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• Meselson Stahl Experiment

Der Ablauf der DNA Replikation erscheint Dir heute vielleicht nur als pures Auswendiglernen. Der Doppelstrang wird aufgespalten, es werden Primer angesetzt und dann wird auch schon der komplementäre Tochterstrang synthetisiert. Das alles erscheint Dir logisch und es bleiben meist keine Fragen offen.

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Sollte es doch noch Fragen zur DNA Replikation geben, dann schau doch mal in der gleichnamigen StudySmarter Erklärung vorbei! Dort findest Du alles, was Du zu diesem Prozess wissen musst.

Noch vor wenigen Jahrzehnten hingegen wusste man vergleichsweise wenig über die genauen Abläufe der DNA Replikation. Es gab drei Theorien, die zur Diskussion standen, aber erst mit dem Experiment von Matthew Meselson und Franklin William Stahl im Jahr 1958 konnte bewiesen werden, dass es sich bei der DNA Replikation um einen semikonservativen Mechanismus handelt.

Meselson Stahl Experiment – Erklärung

Das genetische Material der Elterngeneration wird bei der Vererbung an die nächste Generation weiter gegeben. Dazu muss die DNA zuerst über die DNA Replikation verdoppelt werden.

Es gab drei Theorien zum genauen Ablauf der DNA Replikation:

• Konservative Replikation: Hier bleibt die Eltern-DNA vollständig erhalten. Es werden einzelne Kopien beider Stränge erstellt, welche sich dann zu einem Doppelstrang zusammensetzen.
• Semikonservative Replikation: Die Eltern-DNA wird in Einzelstränge aufgespalten und es wird je ein komplementärer Tochterstrang ergänzt.
• Dispersive Repl ikation : Dieser Mechanismus ist ähnlich der semikonservativen Replikation. Jede Tochter-DNA besteht zur Hälfte aus der Eltern-DNA. Hier wird jedoch nicht ein neuer ununterbrochener komplementärer Strang erzeugt, sondern die Nucleotide der Eltern-DNA wechseln sich mit den neu ergänzten Nucleotiden ab.

Die Bezeichnungen kannst Du Dir leicht merken! Konservativ bedeutet "erhaltend", bei der konservativen Replikation bleibt also der vollständige Eltern-Doppelstrang erhalten, während bei der semikonservativen Replikation nur die Hälfte, also die Einzelstränge vollständig erhalten bleiben. Dispersiv leitet sich vom lateinischen Begriff "disperge" ab und bedeutet so viel wie "ausbreiten" oder "zerstreuen". So kannst Du Dir die DNA Replikation nach dem dispersiven Mechanismus auch in etwa vorstellen.

Meselson Stahl Experiment – Ablauf

Das Ziel von Meselson und Stahl war es, mit dem Experiment zu beweisen, dass es sich bei der DNA Replikation um den semikonservativen Mechanismus handelt.

James D. Watson und Francis C. Crick, die Entdecker der Doppel-Helix-Struktur der DNA, vermuteten bereits, dass die DNA Replikation dem semikonservativen Mechanismus folgen könnte.

Meselson Stahl Experiment – Vorbereitungen

Für ihr Experiment verwendeten Meselson und Stahl Escherichia coli Bakterien , welche vorerst auf einem Nährmedium mit dem Stickstoffisotop 15 N kultiviert wurden.

Isotope sind Atome eines Elements mit gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Massenzahl. Sie haben die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl Neutronen, wodurch ihre Masse variiert.

Ein Großteil des Stickstoffs, welches natürlich vorkommt, ist 14 N Stickstoff (über 99 %). 15 N Stickstoffatome sind zwar stabil, kommen aber unter natürlichen Bedingungen weitestgehend nicht vor. Beide Stickstoffisotope unterscheiden sich, wie Du bereits gelernt hast, in ihrer Masse. Das 15 N Stickstoffisotop ist schwerer als das 14 N und genau diese Eigenschaft machten sich Meselson und Stahl in ihrem Experiment zunutze.

Durch die Kultivierung auf einem Nährmedium mit 15 N kam es zum Einbau des Stickstoffisotops in die DNA der Bakterien . Nach einigen Generationen enthielt ihr Erbgut nur noch das Isotop 15 N und es war kein 14 N mehr zu finden. Somit waren diese Bakterien deutlich schwerer als andere E. coli Bakterien , welche sich nicht in diesem speziellen Nährmedium vermehrt hatten.

Meselson Stahl Experiment – Durchführung

Am Anfang des Experiments liegt eine Generation E. coli Bakterien vor, dessen Erbgut das Stickstoffisotop 15 N enthalten.

E. coli Bakterien können sich unter idealen Bedingungen, wie sie beispielsweise in einem angesetzten Nährboden im Labor gegeben sind, in innerhalb von 20 Minuten teilen. Daher entsteht etwa alle 20 Minuten eine neue Generation.

Die Bakterien mit dem eingebauten 15 N werden jetzt auf einen anderen Nährboden gesetzt, welcher ausschließlich das typische Stickstoffisotop 14 N enthält. Teilen sich die Bakterien nun und replizieren in diesem Zusammenhang zuvor ihre DNA, so muss das Stickstoffisotop 14 N dafür verwendet werden.

Nach 20 Minuten entnahmen Meselson und Stahl die erste Probe. Dabei handelte es sich um die erste Generation, welche bereits das Stickstoffisotop 14 N in ihrem Erbgut eingebaut haben muss. Dieser Vorgang wurde weitere zwei Male wiederholt. Dementsprechend fanden in dieser Zeit zwei weitere Teilungen statt, bei denen wieder das Isotop 14 N eingebaut wurde. Der 15N-Anteil sinkt dabei also kontinuierlich.

Meselson Stahl Experiment – Ergebnis

Um das Experiment auszuwerten, bedienten sich Meselson und Stahl an der sogenannten Dichtegradientenzentrifugation . Dadurch werden DNA-Moleküle nach ihrem Gewicht geordnet. Die DNA der Bakterien aus den verschiedenen Proben wurde extrahiert und anschließend zentrifugiert.

Auf der Abbildung kannst Du verschiedene Banden erkennen, welche die Bakterien-DNA nach ihrem Gewicht geordnet darstellen. Die erste entnommene Probe stammt noch aus dem 15 N-haltigem Nährboden, somit ist hier kein 14 N enthalten. Da 15 N schwerer als 14 N ist, befindet sich diese Bande am Boden des Reagenzglases.

Ausschluss der konservativen Replikation

In der zweiten Probe befindet sich lediglich DNA, welche sowohl 14 N als auch 15 N enthält, da die Bande etwa in der Mitte liegt.

Wenn es sich bei der DNA Replikation um den konservativen Mechanismus handeln würde, so würde 50 % der entnommenen DNA-Moleküle lediglich aus 15 N Isotopen und die anderen 50 % aus 14 N bestehen . Dabei würden zwei Banden entstehen – eine Bande am Boden und eine Bande am oberen Rand des Reagenzglases.

Hier liegt jedoch nur eine Bande in der Mitte vor, weshalb die DNA-Moleküle sowohl aus dem 14 N als auch aus dem 15 N Isotopen bestehen. Daher kann der konservative Mechanismus ausgeschlossen werden.

Es wurden also bei der ersten Replikation im 14 N-haltigem Medium Teile der Elternstränge mit 15 N Isotopen erhalten und neue komplementäre Stränge mit 14 N Isotopen synthetisiert.

Ausschluss der dispersiven Replikation

Mithilfe der dritten Probe konnte auch die dispersive Replikation widerlegt werden. Hier bildet sich eine Bande im Bereich 14 N und eine im Bereich 15 N / 14 N.

Würde die DNA Replikation dispersiv ablaufen, würde jedes DNA-Molekül nach wie vor geringe Mengen an 15 N Isotopen aufweisen. Da jedoch eine Bande am oberen Rand des Glases zu erkennen ist, enthält diese Probe auch DNA, welche ausschließlich aus den leichten 14 N Isotopen aufgebaut ist. Diese können nur entstehen, wenn die DNA Replikation dem semikonservativen Mechanismus folgt.

So kamen Meselson und Stahl zu dem Ergebnis, dass die DNA Replikation nach dem semikonservativen Mechanismus abläuft und bestätigten Watson und Cricks Theorie.

Meselson Stahl Experiment – Das Wichtigste

• Das Meselson und Stahl Experiment beweist, dass es sich bei der DNA Replikation um den semikonservativen Mechanismus handelt. Der konservative und dispersive Mechanismus werden dabei widerlegt.
• Semikonservative Replikation bedeutet, dass die Eltern-DNA in Einzelstränge aufgespalten und je ein komplementärer Tochterstrang ergänzt wird. Daher wird der semikonservative Mechanismus auch als halberhaltend bezeichnet.
• Die Stickstoffisotope 14 N und 15 N unterscheiden sich chemisch nicht voneinander, ihr einziger Unterschied liegt in ihrer Masse, der durch die unterschiedliche Anzahl von Neutronen zustande kommt.
• Durch die unterschiedliche Verteilung der Banden nach einer Dichtegradientenzentrifugation konnte bewiesen werden, dass die Replikation der DNA semikonservativ abläuft.
• Meselson and Stahl (1958) The Replication of DNA in Escherichia coli, PNAS
• Frederic L. Holmes (2001) Meselson, Stahl and the Replication of DNA: A history of the most beautiful experiment in biology, Yale University Press

Karteikarten in Meselson Stahl Experiment 16

Was war das Ziel des Meselson und Stahl Experiments?

Das Ziel von Meselson und Stahl war es, mit diesem Experiment zu beweisen, dass es sich bei der DNA-Replikation um den semikonservativen Mechanismus handeln musste. Dafür mussten außerdem der konservative und dispersive Replikationsmechanismus ausgeschlossen werden.

Welche drei Theorien gab es zum Ablauf der DNA Replikation?

• konservative Replikation
• semikonservative Replikation
• dispersive Replikation

Was bedeutet semikonservative Replikation?

Der neue Doppelstrang besteht aus einem ursprünglichen und einem neu synthetisierten Einzelstrang.

Was bedeutet konservative Replikation?

Der neue Doppelstrang besteht aus zwei neu synthetisierten Einzelsträngen.

Was bedeutet dispersive Replikation?

Der neue Doppelstrang besteht aus einer Mischung des ursprünglichen und neu synthetisierten Einzelstrangs.

Welche Atomeigenschaft war essentiell für das Meselson und Stahl Experiment?

