (<sup>14</sup>N), weil nur der in der Natur in großen Mengen vorkommt. Nachdem den Bakterien im Versuch aber nur '''schwerer Sticktstoff''' <sup>15</sup>N zur Verfügung stand, mussten sie diesen zum Aufbau ihrer DNS heranziehen. Lässt man die Bakterien lange genug in diesem <sup>15</sup>N-Medium wachsen, enthalten sie nach einiger Zeit nur noch '''"schwere DNS"'''. Zentrifugiert man nun die DNS von diesen Bakterien, stellt man tatsächlich fest, dass diese DNS etwas weiter nach unten gedrückt/gezogen wird als die '''leichte DNS''' der ursprünglichen Bakterien.<br>
+
[[Datei:Repli_MeselsonStahl_U_N14_N15.jpg|800px]]<br>
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Was bringt das jetzt?<br>
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Noch gar nichts! Man kann erstmal nur unterscheiden, ob die DNS schwer oder leicht ist. Aber der Versuch war noch nicht zu Ende. Meselson und Stahl überführten nun Bakterien, die ihr Leben lang auf Medium mit schwerem Stickstoff <sup>15</sup>N gewachsen waren, auf ein neues Medium, das nur leichten Stickstoff <sup>14</sup>N enthielt. Dort durften die Bakterien genau so lange bleiben, bis sie sich '''einmal geteilt''' hatten, das Erbgut also genau '''einmal verdoppelt''' worden war.<br> Anschließend wurde die DNS wieder isoliert und zentrifugiert.<br>
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Welches Ergebnis sollte man erhalten, bei:
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* einer konservativen,
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* einer semikonservativen und
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* einer dispersen
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Replikation?
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* konservativ: Es sollte eine Bande mit schwerer und eine Bande mit leichter DNS auftauchen. Nachdem beim konservativen Mechanismus die alte (schwere) DNS erhalten bleiben würde und eine neue (leichte) DNS erzeugt werden würde, müsste man diese beiden Banden finden.
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Das entstehende Protein besteht aus völlig anderen Aminosäuren. Die 3dimensionale Raumstruktur wird sich völlig ändern. Da ein wichtiger Zusammenhang zwischen dieser Struktur und der Funktion einen Proteins besteht, ist das Produkt dieser Proteinbiosynthese höchstwahrscheinlich komplett funktionslos. Handelt es sich z.B. um ein Enzym, sind schwerwiegende Stoffwechselstörungen im Organismus zu erwarten.
* semikonservativ: Es sollte nur eine Bande auftauchen; und zwar zwischen der Stelle, an der normalerweise die schwere DNS auftauchen würde und der der Stelle, an der normalerweise die leichte DNS auftauchen würde. Beim semikonservativen Mechanismus wird die alte (schwere) DNS in der Mitte geteilt und jeweils eine Hälfte durch neue Bausteine ergänzt. Das bedeutet, '''alle''' DNS-Stränge sind gleich (halb schwer, halb leicht, also: mittelschwer).
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* dispers: Nachdem hier alle möglichen Varianten denkbar sind, sollten viele verschiedene DNS-Varianten auftauchen. Es sollte also keine klare Bande entstehen, sondern eher ein verschwommener Fleck
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Das tatsächliche Ergebnis seht ihr hier:<br>
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[[Datei:Repli_MeselsonStahl_VErgebnis.jpg|800px]]<br>
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Welcher Replikationsmechanismus liegt also vor?
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<span style="color:#060">'''Neu: Gentechnische Werkzeuge und Verfahren - Überblick'''</span><br>
Der semikonservative
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'''Ziel''': Der Mensch ist inzwischen in der Lage, das Erbgut von Lebewesen gezielt zu verändern. Damit kann man z.B.
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* die Eigenschaften von Pflanzen verändern,
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* Bakterien und Hefen dazu veranlassen, Stoffe in großen Mengen herzustellen, die der Mensch dann isolieren und weiterverwenden kann,
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* genetische "Defekte" zu "reparieren".
 
