3) Befunde aus der Biochemie - Molekulare Homologien

Um den Verwandtschaftsgrad zu bestimmen geht man von folgender molekulargenetischen Erkenntnis aus:

Je näher die Verwandtschaft, desto ähnlicher das Erbgut d.h. desto ähnlicher ist die DNA bzw. deren codierte Proteine. 
     
Einige wichtige Methoden:

a) Vergleich wichtiger Stoffwechselproteine durch Vergleich der Aminosäure-Sequenzen.

b) Vergleich der Serumproteine durch serologische Tests.

c) Vergleich der DNA wichtiger Gene durch Vergleich der Basensequenz

d) Vergleich der DNA durch Hybridisierung
   

Zu a)  Aminosäure-Sequenzanalyse

Verfahren: 
Vergleich der Aminosäure-Abfolge in einem Stoffwechsel-Protein, das bei vielen Lebewesenarten vorkommt.
Deutung: 
Die Verwandtschaft beruht auf ähnlicher DNA
à   je näher verwandt, desto ähnlicher muss auch der Bau der Proteine sein. (Ein-Gen-ein-Polypeptid-Hypothese)   
à      je näher verwandt, desto ähnlicher die Primärstruktur der Enzyme, Eiweißhormone, Hämoglobin ....
Folgerung:
Durch Vergleich von gemeinsamen Enzymen aus lebensnotwendigen Stoffwechselschritten kann man den Verwandtschaftsgrad bestimmen, z. B. Cytochrom c ( Enzym, das im Mitochondrium (innere Membran) bei der Zellatmung benötigt wird (von allen Lebewesen, auch Pflanzen usw.).

Ausschnitt aus dem Cytochrom-Molekül verschiedener Lebewesen:

Cytochrom c ist ein Protein aus  104 Aminosäuren. Der Vergleich aus verschiedenen Organismen ergibt folgende Tabelle:

Ergebnis/Schlussfolgerung: 
Je größer die Abweichung, desto entfernter verwandt sind die Lebewesen, da die Aminosäuresequenz des Cytochroms in der DNA festgelegt ist. Eine abweichende Aminosäure bedeutet also eine Mutation, d. h. eine DNA-Änderung. Je mehr Änderungen, desto länger/früher sind die Entwicklungslinien bereits getrennt verlaufen.   

Hieraus folgt: Der Mensch ist mit dem Rhesusaffen viel näher verwandt als mit dem Pferd bzw. Huhn (auf molekularer Ebene).   

Man nennt dieses Verfahren: Aminosäuresequenz-Vergleich.

Ergebnis:  „Molekülstammbäume“,

z. B. Cytochrom c -Stammbaum
        (Zahlen bezogen auf den Menschen)

 
Zu b)   Serum-Präzipitintest

Verfahren: Vergleich der Ähnlichkeit von Blutserum-Eiweißen durch spezifische Antikörper.  

Deutung: Je ähnlicher die Serumeiweiße, desto ähnlicher das Erbgut, da die Eiweißstruktur genetisch festgelegt ist.

Typische Aufgabe: Ist das Pferd näher mit dem Esel oder mit dem Zebra verwandt?

 

Ablauf des Serum-Präzipitin-Tests:
  1. Dem Pferd wird Blut entnommen, daraus wird das Blutserum gewonnen und in ein Testtier (möglichst weit entfernt verwandt), z.B. Kaninchen, injiziert.
  2. Das Testtier produziert durch aktive Immunisierung „Anti-Pferd-Serum“ = Testserum. Dieses wird aus dem Blut isoliert.
  3. Eichung: Das Testserum wird zur 100 %-Eichung mit Pferdeserum vermischt
                  à 100 %ige Präzipitation (Verklumpung gelöster Eiweißmoleküle).
  4. Das Testserum wird mit Esel-Blutserum bzw. mit Zebra-Blutserum vermischt und der jeweilige Verklumpungsgrad wird gemessen.
  5. Auswertung: Je größer der Verklumpungsgrad desto ähnlicher die Bluteiweiße, desto näher die Verwandtschaft.  

Schema:

zu c)    DNA-Vergleich durch Basensequenz-Vergleich
Verfahren:Vergleich der Basen-Abfolge in einem Gen, das bei vielen Lebewesenarten vorkommt.
Deutung:
Je ähnlicher die Abfolge der Basen, desto enger verwandt (jede abweichende Base ist die Folge einer Mutation).  Je mehr Mutationen, desto früher muss die getrennte Entwicklungslinie begonnen haben.

z.B. Ausschnitt eines DNA-Abschnitts aus den Mitochondrien von Mensch und Rind:

Beachte:
  •  Vergleicht man nur einen kurzen Gen-Abschnitt, dann kann die Aussage über Verwandtschaft nur sehr ungenau sein!
  •  Da die Mutationshäufigkeit in manchen Genen sehr unterschiedlich ist, müssen viele Gene untersucht werden!
zu d)    DNA-Hybridisierung
Verfahren: DNA-Vergleich durch  Vergleich der Schmelzpunkte der Hybrid-DNA.   
Deutung:
Die DNA- Doppelhelix „schmilzt“ bei ca. 80° - 90° C  (
à H-Brücken werden gespalten à Einzelstränge entstehen) messbar z.B. durch Veränderung der „Zähflüssigkeit“ (= Viskosität). Hybrid-DNA, d. h. DNA-Doppelstränge aus artverschiedener DNA schmilzt früher, da nicht alle Basen sich paar könnenà weniger H-Brückenà leichtere Trennung der Doppelhelix in Einzelstränge durch Erhitzen. à je näher der „Hybrid-Schmelzpunkt“ dem „Schmelzpunkt“ der artreinen DNA desto ähnlicher die DNAà desto näher verwandt.  

