DNA- Modell BEGLEITHEFT. Struktur Replikation Transkription. konzipiert und umgesetzt von J.W.Garvin. The Queen s University of Belfast

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1 Modell Struktur eplikation ranskription BELEIEF EXYIBSE ' YMI EI ' IBSE S konzipiert und umgesetzt von J.W.arvin he Queen s University of Belfast J.W.arvin

2 J.W.arvin 1996 Wilbert arvin ist gemäß dem Urheberrecht und dem esigns and atents ct 1988 rechtmäßiger Erfinder und Konstrukteur dieses Modells sowie utor dieses Begleitheftes. lle echte zum Entwurf des Modells sind vorbehalten. iese Veröffentlichung ist urheberrechtlich geschützt, Lehrern ist es jedoch genehmigt, die rbeitsanweisungen und ageslichtprojektorfolien für den eigenen ebrauch innerhalb ihrer Lehranstalt zu photokopieren. iese enehmigung schließt das nfertigen von Kopien für den Einsatz außerhalb der Institution, in der sie gemacht wurden, sowie Kopien für den kommerziellen Verleih oder Verkauf aus. Kein eil dieser Veröffentlichung darf ohne schriftliche enehmigung des utors reproduziert oder auf sonstige rt und Weise übertragen werden. Erste Veröffentlichung 1996 von Wilbert arvin ISB he School of Education he Queen s University of Belfast BELFS B7 1 ordirland ISB KSU Ich möchte mich besonders bei den folgenden ersonen bedanken: rofessors Sam Martin und Jerry avies von der School of Biology and Biochemistry an der Queen s Universität für ihre Ermutigungen und das Überprüfen von etails. lastair Edwards für seine graphische ilfestellung und Barbara Mconnell für ihre konstruktive Kritik orthern Ireland Education Support Unit, Queen s Universität. r. eraldine Schofield (ead of External and egulatory ffairs, Unilever esearch, olworth Laboratory) und lan eorge (Education Liaison Manager, ational ersonnel epartment, Unilever) für ihr Interesse und ihre Unterstützung. enmour Boyd für seine konstruktiven Vorschläge. Jigsaw imensions für ihre Bereitwilligkeit, ein neues rojekt anzugehen. lifford Mcullough von der Killyleagh Box ompany für seine konstruktiven Vorschläge. er Belegschaft des ational entre for Biotechnology Education an der eading Universität für ihre bereitwillige Unterstützung. eike Edinger für die Übersetzung ins eutsche. Meiner Frau Betty für das Korrekturlesen. ieses Modell wurde ausgiebig getestet, besonders von Lehrern in ordirland, im übrigen roßbritannien, der Irischen epublik und einer Vielzahl europäischer Länder. Ich möchte all diesen Lehrern, Lehrbeauftragten, Schülern und Studenten, die den rototyp getestet haben, ganz herzlich danken. Ich danke den Sponsoren Unilever sowie der European Initiative for Biotechnology Education (EIBE), ohne deren finanzielle Unterstützung dieses Modell nicht produziert hätte werden können. Falls Sie Vorschläge zur Verbesserung dieses Begleitheftes haben, wenden Sie sich bitte an den utor. Seine dresse finden sie oben auf dieser Seite, elefon, Faxnummer und dresse lauten: elefon: (ational) Ext oder (International) Ext oder FX: (ational) (International) w.garvin@qub.ac.uk J.W.arvin 1996

3 EIFÜU für LehrerInnen as Wort begegnet uns in den Medien praktisch ag für ag. ber ist es nicht ungewöhnlich für eine chemische Substanz mit nur einem abgekürzten amen, derart in aller Munde zu sein? Warum ist das Interesse an dieser Substanz so groß? Was ist, was macht sie, und warum ist sie so wichtig? Jegliches Leben, vom einfachen Bakterium bis hin zu flanzen, ieren und uns Menschen, trägt in sich. Lediglich einige Viren bedienen sich eines ihr verwandten Moleküls, der aber dazu später. Es war reine eugier, die James Watson, einen amerikanischen Biologen, und Francis rick, einen englischen hysiker, beide im avendish Labor der Universität von ambridge tätig, dazu trieb, sich zusammenzutun, um die Struktur der aufzuklären und somit auch ufschluß darüber zu erhalten, wie sie funktioniert. Sie führten keine experimentellen rbeiten durch, sondern versuchten aus Forschungsergebnissen anderer Wissenschaftler so viel wie möglich über die herauszufinden. ls sie alle verfügbaren Informationen zusammengetragen hatten, begannen sie, Modelle zu erstellen, um deutlicher vor ugen zu haben, wie sich die gefundenen Informationen mit einer Struktur vereinbaren lassen. Schließlich gelang es ihnen, eine solche Struktur abzuleiten, die zu all jenen gesammelten aten paßte, und veröffentlichten 1953 ihr Modell in ature, einer sehr angesehenen naturwissenschaftlichen Zeitschrift. Im Jahre 196 wurde ihnen dann zusammen mit Maurice Wilkins, der für die entscheidenden öntgenstrukturanalysen verantwortlich gewesen war, der obelreis verliehen. ist das Molekül des Lebens sie ist die Informationsquelle aller lebender Wesen. aher muß sie in der Lage sein: genetische Information zu speichern und Kopien ihrer selbst anzufertigen, damit diese Information sowohl bei Zellteilungen als auch von eneration zu eneration weitergegeben werden kann urch das zunehmende Wissen auf dem ebiet der enetik ist es in den letzten Jahren möglich geworden, mit der und der ihr verwandten zu arbeiten und sie unserem eigenen utzen dienbar zu machen. ieser rozeß ist als entechnik bekannt und rundlage der neuen Biotechnologien. ie entechnik verändert viele spekte unseres Lebens und wird ohne Zweifel in Zukunft sogar noch größeren Einfluß haben schließlich gibt die Forschung schon heute deutliche nhaltspunkte für deren mögliche nwendungsgebiete. ieser ModellBausatz wurde erarbeitet, um ilfestellung beim Lernen und Verstehen der (und ) zu leisten. hne jegliches Vorwissen konstruiert der Schüler das relativ einfache Modell, indem er sorgfältig den Schritt für Schritt aufeinander aufbauenden nleitungen folgt, wobei Struktur und Funktion schließlich enthüllt werden. a die uzzleeile auf ganz bestimmte rt und Weise geformt und gefärbt sind, werden sowohl Seh als auch astsinn in den Lernprozeß einbezogen. ufgrund der atsache, daß die meisten naturwissenschaftlichen Lehrpläne und Kurse der verschiedensten Schwierigkeitsgrade und ihre Struktur inhaltlich einbeziehen, wurde dieses Modell als ein zweiineinem Bausatz konzipiert. as EinsteigerModell ist in roßbuchstaben (den ersten Buchstaben des Molekülnamens) auf die eine Seite der uzzleeile gedruckt und ist speziell für den Bereich der Sekundarstufe I geeignet kann aber auch bereits im späten rundschulalter und in nicht naturwissenschaftlich orientierten Kursen verwendet werden. as Modell für Fortgeschrittene wurde auf die andere Seite der eile gedruckt und zeigt etails der Molekülstruktur. er Bausatz kann daher auch für biturklassen und Einführungskurse an Universitäten und ochschulen verwendet werden. ie beiden Modelle können sogar nacheinander benutzt werden, um so den Schüler von den rundlagen zu einem erweiterten Wissensstand hinzuführen hierzu siehe letzte Seite. as vorliegende Modell ist als pädagogisches Lehrmittel gedacht, das in Ihren Kursen auf vielerlei rt und Weise eingesetzt werden kann so wie Sie es gerade für geeignet halten. Sie können die rbeitsanweisungen den jeweiligen Schülern anpassen oder sie sogar verändern ganz wie Sie möchten. er Bausatz eignet sich auch für eine Erweiterung auf andere Bereiche der enetik dies hängt ganz von Ihrer eigenen Kreativität ab. Mögliche spontane Ideen wären hemen wie Mutation, estriktionsenzyme, ybridisierung, Sonden, etc. ich bin sicher, es gibt noch unzählige weitere Möglichkeiten. Ein weiterführendes Modell zur roteinbiosynthese wird ebenfalls bald erhältlich sein. J.W.arvin

