Die Struktur der DNA
AFB I–IIDie Tabelle M1 zeigt Ergebnisse einer Basenanalyse, wie sie Erwin CHARGAFF um 1950 für verschiedene Organismen durchführte. Die Werte geben den Anteil der Basen an allen Basen der DNA in Prozent an.
| Organismus | A | T | G | C |
|---|---|---|---|---|
| Mensch | 30,9 | 29,4 | 19,9 | 19,8 |
| Weizen | 27,3 | 27,1 | 22,7 | 22,8 |
| E. coli | 24,7 | 23,6 | 26,0 | 25,7 |
| Phage φX174 | 24,0 | 31,2 | 23,3 | 21,5 |
- Beschreiben Sie den Aufbau eines DNA-Doppelstrangs.
- Werten Sie die Daten für Mensch, Weizen und E. coli (M1) aus.
- Erklären Sie die Regelmäßigkeit mithilfe des DNA-Modells.
- Die Werte des Phagen φX174 weichen ab. Deuten Sie diesen Befund.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Die DNA besteht aus Nucleotiden (Phosphat, Desoxyribose, Base A, T, G oder C). Im Einzelstrang sind Zucker und Phosphat über Phosphodiesterbindungen zum Rückgrat verknüpft; die Basen zeigen nach innen. Zwei Stränge sind antiparallel (5′→3′ gegenüber 3′→5′) angeordnet und über Wasserstoffbrücken zwischen komplementären Basen verbunden: A–T mit zwei, G–C mit drei H-Brücken. Der Doppelstrang ist zu einer rechtsgängigen Doppelhelix verdrillt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Bei allen drei Organismen stimmen A und T (z. B. Mensch 30,9 % / 29,4 %) sowie G und C (19,9 % / 19,8 %) im Rahmen der Messgenauigkeit überein. Das Verhältnis (A+T) : (G+C) unterscheidet sich jedoch zwischen den Arten: Mensch etwa 60 : 40, E. coli etwa 48 : 52. Die Basenzusammensetzung ist also artspezifisch, die Gleichheit A = T und G = C gilt allgemein.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
In doppelsträngiger DNA steht jedem A ein T und jedem G ein C gegenüber (komplementäre Basenpaarung). Deshalb ist die Anzahl von A gleich der von T, die von G gleich der von C. Die Paarung ergibt sich aus der Geometrie: Nur ein Purin mit einem Pyrimidin passt in den konstanten Abstand der Rückgrate, und nur A–T bzw. G–C bilden passende Wasserstoffbrücken.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Beim Phagen φX174 ist T (31,2 %) deutlich größer als A (24,0 %), und G und C unterscheiden sich ebenfalls. Die Basenpaarung erzwingt diese Gleichheit also offenbar nicht: Das Erbgut des Phagen ist keine Doppelhelix, sondern einzelsträngige DNA. In einem Einzelstrang können die Basen in beliebigen Anteilen vorkommen.
Wie verdoppelt sich die DNA?
AFB II–IIIUm 1957 wurden drei Hypothesen zur Replikation diskutiert (M3). Matthew MESELSON und Franklin STAHL ließen E. coli viele Generationen in einem Medium mit dem schweren Stickstoffisotop ¹⁵N wachsen und übertrugen die Bakterien dann in ¹⁴N-Medium. Nach jeder Zellteilung (Generation) entnahmen sie Proben, isolierten die DNA und zentrifugierten sie in einer Caesiumchloridlösung, in der sich ein Dichtegradient bildet. Die DNA sammelt sich dort, wo ihre Dichte der Dichte der Lösung entspricht (M2).
konservativ: Der Elterndoppelstrang bleibt erhalten, die Kopie besteht aus zwei neuen Strängen. semikonservativ: Jeder Tochterdoppelstrang enthält einen alten und einen neuen Strang. dispersiv: Alte und neue Abschnitte sind in beiden Strängen gemischt.
- Beschreiben Sie die Ergebnisse (M2).
- Erläutern Sie, welche Ergebnisse jede der drei Hypothesen für G1 und G2 vorhersagt.
- Werten Sie M2 im Hinblick auf die drei Hypothesen aus.
- Ein Kritiker wendet ein, man könne mit den Daten nicht zwischen semikonservativ und dispersiv unterscheiden, wenn man nur G1 untersucht. Beurteilen Sie diesen Einwand und die Aussagekraft des Versuchs insgesamt.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
G0: eine Bande bei 1,72 g/cm³ (schwere DNA). G1: eine einzige Bande bei 1,71 g/cm³, also mittlerer Dichte. G2: zwei gleich starke Banden bei 1,71 und 1,70 g/cm³. G3: eine schwache Bande bei 1,71 und eine stärkere bei 1,70 g/cm³; die leichte Bande nimmt zu, die mittlere bleibt in ihrer Menge gleich.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Konservativ: G1 eine schwere (¹⁵N/¹⁵N) und eine leichte Bande (¹⁴N/¹⁴N) im Verhältnis 1 : 1; G2 schwer : leicht = 1 : 3. Semikonservativ: G1 nur eine mittlere Bande (¹⁵N/¹⁴N); G2 mittel : leicht = 1 : 1. Dispersiv: G1 eine mittlere Bande (jeder Strang halb alt, halb neu); G2 wieder nur eine Bande, jetzt zwischen mittel und leicht (25 % ¹⁵N).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
G1 zeigt keine schwere Bande — die konservative Hypothese ist widerlegt. G1 ist mit der semikonservativen und der dispersiven Hypothese vereinbar. In G2 treten zwei getrennte Banden (mittel und leicht) auf statt einer Zwischenbande; damit ist auch die dispersive Hypothese widerlegt. Nur die semikonservative Replikation erklärt alle Befunde, auch G3 (mittel : leicht = 1 : 3).
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Der Einwand ist für G1 berechtigt: Beide Hypothesen sagen dort eine mittlere Bande vorher. Er trifft den Versuch aber nicht, weil Proben über mehrere Generationen genommen wurden; erst die Reihe erlaubt die Entscheidung. Zusätzlich ließ sich die Hybrid-DNA durch Erhitzen in Einzelstränge trennen, die dann schwer bzw. leicht waren — ein weiterer Beleg gegen dispersiv. Grenzen: Der Versuch zeigt die Verteilung der Stränge, nicht den enzymatischen Mechanismus der Replikation.