Essentiell waren die Stickstoffisotope 15N und das typische 14N. Chemisch sind sie gleich, der einzige Unterschied liegt in ihrer Masse. Das Isotop 15N hat eine höhere Neutronenanzahl als 14N und ist somit schwerer.

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Häufig gestellte Fragen zum Thema Meselson Stahl Experiment

Was ist ein semikonservativer Mechanismus? 

Ein semikonservativer Mechanismus ist bei der DNA Replikation zu finden und ist halberhaltend. Das heißt, dass bei der Replikation der Eltern-Doppelstrang aufgespalten und zu jedem Einzelstrang ein komplementärer Tochterstrang synthetisiert wird. Es wird also die Hälfte erhalten und die andere Hälfte neu hergestellt.

Welche Bedeutung hat das 15N Stickstoffisotop für das Meselson Stahl Experiment? 

Das 15N Stickstoffisotop ist schwerer als das typische 14N Stickstoffisotop. Diese Eigenschaft machten sich Meselson und Stahl bei der Erforschung des Replikationsmechanismus zunutze.

 Bakterien wurden in einem 15N haltigem Medium kultiviert und bauten es so in ihr Erbgut ein. Sie wurden dann in ein 14N haltiges Medium überführt, weshalb die folgenden Generationen das 14N Isotop anstelle des 15N einbauten. So konnte nach einer Dichtegradientenzentrifugation, welche Moleküle nach ihrem Gewicht ordnet, herausgefunden werden, zu wie viel Prozent die DNA der Bakterien aus 15N, 15N/14N oder 14N besteht. Dies gab Rückschlüsse auf den Mechanismus der DNA Replikation und es konnten der konservative und dispersive Replikationsmechanismus ausgeschlossen werden. Die DNA wird nach dem semikonservativen Mechanismus repliziert

Welcher Replikationsmechanismus konnte beim Meselson und Stahl Experiment bewiesen werden?

In ihrem Experiment konnten Meselson und Stahl die semikonservative Replikation beweisen, bei dem die Eltern-DNA in Einzelstränge aufgespalten und je ein komplementärer Tochterstrang ergänzt wird. Daher wird der semikonservative Mechanismus auch als halberhaltend bezeichnet.

Warum war das Ergebnis des Meselson und Stahl Experiments der semikonservative Replikationsmechanismus?

Im Experiment von Melson und Stahl wurden E. Coli Bakterien auf verschiedenen Nährböden vermehrt. Hierbei wurden Nährboden mit verschiedenen Stickstoffisotope verwendet (14 N und 15 N). 

Nach mehreren Generationen und an schleißenden Untersuchungen der DNA-Zusammensetzung konnte die semikonservative Replikation anhand der Isotope in DNA der Folgegenerationen nachgewiesen werden.

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Meselson-Stahl-Experiment

Das Meselson-Stahl-Experiment ist eines der wichtigsten Experimente der Genetik . Bei diesem Experiment wurden Mechanismen der DNA-Replikation beobachtet. Es kann gut sein, dass du dir dieses Experiment im Biologie-Unterricht mal genauer anschauen wirst. Es kann dir auch helfen, die Zellteilung besser zu verstehen.

Was wurde im Meselson-Stahl-Experiment getestet? Was war das Ergebnis und warum ist es so bedeutend für die Genetik? Experimente sind nicht immer leicht zu verstehen, aber keine Sorge, simpleclub erklärt dir ganz einfach alles, was du darüber wissen musst.

Meselson-Stahl-Experiment einfach erklärt

Die zwei Biologen Matthew Meselson und Franklin Stahl veröffentlichten 1958 das nach ihnen benannte Experiment.

Sie wollten mit ihrem Experiment herausfinden wie die DNA sich vervielfältigt, also wie die Replikation der DNA genau abläuft. Wieso und vor allem wie sich die Mutter-DNA auf die beiden Tochterzellen verteilt, war zum damaligen Zeitpunkt noch völlig unklar. Das wollten sie also herausfinden. Es gab bei ihrem Experiment drei Hypothesen.

Zu den Hypothesen gehörten, die konservative , die seimkonservative und die disperse Replikation .

Meselson und Stahl vermuteten schon eine semikonservative Replikation, das bedeutet, dass jedes Tochtermolekül aus je einem neuen und einem ursprünglichen Strang bestehen . Es heißt also, dass das Erbgut nach der Teilung in beiden Tochterzellen wie folgt ausssieht: Es besteht zur einen Hälfte aus der Erbinformation der Mutterzelle und zur anderen Hälfte wird es neu synthetisiert.

Ihre Vermutung konnten sie dann durch ihr Experiment beweisen .

Meselson-Stahl-Experiment Definition

Matthew Meselson und Franklin Stahl haben 1958 in dem Meselson-Stahl-Experiment die genauen Mechanismen der DNA-Replikation untersucht . Mit ihrem Experiment lässt sich nachweisen, dass die DNA-Replikation semikonservativ abläuft.

Meselson-Stahl-Experiment Hypothesen

Vor dem Experiment wurden von Matthew Meselson und Franklin Stahl drei Überlegungen aufgestellt. Es waren Hypothesen wie sich die Mutter-DNA auf die Tochterzellen aufteilen könnte.

Zu diesen drei Hypothesen gehörten:

• Die konservative Replikation
• Die semikonservative Replikation und
• Die disperse Replikation

Konservative Replikation

Bei der konservativen Replikation bleibt die Mutter-DNA in einer der beiden Tochterzelle vollständig erhalten . In der zweiten Tochterzelle befinden sich zwei Kopien der Mutter-DNA-Einzelstränge .

P steht für Parentalgeneration also die Mutterzellen und F für die Tochterzellen, also die erste Tochtergeneration .

Hol dir die App, um mit den Animationen zu interagieren, damit du komplexe Themen noch besser verstehen kannst.

Semikonservative Replikation

Bei der Hypothese der semikonservativen Replikation werden die DNA-Stränge sozusagen fair verteilt . Je die Hälfte der Mutter-DNA landet in den beiden neu entstandenen Zellen. Die andere Hälfte wird neu ergänzt .

F2 steht jetzt für die zweite Tochtergeneration.

Disperse Replikation

Disperse Replikation bedeutet zerstreute oder verteilte Replikation . Hier war die Theorie , dass in jeder Tochterzelle die Hälfte der Mutter-DNA erhalten bleibt, es enthält jedoch jeder Einzelstrang einen Mix aus Mutter- und neu entstandener DNA .

Meselson-Stahl-Experiment Ablauf

Für das Meselson-Stahl-Experiment wurden Stickstoffisotope benutzt. Der Stickstoff (N) ist wichtiger Bestandteil unserer DNA. Das 15N-Isotop ist schwerer als das 14N-Isotop.

Für das Experiment züchteten die Forscher einen Stamm E. coli -Bakterien auf einem Nährmedium, das ausschließlich das 15N-Isotop enthielt. Ein Stamm ist, vereinfacht gesagt, eine Gruppe von Bakterien und das Nährmedium befindet sich in einer eine flache Plastikschale, die meist verschiedene Nährstoffe enthält. Hier die folgenden Schritte:

• Die Bakterien wurden also auf das Nährmedium mit dem 15N-Isotop gegeben. Dieser schwere Stickstoff ( 15N-Isotop ) integriert sich dann in die Bakterien-DNA .
• Hier hatte man bei der Untersuchung eine 15N/15N-DNA-Bande
• Im nächsten Schritt wurden diese Bakterien auf ein Nährmedium mit dem leichteren 14N-Isotop aufgetragen . Nach 20 Minuten wurden diese Bakterien entnommen und untersucht .

Dazu steckte man die DNA in eine Zentrifuge . Hierbei werden Stoffe durch die Zentrifugalkraft in ihre Bestandteile getrennt .

Das Ergebnis war folgendes: Die Mutter-DNA besteht aus den schweren 15N-Isotopen und die Tochter-DNA aus den leichteren 14N-Isotopen und den 15N-Isotopen . Die Bande der ersten Replikationsrunde zeigte also eine mittelschwere DNA zwischen der 15N-Bande und der 14N-Bande. Somit hatte man hier eine gemischte DNA aus 14N und 15N.

Es fand also keine Trennung der schweren Mutter-DNA und der leichten Tochter-DNA statt. Die beiden hatten sich verbunden. Die Vorstellung einer konservativen Replikation konnte also ausgeschlossen werden.

• Es wurde eine weitere Replikationsrunde durchgeführt und die Probe wurde dann wieder zentrifugiert.
• Man konnte nach der zweiten Replikation zwei Banden nachweisen, die schmal waren . Die eine war die Bande einer 14N/14N-DNA und die andere eine 14N/15N-DNA.

Meselson-Stahl-Experiment Ergebnis

Die Hypothese der semikonservativen Replikation wurde durch das Experiment von Meselson und Stahl bestätigt .

Die DNA bestand nach der ersten Replikation aus je einem alten 15N- und einem neuen 14N-Strang. Nach dieser Probe konnte der konservative Replikationsverlauf ausgeschlossen werden. Wenn die Replikation konservativ gewesen wäre, hätten eine 14N/14N-Bande und eine 15N/15N-DNA entstehen müssen.

Es konnte aber noch nicht unterschieden werden, ob die DNA beide Stickstoffisotope (dispersiv) enthielt oder sie auf beide einzelne Stränge verteilt sind.

Somit wurde eine weitere Replikation durchgeführt. Sobald der 15N-Strang als Vorlage diente, entstanden gemischte 15N/14N-DNA-Moleküle. Wenn der neue 14N-Strang die Vorlage war, entstanden 14N/14N-DNA-Moleküle. Beide Banden waren relativ schmal.

Durch die dritte Probe wurde also der dispersive Mechanismus ausgeschlossen. Beim dispersiven Mechanismus wäre nur eine gemischte Bande entstanden.

Meselson und Stahl konnten mit ihrem Experiment also beweisen, dass die DNA der Tochterzellen nach der Zellteilung je einen Strang der Mutter-DNA und einen neuen Strang enthalten. (semikonservative Replikation)

Es wurde klar, dass beide Mutterstränge bei der DNA-Replikation kopiert werden. Anschließend werden sie mit jeweils einem neuen Strang kombiniert.

Meselson-Stahl-Experiment Zusammenfassung

Matthew Meselson und Franklin Stahl untersuchten 1958 wie sich Mutter-DNA bei der Zellteilung auf die Tochterzellen verteilt . Die beiden stellten drei Hypothesen zu ihrem Experiment auf: die konservative , die semikonservative und die disperse Replikation .

Bei der konservativen Replikation übernimmt eine Tochterzelle die gesamte Mutter-DNA , die andere Tochterzelle bekommt ausschließlich neue DNA .

