Avery – DNA als Träger der Erbinformation

Avery – DNA als Träger der Erbinformation Übung

• Beschreibe den Versuch, den Frederick Griffith im Jahre 1928 durchgeführt hat.

  Tipps

  Der S-Stamm der Bakteriengattung Pneumococcus ist pathogen, also krankheitserregend. Der R-Stamm ist nicht pathogen.

  Im dritten Bild siehst du, wie Griffith der Labormaus hitzeabgetötete Bakterien des S-Stammes injizierte. Diese können sich nicht mehr vermehren und haben eine zerstörte Schleimkapsel, durch die die Zellen des S-Stammes normalerweise vor den Immunzellen des Wirtes geschützt werden.
  Kannst du dir nun denken, ob die Maus aufgrund der Injektion stirbt oder gesund bleibt?

  Lösung

  Griffith experimentierte mit zwei Stämmen der Bakteriengattung Pneumococcus: dem krankheitserregenden S-Stamm und dem nicht pathogenen R-Stamm. Die Bakterien des S-Stammes umgibt eine Schleimkapsel.

  Als Griffith seinen Labormäusen den pathogenen S-Stamm injizierte, starben die Mäuse.

  Enthielt die Injektion den ungefährlichen R-Stamm, blieben sie gesund. Auch die hitzeabgetöteten Bakterien des S-Stammes stellten keine Gefahr für die Mäuse dar.

  Kombinierte Griffith in einer Injektion Zellen des R-Stammes mit abgetöteten Zellen des S-Stammes, starben die Mäuse – obwohl die Injektionen einzeln keine Krankheit bei den Labormäusen auslösten.

  Griffith formulierte anhand dieses überraschenden Ergebnisses das transformierende Prinzip: Die Information zur Bildung der Schleimkapsel muss von den abgetöteten S-Bakterien auf die R-Bakterien übertragen worden sein, sodass die R-Bakterien nun die schützende Schleimkapsel ausbilden und die Mäuse infizieren konnten.
  Die Übertragung von genetischer Information durch isolierte (freie) DNA wird als Transformation bezeichnet.

• Stelle die Versuche von Avery dar, bei denen er die Pneumococcus-Versuche von Griffith wiederaufnahm.

  Tipps

  Durch Beimengen der Enzyme wurden Bestandteile des Homogenisats abgebaut, so z. B. RNA durch Ribonuclease.

  Lösung

  Um herauszufinden, welche „Substanz“ für das transformierende Prinzip verantwortlich ist, führte Oswald Avery mit seinen Mitarbeitern folgende Versuche durch.

  Zuerst wurde ein Homogenisat (Zellbrei) aus hitzeabgetöteten Zellen des S-Stammes der Bakteriengattung Pneumococcus hergestellt. Die Bakterien wurden aufgebrochen und das Homogenisat enthielt somit alle Bestandteile der Bakterien. Es wurden Kohlenhydrate und Lipide (Fette) entfernt.

  Dem Homogenisat wurden Bakterienzellen des R-Stammes beigemengt sowie Enzyme, die jeweils eine der drei infrage kommenden „Substanzen“ (Proteine, DNA, RNA) abbauten. Anschließend wurde das Gemisch in Mäuse injiziert. Sind diese gestorben, hat eine Transformation stattgefunden. Blieben sie dagegen gesund, konnte man darauf schließen, welche „Substanz“ für das transformierende Prinzip verantwortlich ist.

  Folgende Beobachtungen konnte Avery feststellen:
  Homogenisat + R-Bakterien - Proteine $=$ tote Maus
  Homogenisat + R-Bakterien - RNA $=$ tote Maus
  Homogenisat + R-Bakterien - DNA $=$ lebende Maus

  Bei der Beisetzung von Protease (baut Proteine ab) bzw. Ribonuclease (baut RNA ab) sind die Mäuse also gestorben. Somit konnten Proteine bzw. RNA nicht als Träger der Erbinformation infrage kommen, da trotzdem eine Transformation stattgefunden hat.

  Ohne DNA (Beimengen von Desoxyribonuclease) sind die Mäuse gesund geblieben. Die ungefährlichen R-Bakterien haben also nicht die Information zur Bildung einer Schleimkapsel erhalten. Dies war ein starkes Indiz dafür, dass DNA der Träger der Erbinformation sein muss.

• Erkläre das Prinzip der Transformation bei Bakterien.

  Tipps

  Die Transduktion ist eine Möglichkeit des Gentransfers, bei der Bakterienviren (Phagen) eine entscheidende Rolle spielen.

  Bei der Transformation wird freie DNA (hier grün) übertragen. Durch die Aufnahme kann die Bakterienzelle darin enthaltene Informationen und damit fremde Eigenschaften erwerben.

  Lösung

  Das Prinzip der Transformation entdeckte der Bakteriologie Griffith im Jahre 1928. Allerdings wusste er damals noch nicht, welche „Substanz“ für das transformierende Prinzip verantwortlich war. Das fanden 1944 Avery und seine Mitarbeiter heraus.

  Die Transformation beschreibt eine Möglichkeit des Gentransfers, die, wie Konjugation (über Plasmabrücke) und Transduktion (über Bakteriophagen), bei Prokaryoten (z. B. Bakterien) zu finden ist.
  Bei der Transformation wird freie DNA zwischen Bakterienzellen nicht-viral ausgetauscht. Durch die Aufnahme kann die Bakterienzelle darin enthaltene Informationen und damit fremde Eigenschaften erwerben.

• Skizziere den Aufbau der DNA.

