Select your language

Suggested languages for you:
Log In Anmelden
StudySmarter - Die all-in-one Lernapp.
4.8 • +11k Ratings
Mehr als 5 Millionen Downloads
Free
|
|

Die All-in-one Lernapp:

  • Karteikarten
  • NotizenNotes
  • ErklärungenExplanations
  • Lernpläne
  • Übungen
App nutzen

Meselson Stahl Experiment

Save Speichern
Print Drucken
Edit Bearbeiten
Melde dich an und nutze alle Funktionen. Jetzt anmelden
Meselson Stahl Experiment

Der Ablauf der DNA Replikation erscheint Dir heute vielleicht nur als pures Auswendiglernen. Der Doppelstrang wird aufgespalten, es werden Primer angesetzt und dann wird auch schon der komplementäre Tochterstrang synthetisiert. Das alles erscheint Dir logisch und es bleiben meist keine Fragen offen.

Sollte es doch noch Fragen zur DNA Replikation geben, dann schau doch mal im gleichnamigen StudySmarter Artikel vorbei! Dort findest Du alles, was Du zu diesem Prozess wissen musst.

Noch vor einigen Jahren hingegen wusste man vergleichsweise wenig über die genauen Abläufe der DNA Replikation. Es gab drei Theorien, die zur Diskussion standen, aber erst mit dem Experiment von Matthew Meselson und Franklin William Stahl im Jahr 1958 konnte bewiesen werden, dass es sich bei der DNA Replikation um einen semikonservativen Mechanismus handelt.

Grundlage des Meselson und Stahl Experiments

Das genetische Material der Elterngeneration wird bei der Vererbung an die nächste Generation weiter gegeben. Dazu muss die DNA zuerst über die DNA Replikation verdoppelt werden.

Es gibt drei Theorien zum genauen Ablauf der DNA Replikation:

  • Konservative Replikation: Hier bleibt die Eltern-DNA vollständig erhalten. Es werden einzelne Kopien beider Stränge erstellt, welche sich dann zu einem Doppelstrang zusammensetzen.
  • Semikonservative Replikation: Die Eltern-DNA wird in Einzelstränge aufgespalten und es wird je ein komplementärer Tochterstrang ergänzt.
  • Dispersive (/disperse) Replikation: Dieser Mechanismus ist ähnlich der semikonservativen Replikation. Jede Tochter-DNA besteht zur Hälfte aus der Eltern-DNA. Hier wird jedoch nicht ein neuer ununterbrochener komplementärer Strang erzeugt, sondern die Nucleotide der Eltern-DNA wechseln sich mit den neu ergänzten Nucleotiden ab.

Meselson und Stahl Experiment Theoretische Mechanismen DNA Replikation konservativ semikonservativ dispersiv StudySmarterAbbildung 1: Theoretische Mechanismen der DNA-Replikation Quelle: wikipedia.com

Die Bezeichnungen kannst Du Dir leicht merken! Konservativ bedeutet "erhaltend", bei der konservativen Replikation bleibt also der vollständige Eltern-Doppelstrang erhalten, während bei der semikonservativen Replikation nur die Hälfte, also die Einzelstränge vollständig erhalten bleiben. Dispersiv leitet sich vom lateinischen Begriff "disperge" ab und bedeutet so viel wie "ausbreiten" oder "zerstreuen". So kannst Du Dir die DNA Replikation nach dem dispersiven Mechanismus auch in etwa vorstellen.

Ablauf des Meselson und Stahl Experiments

Das Ziel von Meselson und Stahl war es, mit diesem Experiment zu beweisen, dass es sich bei der DNA Replikation um den semikonservativen Mechanismus handelt.

James D. Watson und Francis C. Crick, die Entdecker der Doppel-Helix-Struktur der DNA, vermuteten bereits, dass die DNA Replikation dem semikonservativen Mechanismus folgen könnte.

Untersuchungsobjekt des Meselson und Stahl Experiments

Für ihr Experiment verwendeten Meselson und Stahl Escherichia coli Bakterien, welche vorerst auf einem Nährmedium mit dem Stickstoffisotop 15 N kultiviert wurden.