4 IL ES BUSZES er Bausatz besteht aus 180 uzzleeilen, die in 15 mit den entsprechenden Buchstaben versehene Fächer eingeordnet sind. Jedes dieser Fächer enthält 1 eile es kann daher sehr leicht kontrolliert werden, ob am Ende eines Spieles alle Bausteine wieder zurückgegeben worden sind. ie Einzelteile sind wie folgt eingeordnet: Buchstabe ame Farbe nzahl uanin grün 1 ytosin gold 1 denin rot 1 hymin hellblau 1 U Uracil dunkelblau 1 Buchstabe ame nzahl esoxyribose 1 esoxyribose 1 hosphat 1 hosphat 1 ibose 1 Buchstabe Farbe nzahl grau 1 grau 1 gelb 1 gelb 1 schwarz 1 ie esamtzahl von uzzleeilen beträgt demnach: esoxyribose 4 x 1 = 48 uanin 1 ytosin 1 hosphat 4 x 1 = 48 denin 1 hymin 1 ibose x 1 = 4 Uracil 1 Ein Bausatz eignet sich für eine Klasse von 4 Schülern. Soll das Modell 6 Basenpaare lang sein, können diese in 4 ruppen mit jeweils 6 Schülern eingeteilt werden. lternativ können auch 6 ruppen mit je 4 Schülern gebildet werden, so daß man ein Modell von 4 Basenpaaren erhält. Kleinere ruppen und/oder längere Moleküle sind unter inzunahme weiterer Bausätze möglich. ie Einzelteile wurden beidseitig bedruckt. uf der einen Seite befinden sich Buchstaben (EinsteigerModell), auf der anderen Molekülstrukturen (Modell für Fortgeschrittene). Es kann jeweils nur mit einer Seite gearbeitet werden. Falls einzelne Bausteine verloren gehen oder beschädigt werden, können diese beim BE nachbestellt werden. ie reise richten sich nach nzahl der nachgeforderten eile. dresse, elefon, Faxnummer und dresse lauten: ational entre for Biotechnology Education he University of eading el.: (+44) Box 8, Whiteknights Fax: (+44) EI, 6 6J c.shearer@reading.ac.uk England Siehe auch wwwseite: as Beiheft enthält rbeitsanweisungen mit angemessenen Fragen für Schüler, intergrundinformationen und entsprechende ntworten für LehrerInnen sowie passende ageslichtprojektorfolien jeweils sowohl für Einsteiger wie auch für Fortgeschrittene. ie nleitungen des EinsteigerModells wurden in einer anderen Schriftart (elvetica) gedruckt als die des FortgeschrittenenModells (imes), so daß die beiden leicht auseinandergehalten werden können. ußerdem findet sich oben auf jeder Seite ein Symbol, das kenntlich macht, ob diese für Einsteiger oder für Fortgeschrittene geeignet ist. 4 J.W.arvin 1996

5 ILSVEZEIIS Seite EILEIU 3 1 SUKU 1.1 Modell für Einsteiger rbeitsanweisungen für Schüler Informationen für LehrerInnen ageslichtprojektorfolien 8 1. Modell für Fortgeschrittene 1..1 rbeitsanweisungen für Schüler Informationen für LehrerInnen ageslichtprojektorfolien () 13 ELIKI.1 Modell für Einsteiger.1.1 rbeitsanweisungen für Schüler Informationen für LehrerInnen ageslichtprojektorfolien 17. Modell für Fortgeschrittene.1.1 rbeitsanweisungen für Schüler Informationen für LehrerInnen ageslichtprojektorfolien 0 3 SKII 3.1 Modell für Einsteiger rbeitsanweisungen für Schüler Informationen für LehrerInnen ageslichtprojektorfolien 3 3. Modell für Fortgeschrittene 3..1 rbeitsanweisungen für Schüler Informationen für LehrerInnen ageslichtprojektorfolien 6 J.W.arvin

6 1 SUKU 1 Modell für Einsteiger 1 rbeitsanweisung Folge genau den rbeitsanweisungen und beantworte LLE Fragen Breite alle ausgegebenen Bausteine mit der Buchstabenseite nach oben auf einem rbeitsplatz aus. Jedes eil repräsentiert ein Molekül. F1 Fertige eine ufstellung der verschiedenen Einzelteile (Moleküle) an. Lege Bausteine (Moleküle) mit dem gleichen Buchstaben (und der gleichen Farbe) in ruppen zusammen. Zähle, wie viele uzzleeile einer rt es gibt. F otiere die jeweilige nzahl von Bausteinen einer rt. ibt es ypen von Bausteinen, die in ihrer nzahl mit anderen übereinstimmen? Sieh ir diese Bausteine genau an und finde heraus, welche eile zusammenpassen. F3 otiere, welche Bausteine zusammenpassen. un verbinde alle Bausteine (Moleküle) zu einem sehr großen Molekül (Makromolekül). Was u nun vor ir hast, stellt ein kleines Stück esoxyribonukleinsäure (kurz ) dar. F4 Fertige eine einfache Zeichnung eines Moleküls an. Ist ir beim Zusammenbauen des Moleküls irgendetwas Ungewöhnliches aufgefallen? Beschreibe. Vergleiche ein Molekül mit den Modellen anderer Schüler. F5 In welcher insicht gleicht ein Molekül den Modellen anderer Schüler? In welcher insicht unterscheidet es sich von ihnen? Wenn u ein Molekül sorgfältig betrachtest, wirst u feststellen, daß es aus sich wiederholenden Einheiten aufgebaut ist, von denen jede aus drei eilen besteht. F6 Welches sind die drei eile (Moleküle), aus denen eine dieser sich wiederholenden Einheiten, genannt ukleotid, aufgebaut ist? as Modell, das u konstruiert hast, ist viel größer als ein tatsächliches Molekül. In Wirklichkeit umfaßt ein Molekül nämlich nur ca. anometer (1mm = 1 Million anometer). F7 Wieviel Mal größer ist ein Modell im Vergleich zu einem tatsächlichen Molekül? Wenn u möchtest, kannst u ein Molekül mit dem anderer ruppen verbinden, um so ein möglichst langes Molekül zu bauen. Wie viele Basenpaare enthält dieses? ie ist in Wirklichkeit nicht flach, sondern wie eine Spirale gewunden. iese Struktur der bezeichnet man als oppelhelix. Schaue ir raphiken oder Modelle an, die diese dreidimensionale Struktur darstellen. 6 J.W.arvin 1996