Bei der semikonservativen Replikation wird die Mutter-DNA so aufgeteilt , dass jede der zwei neu entstandenen Zellen die Hälfte davon erhält und der Rest mit neuer DNA ergänzt wird.

Auch bei der dispersen Replikation erhalten beide Tochterzellen Mutter-DNA , allerdings als Mix mit neuer DNA.

Meselson und Stahl haben E. coli-Bakterien mit schweren Stickstoff-Isotopen versehen . Diese Stickstoff-Isotope wurden in die Bakterienkultur eingebaut.

Die Bakterienkultur mit den schweren Stickstoffisotopen wurden auf eine Fläche mit leichten Isotopen gegeben und haben sich vermehrt. Sie haben die Proben mithilfe von Zentrifugation * untersucht und konnten nach dem ersten Versuch die konservative und nach dem Erhitzen außerdem die disperse Replikation ausschließen.

Die Theorie der semikonservativen Replikation wurde somit bestätigt . Die Mutter-DNA wird bei der Zellteilung also in zwei Stränge geteilt und es bildet sich in der F1-Generation dazu je ein neuer Tochter-Strang .

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Versuch zum Nachweis der semikonservativen Replikation

Zusammenfassung

• Der Meselson-Stahl-Versuch dient als Nachweis zur semikonservativen Replikation

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• Schülerlexikon
• 6 Grundlagen der Genetik
• 6.3 Molekulare Grundlagen der Vererbung
• 6.3.2 Identische Replikation (Verdopplung) der DNA

MESELSON-STAHL-Experiment

Es gibt drei Hypothesen für den Mechanismus der Replikation (Verdoppelung) der DNA, das konservative, das semikonservative und das dispersive Modell. Dank MESELSON (*1930) und STAHL (*1929), die sich das Prinzip der Dichtegradientenzentrifugation zunutze gemacht haben, konnte 1958 der zutreffende Mechanismus experimentell ermittelt werden.

Identische Replikation (Verdoppelung) der DNA

Im Ergebnis der Mitose erhalten die beiden Tochterzellen identische Chromatiden (Halbchromosomen). Um daraus wieder vollständige Chromosomen herzustellen, müssen die Chromatiden verdoppelt werden. Dies erfolgt in der Interphase des Zellzyklus zwischen zwei Mitosen. Dabei wird auch die DNA als Baustein der Chromosomen verdoppelt.

Die identische Replikation (auch identische Reduplikation) ist die Verdoppelung der DNA. Dabei wird ein DNA-Doppelstrang (Elternstrang) mithilfe von Enzymen in zwei Einzelstränge gespalten, die als Matrizen für die Bildung neuer Doppelstränge dienen.

Die Einzelstränge werden durch komplementäre Basenpaarung (A zu T, C zu G, T zu A, G zu C) unter Einwirkung von Enzymen zu zwei neuen identischen Doppelsträngen (Tochtersträngen) ergänzt.

Drei Modelle zur Klärung der Replikation der DNA

Es gibt drei Hypothesen für den Mechanismus der Replikation der DNA : das konservative, das semikonservative und das dispersive Modell. Dank MESELSON (*1930) und STAHL (*1929), die sich das Prinzip der Dichtegradientenzentrifugation zunutze gemacht haben, konnte 1958 der zutreffende Mechanismus experimentell ermittelt werden.

Das konservative Modell besagt, dass die Elterndoppelhelix (die ursprüngliche DNA der Zelle) als eine Art Vorlage für die Herstellung (Synthese) einer neuen Tochterdoppelhelix dient. Diese Tochterdoppelhelix besteht dann vollständig aus neuem Material. Das heißt sie enthält keinerlei Bestandteile der Elterndoppelhelix.

Das semikonservative Modell erklärt, dass sich die Elterndoppelhelix zunächst entwindet und anschließend je ein Strang von ihr als Schablone (Matrize) für einen passenden (komplementären) Tochterstrang dient. Das bedeutet letztendlich, dass nach der DNA-Replikation zwei Doppelstränge vorliegen, die sich aus je einem elterlichen und einem töchterlichen, neu synthetisierten Strang zusammensetzen.

Bei dem dispersiven Modell geht man davon aus, dass alle vier DNA-Stränge nach der Replikation aus einer Mischung von alter und neuer DNA bestehen.

Durch das von MATTHEW MESELSON und FRANKLIN STAHL durchgeführte sogenannte MESELSON-STAHL-Experiment wurde schließlich im Jahre 1958 der Mechanismus der DNA-Replikation als semikonservativ geklärt. Bei diesem Experiment bedienten sie sich der Technik der Dichtegradientenzentrifugation. Dabei werden Stoffe (z. B. DNA) nach ihrer Dichte voneinander in sogenannten Banden getrennt. Durch geeignete Versuchsbedingungen konnte gezeigt werden, dass die replizierte DNA je zur Hälfte aus elterlichem und neuem Material besteht (semikonservativer Mechanismus).

MESELSON-STAHL-Experiment 1958

Stand: 2010 Dieser Text befindet sich in redaktioneller Bearbeitung.

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Das Meselson-Stahl-Experiment - einfach erklärt

Inhaltsverzeichnis, die historischen hintergründe des meselson-stahl-experiments, der dns-replikatonsmechanismus einfach erklärt, der versuchsablauf des meselson-stahl-experiments.

• 1869 entdeckte der Arzt Miescher erst mal Desoxyribonukleinsäure -kurz DNS- in Zellen. 1943 konnte Avery nachweisen, dass die DNS der Träger der Erbinformation ist. 1953 wurde ihr Aufbau von Watson und Crick nachgewiesen.
• Nachdem nachgewiesen war, dass DNS die genetischen Informationen verschlüsselt enthält und wie ihr Aufbau ist, war noch unklar, wie sie sich bei der Zellteilung auf die beiden Tochterzellen verteilt. Bei jeder Zellteilung muss die Erbinformation vollständig weitergegeben werden und darf nicht halbiert werden.
• 1958 veröffentlichten Meselson und Stahl ihr Experiment zum Nachweis, dass die DNS semikonservativ verdoppelt oder repliziert wird. Sie forschten an Bakterien.
• Die DNS wird vor jeder Zellteilung verdoppelt, d.h. repliziert, um dann wieder vollständig auf beideTochterzellen verteilt zu werden. So kommt es zu keinem Verlust von Erbinformation.
• Die DNS besteht aus zwei Strängen, die beide die Erbinformation enthalten, einfach nur jeweils "gespiegelt". Bei der Replikation wird dieser Doppelfaden geöffnet und an jedem Strang ein neuer aufgebaut.
• Dieser Mechanismus heisst "semikonservative Replikation", da am Ende jedes entstandene DNS-Molekül jeweils aus einem alten und einem neu synthetisierten Strang besteht. Diese werden dann auf die Tochterzellen verteilt.
• Das Experiment basiert darauf, dass bei der Replikation neue DNS-Stränge aus Materialen aus der Zelle aufgebaut werden. Ein Material ist Stickstoff. Er wird von den Zellen aus der Umwelt aufgenommen.
• Meselson und Stahl züchteten Bakterien auf einem Nährmedium, das einen schwereren Stickstoff enthielt, als den normal vorkommenden. Die Bakterienzellen nehmen diesen schweren Stickstoff auf und benutzten ihn, um jeweils einen neuen DNS-Strang für ihre Zellteilung herzustellen.
• Die neu synthetisierte DNS besteht dann aus einem Strang mit normalem "leichten" Stickstoff und einem Strang mit dem "schweren" Stickstoff, da an jedem alten Strang ein neuer aufgebaut wird. Die neu entstandenen und die alten Bakterienzellen haben also alle zwei unterschiedlich schwere DNS-Stränge.
• Nach der ersten Zellteilung nach circa 20 Minuten entnimmt man die Bakterien vom Nährmedium und zentrifugiert sie. Bei dieser Technik wird nach der Schwere eines Stoffes aufgetrennt. Die bakterielle DNS sammelt sich an einer einzigen Stelle an, da ja alle Zellen -sowohl die Mutter-, als auch die Tochterzellen dieselben zwei DNS-Stränge haben.
• Die DNS sammelt sich an einer Stelle, an der sich schwerere Stoffe als DNS, die nur aus dem normalen leichten Stickstoff aufgebaut ist, sammeln. Damit ist erklärt, dass in der neu synthetisierten DNS auch schwerer Stickstoff verwendet wurde.
• Im nächsten Schritt des Meselson-Stahl-Experiments werden wieder Bakterien auf einem Nährmedium mit schwerem Stickstoff gezogen, aber diesmal gewartet, dass sie sich zweimal teilen. Zentrifugiert man die DNS dieser Bakterien ab, sammelt sich eine DNS-Bande auf Höhe der DNS, der Bakterien, des ersten Experimentschritts. Ein Teil der Bakterien hat also wieder eine DNS, die aus einem Strang mit schwerem und einem Strang mit leichtem Stickstoff aufgebaut ist. Eine zweite DNS-Bande sammelt sich aber tiefer, da sie aus zwei Strängen mit schwerem Stickstoff aufgebaut ist.
• Beim letzten Schritt des Experiments ist Folgendes passiert: Zunächst wird an der leichten DNS an jedem Strang ein neuer "schwerer" Strang synthetisiert. Die beiden nun halb leichten, halb schweren DNS-Moleküle werden auf die Tochterzellen der ersten Generation verteilt. Bei der nächsten Zellteilung wird an jedem Strang schwere DNS aufgebaut, sodass am Ende aus einem halb schweren, halb leichten DNS Molekül ein DNS-Molekül mit zwei rein schweren Strängen und wieder ein gemischtes entstanden sind.

Das Meselson-Stahl-Experiment erklärt einfach, dass die DNS semikonservativ repliziert wird und nicht diskontinuierlich oder konservativ.

• DNA - Bedeutung
• Von der Erbinformation zum Protein - der Weg einfach erklärt
• Verpackungszustände der DNA
• Die eigene DNA isolieren - so geht's mit Hausmitteln
• Übersicht: Alles zum Thema Genetik

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DNA-Replikation / Meselson-Stahl

Meselson und stahl beweisen die semikonservative replikation.

