LK Bio K12 Molekulargenetik

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Version vom 1. Mai 2008, 16:42 Uhr von Andrea Schellmann (Diskussion | Beiträge)

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      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:


Inhaltsverzeichnis

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":
  1. ) Welches erstaunliche Ergebnis konnte Griffith in seinem Versuch feststellen?
  2. ) Wie konnte Avery die Ursache der Transformation eindeutig belegen?
  3. ) Warum konnte A. ausschließen, dass die Transformation durch Proteine verursacht wird?
  4. ) Wie konnte Avery ausschließen, dass sich die verwendeten Bakterien durch Mutation zu pathogenen Erregern verändert hatten?
  5. ) 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

  1. „Einzelteile“ variabel kombinierbar / leicht veränderbar
  2. Vielfalt an Infos speicherbar
  3. Stabile Speicherung
  4. Reparatur möglich
  5. Umfangreiche Infosammlung, aber dennoch handlich
  6. Recycelbar
  7. Leicht herzustellen / „gängiges“ Material
  8. Infos sind nach Plan / Bedarf beliebig abrufbar
  9. 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:
  1. Arbeitsblatt Frage 1
  2. 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:

  1. 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 ?

  1. Arbeitsblatt Frage 3
  2. 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:

  1. Arbeitsblatt Frage 2
  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]