7 1 SUKU 1 Modell für Einsteiger Informationen für LehrerInnen nzahl und rt der uzzleeile, die Sie ausgeben, ist abhängig von der Klassengröße, der Zahl der zur Verfügung stehenden Bausätze sowie von nzahl und röße der Schülergruppen, die Sie bilden möchten. Besteht Ihre Klasse z.b. aus 4 Schülern und Sie haben einen Bausatz, so können Sie 4 ruppen zu je 6 Schülern oder 6 ruppen zu je 4 Schülern bilden. ie Zahl der Bausteine pro ruppe beträgt dann: 4 ruppen zu je 6 Schülern 6 rupppen zu je 4 Schülern ruppen ruppen 3 ruppen 3 ruppen bekämen jeweils bekämen jeweils bekämen jeweils bekämen jeweils U: Folgendes gilt immer unabhängig von nzahl und röße der ruppen: nzahl der s = nzahl der s; nzahl der s = nzahl der s; nzahl der s = nzahl der s; nzahl der s (oder s) = nzahl der s + s + s + s ber: ie nzahl der s und s sollte der der s und s nicht entsprechen. Wenn Sie eine kleinere Klasse haben oder wenn Ihnen mehr Bausätze zur Verfügung stehen, können Sie natürlich auch kleinere ruppen bilden. F1,,,, und. F F3 F4 F5 iese ntwort hängt davon ab, wie viele eile ausgegeben wurden (s.o.). und (oder und );,, und binden an ; an (oder an ); an (oder an ). Es gibt nur eine Möglichkeit, wie die eile richtig zusammenpassen. ierbei steht die älfte der Buchstaben auf dem Kopf. Überprüfen Sie, ob die Schüler die eile so zusammengefügt haben, daß das Molekül aussieht wie eine Leiter: ie s und s bilden die olme und die s, s, s und s bilden die Sprossen. paart nur mit, nur mit. ies wird als egel der spezifischen Basenpaarung bezeichnet. as Molekül gliedert sich in zwei älften oder Stränge, die in entgegengesetzte ichtungen verlaufen (antiparallel). Siehe hierzu auch Folie auf der nächsten Seite. lle Moleküle Ihrer Schüler werden prinzipiell in ihrer esamtstruktur übereinstimmen. Eine eingehendere Betrachtung wird jedoch zeigen, daß die eihenfolge oder Sequenz der s, s, s und s unterschiedlich ist. Es gibt viele mögliche Variationen dieser Basensequenz. ie in der gespeicherte Information ist durch die Sequenz der Basen verschlüsselt. rei aufeinanderfolgende Basen bilden ein sog. riplettodon. F6 Ein ukleotid (die rundeinheit des Moleküls) besteht aus einem, einem und einer der Basen,, oder. F7 iese Frage können Sie überspringen, wenn Sie sie für zu schwierig halten. ie Breite des Modells beträgt ungefähr 0 mm. Wenn 1 mm = 1 Million anometer, dann sind 0 mm = 0 Millionen anometer. as tatsächliche Molekül ist anometer breit, wir müssen also anometer mit 110 Millionen multiplizieren, um 0 Millionen anometer zu erhalten. as Modell ist folglich 110 Millionen Mal größer! In Microbes and Molecules, herausgegeben von der European Initiative for Biotechnology Education, finden Sie im ersten Kapitel auf den Seiten 6 und 7 ein einfaches apiermodell der oppelhelix. Über die folgende World Wide WebSeite können Sie sich dieses Modell kopieren: (siehe hierzu auch nächste Seite). J.W.arvin

8 1 SUKU 1 EinsteigerModell 3 Folie olme aus s und s rundeinheit (UKLEI) paart immer nur mit paart immer nur mit Basenpaare bilden die Sprossen der Leiter ie beiden Stränge verlaufen in entgegengesetzte ichtungen Leiter oppelhelix 8 J.W.arvin 1996

9 1 SUKU FortgeschrittenenModell 1 rbeitsanweisung EXYIBSE ' Lege alle ausgegebenen Bausteine so auf einen isch, daß die Molekülstrukturen (und nicht die roßbuchstaben) nach oben zeigen. F1 Fertige eine Liste mit den amen der verschiedenen Molekülarten an rdne ähnliche Moleküle in ruppen zusammen. otiere die nzahl der eile pro Molekülart. F Kannst u einen Zusammenhang zwischen der jeweiligen nzahl von Bausteinen pro Molekülart erkennen? Erwin hargaff war der erste, der die mit ilfe der apierchromatographie eingehend untersuchte, um so das Mengenverhältnis der vier Basen festzustellen. Einige seiner aten, die in den frühen 50er Jahren veröffentlicht wurden, sind in der folgenden abelle zusammengestellt. Sie zeigt die molaren Mengen der StickstoffBasen der, dargestellt in Mol pro 100g hosphoratome, an die sie gebunden sind. urine yrimidine Quelle denin uanin ytosin hymin Mensch 30,4 19,6 19,9 30,1 chse 9,0 1, 1, 8,7 LachsSperma 9,7 0,8 0,4 9,1 Weizenkeime 8,1 1,8,7 7,4 E.coli 6,0 4,9 5, 3,9 Schafsleber 9,3 0,7 0,8 9, Untersuche hargaffs Ergebnisse. F3 F4 F5 F6 Kannst u einen Zusammenhang zwischen den molaren Mengen der verschiedenen Basen entdecken? Berechne das Verhältnis der molaren Menge von denin zur molaren Menge von hymin für die verschiedenen Spezies. Was für ein Verhältnis ergibt sich, und worauf läßt dieses schließen? Berechne das Verhältnis der molaren Menge von uanin zu ytosin. Ergibt sich ein ähnliches Verhältnis wie für denin und hymin? Welche Schlüsse kannst u hieraus ziehen? Entspricht das Verhältnis, das u in Frage herausgefunden hast, dem in Frage 4 und 5 berechneten? ie ist aus sich wiederholenden Einheiten aufgebaut. Wir wollen nun diese Einheiten etwas genauer betrachten. Zunächst wird eine Bindung zwischen einer Stickstoffbase und einem esoxyribosezuckermolekül ausgebildet. ie daraus entstehende Einheit bezeichnet man als UKLESI, die Bindung als βglykosidische Bindung. Konstruiere aus den zur Verfügung stehenden Bausteinen so viele ukleoside wie möglich. Beachte: ie Kohlenstoffatome wurden zwar weggelassen, sind aber dennoch numeriert. Ein ukleosid Bindung esoxyribose BSE (denin, uanin, ytosin oder hymin) J.W.arvin