Eine Folie aus der Meselson-Stahl-Präsentation

Diese PDF-Präsentation besteht aus 45 Folien. Hier eine Übersicht:

• Folien 1 bis 5: Modelle der DNA-Replikation - konservativ, semikonservativ und diespers. Problemaufwurf: Wie kann man experimentell zeigen, dass die DNA-Replikation semikonservativ verläuft?
• Folien 6 bis 17: Das Prinzip der Dichtegradientenzentrifugation, sehr kleinschrittig und ausführlich erklärt.
• Folien 18 bis 26: Stickstoff-Isotope 14 N und 15 N, auch recht detailliert erklärt. An Vorkenntnissen müssen die Schüler(innen) nur wissen, dass ein Atomkern aus Protonen und Neutronen besteht.
• Folien 27 bis 37: Die Versuche von Meselson und Stahl, ausführlich erklärt. Die Abbildung oben zeigt die Folie 34 aus diesem Abschnitt.
• Folien 38 bis 45: Wie haben Meselson und Stahl die disperse Replikation ausgeschlossen?

Hier ein Überblick über alle 45 Folien:

Alle 45 Folien in der Übersicht

Dieser Foliensatz erlaubt eine problemorientierte Erarbeitung des gesamten Meselson-Stahl-Experiments im Unterrichtsgespräch. Durch das kleinschritte Vorgehen dieser Präsentation haben viele Schüler(innen) Gelegenheit, Fragen zu stellen oder Antworten auf die angerissenen Probleme zu formulieren.

Die ersten 10 Folien dieses Foliensatzes können Sie sich zur Ansicht hier kostenlos herunterladen.

Meselson-Stahl-Experiment

Lexikon der biochemie : meselson-stahl-experiment, schreiben sie uns, artikel zum thema, insekten : älteste termitenhügel über zehntausende jahre aktiv, umweltverschmutzung : fischsterben an der oder weitet sich wieder aus, »zeit-edition wissenschafts-thriller« : schlafwandler, seltene erden und neandertaler-gene, neurodegeneration : unterschätzte proteine, sponsored partnerinhalte.

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Die perfekte Abiturvorbereitung in Biologie

• 123 Lernvideos
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• historisches Experiment: Meselson und Strahl

Der semikonservative Mechanismus der DNA- Replikation war bereits von James Watson und Francis Crick vorgeschlagen worden, Matthew Meselson und Franklin Stahl bestätigten diese Hypothese mit einem Experiment .

Beide DNA-Stränge dienen als Vorlage für die Neubildung.

Der neu gebildete Strang ist eine Mischung aus Mutter- und Tochterstrang oder „altem” und „neuem” Strang.

konservativ: lateinisch conservativus – erhaltend, bewahrend semi-konservativ: zur Hälfte erhaltend

In der Replikation dienen beide „alten” Stränge als Vorlage für die beiden neugebildeten DNA-Stränge.

Das Experiment von Meselson & Stahl

Ausgangspunkt sind zwei Bakterienkulturen. Eine davon (dunkelrot) wird in Wachstumsmedium mit schwerem Stickstoff ( 15 N) kultiviert. In alle Biomoleküle werden nun nach und nach schwere Isotope des Stickstoffs eingebaut, auch in die DNA.

Die zweite Kultur wird in Wachstumsmedium kultiviert, das nicht mit schwerem Stickstoff versetzt ist. Hier wird die DNA nur 14 N enthalten.

Proben dieser Ausgangskulturen werden eingesetzt, um zu bestimmen, wie „schwer“ oder „leicht“ die jeweilige DNA dieser Bakterien ist (-> wird benötigt, um die maximale und minimale Schwere in der Ultrazentrifugation zu ermitteln; vergleiche orange gestrichelte und rote Linie in Röhrchen zum Zeitpunkt 0).

Das eigentliche Experiment

Bakterien werden aus dem „schweren“ Medium ( 15 N) in normales Wachstumsmedium überführt ( 14 N)! Es wird jeweils DNA isoliert und diese Proben werden mit analytischer Ultrazentrifugation analysiert!

• Zum Zeitpunkt t = 0 (null Minuten) haben alle Bakterien noch schwere DNA!
• Nach ca. 20 Minuten ( E. coli sollte sich nun einmal geteilt haben, das heißt die Zellen haben zuvor eine Replikation ihrer DNA durchgeführt) finden sich 100% der analysierten DNA genau in der Mitte der Extremwerte für schwere bzw. leichte DNA.
• Nach ca. 40 Minuten (2. Teilung der Bakterien) teilt sich der Anteil gefundener DNA in zwei Fraktionen: 50% bleiben auf der Bande der zweiten Teilung, 50% nehmen den Wert der leichten DNA ein.
• Nach einer Stunde (3. Teilung) verstärkt sich die leichte Fraktion (nun 75% der Gesamt-DNA) und verringert sich die schwere Fraktion auf nur noch 25%.

=> Die schwere Fraktion nimmt immer weiter ab.

Rückschluss: Beide Stränge werden als Vorlage genutzt. In der ersten Replikation entstehen Tochterstränge aus einem „alten/schweren“ Strang und einem „neuen/leichten“ Strang. Wäre die Replikation konservativ, müsste ein schwerer und ein leichter Strang entstehen.

Dieser Inhalt ist Bestandteil des Online-Kurses

Molekularbiologie / genetik.

Diese Themen werden im Kurs behandelt:

[Bitte auf Kapitelüberschriften klicken, um Unterthemen anzuzeigen]

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• Molekularbiologie als Thema im Abitur
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• Genetik und Entwicklungsbiologie
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Meselson und Stahl – Replikation der DNA

Entdecke das Meselson-Stahl-Experiment, das die Art und Weise, wie DNA repliziert wird, entschlüsselte. Lerne, wie die Wissenschaftler 1958 die semikonservative DNA-Replikation bewiesen, bei der jede neue DNA aus einem alten und einem neuen Strang besteht. Tauche tiefer in die Details des Experiments ein und verstärke dein Wissen durch interaktive Übungen. Bist du bereit, mehr zu erfahren? Dann erkunde jetzt die spannenden Ergebnisse und ihre Bedeutung!

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Griffith – Transformation bei Bakterien

Avery – DNA als Träger der Erbinformation

Hershey und Chase – Erbinformation bei Viren

Um die Replikation der DNA – also die Vervielfältigung der DNA – zu verstehen, ist ihre räumliche Struktur nicht ganz unwichtig. Vielleicht hast du bereits im Biologieunterricht von den beiden Wissenschaftlern Watson und Crick gehört. Sie konnten 1953 zeigen, dass die DNA eine Doppelhelix ist. Sie stellten auch die Theorie auf, dass die DNA semikonservativ repliziert wird. Dabei vermuteten sie, dass die DNA-Doppelhelix zunächst aufgetrennt wird und zu den beiden Einzelsträngen jeweils die sogenannten komplementären DNA-Stränge gebildet werden. 1958 konnten Meselson und Stahl zeigen, dass das stimmt.

Im folgenden Text findest du das Meselson-Stahl-Experiment einfach erklärt. Du erfährst, wer Meselson und Stahl waren und was sie genau herausfinden wollten. Wir zeigen dir, welche unterschiedlichen Hypothesen im Meselson-Stahl-Experiment untersucht wurden und welche schließlich bestätigt werden konnten.

Die zwei amerikanischen Wissenschaftler Matthew Meselson und Franklin William Stahl konnten in ihrem Experiment zeigen, dass die Vermutung von Watson und Crick, dass die DNA-Replikation semikonservativ verläuft, stimmt. Dazu untersuchten sie in ihrem Experiment drei unterschiedliche Theorien:

Welches Ziel verfolgten Meselson und Stahl nun in ihrem Experiment? Und wie führten die Wissenschaftler den Nachweis durch, welche der drei Theorien nun die richtige ist? Damit du den Ablauf des Meselson-Stahl-Experiments genau nachvollziehen kannst, erklären wir dir im Folgenden alles Schritt für Schritt.

Für ihren Versuch nutzten die Wissenschaftler Escherichia-coli-Bakterien ( E. coli ). Die Nutzung der Bakterien E. coli beruht darauf, dass sie sich ziemlich einfach züchten lassen. E . coli teilt sich alle zwanzig Minuten, ist nicht pathogen und es besitzt mit 4,6 Millionen Basenpaaren ein ziemlich kleines Genom. Aus diesem Grund avancierte es um 1950 zu einem wichtigen Modellorganismus für genetische Studien. Auch der Mechanismus der DNA-Replikation ist bei Bakterien und eukaryotischen Zellen sehr ähnlich. Dabei ist es außerdem viel einfacher, eine Bakterienzelle genetisch zu manipulieren als eine menschliche Zelle. Auch heute noch ist die Verwendung von Bakterien in der genetischen Forschung weitverbreitet.

Zurück zum Experiment: Meselson und Stahl kultivierten E. coli zuerst auf einem Nährmedium, das das schwere Stickstoff isotop $^{15}\ce{N}$ enthielt. Dieses Stickstoffisotop bauten die Bakterien während des Wachstums in ihre DNA, genauer gesagt in die organischen Basen ihrer DNA, ein. Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist ein langes Kettenmolekül aus vielen Bausteinen, die man Nukleotide nennt. Bestandteil der Nukleotide sind die Nukleinbasen (Guanin, Cytosin, Thymin und Adenin), die alle Stickstoffatome enthalten. An dieser Stelle erfolgt der Einbau der Stickstoffisotope. Die so erhaltene Kultur kultivierten Meselson und Stahl dann zuerst für ca. 20 Minuten (Verdopplungszeit von E. coli ) und dann für weitere 20 Minuten auf einem Medium, das das leichtere Stickstoffisotop $^{14}\ce{N}$ enthielt.

Da $^{15}\ce{N}$ eine höhere Dichte als $^{14}\ce{N}$ besitzt, war die DNA der ersten Probe insgesamt schwerer als die der zweiten. Im dritten Schritt wurde die Probe nach etwa 40 Minuten, also einer weiteren Verdopplungsphase auf $^{14}\ce{N}$-Nährmedium, untersucht. Alle drei Proben wurden mittels der Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation aufgetrennt. Bei einer Gleichgewichtszentrifugation sammeln sich die zu isolierenden Substanzen aufgrund ihrer Schwebedichten in bestimmten Dichtezonen der zentrifugierten Lösungen an, da sie dort in einem Schwebegleichgewicht stehen. Gibt man extrahierte DNA dazu, wandert diese an die Stelle gleicher Dichte der Lösung im Reagenzglas. Somit können DNA-Moleküle unterschiedlicher Dichte getrennt werden und anschließend unter UV-Licht sichtbar gemacht werden. Nun kommen wir zu den Beobachtungen im Meselson-Stahl-Experiment:

Erste Probe : Nach Wachstum der Kultur auf dem $^{15}\ce{N}$-Nährmedium befindet sich nach der Zentrifugation nur eine schwere DNA-Bande im unteren Teil des Reagenzglases. Dies macht Sinn, da die Bakterien bisher ja auch nur auf dem $^{15}\ce{N}$-Nährmedium wuchsen. Die DNA-Probe enthält also auch nur das Stickstoffisotop $^{15}\ce{N}$.