  Tipps

  Die Zuckermoleküle in der Desoxyribonukleinsäure heißen Desoxyribose. In der RNA finden wir dagegen Ribose als Zucker vor, ebenso wie die Base Uracil.

  Zwischen den Basenpaaren werden Wasserstoffbrückenbindungen ausgebildet. Zwischen Adenin und Thymin sind es zwei, zwischen Cytosin und Guanin drei.

  Die DNA ist wie eine Wendeltreppe aufgebaut. Diese Form wird als Doppelhelix bezeichnet. Hast du sie in der oberen Abbildung entdeckt?

  Lösung

  DNA bzw. DNS (Desoxyribonukleinsäure) ist der Träger der Erbinformation. Wie der Name schon vermuten lässt, finden wir den Zucker Desoxyribose vor. Er bildet zusammen mit den Phosphatgruppen das Rückgrat der DNA, also quasi das Geländer der Wendeltreppe (Doppelhelix).
  Die Stufen der Treppe bilden die vier Basen, welche sich paarweise anordnen. Zwischen dem Basenpaar Adenin & Thymin bilden sich hierbei zwei Wasserstoffbrückenbindungen aus, zwischen Cytosin & Guanin dagegen drei.
  Auch wenn die Zuordnung der Basen in schematischen Abbildungen wie der obigen meist willkürlich erscheint, ist sie das nicht. Thymin und Cytosin gehören nämlich zur Stoffgruppe der Pyrimidine, Adenin und Guanin zählen zu den Purinen. Da die beiden Purinbasen von der Struktur her größer sind, werden sie auch in den Abbildungen größer dargestellt als die Pyrimidinbasen.

• Nenne den Träger der Erbinformation.

  Tipps

  Mit Enzymen (z. B. Ribonuclease) suchte Avery nach der „Substanz“, die für das transformierende Prinzip verantwortlich ist – in dem also die Erbinformation enthalten ist. Enzyme selbst enthalten aber keine Erbinformation.

  Streptokokken sind Bakterien, die der Gattung Streptococcus angehören. Sie haben eine kugelige Form und sind in Ketten angeordnet. Mit zwei Bakterienstämmen forschten die Wissenschaftler Griffith und Avery.

  Lösung

  Die Versuche von Oswald Avery brachten ein starkes Indiz dafür, dass DNA (bzw. DNS für Desoxyribonukleinsäure) Träger der Erbinformation ist. Und nicht, wie vorher angenommen wurde, Proteine.

  Denn ohne DNA sind die Mäuse gesund geblieben. Die ungefährlichen R-Bakterien haben nicht die Information zur Bildung einer Schleimkapsel erhalten. Dies war ein starkes Indiz dafür, dass DNA der Träger der Erbinformation sein muss.

• Vergleiche den Aufbau und die Funktion von DNA, RNA und Proteinen miteinander.

  Tipps

  Bei der Proteinbiosynthese wird die DNA zunächst in mRNA umgeschrieben (Transkription). Im Anschluss findet die Translation statt, bei der die Basen der mRNA in eine Aminosäuresequenz und, nach räumlicher Strukturänderung, in ein Protein übersetzt wird.

  Die Base Uracil finden wir nicht in der DNA. Die vier Basen der DNA werden meist mit den Buchstaben A, C, T, und G abgekürzt.

  Proteine übernehmen unterschiedliche Aufgaben in unserem Körper. Wir finden sie in Form von Enzymen, als Muskelproteine, in Knorpel und Haaren, als sauerstoffbindende Proteine in roten Blutkörperchen oder als Membranproteine.

  Lösung

  Bevor Avery ein starkes Indiz dafür lieferte, dass DNA Träger der Erbinformation ist, sprach man diese Funktion eher Proteinen zu.

  DNA (Desoxyribonukleinsäure) hat die räumliche Struktur einer Doppelhelix und ist aus Doppelsträngen aufgebaut, welche durch die Basenpaarungen Adenin-Thymin und Cytosin-Guanin und den dazwischen ausgebildeten Wasserstoffbrückenbindungen miteinander verbunden sind. Der enthaltene Zucker heißt Desoxyribose.

  Als Träger der Erbinformation enthält die DNA natürlich auch die Baupläne für die RNA. Es gibt drei verschiedene RNAs: die mRNA (Boten-RNA), die tRNA (Transport-RNA) und die rRNA (ribosomale RNA). Sie entstehen durch den Vorgang der Transkription.
  Ihr Aufbau ist einzelsträngig, der enthaltene Zucker heißt Ribose und als vierte Base finden wir statt Thymin die Base Uracil.

  Nachdem die DNA in mRNA umgeschrieben wurde (Transkription), wird sie mithilfe von tRNA an Ribosomen (mit rRNA) in eine Aminosäuresequenz übersetzt (Translation). Nach Ausbildung der spezifischen räumlichen Struktur ist aus der Kette ein Protein entstanden.
  Die Formen und Funktionen von Proteinen sind vielfältig. Dazu einige Beispiele: Enzyme (Katalysatoren, beschleunigen Reaktionen), Stützproteine (Haare, Knorpel), Muskelproteine, Antikörper, sauerstoffbindende Proteine (Hämoglobin), Kanal- bzw. Membranproteine (Ionenkanäle), etc.
  Das oben abgebildete Protein weist eine Tertiärstruktur auf (räumliche Faltung von Aminosäureketten). Die Struktur ist bei Proteinen unterschiedlich und reicht von der Primärstruktur (Aminosäuresequenz) und der Sekundärstruktur bis zur Quartärstruktur.