10 1 SUKU FortgeschrittenenModell 1 rbeitsanweisung F7 Zwischen welchen numerierten tomen der esoxyribose und der Base wird die folgende Bindung geknüpft? a) mit den urinbasen b) mit den yrimidinbasen? ußerdem wird auch eine Bindung zwischen der esoxyribose (dem Zucker) und dem hosphatmolekül gebildet. iese wird als kovalente hosphodiesterbindung bezeichnet und bildet das UKLEI. Konstruiere aus den ausgegebenen Bausteinen so viele ukleotide wie möglich, indem u die hosphate an die ukleoside anfügst. u solltest nun alle eile aufgebraucht haben. Ein ukleotid esoxyribose hosphat BSE (denin, uanin, ytosin oder hymin) Bindung F8 Zwischen welchen tomen wird die hosphodiesterbindung gebildet? as ukleotid ist der rundbaustein der. Verbinde zwei ukleotide miteinander, indem u eine weitere hosphodiesterbindung bildest. F9 F10 Zwischen welchen tomen wurde diese neue hosphodiesterbindung geknüpft? un füge zwei weitere ukleotide hinzu, aber benutze dieses Mal keine hosphodiesterbindungen. Zwischen welchen tomen wurden diese neuen Bindungen gebildet? Man bezeichnet sie als schwache Wasserstoffbrücken. Versuche, diese möglichst genau zu beschreiben. Füge weitere ukleotide an, bis alle aufgebraucht sind. Benutze alle Bindungen, die oben beschrieben wurden. Wenn u fertig bist, hast u ein sehr kurzes Stück gebaut. F11 F1 Beschreibe kurz ein Molekül. otiere alle ungewöhnlichen oder besonderen inge, die ir beim Bau des Moleküls aufgefallen sind. Vergleiche ein Molekül mit den Modellen einer Mitschüler. F13 In welcher insicht ist es ihnen ähnlich? Inwieweit unterscheidet es sich von ihnen? ieses Modell ist, verglichen mit einem tatsächlichen Molekül, natürlich sehr stark vergrößert. In Wirklichkeit ist ein Molekül nur ungefähr anometer breit. (1 mm = 1 Million nm). F14 Wieviel Mal größer ist ein Modell im Vergleich zu einem tatsächlichen Molekül? as Modell wurde so erstellt, daß u damit auf einem flachen isch arbeiten kannst. In Wirklichkeit ist es jedoch gewunden zu einer dreidimensionalen Konfiguration aufgewunden, die als ELELIX bezeichnet wird. Sieh ir eine raphik der dreidimensionalen Struktur an, oder konstruiere ein einfaches apiermodell, um diese zu veranschaulichen. ie Struktur wurde erstmals 1953 in der Zeitschrift ature von James Watson, einem amerikanischen Biologen, und Francis rick, einem englischen hysiker, beschrieben. 10 J.W.arvin 1996

11 1 SUKU FortgeschrittenenModell Informationen für LehrerInnen EXYIBSE ' nzahl und rt der von Ihnen ausgegebenen Bausteine hängen von vielen verschiedenen Faktoren ab, so z.b. von der Klassengröße, der Zahl der zur Verfügung stehenden Bausätze, der Zahl der Schülergruppen etc.. ngenommen, Sie haben eine Klasse mit 4 Schülern und einen Bausatz, dann könnten Sie die Klasse in 4 ruppen mit jeweils 6 Schülern teilen. Jede ruppe hätte dann ein Modell von 6 Basenpaaren. lternativ könnten Sie die Klasse auch in 6 ruppen zu je 4 Schülern einteilen, dann hätte jede ruppe ein Modell von 4 Basenpaaren. ie Zahl der Bausteine pro ruppe betrüge dann: 4 ruppen zu je 6 Schülern 6 ruppen zu je 4 Schülern ruppen ruppen 3 ruppen 3 ruppen MLEKÜL bekämen jeweils bekämen jeweils bekämen jeweils bekämen jeweils esoxyribose hosphat denin hymin uanin ytosin U: Folgendes gilt immer, unabhängig davon, für welche ruppengrößen Sie sich entscheiden: nzahl der s = nzahl der s nzahl der s = nzahl der s nzahle der s = nzahl der s nzahl der s (oder s) = nzahl der s + s + s + s ber: ie nzahl der s und s sollte nicht der nzahl der s und s entsprechen. Wenn Sie eine kleinere Klasse haben oder wenn Ihnen mehr Bausätze zur Verfügung stehen, können Sie natürlich auch kleinere ruppen bilden. F1 F F3 F4 F5 F6 F7 esoxyribose, hosphat, denin, hymin, uanin und ytosin ie Beantwortung dieser Frage hängt davon ab, wie viele Bausteine Sie ausgegeben haben (s.o.). ie molaren Mengen von denin und hymin sind ungefähr gleich, genauso wie die molaren Mengen von uanin und ytosin. ndere Vergleiche ergeben hingegen sehr unterschiedliche Mengenverhältnisse. as Verhältnis denin/hymin (oder /) beträgt annähernd 1. ies legt den Schluß nahe, daß denin mit hymin paart. as Verhältnis / (oder /) beträgt ebenfalls annähernd 1 uanin paart wohl mit ytosin. Ja nzahl und molare Menge bestimmter Molekülarten sind gleich. (a) Zwischen 1 der esoxyribose und 9 der urinbase (denin oder uanin) (b) Zwischen 1 der esoxyribose und 1 der yrimidinbase (hymin oder ytosin) J.W.arvin