Zweite Probe : Nach 20-minütigem Wachstum (eine Verdopplungszeit) der Kultur auf dem $^{14}\ce{N}$ Nährmedium wird nur eine mittelschwere DNA-Bande in der Mitte des Reagenzglases gefunden. Das bedeutet, dass die konservative Replikation nun schon ausgeschlossen werden kann, da sich bei dieser Form der Replikation zwei Banden gebildet hätten. Eine bei $^{15}\ce{N}$ und eine bei $^{14}\ce{N}$.

Dritte Probe : Nach weiteren 20 Minuten der Bakterienvermehrung (zweite Verdopplungsphase) auf dem $^{14}\ce{N}$-Nährmedium bildeten sich nach der Zentrifugation zwei Banden. Eine leichte im oberen Bereich des Reagenzglases und eine mittelschwere in der Mitte des Reagenzglases. Somit konnte eine dispersive Replikation ebenfalls ausgeschlossen werden, da sich in diesem Fall nur eine Bande hätte bilden dürfen. Die DNA-Probe enthält jedoch alte, schwere und neue, leichte DNA-Stränge. Die leichten DNA-Stränge werden auf $^{14}\ce{N}$-Nährmedium wiederum zu leichten DNA-Strängen repliziert. Die schweren Stränge werden zu mittelschwerer DNA repliziert. Damit steht fest, dass die DNA semikonservativ repliziert wird.

Vielleicht erscheint dir das jetzt alles etwas verwirrend. Aber keine Angst, in der folgenden Grafik findest du den Ablauf und die Ergebnisse des Meselson-Stahl-Experiments übersichtlich und einfach zusammengefasst.

Das Meselson-Stahl-Experiment zeigt, dass es sich bei der DNA-Replikation um eine semikonservative DNA-Replikation handelt. Eine konservative oder disperse Vervielfältigung der DNA findet also nicht statt. Bei der semikonservativen DNA-Replikation wird immer ein alter Strang als Vorlage für den neuen Strang genutzt.

Nach der Entschlüsselung der räumlichen DNA-Struktur als Doppelhelix durch Watson und Crick 1953 wurden drei unterschiedliche Theorien für die DNA-Replikation diskutiert: die semikonservative, die konservative und die disperse DNA-Replikation. Meselson und Stahl konnten 1958 in ihrem Experiment zeigen, dass die Theorie der semikonservativen DNA-Replikation zutrifft.

Auch zu den Experimenten von Meselson und Stahl haben wir einige interaktive Übungen und Arbeitsblätter vorbereitet. Du kannst dein neu gewonnenes Wissen also direkt testen. Viel Spaß!

Hallo! Noch unter 30 waren zwei US-amerikanische Genetiker, als ihnen ein Versuch gelang, der sie weltberühmt machen sollte. Sie versuchten die Vorgänge bei der Vervielfältigung der DNA aufzudecken. In diesem Video geht es um Versuche mit Bakterien von Meselson und Stahl. Wir werden uns die drei Theorien zur Replikation der DNA anschauen und das entscheidende Experiment zur Lösung des Rätsels nachvollziehen. Dazu schauen wir uns den Versuchsaufbau, Beobachtung und die Erklärung der Ergebnisse an. Dabei wird auf die Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation und die DNA-Visualisierung mit UV-Licht eingegangen. Beginnen wir mit den drei Theorien zur Struktur der DNA, die noch in den Fünfzigern gleichwertig kursierten. Wie du schon weißt, muss die DNA nach der Teilung verdoppelt werden, damit zwei funktionsfähige Zellen entstehen. Die alten Stränge dienen dabei immer als Matrize, da sich Basen komplementär anlagern: Adenin an Thymin, Guanin an Cytosin und umgekehrt. 1953 hatten Watson und Crick bereits ihr Modell der semikonservativen Replikation der DNA vorgestellt. Das heißt, jeder DNA-Strang besteht aus einem neuen und einem alten Strang. Dem gegenüber steht ein zweites Modell, das der konservativen Replikation. Dieses sieht vor, dass von der doppelsträngigen DNA eine komplette Kopie angefertigt wird. Die alte DNA bleibt bestehen und eine komplett neue wird gebildet. Die dritte Theorie geht von einer dispersen Replikation aus. Die DNA-Stränge zerfallen in Bruchstücke, werden mit neuen DNA-Fragmenten vermischt und später wieder zusammengesetzt. Doch wie kann man nun nachweisen, ob DNA konservativ, semikonservativ oder dispers repliziert wird? Der Durchbruch kam 1957 mit den Experimenten mit Matthew Meselson und Frank Stahl. Im Versuchsaufbau verwendeten sie Escherichia coli-Bakterien. Sie ließen sie sich auf einem Nährmedium vermehren, das nur das schwere Stickstoffisotop 15 N statt das in der Umwelt vorkommende, leichtere Isotop 14 N enthielt. Bei der Replikation bauten die Bakterien 15 N in die organischen Basen ihrer DNA ein. Da 15 N eine höhere Dichte hat als 14 N, war die DNA nun insgesamt schwerer als gewöhnlich. Im zweiten Schritt wurden die Bakterien auf ein Nährmedium verpflanzt, das nur das leichte 14 N enthielt. Nach exakt zwanzig Minuten, also der Dauer einer Teilung, wurden Zellen entnommen. Deren DNA wurde extrahiert und gereinigt. Nach insgesamt 40 Minuten, also nach zwei Teilungen, wurde dieser Vorgang wiederholt. Für den letzten Schritt nutzten Meselson und Stahl die Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation. Das ist eine Trennmethode, die verschiedene Stoffe nach ihrer Dichte trennt. Grundlage dessen ist die Eigenschaft von Teilchen sich in einer Lösung gemäß ihrer Dichte zu positionieren, also abzusinken oder zu schweben. In der Zentrifuge herrscht nun ein starkes, künstliches Schwerefeld vor. Im oberen Teil ist daher die Dichte der Lösung viel geringer als im unteren Teil. Die DNA-Probe, die mitzentrifugiert wird, wandert nun innerhalb des Röhrchens zu der Cäsiumchlorid-Lösung gleicher Dichte. Zuletzt wird die DNA unter UV-Licht sichtbar gemacht. Sie absorbiert UV-Strahlen. Was beobachteten die beiden Forscher und zu welchem Ergebnis kamen sie? Bei einer Zentrifugation der DNA, die entnommen wurde, bevor die Bakterien auf das 14 N Nährmedium verpflanzt werden, bildete sich nur eine DNA-Bande im unteren Teil des Röhrchens. Die DNA enthielt also ausschließlich 15 N-Isotope. Bei der Zentrifugation der nach zwanzig Minuten entnommen DNA war wieder nur eine DNA-Bande vorhanden. Da sie sich in der Mitte des Röhrchens befand, noch unter der üblichen Position der reinen 14 N-DNA, schlossen Meselson und Stahl, dass die DNA nun mittelschwer sei. Dies widersprach bereits der Theorie der konservativen Replikation. Bei dieser wären zwei Banden, eine unten und eine oben, in Höhe der normalen 14 N-DNA entstanden. Die letzte nach vierzig Minuten entnommene Probe, lieferte zwei Banden nach der Zentrifugation, eine obere und eine in der Mitte. Die Hälfte der DNA ist also leicht, die andere Hälfte mittelschwer. Somit wird die DNA semikonservativ repliziert, wobei immer ein alter Strang als Vorlage für den neuen Strang dient. Hier kannst du noch einmal die Replikation nachvollziehen. Nach der ersten Teilung enthält die DNA einen alten und einen neuen, also je einen schweren und einen leichten DNA-Strang. Im Nährmedium liegen aber nur 14 N-DNA-Bausteine vor. Im Laufe der zweiten Teilung werden die schweren Stränge daher erneut zu gemischter DNA repliziert. Die leichten DNA-Stränge, die nur 14 N-Isotope eingebaut haben, werden jedoch ganz normal zu leichten Strängen repliziert. Findet eine disperse Replikation statt, würde sich wieder nur eine gemischte Bande bilden, die die mittelschwere DNA repräsentierte. Fassen wir noch einmal zusammen: Man unterscheidet die Theorien der semikonservativen, der konservativen und der dispersen DNA-Replikation. Meselson und Stahl entwickelten 1957 ein Experiment, das die Theorie der semikonservativen Replikation stützt. Sie nährten Bakterien erst in einer Kulturflüssigkeit mit 15 N-, dann in einer mit 14 N-Isotopen. Nach null, zwanzig und vierzig Minuten extrahierten sie DNA, die sie mit einer Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation und unter UV-Licht untersuchten. Dabei zeigte sich, dass die DNA nach der ersten Teilung mittelschwer, nach der zweiten zur Hälfte mittelschwer und zur anderen leicht war. Daraus schlossen die Forscher, dass DNA semikonservativ repliziert wird. Ich hoffe du hast viel gelernt. Tschüss!

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Meselson und Stahl – Replikation der DNA Übung

Schildere den versuchsaufbau von meselson und stahl..

Als Erstes mussten die Forscher die alte DNA „markieren“, um sie später von der neuen DNA unterscheiden zu können. Dabei half ihnen das schwere ¹⁵N-Stickstoffisotop. Dieses ¹⁵N-Stickstoffisotop hat eine höhere Dichte als das normalerweise verbaute ¹⁴N-Stickstoffisotop. Dies half den beiden Forschern, die neue DNA von der alten DNA zu unterscheiden.

Zuerst wurden E.coli-Bakterien in einem Nährmedium mit dem schweren ¹⁵N-Stickstoffisotop vermehrt. Bei der Replikation bauten die Bakterien diesen Stickstoff in die organischen Basen ihrer DNA ein. Die DNA enthielt in diesem Stadium nur schwere ¹⁵N/¹⁵N-Stickstoffisotope.

Anschließend wurden die Bakterien auf ein Nährmedium verpflanzt, das nur das leichte ¹⁴N-Stickstoffisotop enthielt. Für die erneute Verdopplung der DNA mussten die Bakterien also das ¹⁴N-Stickstoffisotop verwenden.

Nach 20 Minuten wurden das erste Mal Zellen entnommen . Diese Dauer entspricht einer Zellteilung. Die entnommene DNA wurde zuerst extrahiert und gereinigt, bevor sie zentrifugiert wurde. Zu diesem Zeitpunkt gab es eine mittelschwere DNA-Bande, die ¹⁴N/¹⁵N-Stickstoffisotope enthielt .