z.B. Schmelzpunkt der Menschen-DNA: 88,20
       Schmelzpunkt der Schimpansen-DNA: 88,20
  Schmelzpunkt der
  Mensch-Schimpansen-Hybrid-DNA: 86,40
        Schmelzpunkt der Menschen-DNA: 88,20
          
Schmelzpunkt der Gorilla-DNA: 88,20
  Schmelzpunkt der 
  Mensch-Gorilla-Hybrid-DNA: 85,80
Folgerung:
Da die Schmelztemperatur bei der Mensch-Schimpansen-Hybrid-DNA höher liegt als bei der Mensch-Gorilla-Hybrid-DNA, muss  Schimpansen-DNA und Menschen-DNA ähnlicher sein als Menschen-DNA und Gorilla-DNA
à
  Mensch und Schimpanse sind näher verwandt.
 
zu 5)   Befunde aus der Embryologie:
Befund: Embryonen zeigen meist noch ursprüngliche Organanlagen, die entweder später verschwinden (z.B. flaumige Vollbehaarung= Lanugo beim Menschen  oder fünf Finger bei Pferdeembryonen oder Zahnanlagen bei Barten-Walen) oder rudimentär werden (z.B. Schwanzanlage bei Menschenembryonen) oder sich spezialisieren (z.B.: Schmetterlingslarven zeigen noch ein ursprüngliches gegliedertes Strickleiternervensystem, das beim erwachsenen Schmetterling durch Verschmelzung der Ganglien kaum mehr zu erkennen ist).
Deutung: Biogenetische Grundregel:
 Die Embryonalentwicklung (Ontogenese) deutet oft bestimmte Stadien der Stammesgeschichte (Phylogenese) an (ohne sie zu wiederholen!)
 
 Beispiel: Säuger-Embryonen deuten noch Kiemenfurchen an ohne je Kiemenspalten wie bei  Fischen zu bilden.
Befunde aus der Parasitologie:
Befund: Viele Parasiten sind wirtspezifisch, d.h. sie können nur auf Wirten der gleichen Art bzw. Gattung leben. 
Deutung: 
Parasiten und Wirte sind in Co-Evolution entstanden .
 z. B.:  Läuse und Flöhe:
Kamele (Afrika) und Lamas (Südamerika) könnten als konvergente Entwicklung gedeutet werden. Kamele  und Lamas  haben aber dieselbe Kamellausart
à Verwandtschaftsbeweis
oder: Menschen und Schimpansen haben die gleiche Flohart: Menschenfloh
Befunde aus der Verhaltensforschung:

Befund: Mimik und Gestik verwandter Arten ist ähnlich (z.B. Balzverhalten)
Deutung: Nicht nur Baupläne werden vererbt sondern auch artspezifische Verhaltensweisen(Instinkte) z. B.:  Die Mimik von Schimpansen und Menschen ist nahezu identisch
. Taubblinde Kinder, die ihre Mimik (Wut,Trauer,Freude..)weder optisch noch akustisch gelernt haben können, zeigen die gleiche Mimik.
à Beweis, dass Mimik angeboren ist, d.h. genetisch bedingt istà man kann aus ähnlichem Verhalten auf Verwandtschaft schließen.

Befunde aus der Tiergeographie:
Befund: Viele Tiergruppen sind auf bestimmte Gebiete der Erde beschränkt - und zwar auch dann, wenn sie durchaus auch in anderen Erdteilen überleben könnten.
z.B. Eisbären in der Arktis, Pinguine in der Antarktis, oder: Das Fehlen höherer Säugetiere (mit Plazenta) in Australien oder:  Kolibris nur auf dem amerikanischen Kontinent, nicht auf dem afrikanischen.
Deutung: Stammesgeschichtliche Entwicklung dieser Arten nur in einem begrenzten Gebiet = Entstehungs-Endemismus. (Inseln wie die Galapagos) oder:
Relikt-Endemismus: Ursprünglich weiter verbreitete Arten haben nur in einem bestimmten Gebiet überlebt. (Beuteltiere in Australien)
Frage:
Die folgende Grafik zeigt die Schmelzkurven der DNA bzw. der Hybrid-DNA folgender Tiere : 
3= DNA der Rauchschwalbe
2= Hybrid-DNA von Rauchschwalbe und Nektarvogel
1= Hybrid-DNA von Rauchschwalbe und Mauersegler
a) Erläutern Sie die unterschiedlichen Schmelzpunkte der DNA verschiedener Lebewesenarten in Abhängigkeit vom Anteil der Basensorten.
b) Erläutern Sie die unterschiedliche Absenkung der Schmelzpunkte bei Hybrid-DNA.
c) Ermitteln Sie aus der Grafik, ob die Rauchschwalbe näher mit dem Mauersegler oder dem Nektarvogel verwandt ist.

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