12 1 SUKU FortgeschrittenenModell Informationen für LehrerInnen F8 F9 Zwischen 3 der esoxyribose und einem tom des hosphates. Zwischen 5 der esoxyribose und einem tom des hosphates. as Kohlenstoffatom der esoxyribose (und der ibose) Zucker werden mit einem Strich (3 ) versehen, um sie von den tomen unterscheiden zu können, die den ing der Stickstoffbasen bilden. Keine der Molekülstrukturen zeigt die Kohlenstoffatome, da sie sonst zu kompliziert werden würden. Fehlt ein tom, das dennoch numeriert ist, und von dem genau 4 Bindungen ausgehen, so handelt es sich hierbei um ein Kohlenstoffatom. F10 F11 F1 F13 ie Bindungen zwischen den Basen sind schwache Wasserstoffbrücken im Modell als gepunktete Linien dargestellt. Zwischen denin und hymin werden zwei Wasserstoffbrücken ausgebildet (1 und ), zwischen uanin und ytosin drei (, und ). iese können leichter gespalten werden als die glykosidische Bindung und die hosphodiesterbindung im Modell können sie leicht auseinanderrutschen. Sie sind immer ungefähr gleich lang, so daß die Einzelbausteine genau zusammenpassen siehe Folie auf der nächsten Seite. as Modell sieht aus wie eine Leiter, deren olme von den esoxyribosezuckern und den hosphaten gebildet werden. ie Basen bilden die Sprossen der Leiter. denin kann nur mit hymin Wasserstoffbrücken ausbilden, uanin nur mit ytosin. Man bezeichnet dieses hänomen als spezifische Basenpaarung, und die miteinander paarenden Basen als zueinander komplementär. as Modell als anzes besteht aus zwei älften, genannt Stränge. iese verlaufen in entgegengesetzte ichtungen, was im Fachterminus als antiparallel oder bidirektional bezeichnet wird. a die Schüler die eine älfte des Moleküls ganz bewußt auf den Kopf stellen müssen, damit die Bausteine zusammenpassen, wird gewährleistet, daß ihnen diese wichtige Eigenheit der beiden Stränge im edächtnis bleibt. n dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß diese arstellungsweise des Moleküls interessanterweise nur selten wenn überhaupt in Illustrationen zu finden ist. ie grundlegende Leiterstruktur sollte überall ähnlich sein. Unterschiede werden jedoch in der Sequenz, der eihenfolge der Basen auftreten, wodurch die Möglichkeit nahezu unbegrenzter Variabilität gegeben wird. Es wäre eine interessante Wahrscheinlichkeitsrechnung für mathematisch Begabte in der Klasse, herauszufinden, wie viele verschiedene Basensequenzen in einem Molekül von angenommen 6bp (4 s und s) möglich sind. abei darf nicht vergessen werden, daß, abgesehen von der tatsächlichen Sequenz, die Basenpaare auch genau umgekehrt angeordnet sein können. ie Länge eines Moleküls wird mit ilfe seiner nzahl von Basenpaaren (kurz bp) angegeben, es ist z.b. 10 bp lang. a die Zahl der Basenpaare von ungefähr 5000 bp beim einfachsten bekannten Virus bis hin zu schätzungsweise 3 Milliarden auf den 3 hromosomen des Menschen reicht, ist die nzahl der möglichen Variationen geradezu astronomisch. ie ist daher die ideale Erklärung für die enorme Vielfalt des Lebens. Es dauerte 7 Jahre, bis 1996 die vollständige Sequenz der Bäckerhefe aufgeklärt war. Sie enthält 1071 Millionen Basenpaare und baut ca.6000 ene auf. F Millionen Mal größer. ie gemessene Breite des Modells beträgt ungefähr 0 mm. a 1 mm = 1 Million anometer, ist 0 mm = 0 Millionen nm. as tatsächliche Molekül ist ca. nm breit wir müssen also diesen Wert mit 110 Millionen multiplizieren, um 0 Millionen nm zu erhalten. as Modell ist folglich 110 Millionen Mal größer. Was die dreidimensionale Struktur der anbetrifft, so ist diese für das Verständnis der grundlegenden Struktur der sowie für den Zusammenhang zwischen Struktur und Funktion nicht notwendig. rotzdem sollten die Schüler wissen, daß es sich hierbei um eine oppelhelix handelt. ie meisten Schulbücher zeigen diese Struktur in der einen oder anderen rt und Weise siehe ageslichtprojektorfolie auf der nächsten Seite. lternativ könnten Sie auch ein 3 Modell zeigen. Sie könnten gemeinsam mit den Schülern auch ein eigenes einfaches Modell bauen. Eine gute Vorlage hierzu finden Sie im ersten Kapitel von Microbes and Molecules, herausgegeben von der European Initiative for Biotechnology Education, Seite 6 und 7. Sie können sich dieses auch über die folgende World Wide WebSeite kopieren: 1 J.W.arvin 1996

13 1 SUKU FortgeschrittenenModell 3 Folie 1 ' EXYIBSE olme aus esoxyribosehosphatketten, die in entgegengesetzte ichtungen verlaufen. 5 hosphatende 3 ydroxylende ' ' ' ' 3 ydoxylende YSI UI UI 5 6 ie Basen bilden die Sprossen der Leiter EI 3 YMI 0.84 nm 0.86 nm 0.83 nm 3 urin + yrimidin 0.90 nm 0.85 nm YSI YMI oder (zwei Brücken) oder (drei Brücken) 1 6 EI ' ' ' ' 5 hosphatende olme aus esoxyribosehosphatketten, die in entgegengesetzte ichtungen verlaufen. J.W.arvin

14 1 SUKU FortgeschrittenenModell 3 Folie EXYIBSE ' ie ELELIX der 3 10 Basenpaare pro elixwindung 3 0,34 nm von Basenpaar zu Basenpaar antiparallele esoxyribose hosphatketten komplementäre Basenpaarung 14 J.W.arvin 1996

15 ELIKI 1 EinsteigerModell 1 rbeitsanweisung Folge genau den rbeitsanweisungen und beantworte LLE Fragen Lege alle ausgegebenen Bausteine so auf den isch, daß die roßbuchstaben nach oben zeigen. Füge alle eile zu einem Molekül zusammen. F1 Fertige eine einfache Zeichnung eines Moleküls an und vergewissere ich, daß sich die eihenfolge der Basen in den Sprossen der Leiter wiederspiegelt. Beschrifte eine Zeichnung mit Eltern. renne die beiden Stränge der Eltern, indem u die Basenpaare vorsichtig auseinanderziehst, bis das Molekül in zwei Einzelstränge zerteilt ist. u kannst ir das useinanderziehen der Basen wie das Öffnen eines eißverschlusses vorstellen. un nimm den zweiten Satz von Bausteinen, der ausgegeben wurde. Vergewissere ich, daß immer die roßbuchstaben nach oben zeigen, und füge diese zu ukleotiden zusammen, die jeweils drei Bausteine umfassen. Baue diese ukleotide nun passend in die beiden Einzelstränge ein. Fahre so lange fort, bis alle ukleotide und somit alle eile aufgebraucht sind. u solltest nun zwei doppelsträngige Moleküle haben. iese werden als ochter Moleküle bezeichnet. F F3 F4 Schaue ir die beiden ochtermoleküle genau an. Was fällt ir auf? Vergleiche die ochter mit der Zeichnung, die u von der Eltern gemacht hast. Was stellst u fest? Schreibe auf, wie Moleküle genaue Kopien ihrer selbst erstellen. iese Eigenschaft der ist äußerst wichtig, da die während der Zellteilung von den Eltern zu den ochter Zellen weitergegeben werden muß. Sie muß folglich in der Lage sein, Kopien ihrer selbst zu erstellen. ieses exakte Vervielfältigen der wird als eplikation bezeichnet. muß genauso von einer eneration zur nächsten weitergegeben werden. ie Fähigkeit der zur eplikation wird heute von Wissenschaftlern zu vielerlei Zwecken genutzt. In der erichtsmedizin etwa können extrem kleine Mengen, wie sie z.b. in geringen Spuren von Blut am atort eines Verbrechens vorkommen, benutzt werden, um wieder und wieder verdoppelt zu werden, bis genug dieser vorhanden ist, um sie zu analysieren. lles was man hierfür, abgesehen von der riginal, braucht, ist eine ukleotidquelle, ein spezielles Enzym und einige andere bestimmte Bedingungen, und schon beginnt die sich im eagenzglas zu vervielfältigen. ieses Verfahren wird als olymerasekettenreaktion (engl. olymerase hain eaction, kurz ) bezeichnet. Benötigt man also zu Forschungszwecken oder anderweitiger wissenschaftlicher rbeit von einer ganz bestimmten eine größere Menge, so kann man diese problemlos innerhalb weniger Stunden synthetisieren. J.W.arvin