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Es gibt einen inzwischen etwas in die Jahre gekommenen "Selbstlernkurs", den ich die Schülerinnen und Schüler meiner Bio-Oberstufenkurse als Einleitung zur Thematik im Computerraum immer alleine bearbeiten habe lassen. Das klappte eigentlich immer ganz gut. Der Kurs wurde von einem Herrn Mallig in Freiburg entwickelt.
<div style="margin:0;  margin-right:8px; border:0px solid #dfdfdf; padding: 0em 1em 1em 1em; background-color:#DFF; align:left;">
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* Für diesen Selbstlernkurs solltet ihr euch ca. 30-45 Minuten Zeit nehmen.
'''Wie funktioniert´s?'''<br>
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* Evtl. ist es für den/die eine/n oder andere/n für euch besser '''vor dem Selbstlernkurs''' die '''Seiten im Buch''' zu lesen und einen '''kurzen Film''' zu schauen. Springt dazu zunächst zum nächsten Kasten "Weiteres Material".
Schaut das Video, welches zeigt, wie die Replikation auf molekularer Ebene abläuft! Beantwortet während des Videos bzw. danach folgende Fragen: <br>
+
* Der folgende Link führt euch zur Startseite [http://www.mallig.eduvinet.de/bio/gentecnk/gentek10.htm Selbstlernkurs-Start]
* Was macht die Helicase?
+
: Dort wird noch mal erklärt, was ein Selbstlernkurs ist und man steigt in die Thematik "Gentechnik" ein.
* Wie heißt das Enzym, das aus RNA-Stückchen einen kleinen Primer formt?
+
: Ihr kommt immer zur nächsten Seite mit einem recht unscheinbaren '''Link unten rechts''' auf jeder Seite "zur nächsten Seite".
* Warum kann der "leading-strand" (Vorwärts-Strang) in einem Stück ergänzt werden, der "lagging-strand" (Rückwärts-Strang) nicht?
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: Zurück kommt ihr am besten mit den "Back"-Buttons eures Browsers
* Was ist ein Okazaki-Fragment?
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* Solltet ihr euch im Netz des Selbstlernkurses verlieren, könnt ihr auch immer wieder auf der folgenden Seite einsteigen: [http://www.mallig.eduvinet.de/bio/gentecnk/gentek12.htm Selbstlernkurs-Übersicht]
* Was macht die Ligase?
+
: Denn hier sind genau die Begriffe aufgeführt, die ihr beherrschen sollt!
{{#ev:youtube |TNKWgcFPHqw}}<br>
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: Ihr sollt erklären können:
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:: Was "können" '''Restriktionsenzyme'''?
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:: Was "können" '''Ligasen'''?
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:: Was sind '''Vektoren'''?
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:: Was bedeutet '''Klonierung'''?
 +
:: Wie funktioniert die '''PCR (Polymerase-Chain-Reaction)'''?
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:: Was ist '''cDNA'''?
 
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<div style="margin:0;  margin-right:8px; border:0px solid #dfdfdf; padding: 0em 1em 1em 1em; background-color:#DFC; align:left;">
{{versteckt|
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<span style="color:#060">'''Weiteres Material'''</span><br>
* Sie entdrillt die DNS-Doppelhelix und trennt die beiden Einzelstränge voneinander.
+
'''Film''' auf BRalpha, ca. 15min.: Gesamtüberblick "Was kann Gen-Technik"
* Primase
+
{{#ev:youtube |jc_iY5fnGLg}}<br>
* Weil die Polymerase nur in eine Richtung arbeiten kann (am neu entstehenden Strang die Nukleotide von 5´ nach 3´ verknüpfen), auf dem Vorwärtsstrang kann die Polymerase daher der Helicase "hinterher" laufen, auf dem Rückwärtsstrang muss gewartet werden, bis ein neuer Primer erstellt wurde, erst dann kann die Polymerase "von der der Helicase weg" arbeiten.
+
 
* Die noch nicht miteinander verknüpften doppelsträngigen Abschnitte auf dem Rückwärtsstrang
+
* Buch, S. 112-113 (Restriktionsenzyme, Ligasen, Marker)
* Sie schließt die Lücke im Zucker-Phosphat-Gerüst der neu synthetisierten Einzelstränge.
+
* Buch, S. 114-115 (Vektoren)
}}
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* Buch, S. 118-119 (PCR)
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<span style="color:#060">'''Hausaufgabe'''</span><br>
 
Lesen: Buch, S. 63 - 65 (ohne den blauen Zettelkasten)<br>
 
Aufgabe: Beschreibe das sichtbare Ergebnis, wenn man die Bakterien im Versuch von Meselson und Stahl nicht einen Teilungszyklus lang, sondern zwei Teilungszyklen lang auf Medium mit leichtem Stickstoff wachsen lässt!
 
 
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Aktuelle Version vom 19. Juni 2020, 20:37 Uhr

Seite noch im Aufbau!