Isotope sind Atome eines Elements mit gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Massenzahl. Sie haben die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl Neutronen, wodurch ihre Masse variiert.

15 N ist ein Stickstoffisotop des typischen 14 N. Beide Stickstoffisotope unterscheiden sich, wie Du bereits gelernt hast, nur in ihrer Masse. Das 15 N Stickstoffisotop ist schwerer als das 14 N und genau diese Eigenschaft machten sich Meselson und Stahl in ihrem Experiment zunutze.

Durch die Kultivierung auf einem Nährmedium mit 15 N kam es zum Einbau des Stickstoffisotops in die DNA der Bakterien. Nach einigen Generationen enthielt ihr Erbgut nur noch das Isotop 15 N und es war kein 14 N mehr zu finden. Somit waren diese Bakterien deutlich schwerer als andere E. coli Bakterien, welche sich nicht in diesem speziellen Nährmedium vermehrt hatten.

Durchführung des Meselson und Stahl Experiments

Am Anfang des Experiments liegt eine Generation E. coli Bakterien vor, dessen Erbgut das Stickstoffisotop 15 N enthalten.

E. coli Bakterien können sich unter idealen Bedingungen, wie sie beispielsweise in einem angesetzten Nährboden im Labor gegeben sind, in innerhalb von 20 Minuten teilen. Daher entsteht etwa alle 20 Minuten eine neue Generation.

Die Bakterien mit dem eingebauten 15 N werden jetzt auf einen anderen Nährboden gesetzt, welcher ausschließlich das typische Stickstoffisotop 14 N enthält. Teilen sich die Bakterien nun und replizieren in diesem Zusammenhang zuvor ihre DNA, so muss das Stickstoffisotop 14 N dafür verwendet werden.

Nach 20 Minuten entnahmen Meselson und Stahl die erste Probe. Dabei handelte es sich um die erste Generation, welche bereits das Stickstoffisotop 14 N in ihrem Erbgut eingebaut haben muss. Dieser Vorgang wurde weitere zwei Male wiederholt. Dementsprechend fanden in dieser Zeit zwei weitere Teilungen statt, bei denen wieder das Isotop 14 N eingebaut wurde. Der 15N-Anteil sinkt dabei also kontinuierlich.

Ergebnis des Meselson und Stahl Experiments

Um das Experiment auszuwerten, bedienten sich Meselson und Stahl an der sogenannten Dichtegradientenzentrifugation. Dadurch werden DNA-Moleküle nach ihrem Gewicht geordnet. Die DNA der Bakterien aus den verschiedenen Proben wurde extrahiert und anschließend zentrifugiert.

Meselson und Stahl Experiment Ergebnis Ergebnisse Dichtegradientenzentrifugation Banden StudySmarterAbbildung 2: Ergebnisse des Meselson und Stahl Experiments

Auf der Abbildung kannst Du verschiedene Banden erkennen, welche die Bakterien-DNA nach ihrem Gewicht geordnet darstellen. Die erste entnommene Probe stammt noch aus dem 15 N-haltigem Nährboden, somit ist hier kein 14 N enthalten. Da 15 N schwerer als 14 N ist, befindet sich diese Bande am Boden des Reagenzglases.

Ausschluss des konservativen Mechanismus

In der zweiten Probe befindet sich lediglich DNA, welche sowohl 14 N als auch 15 N enthält, da die Bande etwa in der Mitte liegt.

Wenn es sich bei der DNA Replikation um den konservativen Mechanismus handelt, so würde 50 % der entnommenen DNA-Moleküle lediglich aus 15 N Isotopen und die anderen 50 % aus 14 N bestehen. Dabei würden zwei Banden entstehen – eine Bande am Boden und eine Bande am oberen Rand des Reagenzglases.

Hier liegt jedoch nur eine Bande in der Mitte vor, weshalb die DNA-Moleküle sowohl aus dem 14 N als auch aus dem 15 N Isotop bestehen. Der konservative Mechanismus kann so ausgeschlossen werden.

Es wurden also bei der ersten Replikation im 14 N-haltigem Medium Teile der Elternstränge mit 15 N Isotopen erhalten und neue komplementäre Stränge mit 14 N Isotopen synthetisiert.