16 ELIKI 1 EinsteigerModell Informationen für LehrerInnen Jede Schülergruppe benötigt zwei Sätze von Bausteinen. Sie werden daher entweder die nzahl von ruppen halbieren müssen, oder alternativ mehr Bausätze verwenden. er erste Satz von Bausteinen entspricht genau dem, der für die rbeitsanweisung verwendet wurde. Sie können daher, wenn Sie möchten, einfach bei dieser rbeitsanweisung weitermachen (siehe letzte Seite). F1 Eine einfache Zeichnung ist alles, was hier erwartet wird (siehe Beispiel unten). er zweite Satz von Bausteinen, der an alle rupppen ausgegeben wurde, sollte identisch mit dem ersten Satz sein. F F3 Sie sind identisch. Sie sind alle genau gleich. ie Basensequenz wurde aufgrund der spezifischen Basenpaarungsegel ( oder und oder ) originalgetreu repliziert. as folgende einfache Schaubild soll dies nochmals verdeutlichen: Eltern Molekül die beiden Stränge trennen sich nach dem eißverschlußprinzip voneinander komplementäre ukleotide fügen sich an der richtigen Stelle ein die ochtermoleküle sind untereinander und auch mit dem ElternMolekül identisch iese rt der eplikation wird als semikonservative eplikation bezeichnet, da jeder Strang des Moleküls als Matrize oder Muster für die beiden neuen Stränge dient. Meselson und Stahl konzipierten 1958 ein klassisches Experiment um herauszufinden, ob die eplikation tatsächlich so abläuft. Sie ließen das Bakterium E.coli so lange in einem Medium wachsen, das das schwere Stickstoffisotop 15 enthielt, bis jeglicher natürliche Stickstoff der, 14, durch das schwere Isotop ersetzt war. ann überführten sie die Bakterien in ein 14 enthaltendes Medium und nahmen von jeder eneration roben, von denen sie isolierten und deren ichte bestimmten. Sie fanden heraus, daß die ichte der der ersten eneration genau zwischen der der schweren Eltern und der der leichten normalen lag. Jede eneration enthielt mehr und mehr leichte ein klarer Beweis dafür, daß die eplikation semikonservativ abläuft und daß Watson und rick s Modell richtig war. kann auch künstlich vervielfacht werden ein rozeß, der erstmals von Kary Mullis beschrieben wurde und als (olymerase hain eaction) bekannt ist. ieses Verfahren kann mittlerweile sehr leicht mit ilfe von speziellen eräten durchgeführt werden. Es wird immer dann benutzt, wenn nur sehr geringe Spuren von verfügbar sind, um daraus genug dieser für nalysezwecke zu synthetisieren. 16 J.W.arvin 1996

17 J.W.arvin ELIKI 1 EinsteigerModell 3 Folie ELE Einzelstränge lösen sich an der Verbindungsstelle der Basen voneinander alte Eltern neue ukleotide paaren sich E ein Strang alte, ein Strang neue

18 ELIKI FortgeschrittenenModell 1 rbeitsanweisung EXYIBSE ie zweite nforderung an die besteht darin, daß sie genaue Kopien ihrer selbst erstellen können sollte, um die genetische Information während der Zellteilung weitergeben zu können. as Erstellen exakter Kopien wird als eplikation bezeichnet. heoretisch könnte dies auf eine der folgenden rten ablaufen: ' arentale oder alte eplizierte oder neue Eltern ochter eplikation ypothese 1 ein KSEVIVES System ie beiden parentalen Stränge bauen gemeinsam eine ochter auf, während die andere ochter aus zwei neuen Strängen besteht. ypothese ein ISESIVES System ie ochter besteht aus einer Mischung von Eltern und neuer, wobei die Eltern auf allen ochter Strängen verstreut ist. ypothese 3 ein SEMIKSEVIVES System ie ochter besteht sowohl aus parentaler als auch aus neuer, wobei jedoch der eine Strang ausschließlich parentale und der andere Strang ausschließlich neue enthält. Lege die ausgegebenen Bausteine so auf den isch, daß nur die Molekülstrukturen nach oben zeigen. Konstruiere ein kurzes Stück doppelsträngiger aus diesen eilen. F1 Fertige eine einfache Zeichnung dieses Moleküls an, in der u besonders die Basensequenz hervorhebst. Beschrifte eine Zeichnung mit Eltern. un trenne die beiden Stränge voneinander, indem u die Basen an den schwachen Wasserstoffbrücken, die sie zusammenhalten, Schritt für Schritt auseinanderziehst. u kannst ir das wie das Öffnen eines eißverschlusses vorstellen. Fahre damit fort, bis u zwei einzelne Stränge hast. rdne den zweiten Satz von Bausteinen so, daß immer die Seite mit der Molekülstruktur nach oben zeigt, und füge sie dann zu ukleotiden zusammen. un baue die ukleotide so zusammen, daß die neuen in 5 3 ichtung der Kohlenstoffatome der esoxyribose verlaufen. Baue weiter, bis alle ukleotide und damit alle eile aufgebraucht sind. F Was erhälst u? iese Moleküle werden als ochter Moleküle bezeichnet. F3 F4 F5 F6 Untersuche die ochter sorgfältig. Was fällt ir auf? Vergleiche die Struktur der ochtermoleküle mit einer Zeichnung der Eltern. Was stellst u fest? Woraus bestehen die beiden Stränge des ochtermoleküls? Welche der drei oben beschriebenen ypothesen trifft zu? 18 J.W.arvin 1996

19 ELIKI FortgeschrittenenModell EXYIBSE Informationen für LehrerInnen ' Watson und rick waren sich in ihrem rtikel in ature (171: 737; 1953) sehr wohl der otwendigkeit der eplikation bewußt, wie aus dem Folgenden hervorgeht: Es ist uns nicht entgangen, daß die spezifische Basenpaarung wie wir sie postulierten, unbedingt auch die Möglichkeit des Kopierens von genetischem Material erfordert. Für den folgenden rbeitsgang benötigt jede ruppe zwei identische Sätze von Bausteinen, wobei jeder Satz die passenden eile beinhalten muß, um ein kurzes doppelsträngiges Molekül zu konstruieren. Wenn Sie die Zeit dazu haben, können Sie direkt von der rbeitsanweisung 1..1 (siehe letzte Seite) ausgehend fortfahren, und die dort bereits zusammengebaute weiterverwenden. F1 F F3 F4 F5 F6 ie Zeichnung der Eltern sollte sehr einfach sein und sich auf die Basensequenz konzentrieren. nstelle der Basen sollten lediglich die Buchstaben,, und verwendet werden. ie Schüler sollten ein doppelsträngiges ochter Molekül erhalten. ie beiden ochtermoleküle sind identisch. Jede ochter ist identisch mit der Eltern. Sie wurde also originalgetreu repliziert. Es enthält einen Strang (die Matrize) der Eltern und einen neu replizierten Strang. ypothese 3 die semikonservative eplikation (siehe ageslichtprojektorfolie auf der folgenden Seite). iese rt der eplikation wurde 1958 durch ein ausgeklügeltes Experiment von Matthew Meselson und Franklin Stahl am alifornia Institute of echnology bestätigt. Sie ließen das Bakterium E.coli mehrere enerationen lang in einem Medium wachsen, das jeglichen Stickstoff in Form des Isotops 15 (schwerer Stickstoff) enthielt. Mit der Zeit wurde die natürliche Form des Stickstoffs ( 14 ) durch das schwere Isotop ersetzt, so daß die neu synthetisierte ein größeres Molekulargewicht und eine höhere ichte besaß als die ursprüngliche. ie Bakterien, die die schwere beinhalteten, wurden dann auf ein Medium überführt, das natürlichen Stickstoff ( 14 ) enthielt, so daß jegliche neue nur mit ilfe des natürlichen Stickstoffs repliziert werden konnte. Man ließ die Bakterien so lange wachsen, bis die einmal repliziert war, was sich anhand der Verdopplung der Zellzahl feststellen läßt. ie wurde extrahiert und in einer Ultrazentrifuge bei sehr hoher rehzahl mit aesiumchlorid zentrifugiert. as aesiumchlorid setzt sich teilweise ab und bildet einen ichtegradienten aus, so daß die in der Lösung vorhandenen Moleküle gemäß ihrer ichte im radienten Banden bilden. ie ichte der dieser ersten eneration lag genau zwischen der der schweren Eltern und der der normalen leichten gerade so, wie man es erwarten würde, wenn jedes Molekül einen alten (schweren) Strang und einen neuen (leichten) Strang enthielte, wie es auch Watson und rick postuliert hatten. Man ließ dann weitere enerationen in dem 14 Medium wachsen und zentrifugierte die wiederum in einer Ultrazentrifuge ab. Im Folgenden sind die daraus erhaltenen Ergebnisse dargestellt: Zusammenfassung der Experimente von Meselson und Stahl leichter schwerer auf 15 Medium kultiviert der ersten eneration der zweiten eneration auf 14 Medium kultiviert iese Ergebnisse bestätigten die semikonservative rt der eplikation. J.W.arvin

