Molekulargenetik ®   Die Chemische Grundlage der Vererbung

Fragestellungen:
 Woraus bestehen Gene chemisch? Wie verdoppelt sich das Erbgut? Wie entstehen Mutationen/Erbkrankheiten? Wie steuert der Zellkern den Stoffwechsel? Wie funktioniert Gentechnik?

Zusammenfassend kann man aus genannten Versuchergebnissen folgendes ableiten:

1. Der Zellkern ist für Zellteilung und Fortpflanzung unentbehrlich.
2. Der Zellkern bestimmt, welche Merkmale ausgebildet werden.
3. Die Aktivität des Zellkerns kann auch  durch das Zellplasma beeinflusst werden. Es muss also Substanzen geben, die durch die Kernhülle ins Zellplasma wandern und umgekehrt .

  DNA als Erbsubstanz

Vor 1940 war die chemische Struktur der "Kernsäuren"=Nukleinsäuren noch unbekannt. Man war überzeugt, dass nur Proteine in der Lage sind, genetische Informationen zu speichern.  Grund: Proteine bestehen aus 20 verschiedenen Aminosäure-Bausteinen (= „Buchstaben“), die man in langen unverzweigten Ketten (="Zeilen") zu  Riesenmolekülen (=„Wörtern“) mit Informationsgehalt verknüpfen kann. 

Voraussetzung für Fortschritte in der Molekulargenetik war die Wahl geeigneter Versuchsobjekte:                       

ABI-Skizze:    Bakterienzelle im Elektronenmikroskop:

Entdeckungsgeschichte  für DNS (DNA) als Erbsubstanz :  Desoxyribonukleinsäure

Vorüberlegung:           
Welche Eigenschaften muss die Erbsubstanz haben? 

Beweise für DNA als Erbsubstanz

Experimente von Griffith:

Deutung:
Die R-Pneumokokken müssen von den zerstörten Zellen der S-Pneumokokken Erbsubstanz (d.h. das Gen für Schleimkapselbildung) übernommen haben, welche sie zu S-Pneumokokken transformierte.
--->aus R-Pneumokokken sind S-Pneumokokken geworden.

Griffith nannte diese Erbgutübertragung Transformation.

Schema:

Avery bewies 1944, dass nur DNA die Transformation bewirkt, d.h. dass DNA die Erbsubstanz ist!

Experiment von Avery

Avery isolierte aus abgetöteten S-Pneumokokken alle Zellchemikalien, die als Erbgut in Frage kamen, d. h. die die Transformation bewirkt haben könnten.  
---> nur DNA war zur Transformation fähig, --->DNA ist die Erbsubstanz!

Wichtiger Kontrollversuch, der beweist, dass nur DNA, und nicht ein unbekannter Stoff in der DNA-Fraktion die Erbsubstanz ist:
---> Gibt man zur DNA-Fraktion das DNA-spaltende Enzym DN-ase, dann findet keine Transformation statt.  

Acetabularia (=Schirmalge) ist eine einzellige Grünalge. Sie ist mehrere Zentimeter lang und in drei Abschnitte gegliedert: Hut, Stiel und "Wurzel".
Der Zellkern liegt immer im Bereich der Wurzel. Es gibt mehrere Arten, die sich durch die Form ihres Hutes voneinander unterscheiden, z.B. Acetabularia mediterranea (Vorkommen im Mittelmeer) und Acetabularia crenulata (Vorkommen in der Karibischen See).  siehe Abb. 1

Abb.1:

Abb.2:

Abb.3

Zur Erforschung der Bedeutung des Zellkerns für Fortpflanzung und Regeneration machte der dt. Biologe J. HÄMMERLING Anfang der dreißiger Jahre wichtige Experimente. Er untersuchte zunächst die Folgen von Amputationen  einzelner Zellabschnitte einer Acetabularia-Zelle.
Das Ergebnis ist in Abb. 2 dargestellt.
1a) Beschreiben und erläutern Sie diese Ergebnisse in Bezug auf die oben genannte Fragestellung.
1b) Welches Ergebnis erwarten Sie, wenn der Zellkern in den Stiel implantiert wird und dann Wurzel und Hut amputiert werden? siehe Abb.3

In weiteren Versuchen untersuchte Hämmerling, welchen Einfluss der Kern auf die Hutform hat. Versuchsabläufe und  Ergebnisse sind in Abb. 4 und 5 dargestellt.

Abb.4

Abb.5

c) Beschreiben und deuten Sie die Ergebnisse.

d) Abschließend machte er folgenden Versuch: Ein "alter erwachsener Hut" (ohne Zellkern) wurde auf die Wurzel einer jungen Pflanze (mit "jungem" Zellkern) der gleichen Art gesetzt. Diese junge Zelle, die gerade erst begann, einen Stiel zu bilden fing umgehend mit der Teilung des Kerns und der Bildung von Keimzellen an, was sonst nur "erwachsene" Zellen tun. Welchen Einfluss des Zellplasmas auf den Kern leiten Sie aus diesem Ergebnis ab?                                                                        Lösungsvorschlag