Aufgabe
Zunächst eine Aufgabe, die mit dem letzten Thema "Mutationen" zusammenhängt:

  • Ein Mutationstyp wurde im Unterricht nicht besprochen: Die so genannte Rastermutation.
  • Bei einer Rastermutation wir eine Base (bzw. mehrere) zusätzlich in die DNA eingefügt (= Insertion) oder eine Base (bzw. mehrere) entfernt (= Deletion).
  • Dadurch wird ab diesem Punkt das gesamte Leseraster der DNA verschoben. Es kommt zur Bildung völlig anderer AS-Ketten, die so gut wie nie die Funktion des ursprünglichen Proteins erfüllen können.
  • s. auch Buch: S. 76 letzter Absatz - S. 77 erster Absatz
  • ein Beispiel für einen chemischen Stoff, der in der Lage ist, eine Rastermutation zu verursachen, wäre z.B. Ethidiumbromid


Eine Beispielaufgabe:

  • Betrachte den folgenden DNA-Strang. Zunächst nur den mit schwarz dargestellten Normalfall:

GenMut Raster AA.jpg

  • Leite den entsprechenden mRNA-Strang ab und übersetze diesen in eine AS-Kette (Code-Sonne auf S. 68 im Buch)

GenMut Raster ML T1.jpg
Typische Fehler:

  • falschen Strang abgelesen
  • Translation nicht bei AUG begonnen


  • Füge nun - wie in rot dargestellt - an der gekennzeichneten Position das Nukleotid mit der Base Adenin ein und führe erneute eine Transkription und Translation durch!

GenMut Raster ML T2.jpg

  • Beschreibe (am besten schriftlich, damit Du das Formulieren übst) welche Konsequenzen diese Mutation für das Lebewesen hat!

Das entstehende Protein besteht aus völlig anderen Aminosäuren. Die 3dimensionale Raumstruktur wird sich völlig ändern. Da ein wichtiger Zusammenhang zwischen dieser Struktur und der Funktion einen Proteins besteht, ist das Produkt dieser Proteinbiosynthese höchstwahrscheinlich komplett funktionslos. Handelt es sich z.B. um ein Enzym, sind schwerwiegende Stoffwechselstörungen im Organismus zu erwarten.


Neu: Gentechnische Werkzeuge und Verfahren - Überblick
Ziel: Der Mensch ist inzwischen in der Lage, das Erbgut von Lebewesen gezielt zu verändern. Damit kann man z.B.

  • die Eigenschaften von Pflanzen verändern,
  • Bakterien und Hefen dazu veranlassen, Stoffe in großen Mengen herzustellen, die der Mensch dann isolieren und weiterverwenden kann,
  • genetische "Defekte" zu "reparieren".


Es gibt einen inzwischen etwas in die Jahre gekommenen "Selbstlernkurs", den ich die Schülerinnen und Schüler meiner Bio-Oberstufenkurse als Einleitung zur Thematik im Computerraum immer alleine bearbeiten habe lassen. Das klappte eigentlich immer ganz gut. Der Kurs wurde von einem Herrn Mallig in Freiburg entwickelt.

  • Für diesen Selbstlernkurs solltet ihr euch ca. 30-45 Minuten Zeit nehmen.
  • Evtl. ist es für den/die eine/n oder andere/n für euch besser vor dem Selbstlernkurs die Seiten im Buch zu lesen und einen kurzen Film zu schauen. Springt dazu zunächst zum nächsten Kasten "Weiteres Material".
  • Der folgende Link führt euch zur Startseite Selbstlernkurs-Start
Dort wird noch mal erklärt, was ein Selbstlernkurs ist und man steigt in die Thematik "Gentechnik" ein.
Ihr kommt immer zur nächsten Seite mit einem recht unscheinbaren Link unten rechts auf jeder Seite "zur nächsten Seite".
Zurück kommt ihr am besten mit den "Back"-Buttons eures Browsers
  • Solltet ihr euch im Netz des Selbstlernkurses verlieren, könnt ihr auch immer wieder auf der folgenden Seite einsteigen: Selbstlernkurs-Übersicht
Denn hier sind genau die Begriffe aufgeführt, die ihr beherrschen sollt!
Ihr sollt erklären können:
Was "können" Restriktionsenzyme?
Was "können" Ligasen?
Was sind Vektoren?
Was bedeutet Klonierung?
Wie funktioniert die PCR (Polymerase-Chain-Reaction)?
Was ist cDNA?


Weiteres Material
Film auf BRalpha, ca. 15min.: Gesamtüberblick "Was kann Gen-Technik"


  • Buch, S. 112-113 (Restriktionsenzyme, Ligasen, Marker)
  • Buch, S. 114-115 (Vektoren)
  • Buch, S. 118-119 (PCR)