Nach 40 Minuten , also genau nach zwei Zellteilungen, wurde dieser Vorgang wiederholt. Nun waren 2 DNA-Banden vorhanden . Eine DNA-Bande war leicht und enthielt ausschließlich ¹⁴N-Isotope . Die andere DNA-Bande war mittelschwer und enthielt ¹⁴N/¹⁵N-Stickstoffisotope .

Fasse zusammen, welche DNA Meselson und Stahl bei den einzelnen Versuchsschritten vorgefunden haben.

Da die Bakterien zu Beginn des Versuchs auf ein Nährmedium mit einem schweren Stickstoff-Isotop gesetzt wurden, bauten sie dieses schwere Stickstoff in ihre Zellen ein. Die Dichte der DNA ist deshalb zu Beginn des Versuchs am höchsten.

Von Schritt zu Schritt teilt sich die DNA weiter. In einem Röhrchen können also je nach Teilungsschritt auch mehrere DNA-Banden vorhanden sein. Diese können unterschiedlich schwer sein.

Nach 0 Minuten: Bevor die Bakterien auf das ¹⁴N-Nährmedium gesetzt wurden, war nach der Zentrifugation im Röhrchen nur eine DNA-Bande vorhanden. Da die DNA nur schwere ¹⁵N/¹⁵N-Stickstoff-Isotope enthielt, sank die Bande auf den Boden des Röhrchens.

Nach 20 Minuten: Nach der ersten Zellteilung war wieder nur eine DNA-Bande vorhanden. Sie befand sich in der Mitte des Röhrchens, noch unter der üblichen Position der reinen ¹⁴N-DNA. Daraus leiteten die Forscher ab, dass jeweils ein leichter und ein schwerer DNA-Strang vorhanden war. Deshalb schwebte die daraus zusammengesetzte mittelschwere DNA-Bande in der Mitte des Röhrchens .

Nach 40 Minuten: Nach zwei Zellteilungen waren dann zwei DNA-Banden vorhanden. Eine schwebte oben und eine in der Mitte des Röhrchens. Die eine Hälfte der DNA war also leicht, die andere Hälfte mittelschwer .

Prüfe, wie die Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation funktioniert.

Stell dir vor, Asterix und Obelix wollen einen Bootsausflug machen. Leider kommen sie nicht weit, da eine Seite viel tiefer im Wasser liegt und dadurch Wasser ins Boot läuft. Wer sitzt wohl auf dieser Seite?

Bei der Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation passiert etwas Ähnliches. Die schweren Teilchen sinken nach unten, während die leichten Teilchen oben schweben.

Diese Aussagen stimmen:

Die Cäsiumkationen und Chloridanionen des Cäsiumchlorids sind in einer Lösung frei beweglich und können deshalb an verschiedene Stellen innerhalb der Lösung wandern.

In der Zentrifuge herrscht ein starkes, künstliches Schwerefeld vor.

Die zentrifugierte DNA wandert im Röhrchen zu der Cäsiumchloridlösung gleicher Dichte.

Diese Aussagen stimmen nicht:

Die Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation ist eine Trennmethode, die verschiedene Stoffe nach ihrem Durchmesser trennt. (Richtig wäre: Es ist eine Trennmethode, die Stoffe nach ihrer unterschiedlichen Dichte trennt.)

Im oberen Teil der Lösung ist die Dichte höher als im unteren Teil der Lösung. Deshalb schweben die schweren Teilchen oben, während die leichten Teilchen auf den Boden absinken. (Richtig wäre: Im oberen Teil der Lösung ist die Dichte geringer als im unteren Teil. Deshalb schweben die leichten Teile oben , während die schweren Teilchen auf den Boden absinken.

Analysiere, warum die DNA weder konservativ noch dispers repliziert wird.

Bei der Theorie der konservativen Replikation ging man davon aus, dass die alte, schwere DNA bestehen bleibt und eine komplett neue, leichte DNA gebildet wird.

Nach dem zweiten Replikationszyklus enthielt ein Teil der DNA ausschließlich die leichteren ¹⁴N-Stickstoffisotope. Der andere Teil enthielt ein Gemisch aus ¹⁴N/¹⁵N-Isotopen.

Geht man von der dispersen Theorie aus, würde die alte DNA zerteilt und in die neue DNA wieder eingebaut werden. Die komplette neue DNA würde also aus ¹⁴N/¹⁵N-Stickstoffisotopen bestehen.

Nach einem Replikationszyklus:

Bei der konservativen Replikation gäbe es eine schwere und eine leichte DNA-Bande.

Bei der dispersen Replikation gäbe es nur mittelschwere DNA-Banden. Alle DNA-Stränge bestünden zum Teil aus schwerer und zum Teil aus leichter DNA.

Bei der semikonservativen Replikation gäbe es ebenfalls nur mittelschwere DNA.

Da Meselson und Stahl zu diesem Zeitpunkt tatsächlich nur mittelschwere DNA vorgefunden haben, konnten sie die Theorie der konservativen Replikation bereits ausschließen .

Nach zwei Replikationszyklen:

Bei der konservativen Replikation gäbe es wieder eine schwere und eine leichte DNA-Bande. Diese Theorie konnte ja aber bereits ausgeschlossen werden.

Bei der dispersen Replikation hätten wir nur eine Bande, die zwischen der leichten DNA und der mittelschweren DNA liegen würde. Alle DNA-Stränge bestünden zum Teil aus schwerer und zum Teil aus leichter DNA, die leichte DNA würde aber überwiegen.

Meselson und Stahl erhielten nach der zweiten Zellteilung allerdings zwei Banden, eine leichte und eine mittelschwere. Somit konnten die Forscher zeigen, dass nur noch die semikonservative Replikation in Betracht kam.

Stelle dar, wie die verdoppelte DNA bei den drei beschriebenen Theorien aussehen müsste.

Wenn eine Person konservativ eingestellt ist, hält diese Person an etwas Altherbegrachtem fest. Das Alte soll also bestehen bleiben. Auch bei der konservativen Theorie der DNA-Replikation bleibt die alte Mutter-DNA komplett bestehen und es wird eine komplett neue Tochter-DNA hergestellt.

„Semi“ bedeutet teilweise. Bei der semikonservativen Theorie bleibt die alte DNA also teilweise bestehen. Der andere Teil besteht aus neu hergestellter DNA.

„Dispers“ bedeutet zerstreut oder fein verteilt. Bei der dispersen Theorie der DNA-Replikation wird die alte DNA verteilt und mit neuer DNA zusammengefügt.

Unabhängig davon, von welcher Theorie wir ausgehen, benötigen wir vor der Verdopplung der DNA die vorhandene Mutter-DNA.

1953 hatten die beiden Forscher Watson und Crick ihre Theorie der semikonservativen Replikation der DNA vorgestellt. In diesem Modell besteht jeder DNA-Strang aus einem neuen und einem alten Strang.

Die Theorie der konservativen Replikation sieht vor, dass von der doppelsträngigen Mutter-DNA eine komplette Kopie angefertigt wird. Die alte Mutter-DNA bleibt bestehen und eine komplett neue Tochter-DNA wird gebildet.

Bei der Theorie der dispersen Replikation zerfallen die Mutter-DNA-Stränge in Bruchstücke. Sie werden mit neuen Fragmenten vermischt und später wieder zusammengesetzt. Die neu generierte DNA enthält also sowohl Bruchstücke der Mutter-DNA als auch der Tochter-DNA.

Skizziere, wie die Replikation der DNA abläuft.

Komplementär bedeutet, dass zwei Dinge zwar gegensätzlich sind, sich aber genau ergänzen. So wissen die Polymerasen genau, welche Base sie als nächstes in den neuen Strang einbauen müssen.

Elongation bedeutet Verlängerung. In dieser Phase wird der neue DNA-Strang verlängert, indem die Basen komplementär aneinandergesetzt werden.

Bei der DNA-Replikation werden die Erbinformationen in einer Zelle verdoppelt. Diese Verdopplung findet vor der Teilung der Zelle statt. Die Replikation ist notwendig, um beiden Tochterzellen die exakt gleiche Erbinformation mitgeben zu können.

Wie du bereits gelernt hast, erfolgt die Vervielfältigung semikonservativ . Der ursprüngliche DNA-Doppelstrang wird in seine Einzelstränge getrennt, an denen dann jeweils neue Stränge gebildet werden. Die Bildung der neuen Stränge erfolgt komplementär . Das bedeutet, dass sich jede der vier DNA-Basen mit nur einem passenden Partner verbinden kann. Adenin bildet ein Paar mit Thymin , Guanin mit Cytosin .

Der Ablauf der Replikation lässt sich in mehrere Phasen unterteilen:

In der Initiationsphase wird die Replikation angestoßen. Die DNA-Doppelhelix wird an einer bestimmten Stelle aufgebrochen. Bestimmte Enzyme, sogenannte Polymerasen , können nun an der aufgebrochenen DNA anlagern.

In der Elongationsphase findet die eigentliche Vervielfältigung statt. Die beiden Stränge werden zeitgleich komplementär synthetisiert . Dazu verknüpfen die Polymerasen die passenden DNA-Basen miteinander.

In der Terminationsphase stoppt die Polymerase mit der Replikation, sobald der DNA-Strang zu Ende ist.

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Meselson und Stahl – Replikation der DNA

Entdecke das Meselson-Stahl-Experiment, das die Art und Weise, wie DNA repliziert wird, entschlüsselte. Lerne, wie die Wissenschaftler 1958 die semikonservative DNA-Replikation bewiesen, bei der jede neue DNA aus einem alten und einem neuen Strang besteht. Tauche tiefer in die Details des Experiments ein und verstärke dein Wissen durch interaktive Übungen. Bist du bereit, mehr zu erfahren? Dann erkunde jetzt die spannenden Ergebnisse und ihre Bedeutung!

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Griffith – Transformation bei Bakterien

Avery – DNA als Träger der Erbinformation

Hershey und Chase – Erbinformation bei Viren

Um die Replikation der DNA – also die Vervielfältigung der DNA – zu verstehen, ist ihre räumliche Struktur nicht ganz unwichtig. Vielleicht hast du bereits im Biologieunterricht von den beiden Wissenschaftlern Watson und Crick gehört. Sie konnten 1953 zeigen, dass die DNA eine Doppelhelix ist. Sie stellten auch die Theorie auf, dass die DNA semikonservativ repliziert wird. Dabei vermuteten sie, dass die DNA-Doppelhelix zunächst aufgetrennt wird und zu den beiden Einzelsträngen jeweils die sogenannten komplementären DNA-Stränge gebildet werden. 1958 konnten Meselson und Stahl zeigen, dass das stimmt.