20 ELIKI FortgeschrittenenModell 3 Folie ' EXYIBSE ELSÄIE ELE WIE BEIM ÖFFE EIES EIßVESLUSSES WEE IE BSEE ES ELSES E SIE VEBIEE WSSESFFBÜKE VEIE EE UKLEIE E SI EMÄß E BSEUS EEL LEI S FLE S LE S EUE S ELIKI EFL IMME V 3 5 EUE S LE S ELSÄIE E (untereinander und zur Eltern identisch) 0 J.W.arvin 1996

21 3 SKII 1 EinsteigerModell 1 rbeitsanweisung Folge genau den rbeitsanweisungen und beantworte LLE Fragen Konstruiere aus den ausgegebenen eilen ein einzelsträngiges Molekül (keine doppelsträngige wie zuvor). ie roßbuchstaben sollten nach oben zeigen. F1 us wie vielen Basen besteht ein Molekül? Lasse eine einzelsträngige zusammengebaut, nimm die ausgegebenen Bausteine (ibonukleinsäure, engl. ibose ucleic cid) und vergleiche sie mit den Bausteinen. F Welche emeinsamkeiten und welche Unterschiede kannst u zwischen den und den Bausteinen feststellen? Erstelle eine Liste, in der u die emeinsamkeiten und die Unterschiede gegenüberstellst. Füge alle ausgegebenen Bausteine zu ukleotiden zusammen. un baue diese ukleotide mit dem Strang, den u bereits konstruiert hast, zusammen. u solltest nun keine Bausteine mehr übrig haben. er Strang fungiert als Muster oder als Matrize, mit deren ilfe die Basensequenz der in eine Basensequenz umgeschrieben wird. ieser Vorgang wird als ranskription bezeichnet. F3 otiere die komplementären Basenpaare der und der. ein doppelsträngiges Molekül sollte nun aus einem und einem Strang bestehen. renne den und den Strang voneinander, indem u die Basen an der Stelle, an der sie miteinander verbunden sind, auseinanderziehst. u kannst ir dies wie das Öffnen eines eißverschlusses vorstellen. ie abgetrennte wird Boten, kurz m (abgeleitet von der englischen Bezeichnung messenger ) genannt, weil sie die genetische Information, die in der eihenfolge der Basen verschlüsselt liegt, aus dem Zellkern hinaus in das ytoplasma der Zelle transportiert. F4 Fertige eine einfache Zeichnung eines mstranges an. ie Boten wandert aus dem Zellkern hinaus, wobei sie die genetische Information, in der eihenfolge ihrer Basen verschlüsselt, mit sich trägt. iese Information wird schließlich in eine lange Serie von riplettodons (Sequenz dreier aufeinanderfolgender Basen) übersetzt. ies geschieht mit ilfe einer weiteren Form von, der ransfer oder kurz t. Bei diesem zweifachen Kopieren ( erst in m, dann in t) bleibt die ursprüngliche eihenfolge der Basen erhalten abgesehen von einem kleinen Unterschied. F5 Worin besteht dieser Unterschied? ie eihenfolge der Basen (in reiergruppen) auf der ransfer gibt der Zelle vor, welche roteine sie produzieren soll. lle synthetisierten roteine werden also durch die ursprüngliche Basensequenz der festgelegt. er Zellkern enthält genug, um für alle roteine zu codieren. J.W.arvin

22 3 SKII 1 EinsteigerModell Informationen für LehrerInnen eben Sie genug Bausteine an jede Schülergruppe aus, um ein einzelsträngiges Molekül mit einer Länge von ca. 6 Basen konstruieren zu können, also halb so viele Bausteine wie sonst. enken Sie daran, daß sie die im vorigen rbeitsschritt gebaute weiterverwenden können (siehe letzte Seite). aben die Schüler den Strang konstruiert, geben sie den zweiten eil der Bausteine aus. ieser Satz sollte komplementär zum Satz sein, mit dem einen Unterschied, daß (weißer Buchstabe auf schwarzem Untergrund) statt, und U (weißer Buchstabe auf dunkelblauem Untergrund) statt verwendet werden muß. F emeinsamkeiten Unterschiede U F3 ies hängt davon ab, welche Basen Sie ausgegeben haben. Sie können nach Frage 4 auch aufhören, wenn Sie der nsicht sind, daß die kommenden rbeitsschritte zu schwierig sind. er folgende bschnitt informiert die Schüler lediglich über die Bedeutung des genetischen odes sowie darüber, wie er genutzt wird. F5 Im inblick auf die Basen steht U anstelle von. atürlich ersetzt auch. Bitte beachten Sie, daß die Bausteine der, im Unterschied zu denen der, weiß gedruckt sind. J.W.arvin 1996

23 3 SKII 1 EinsteigerModell 3 Folie S ufbau des Stranges ukleotide U aarung der ukleotide U U Loslösen des Stranges Strang Strang Boten (m) U wandert aus dem Zellkern ins ytoplasma J.W.arvin