Ausschluss des dispersiven Mechanismus

Mithilfe der dritten Probe konnte auch die dispersive Replikation widerlegt werden. Hier bildet sich eine Bande im Bereich 14 N und eine im Bereich 15 N / 14 N.

Würde die DNA Replikation dispersiv ablaufen, würde jedes DNA-Molekül nach wie vor geringe Mengen an 15 N Isotopen aufweisen. Da jedoch eine Bande am oberen Rand des Glases zu erkennen ist, enthält diese Probe auch DNA, welche ausschließlich aus den leichten 14 N Isotopen aufgebaut ist. Diese können nur entstehen, wenn die DNA Replikation dem semikonservativen Mechanismus folgt.

Meselson und Stahl Experiment konservativer semikonservativer dispersiver  Mechanismus Vergleich StudySmarterAbbildung 3: Theoretischer Ablauf der DNA Replikation nach dem konservativen Mechanismus

Erst nach drei Generationen im 14 N-haltigem Nährboden wäre auch über den dispersiven Replikationsmechanismus eine Bande am oberen Rand des Glases bei 14 N möglich. Diese würde jedoch nicht 75 %, sondern 50 % der extrahierten DNA-Moleküle ausmachen.

Die andere Hälfte würde wegen der einzelnen geringen Anteile an 15 N Isotopen eine Bande zwischen 14 N und 15 N / 14 N bilden. Auch das kann durch eine Probe nach drei Generationen im 14 N-haltigem Medium widerlegt werden, denn hier ist lediglich eine Bande bei 15 N / 14 N zu finden.

So kamen Meselson und Stahl zu dem Ergebnis, dass die DNA Replikation nach dem semikonservativen Mechanismus abläuft und bestätigten Watson und Cricks Theorie.

Meselson Stahl Experiment – Das Wichtigste

  • Das Meselson und Stahl Experiment beweist, dass es sich bei der DNA Replikation um den semikonservativen Mechanismus handelt. Der konservative und dispersive Mechanismus werden dabei widerlegt.
  • Semikonservative Replikation bedeutet, dass die Eltern-DNA in Einzelstränge aufgespalten und je ein komplementärer Tochterstrang ergänzt wird. Daher wird der semikonservative Mechanismus auch als halberhaltend bezeichnet.
  • Für das Experiment wurden E. coli Bakterien mit unterschiedlich schweren Stickstoffisotopen ernährt, welche sie in ihr Erbgut einbauten.
    • Die Stickstoffisotope 14 N und 15 N unterscheiden sich chemisch nicht voneinander, ihr einziger Unterschied liegt in ihrer Masse, der durch die unterschiedliche Anzahl von Neutronen zustande kommt.
  • Durch die unterschiedliche Verteilung der Banden nach einer Dichtegradientenzentrifugation konnte bewiesen werden, dass die Replikation der DNA semikonservativ abläuft.

Nachweise

  1. Meselson and Stahl (1958) The Replication of DNA in Escherichia coli, PNAS
  2. Frederic L. Holmes (2001) Meselson, Stahl and the Replication of DNA: A history of the most beautiful experiment in biology, Yale University Press

Häufig gestellte Fragen zum Thema Meselson Stahl Experiment

Ein semikonservativer Mechanismus ist bei der DNA Replikation zu finden und ist halberhaltend. Das heißt, dass bei der Replikation der Eltern-Doppelstrang aufgespalten und zu jedem Einzelstrang ein komplementärer Tochterstrang synthetisiert wird. Es wird also die Hälfte erhalten und die andere Hälfte neu hergestellt.