Im folgenden Text findest du das Meselson-Stahl-Experiment einfach erklärt. Du erfährst, wer Meselson und Stahl waren und was sie genau herausfinden wollten. Wir zeigen dir, welche unterschiedlichen Hypothesen im Meselson-Stahl-Experiment untersucht wurden und welche schließlich bestätigt werden konnten.

Die zwei amerikanischen Wissenschaftler Matthew Meselson und Franklin William Stahl konnten in ihrem Experiment zeigen, dass die Vermutung von Watson und Crick, dass die DNA-Replikation semikonservativ verläuft, stimmt. Dazu untersuchten sie in ihrem Experiment drei unterschiedliche Theorien:

Welches Ziel verfolgten Meselson und Stahl nun in ihrem Experiment? Und wie führten die Wissenschaftler den Nachweis durch, welche der drei Theorien nun die richtige ist? Damit du den Ablauf des Meselson-Stahl-Experiments genau nachvollziehen kannst, erklären wir dir im Folgenden alles Schritt für Schritt.

Für ihren Versuch nutzten die Wissenschaftler Escherichia-coli-Bakterien ( E. coli ). Die Nutzung der Bakterien E. coli beruht darauf, dass sie sich ziemlich einfach züchten lassen. E . coli teilt sich alle zwanzig Minuten, ist nicht pathogen und es besitzt mit 4,6 Millionen Basenpaaren ein ziemlich kleines Genom. Aus diesem Grund avancierte es um 1950 zu einem wichtigen Modellorganismus für genetische Studien. Auch der Mechanismus der DNA-Replikation ist bei Bakterien und eukaryotischen Zellen sehr ähnlich. Dabei ist es außerdem viel einfacher, eine Bakterienzelle genetisch zu manipulieren als eine menschliche Zelle. Auch heute noch ist die Verwendung von Bakterien in der genetischen Forschung weitverbreitet.

Zurück zum Experiment: Meselson und Stahl kultivierten E. coli zuerst auf einem Nährmedium, das das schwere Stickstoff isotop $^{15}\ce{N}$ enthielt. Dieses Stickstoffisotop bauten die Bakterien während des Wachstums in ihre DNA, genauer gesagt in die organischen Basen ihrer DNA, ein. Die Desoxyribonukleinsäure (DNA) ist ein langes Kettenmolekül aus vielen Bausteinen, die man Nukleotide nennt. Bestandteil der Nukleotide sind die Nukleinbasen (Guanin, Cytosin, Thymin und Adenin), die alle Stickstoffatome enthalten. An dieser Stelle erfolgt der Einbau der Stickstoffisotope. Die so erhaltene Kultur kultivierten Meselson und Stahl dann zuerst für ca. 20 Minuten (Verdopplungszeit von E. coli ) und dann für weitere 20 Minuten auf einem Medium, das das leichtere Stickstoffisotop $^{14}\ce{N}$ enthielt.

Da $^{15}\ce{N}$ eine höhere Dichte als $^{14}\ce{N}$ besitzt, war die DNA der ersten Probe insgesamt schwerer als die der zweiten. Im dritten Schritt wurde die Probe nach etwa 40 Minuten, also einer weiteren Verdopplungsphase auf $^{14}\ce{N}$-Nährmedium, untersucht. Alle drei Proben wurden mittels der Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation aufgetrennt. Bei einer Gleichgewichtszentrifugation sammeln sich die zu isolierenden Substanzen aufgrund ihrer Schwebedichten in bestimmten Dichtezonen der zentrifugierten Lösungen an, da sie dort in einem Schwebegleichgewicht stehen. Gibt man extrahierte DNA dazu, wandert diese an die Stelle gleicher Dichte der Lösung im Reagenzglas. Somit können DNA-Moleküle unterschiedlicher Dichte getrennt werden und anschließend unter UV-Licht sichtbar gemacht werden. Nun kommen wir zu den Beobachtungen im Meselson-Stahl-Experiment:

Erste Probe : Nach Wachstum der Kultur auf dem $^{15}\ce{N}$-Nährmedium befindet sich nach der Zentrifugation nur eine schwere DNA-Bande im unteren Teil des Reagenzglases. Dies macht Sinn, da die Bakterien bisher ja auch nur auf dem $^{15}\ce{N}$-Nährmedium wuchsen. Die DNA-Probe enthält also auch nur das Stickstoffisotop $^{15}\ce{N}$.

Zweite Probe : Nach 20-minütigem Wachstum (eine Verdopplungszeit) der Kultur auf dem $^{14}\ce{N}$ Nährmedium wird nur eine mittelschwere DNA-Bande in der Mitte des Reagenzglases gefunden. Das bedeutet, dass die konservative Replikation nun schon ausgeschlossen werden kann, da sich bei dieser Form der Replikation zwei Banden gebildet hätten. Eine bei $^{15}\ce{N}$ und eine bei $^{14}\ce{N}$.

Dritte Probe : Nach weiteren 20 Minuten der Bakterienvermehrung (zweite Verdopplungsphase) auf dem $^{14}\ce{N}$-Nährmedium bildeten sich nach der Zentrifugation zwei Banden. Eine leichte im oberen Bereich des Reagenzglases und eine mittelschwere in der Mitte des Reagenzglases. Somit konnte eine dispersive Replikation ebenfalls ausgeschlossen werden, da sich in diesem Fall nur eine Bande hätte bilden dürfen. Die DNA-Probe enthält jedoch alte, schwere und neue, leichte DNA-Stränge. Die leichten DNA-Stränge werden auf $^{14}\ce{N}$-Nährmedium wiederum zu leichten DNA-Strängen repliziert. Die schweren Stränge werden zu mittelschwerer DNA repliziert. Damit steht fest, dass die DNA semikonservativ repliziert wird.

Vielleicht erscheint dir das jetzt alles etwas verwirrend. Aber keine Angst, in der folgenden Grafik findest du den Ablauf und die Ergebnisse des Meselson-Stahl-Experiments übersichtlich und einfach zusammengefasst.

Das Meselson-Stahl-Experiment zeigt, dass es sich bei der DNA-Replikation um eine semikonservative DNA-Replikation handelt. Eine konservative oder disperse Vervielfältigung der DNA findet also nicht statt. Bei der semikonservativen DNA-Replikation wird immer ein alter Strang als Vorlage für den neuen Strang genutzt.

Nach der Entschlüsselung der räumlichen DNA-Struktur als Doppelhelix durch Watson und Crick 1953 wurden drei unterschiedliche Theorien für die DNA-Replikation diskutiert: die semikonservative, die konservative und die disperse DNA-Replikation. Meselson und Stahl konnten 1958 in ihrem Experiment zeigen, dass die Theorie der semikonservativen DNA-Replikation zutrifft.

Auch zu den Experimenten von Meselson und Stahl haben wir einige interaktive Übungen und Arbeitsblätter vorbereitet. Du kannst dein neu gewonnenes Wissen also direkt testen. Viel Spaß!

Hallo! Noch unter 30 waren zwei US-amerikanische Genetiker, als ihnen ein Versuch gelang, der sie weltberühmt machen sollte. Sie versuchten die Vorgänge bei der Vervielfältigung der DNA aufzudecken. In diesem Video geht es um Versuche mit Bakterien von Meselson und Stahl. Wir werden uns die drei Theorien zur Replikation der DNA anschauen und das entscheidende Experiment zur Lösung des Rätsels nachvollziehen. Dazu schauen wir uns den Versuchsaufbau, Beobachtung und die Erklärung der Ergebnisse an. Dabei wird auf die Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation und die DNA-Visualisierung mit UV-Licht eingegangen. Beginnen wir mit den drei Theorien zur Struktur der DNA, die noch in den Fünfzigern gleichwertig kursierten. Wie du schon weißt, muss die DNA nach der Teilung verdoppelt werden, damit zwei funktionsfähige Zellen entstehen. Die alten Stränge dienen dabei immer als Matrize, da sich Basen komplementär anlagern: Adenin an Thymin, Guanin an Cytosin und umgekehrt. 1953 hatten Watson und Crick bereits ihr Modell der semikonservativen Replikation der DNA vorgestellt. Das heißt, jeder DNA-Strang besteht aus einem neuen und einem alten Strang. Dem gegenüber steht ein zweites Modell, das der konservativen Replikation. Dieses sieht vor, dass von der doppelsträngigen DNA eine komplette Kopie angefertigt wird. Die alte DNA bleibt bestehen und eine komplett neue wird gebildet. Die dritte Theorie geht von einer dispersen Replikation aus. Die DNA-Stränge zerfallen in Bruchstücke, werden mit neuen DNA-Fragmenten vermischt und später wieder zusammengesetzt. Doch wie kann man nun nachweisen, ob DNA konservativ, semikonservativ oder dispers repliziert wird? Der Durchbruch kam 1957 mit den Experimenten mit Matthew Meselson und Frank Stahl. Im Versuchsaufbau verwendeten sie Escherichia coli-Bakterien. Sie ließen sie sich auf einem Nährmedium vermehren, das nur das schwere Stickstoffisotop 15 N statt das in der Umwelt vorkommende, leichtere Isotop 14 N enthielt. Bei der Replikation bauten die Bakterien 15 N in die organischen Basen ihrer DNA ein. Da 15 N eine höhere Dichte hat als 14 N, war die DNA nun insgesamt schwerer als gewöhnlich. Im zweiten Schritt wurden die Bakterien auf ein Nährmedium verpflanzt, das nur das leichte 14 N enthielt. Nach exakt zwanzig Minuten, also der Dauer einer Teilung, wurden Zellen entnommen. Deren DNA wurde extrahiert und gereinigt. Nach insgesamt 40 Minuten, also nach zwei Teilungen, wurde dieser Vorgang wiederholt. Für den letzten Schritt nutzten Meselson und Stahl die Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation. Das ist eine Trennmethode, die verschiedene Stoffe nach ihrer Dichte trennt. Grundlage dessen ist die Eigenschaft von Teilchen sich in einer Lösung gemäß ihrer Dichte zu positionieren, also abzusinken oder zu schweben. In der Zentrifuge herrscht nun ein starkes, künstliches Schwerefeld vor. Im oberen Teil ist daher die Dichte der Lösung viel geringer als im unteren Teil. Die DNA-Probe, die mitzentrifugiert wird, wandert nun innerhalb des Röhrchens zu der Cäsiumchlorid-Lösung gleicher Dichte. Zuletzt wird die DNA unter UV-Licht sichtbar gemacht. Sie absorbiert UV-Strahlen. Was beobachteten die beiden Forscher und zu welchem Ergebnis kamen sie? Bei einer Zentrifugation der DNA, die entnommen wurde, bevor die Bakterien auf das 14 N Nährmedium verpflanzt werden, bildete sich nur eine DNA-Bande im unteren Teil des Röhrchens. Die DNA enthielt also ausschließlich 15 N-Isotope. Bei der Zentrifugation der nach zwanzig Minuten entnommen DNA war wieder nur eine DNA-Bande vorhanden. Da sie sich in der Mitte des Röhrchens befand, noch unter der üblichen Position der reinen 14 N-DNA, schlossen Meselson und Stahl, dass die DNA nun mittelschwer sei. Dies widersprach bereits der Theorie der konservativen Replikation. Bei dieser wären zwei Banden, eine unten und eine oben, in Höhe der normalen 14 N-DNA entstanden. Die letzte nach vierzig Minuten entnommene Probe, lieferte zwei Banden nach der Zentrifugation, eine obere und eine in der Mitte. Die Hälfte der DNA ist also leicht, die andere Hälfte mittelschwer. Somit wird die DNA semikonservativ repliziert, wobei immer ein alter Strang als Vorlage für den neuen Strang dient. Hier kannst du noch einmal die Replikation nachvollziehen. Nach der ersten Teilung enthält die DNA einen alten und einen neuen, also je einen schweren und einen leichten DNA-Strang. Im Nährmedium liegen aber nur 14 N-DNA-Bausteine vor. Im Laufe der zweiten Teilung werden die schweren Stränge daher erneut zu gemischter DNA repliziert. Die leichten DNA-Stränge, die nur 14 N-Isotope eingebaut haben, werden jedoch ganz normal zu leichten Strängen repliziert. Findet eine disperse Replikation statt, würde sich wieder nur eine gemischte Bande bilden, die die mittelschwere DNA repräsentierte. Fassen wir noch einmal zusammen: Man unterscheidet die Theorien der semikonservativen, der konservativen und der dispersen DNA-Replikation. Meselson und Stahl entwickelten 1957 ein Experiment, das die Theorie der semikonservativen Replikation stützt. Sie nährten Bakterien erst in einer Kulturflüssigkeit mit 15 N-, dann in einer mit 14 N-Isotopen. Nach null, zwanzig und vierzig Minuten extrahierten sie DNA, die sie mit einer Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation und unter UV-Licht untersuchten. Dabei zeigte sich, dass die DNA nach der ersten Teilung mittelschwer, nach der zweiten zur Hälfte mittelschwer und zur anderen leicht war. Daraus schlossen die Forscher, dass DNA semikonservativ repliziert wird. Ich hoffe du hast viel gelernt. Tschüss!