24 3 SKII FortgeschrittenenModell EXYIBSE 1 rbeitsanweisung ' Wir haben nun gelernt, daß die genetische Information durch die Basensequenz der verschlüsselt ist, und daß diese Sequenz originalgetreu repliziert werden kann. ber wie wird die genetische Information genutzt? Zellen und rganismen unterscheiden sich hauptsächlich in ihren roteinen, und diese wiederum sind das esultat einer Vielzahl von eaktionen, die im ytoplasma der Zelle stattfinden. iese eaktionen werden von Enzymen kontrolliert, die alle aus roteinen aufgebaut sind. Es liegt daher nahe, anzunehmen, daß die Information der Instruktionen verschlüsselt, mit deren ilfe bestimmte roteine synthetisiert werden können. ie in der enthaltene genetische Information muß daher aus dem Zellkern hinaus ins ytoplasma gelangen. Lege die ausgegebenen eile so auf den isch, daß nur die Molekülstrukturen nach oben zeigen. Konstruiere aus diesen eilen einen Einzelstrang. Wenn u fertig bist, lege diesen zur Seite ohne ihn auseinanderzunehmen. un nimm den zweiten Satz der ausgegebenen Bausteine und lege auch diese so auf den isch, daß die Molekülstrukturen nach oben zeigen. F1 Sieh ir die neuen Bausteine genau an. otiere alle emeinsamkeiten und Unterschiede zwischen den Bausteinen und den neuen eilen, die u finden kannst. chte v.a. auf emeinsamkeiten und Unterschiede in ihrer chemischen Struktur. Baue die neuen Bausteine zu ukleotiden zusammen. Füge diese ukleotide dann an den Strang, den u zuvor konstruiert hast, an. er Strang fungiert als Matrize, so daß ein spezifischer Strang aus den neuen Bausteinen gebildet werden kann. ieser neue Strang wird als ibonukleinsäure (kurz ) bezeichnet. F Was denkst u, warum dieser Strang den amen ibonukleinsäure trägt? er rozeß, in dem ein Strang in einen Strang übersetzt wird, heißt ranskription. renne den Strang von dem Strang, indem u die Wasserstoffbrücken, die die Basenpaare zusammenhalten, wie einen eißverschluß öffnest. er Einzelstrang wird als Boten, kurz m (aus dem Englischen messenger abgeleitet), bezeichnet, da er durch die oren in der Kernmembran hindurch ins ytoplasma wandern kann. ierbei trägt er die transkribierte Basensequenz und die darin verschlüsselte Information mit sich. a diese Information in Form einer linearen Basensequenz vorliegt und da roteine aus einer linearen bfolge von minosäuren bestehen, vermutete man einen Zusammenhang zwischen der Basensequenz der und der minosäuresequenz der roteine. Man entdeckte, daß eine bestimmte Sequenz von drei Basen, als riplettodon bezeichnet, für eine bestimmte minosäure codiert. roteine bestehen aus nur 0 verschiedenen minosäuren. ie nzahl und rt sowie insbesondere die eihenfolge dieser minosäuren bestimmt die rt des roteins. Für alle 0 minosäuren konnten die entsprechenden riplettodons entschlüsselt werden. Ein langes Stück m beinhaltet daher genug Information, um für alle minosäuren eines roteins zu codieren und so seinen ufbau zu bestimmen. In jeder Zelle eines rganismus muß genug m vorhanden sein, um für alle roteine zu codieren, die sie benötigt. Um dies zu gewährleisten, ist daher ganz offensichtlich eine beträchtliche Informationsdichte notwendig. 4 J.W.arvin 1996

25 3 SKII FortgeschrittenenModell EXYIBSE Informationen für LehrerInnen ' eben Sie genug Bausteine an jede Schülergruppe aus, so daß ein einzelsträngiges Molekül konstruiert werden kann. Wenn Sie genug Zeit haben, können die Schüler auch einen Strang benutzen, den sie in einem vorherigen rbeitsschritt angefertigt haben. Vergewissern Sie sich, daß Sie für jede ruppe die entsprechende nzahl passender Bausteine bereit halten, um einen komplementären Strang zu konstruieren. Sobald die Schüler den Einzelstrang zusammengebaut haben, geben Sie die Bausteine aus. F1 emeinsamkeiten zwischen der und den neuen Bausteinen: Beide besitzen die Bausteine hosphat, denin, uanin und ytosin. Unterschiede: er Zucker der ist eine esoxyribose, während die neuen eile eine ibose enthalten bitte beachten Sie, daß die ibose weiß auf schwarzem Untergrund gedruckt ist. ie neuen Bausteine enthalten die Base Uracil anstelle von hymin also dunkelblau anstelle von hellblau. ie Schrift ist wiederum weiß. Bei genauerer Betrachtung der ibose und der esoxyribose wird ersichtlich, daß der einzige Unterschied zwischen den beiden in einer ruppe besteht. ie ibose trägt am eine solche ruppe, wohingegen die esoxyribose an dieser Stelle lediglich ein tom trägt. aher rührt auch der ame esoxy (ohne Sauerstoff) ribonukleinsäure. ' ' ESXYIBSE IBSE Uracil unterscheidet sich dadurch von hymin, daß eine 3ruppe am 5 durch ein tom ersetzt ist YMI 1 3 UIL F Weil sie ibose anstelle von esoxyribose enthält. Unser Modell endet mit der ranskription. Sie können dennoch fortfahren und erklären, wie die ranslation der m schließlich mit ilfe von riplettodons zur roteinbiosynthese führt. Ein solches weiterführendes Modell zur ranslation und roteinbiosynthese wird derzeit entwickelt. J.W.arvin

26 U 3 SKII Fortgeschrittenen Modell 3 Folie EXYIBSE ' ukleotide U Strang fungiert als Matrize U Einzelstrang ukleotide werden gemäß der egel der spezifischen Basenpaarung eingefügt. U U Vollständiges uplett aus und wird gebildet U ie und Stränge trennen sich an den schwachen Wasserstoffbrücken, die die Basenpaare verbinden U Boten (m) wandert aus dem Zellkern hinaus ins ytoplasma U 6 J.W.arvin 1996

27 J.W.arvin U U U U BFLE E BEISWEISUE ie Bausteine sind jeweils für eine ruppe dargestellt, das Molekül besteht aus 6 Basenpaaren. BEISWEISU 1 SUKU ngemessene nzahl von Bausteinen, um ein doppelsträngiges Molekül von 6 Basenpaaren Länge zu konstruieren. ieses doppelsträngige Molekül kann dann für den nächsten rbeitsschritt weiterverwendet werden. BEISWEISU ELIKI Jede ruppe benötigt einen doppelten Satz von Bausteinen. Ein Strang dieser kann für den nächsten rbeitsschritt weiterbenutzt werden. Ein weiterer Strang kann schnell modifiziert werden. BEISWEISU 3 SKII ie s (esoxyribosen) des zweiten Stranges werden durch s (ibosen) ersetzt und die s (hymine) durch U s (Uracile). Wenn Sie genügend Zeit haben, können Sie also alle drei eilschritte am Stück durcharbeiten

28 Wilbert arvin war etliche Jahre als Biologielehrer im Schuldienst. erzeit arbeitet er als Lehrbeauftragter der ädagogik (Biowissenschaften) an der Queen s University of Belfast. Er ist irektor des orthern Ireland entre for School Biosciences und ründungsmitglied der European Initiative for Biotechnology Education erhielt er die Unilever uszeichnung für sein eacher raining in Biotechnology im ahmen des artnership wardrojektes, das Innovationen im Bereich des Lehrens und Lernens an Universitäten auszeichnet. Er ist utor zahlreicher Bücher, zu denen z.b. die drei Bände von Skills in dvanced Biology, herausgegeben von Stanley hornes Lrd. of heltenham, gehören Band 1 Band Band 3 ealing with data bserving, recording and interpreting Investigating 8 J.W.arvin 1996