Zutaten zuordnen, Zyklen berechnen, Primer entwerfen — und herausfinden, warum eine PCR manchmal nichts liefert.
Dein Fortschritt:
0 / 0 Aufgaben
1
Übungsaufgaben
Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe aus früheren Unterkapiteln und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.
A1
Zutaten eines PCR-Ansatzes
AFB I
Ordnen Sie jedem Bestandteil des PCR-Ansatzes seine Aufgabe zu.
Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Die Primer bestimmen, welcher Abschnitt kopiert wird; die Polymerase kann ohne sie nicht beginnen. Mg²⁺ ist ein Cofaktor der Polymerase, der Thermocycler ist das Gerät, nicht Teil der Reaktion.
Geben Sie für jeden Vorgang an, in welchem Schritt eines PCR-Zyklus er stattfindet.
Setzen Sie in jeder Zeile das passende Kreuz — hier ist es genau eins pro Zeile. Enter setzt und löscht.
Vorgang
Denaturierung
Primer-Anlagerung
Elongation
Wasserstoffbrücken zwischen den Basen der beiden Stränge lösen sich.
Kurze Einzelstränge paaren komplementär mit der Matrize.
Neue Phosphodiesterbindungen werden geknüpft.
höchste Temperatur des Zyklus
niedrigste Temperatur des Zyklus
Temperaturoptimum der Taq-Polymerase
Denaturierung ≈ 95 °C trennt die Stränge; bei der Anlagerung (≈ 50–65 °C, am kühlsten) binden die Primer; bei 72 °C knüpft die Taq-Polymerase die Phosphodiesterbindungen im neuen Strang.
Ordnen Sie zuerst die drei Temperaturen den Schritten zu.
Phosphodiesterbindungen verbinden die Nucleotide im Rückgrat eines Strangs.
A3
Anforderungen an die Polymerase
AFB I
Nennen Sie alle Eigenschaften, die die DNA-Polymerase in einer PCR besitzt.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Die Taq-Polymerase ist hitzestabil, braucht aber wie jede DNA-Polymerase einen Primer mit freiem 3′-Ende und eine DNA-Matrize. Die Strangtrennung erledigt die Hitze, Uracil gehört zur RNA.
Denken Sie an die Replikation aus Abschnitt 3.1: Was braucht jede DNA-Polymerase?
Drei Aussagen sind richtig.
A4
Wie viele Zyklen?
AFB II
Für einen Nachweis werden mindestens 10⁹ Kopien der Zielsequenz benötigt. Berechnen Sie jeweils die kleinste Zahl von Zyklen, die im Idealfall (Verdopplung pro Zyklus) ausreicht.
Füllen Sie alle Felder aus und prüfen Sie dann. Enter in einem Feld prüft ebenfalls. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
Gesucht ist das kleinste \(n\) mit \(N_0 \cdot 2^n \ge 10^9\).
\(2^{10} \approx 1000\) hilft beim Überschlagen.
A5
Wenn die Primer-Anlagerung nicht passt
AFB II
Erklären Sie die Wirkung der Anlagerungstemperatur, indem Sie den Lückentext vervollständigen — zwei Wörter bleiben übrig.
Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.
Ist die Anlagerungstemperatur zu , lösen sich auch korrekt gepaarte Primer wieder, und es entsteht Produkt. Ist sie zu , binden Primer auch an Stellen, die nur komplementär sind — es entstehen zusätzliche, Produkte. Primer mit hohem vertragen eine höhere Anlagerungstemperatur.
Die Primer binden über Wasserstoffbrücken; G–C-Paare haben drei, A–T-Paare nur zwei. Eine zu niedrige Temperatur toleriert Fehlpaarungen, eine zu hohe verhindert auch die richtige Bindung.
Was hält einen Primer an der Matrize fest?
Welches Basenpaar bildet mehr Wasserstoffbrücken?
A6
Anteil der Zielfragmente
AFB II
Eine PCR startet mit einem einzigen DNA-Doppelstrang und läuft 8 Zyklen. Ermitteln Sie Schritt für Schritt, welcher Anteil der Doppelstränge exakte Zielfragmente sind.
Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
Doppelstränge insgesamt nach 8 Zyklen:
davon mit Original- oder langem Strang:
exakte Zielfragmente:
Anteil der Zielfragmente:%
\(2^8 = 256\) Doppelstränge; \(2 \cdot 8 = 16\) enthalten einen Original- oder einen langen Strang; \(256 - 16 = 240\) Zielfragmente, also \(240 : 256 = 93{,}75\,\%\).
Gesamtzahl: \(2^n\). Nicht exakt: \(2n\).
Anteil = Zielfragmente : Gesamtzahl · 100 %.
A7
Den zweiten Primer entwerfen
MixAFB II
Die Zielsequenz endet auf dem gezeigten Strang mit 5′-…CGTAAGGT-3′. Bestimmen Sie die Sequenz des Primers, der an diesem Strang bindet, in 5′→3′-Schreibweise.
Klicken Sie die Bausteine in der richtigen Reihenfolge an — sie wandern nacheinander in die Plätze. Ein Klick auf einen belegten Platz gibt den Baustein zurück.
Der Primer paart antiparallel: gegenüber 5′-CGTAAGGT-3′ liegt 3′-GCATTCCA-5′, in 5′→3′-Richtung gelesen also 5′-ACCTTACG-3′. Die Ablenker ergeben nur die komplementäre Folge ohne Umkehrung (GCATTCCA) — ein solcher Primer läge parallel und würde nicht binden.
Komplementär heißt A↔T, G↔C — und antiparallel.
Schreiben Sie zuerst den Gegenstrang 3′→5′ darunter und lesen Sie ihn dann rückwärts.
A8
Trickaufgabe: Viren-RNA im PCR-Ansatz
TrickAFB III
Ein Labor gibt 1000 Partikel eines RNA-Virus direkt in einen Ansatz mit Taq-Polymerase, passenden Primern, dNTPs und Puffer und startet 10 Zyklen. Ein Schüler erwartet rund eine Million Kopien. Beurteilen Sie diese Erwartung, indem Sie angeben, wie viele DNA-Kopien der Zielsequenz tatsächlich entstehen.
Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
Es entstehen praktisch keine Kopien: Die Taq-Polymerase ist eine DNA-Polymerase und braucht eine DNA-Matrize. RNA muss zuerst durch reverse Transkriptase in DNA umgeschrieben werden. Die Falle: \(1000 \cdot 2^{10} \approx 10^6\) ist richtig gerechnet, aber die Rechnung setzt eine DNA-Vorlage voraus.
Welche Matrize braucht eine DNA-Polymerase?
Wie geht ein Corona-PCR-Test mit der Virus-RNA um?
A9
Ein Versuchsprotokoll
AFB III
Eine Schülerin beschreibt eine PCR. Überprüfen Sie ihre Aussagen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Drei Fehler: Die Primer binden an verschiedene Stränge, die Polymerase verlängert am 3′-Ende, und die Taq-Polymerase ist gerade wegen ihrer Hitzestabilität gewählt. \(2^{20} \approx 1{,}05 \cdot 10^6\) stimmt.
Prüfen Sie Richtungen (3′/5′) besonders genau.
Drei Aussagen sind falsch.
A10
Fehlersuche im Labor
AFB III
Eine PCR liefert nicht das erwartete Ergebnis. Entscheiden Sie sich Schritt für Schritt für die sinnvollste Deutung bzw. Maßnahme.
Spielen Sie den Weg Schritt für Schritt durch: Was ist jetzt richtig? Nur die richtige Karte bringt Sie weiter.
Kontrollen machen PCR-Ergebnisse erst deutbar: Die Positivkontrolle prüft den Ansatz, die Negativkontrolle schließt Verunreinigungen aus. Die Anlagerungstemperatur ist ein Kompromiss zwischen Spezifität und Ausbeute.
Was soll eine Positivkontrolle zeigen, was eine Negativkontrolle?
Die Anlagerungstemperatur entscheidet, wie genau die Primer passen müssen.