sehr einfach und anschaulich erklärt

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Meselson und Stahl – Replikation der DNA Übung

Schildere den versuchsaufbau von meselson und stahl..

Als Erstes mussten die Forscher die alte DNA „markieren“, um sie später von der neuen DNA unterscheiden zu können. Dabei half ihnen das schwere ¹⁵N-Stickstoffisotop. Dieses ¹⁵N-Stickstoffisotop hat eine höhere Dichte als das normalerweise verbaute ¹⁴N-Stickstoffisotop. Dies half den beiden Forschern, die neue DNA von der alten DNA zu unterscheiden.

Zuerst wurden E.coli-Bakterien in einem Nährmedium mit dem schweren ¹⁵N-Stickstoffisotop vermehrt. Bei der Replikation bauten die Bakterien diesen Stickstoff in die organischen Basen ihrer DNA ein. Die DNA enthielt in diesem Stadium nur schwere ¹⁵N/¹⁵N-Stickstoffisotope.

Anschließend wurden die Bakterien auf ein Nährmedium verpflanzt, das nur das leichte ¹⁴N-Stickstoffisotop enthielt. Für die erneute Verdopplung der DNA mussten die Bakterien also das ¹⁴N-Stickstoffisotop verwenden.

Nach 20 Minuten wurden das erste Mal Zellen entnommen . Diese Dauer entspricht einer Zellteilung. Die entnommene DNA wurde zuerst extrahiert und gereinigt, bevor sie zentrifugiert wurde. Zu diesem Zeitpunkt gab es eine mittelschwere DNA-Bande, die ¹⁴N/¹⁵N-Stickstoffisotope enthielt .

Nach 40 Minuten , also genau nach zwei Zellteilungen, wurde dieser Vorgang wiederholt. Nun waren 2 DNA-Banden vorhanden . Eine DNA-Bande war leicht und enthielt ausschließlich ¹⁴N-Isotope . Die andere DNA-Bande war mittelschwer und enthielt ¹⁴N/¹⁵N-Stickstoffisotope .

Fasse zusammen, welche DNA Meselson und Stahl bei den einzelnen Versuchsschritten vorgefunden haben.

Da die Bakterien zu Beginn des Versuchs auf ein Nährmedium mit einem schweren Stickstoff-Isotop gesetzt wurden, bauten sie dieses schwere Stickstoff in ihre Zellen ein. Die Dichte der DNA ist deshalb zu Beginn des Versuchs am höchsten.

Von Schritt zu Schritt teilt sich die DNA weiter. In einem Röhrchen können also je nach Teilungsschritt auch mehrere DNA-Banden vorhanden sein. Diese können unterschiedlich schwer sein.

Nach 0 Minuten: Bevor die Bakterien auf das ¹⁴N-Nährmedium gesetzt wurden, war nach der Zentrifugation im Röhrchen nur eine DNA-Bande vorhanden. Da die DNA nur schwere ¹⁵N/¹⁵N-Stickstoff-Isotope enthielt, sank die Bande auf den Boden des Röhrchens.

Nach 20 Minuten: Nach der ersten Zellteilung war wieder nur eine DNA-Bande vorhanden. Sie befand sich in der Mitte des Röhrchens, noch unter der üblichen Position der reinen ¹⁴N-DNA. Daraus leiteten die Forscher ab, dass jeweils ein leichter und ein schwerer DNA-Strang vorhanden war. Deshalb schwebte die daraus zusammengesetzte mittelschwere DNA-Bande in der Mitte des Röhrchens .

Nach 40 Minuten: Nach zwei Zellteilungen waren dann zwei DNA-Banden vorhanden. Eine schwebte oben und eine in der Mitte des Röhrchens. Die eine Hälfte der DNA war also leicht, die andere Hälfte mittelschwer .

Prüfe, wie die Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation funktioniert.

Stell dir vor, Asterix und Obelix wollen einen Bootsausflug machen. Leider kommen sie nicht weit, da eine Seite viel tiefer im Wasser liegt und dadurch Wasser ins Boot läuft. Wer sitzt wohl auf dieser Seite?

Bei der Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation passiert etwas Ähnliches. Die schweren Teilchen sinken nach unten, während die leichten Teilchen oben schweben.

Diese Aussagen stimmen:

Die Cäsiumkationen und Chloridanionen des Cäsiumchlorids sind in einer Lösung frei beweglich und können deshalb an verschiedene Stellen innerhalb der Lösung wandern.

In der Zentrifuge herrscht ein starkes, künstliches Schwerefeld vor.

Die zentrifugierte DNA wandert im Röhrchen zu der Cäsiumchloridlösung gleicher Dichte.

Diese Aussagen stimmen nicht:

Die Cäsiumchlorid-Gleichgewichtszentrifugation ist eine Trennmethode, die verschiedene Stoffe nach ihrem Durchmesser trennt. (Richtig wäre: Es ist eine Trennmethode, die Stoffe nach ihrer unterschiedlichen Dichte trennt.)

Im oberen Teil der Lösung ist die Dichte höher als im unteren Teil der Lösung. Deshalb schweben die schweren Teilchen oben, während die leichten Teilchen auf den Boden absinken. (Richtig wäre: Im oberen Teil der Lösung ist die Dichte geringer als im unteren Teil. Deshalb schweben die leichten Teile oben , während die schweren Teilchen auf den Boden absinken.

Analysiere, warum die DNA weder konservativ noch dispers repliziert wird.

Bei der Theorie der konservativen Replikation ging man davon aus, dass die alte, schwere DNA bestehen bleibt und eine komplett neue, leichte DNA gebildet wird.

Nach dem zweiten Replikationszyklus enthielt ein Teil der DNA ausschließlich die leichteren ¹⁴N-Stickstoffisotope. Der andere Teil enthielt ein Gemisch aus ¹⁴N/¹⁵N-Isotopen.

Geht man von der dispersen Theorie aus, würde die alte DNA zerteilt und in die neue DNA wieder eingebaut werden. Die komplette neue DNA würde also aus ¹⁴N/¹⁵N-Stickstoffisotopen bestehen.

Nach einem Replikationszyklus:

Bei der konservativen Replikation gäbe es eine schwere und eine leichte DNA-Bande.

Bei der dispersen Replikation gäbe es nur mittelschwere DNA-Banden. Alle DNA-Stränge bestünden zum Teil aus schwerer und zum Teil aus leichter DNA.

Bei der semikonservativen Replikation gäbe es ebenfalls nur mittelschwere DNA.

Da Meselson und Stahl zu diesem Zeitpunkt tatsächlich nur mittelschwere DNA vorgefunden haben, konnten sie die Theorie der konservativen Replikation bereits ausschließen .

Nach zwei Replikationszyklen:

Bei der konservativen Replikation gäbe es wieder eine schwere und eine leichte DNA-Bande. Diese Theorie konnte ja aber bereits ausgeschlossen werden.

Bei der dispersen Replikation hätten wir nur eine Bande, die zwischen der leichten DNA und der mittelschweren DNA liegen würde. Alle DNA-Stränge bestünden zum Teil aus schwerer und zum Teil aus leichter DNA, die leichte DNA würde aber überwiegen.

Meselson und Stahl erhielten nach der zweiten Zellteilung allerdings zwei Banden, eine leichte und eine mittelschwere. Somit konnten die Forscher zeigen, dass nur noch die semikonservative Replikation in Betracht kam.

Stelle dar, wie die verdoppelte DNA bei den drei beschriebenen Theorien aussehen müsste.

Wenn eine Person konservativ eingestellt ist, hält diese Person an etwas Altherbegrachtem fest. Das Alte soll also bestehen bleiben. Auch bei der konservativen Theorie der DNA-Replikation bleibt die alte Mutter-DNA komplett bestehen und es wird eine komplett neue Tochter-DNA hergestellt.

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