Molekulares PuzzlesPiel: W i e d i e

Aufgaben:1.Welche wesentlichen Erkenntnisse können Sie aus Tabelle 1 gewinnen?2.Schneiden Sie die in Abbildung 1 dargestellten DNA-Bausteine aus. Bausteine mit gleichem Buchstaben gehören zur selbenMolekülgruppe (D: Desoxyribose, P: Phosphat, A: Adenin, C: Cytosin, G: Guanin, T: Thymin). Schreiben Sie die Erkenntnisseüber die Zusammensetzung und Struktur der DNA übersichtlich auf. Ordnen Sie dementsprechend die Molekülgruppen zueinem DNA-Strang!D D D D D D D D D DD D D D D D D D D DP P P P P P P P PP P P P P P P P PC C C C CTGATAbbildung 1: Die Puzzleteile der DNAGATGATTGAPPGAGENial einfach! – AB 3 Teil 1: Molekulares Puzzlespiel – Seite 2

Molekulares Puzzlespiel: W i e d i eS t r u k t u r d e r D N A e n t r ä t s e l t w u r d e – T e i l 2DPDPDPDPDPTCZ A T ZPPZ G C ZPPZ T A ZP PZ C G ZAbbildung 2: DNA-Leiter des Puzzlemodells und Doppelhelixmit H-Bindungen (Z = Zucker)Doppelhelix: ©Ernst Klett Verlag GmbH, StuttgartGrafiker: Prof. Jürgen Wirth, Visuelle Kommunikation, DreieichAufgabe:TCTAGAGAPDPDPDPDPD〉〉Die besondere Leistung von Watson und Crick war es, zuerkennen, dass die DNA aus zwei Strängen besteht, diein entgegengesetzter Richtung – Wissenschaftler sagenantiparallel – verlaufen. Ihre Doppelhelix gleicht einer in sichverdrehten Strickleiter. Die Stricke bestehen aus einer Kettevon Phosphatresten und Desoxyribose. Die Stufen im Innerendes Moleküls bilden die Basen Adenin, Thymin, Guanin undCytosin. Sie halten die DNA über Wasserstoffbrückenbindungenzusammen. Im Vergleich zu den häufigeren Ionen- und Atombindungenstellen Wasserstoffbrücken eine schwache Formvon chemischen Bindungen dar. Die Paarungen der Basen sindin der DNA spezifisch: Adenin und Thymin werden von zweiWasserstoffbrücken zusammengehalten, Guanin und Cytosinimmer von drei.Die grundlegenden Bauelemente der DNA sind die sogenanntenNukleotide. Ein Nukleotid besteht aus einem Molekül Desoxyribose,das sowohl mit je einer der vier Basen verbunden ist alsauch mit einem Phosphatrest. Fehlt der Phosphatrest, sprichtman von Nukleosid. Die einzelnen Nukleotide werden überdie Phosphatreste miteinander verbunden. Dabei bindet derPhosphatrest am sogenannten C5-Atom des einen Nukleotids amC3-Atom des benachbarten Nukleotids. So entsteht eine Kettevon Nukleotiden. An dem einen Ende der Kette bleibt das C5-Atom frei und an dem anderen Ende ist das C3-Atom ungebunden.Die beiden Enden eines DNA-Strangs werden daher auch alsDreistrich- (3') und Fünfstrichende (5') bezeichnet.3.Eine künstlich hergestellte DNA mit einem sehr hohen Anteil an Guanin und Cytosin hat einen höheren Schmelzpunkt als eineDNA, die überwiegend aus Adenin und Thymin aufgebaut ist. Unter „Schmelzen“ verstehen Molekularbiologen das Trennen derbeiden komplementären DNA-Stränge unter Wärmezugabe.a) Erklären Sie das Phänomen!b) Warum zerfällt die DNA durch Wärme nicht in ihre Einzelbestandteile?GENi e s : Für die bedeutendste Entdeckung des 20. Jahrhundertsin der Biologie gab es bereits neun Jahre nach ihrer Veröffentlichung denbegehrten Preis aus den Händen des schwedischen Königs: Nobelpreisträger1962 waren Francis Harry Compton Crick und James Dewey Watson.Der Dritte im Bunde war Maurice Hugh Frederick Wilkins, der zusammenmit Rosalind Franklin mittels Röntgenstrukturanalysen wichtige Detailszum Bau der DNA herausgefunden hatte. Rosalind Franklin, welche dieeigentliche Expertin für diese Technik war und deren Arbeiten Watson undCrick entscheidende Hinweise gaben, wurde von den Preisträgern in ihrerDankesrede nicht erwähnt. Gehört hätte sie es ohnehin nicht mehr: Ihrejahrelangen Arbeiten mit den Röntgenstrahlen hatte sie da schon mit demLeben bezahlt. Sie war 1958 an Krebs gestorben.Maurice F. Wilkins (1. v. l.), Francis H. C. Crick(3. v. l.) und James D. Watson (5. v. l.) bei derNobelpreisverleihung 1962 in StockholmFoto: picture-alliance/dpaGENial einfach! – AB 3 Teil 2: Molekulares Puzzlespiel – Seite 1

Aufgabe:4.Ein Musterbeispiel für die Möglichkeiten der Genanalyse ist der Fall Kaspar Hauser: Als Jugendlicher wurde er 1828 inNürnberg aufgegriffen. Er war verwahrlost und konnte kaum sprechen, weil er jahrelang in einer Zelle gefangen gehaltenworden war. Bald kursierte das Gerücht, er sei der Erbprinz von Baden, den man habe beiseiteschaffen wollen. Als KasparHauser 1833 erstochen wurde, war für viele Zeitgenossen klar: Der Mord sollte die Affäre vertuschen. Dank der Möglichkeitender Gentechnik wurden inzwischen mehrere Versuche unternommen, die Frage nach der blaublütigen Herkunft des Opferszu beantworten – beispielsweise anhand von Blutflecken auf einer Unterhose von Caspar Hauser, die sich im Besitz einesMuseums befindet. Das Ergebnis: Die Blutflecken – und wahrscheinlich auch das Mordopfer – sind nicht mit den Markgrafenvon Baden verwandt.Welche Besonderheiten muss die DNA aufweisen, wenn sie sich nach so langer Zeit noch untersuchen lässt? Stellen Sieausgehend von der chemischen Struktur der DNA begründete Hypothesen für ihre extrem lange Haltbarkeit auf.E X K U R S : W i e b e k o m m t d a s C s e i n e N u m m e r ?Bei Zuckern werden die Kohlenstoffatome einer Kette so nummeriert, dass der Zucker mit der funktionellen Aldehydgruppe(H–C=O) die kleinstmögliche Zahl erhält. In der DNA sind die Zuckermoleküle über die Phosphatreste miteinander zu einer Ketteverbunden.Aufgabe:H–C=OIH–C–HIH–C–OHIH–C–OHIH–C–OHIHH–C=OIH–C–HIH–C–OHIH–C–OHIH–C–OHIHHOCH 2CHH CHOOHCHCHOH5.In Abbildung 3 ist der Zucker Desoxyribose inder übersichtlicheren Kettenform dargestellt.Diese Kette schließt sich, und damit liegt derZucker in einer Ringform vor. NummerierenSie die Kohlenstoffatome in der Kettenformund der Ringform der Desoxyribose. Geben Sieanschließend die Richtung des dargestelltenDNA-Strangs an.Adenin Thymin Cytosin GuaninBasen:NNH2NNNHNOONCH 3ONNH2NH2NHNONNNCH 2 CHO 2OCH 2 OCH 2 OOHH HHOPOOOHHH HHOPOOOHHHHHOOPOOHHOHHHAbbildung 3: Desoxyribose in Kettenform und in Ringform und NukleotidketteGENial einfach! – AB 3 Teil 2: Molekulares Puzzlespiel – Seite 2