Das 15N Stickstoffisotop ist schwerer als das typische 14N Stickstoffisotop. Diese Eigenschaft machten sich Meselson und Stahl bei der Erforschung des Replikationsmechanismus zu Nutze. Bakterien wurden in einem 15N haltigem Medium kultiviert und bauten es so in ihr Erbgut ein. Sie wurden dann in ein 14N haltiges Medium überführt, weshalb die folgenden Generationen das 14N Isotop anstelle des 15N einbauten. So konnte nach einer Dichtegradientenzentrifugation, welche Moleküle nach ihrem Gewicht ordnet, herausgefunden werden, zu wie viel Prozent die DNA der Bakterien aus 15N, 15N/14N oder 14N besteht. Dies gab Rückschlüsse auf den Mechanismus der DNA Replikation und es konnten der konservative und dispersive Replikationsmechanismus ausgeschlossen werden - die DNA wird nach dem semikonservativen Mechanismus repliziert

Bevor das Meselson und Stahl Experiment durchgeführt wurde, standen drei Replikationsmechanismen zur Diskussion: die konservative, die semikonservative und die dispersive DNA Replikation. In ihrem Experiment konnten sie dann den semikonservativen Mechanismus beweisen, bei dem die Eltern-DNA in Einzelstränge aufgespalten und je ein komplementärer Tochterstrang ergänzt wird. Daher wird der semikonservative Mechanismus auch als halberhaltend bezeichnet.

Beim Experiment wurde DNA, welche unter anderem aus dem Stickstoffisotop 15N besteht, das Isotop 14N (leichter als 15N) eingebaut, indem Bakterien von 15N haltigem Nährboden in 14N haltigen Nährboden überführt wurden und sich dort teilten. Dadurch mussten sie ihre DNA replizieren und die dortigen Materialien verwenden, darunter auch das Isotop 14N. Würde es sich bei der Replikation um einen konservativen Mechanismus handeln, wäre nach der ersten Teilung die Hälfte der Bakterien mit 14N haltiger DNA und die andere Hälfte mit 15N haltiger DNA ausgestattet. Bei einer Dichtegradientenzentrifugation zeigte sich jedoch, dass eine Mischform aus 14N und 15N entstand. Auf ähnliche Art und Weise konnte so auch der dispersive Mechanismus ausgeschlossen werden und das Ergebnis des Experiments war der semikonservative Replikationsmechanismus.

Finales Meselson Stahl Experiment Quiz

Frage

Was war das Ziel des Meselson und Stahl Experiments?

Antwort anzeigen

Antwort

Das Ziel von Meselson und Stahl war es, mit diesem Experiment zu beweisen, dass es sich bei der DNA-Replikation um den semikonservativen Mechanismus handeln musste. Dafür mussten außerdem der konservative und dispersive Replikationsmechanismus ausgeschlossen werden.

Frage anzeigen

Frage

Welche drei Theorien gab es zum Ablauf der DNA Replikation?

Antwort anzeigen

Antwort

  • konservative Replikation
  • semikonservative Replikation
  • dispersive Replikation
Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet semikonservative Replikation?

Antwort anzeigen

Antwort

Der neue Doppelstrang besteht aus einem ursprünglichen und einem neu synthetisierten Einzelstrang.

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet konservative Replikation?

Antwort anzeigen

Antwort

Der neue Doppelstrang besteht aus zwei neu synthetisierten Einzelsträngen.

Frage anzeigen

Frage

Was bedeutet dispersive Replikation?

Antwort anzeigen

Antwort

Der neue Doppelstrang besteht aus einer Mischung des ursprünglichen und neu synthetisierten Einzelstrangs.

Frage anzeigen

Frage

Welche Atomeigenschaft war essentiell für das Meselson und Stahl Experiment?

Antwort anzeigen

Antwort

Essentiell waren die Stickstoffisotope 15N und das typische 14N. Chemisch sind sie gleich, der einzige Unterschied liegt in ihrer Masse. Das Isotop 15N hat eine höhere Neutronenanzahl als 14N und ist somit schwerer.

Frage anzeigen

Frage

Was war Untersuchungsobjekt des Meselson und Stahl Experiments?

Antwort anzeigen

Antwort

Für das Experiment wurden E. coli Bakterien verwendet.

Frage anzeigen

Frage

Wie lief das Experiment ab?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Kultivierung von E. coli Bakterien auf einem Nährboden mit 15N Isotopen
    • Bakterien bauten 15N in ihr Erbgut ein, nach einiger Zeit traten in ihrer DNA keine Spuren des typischen 14N mehr auf
  • Bakterien mit dem eingebauten 15N werden dann auf einen anderen Nährboden gesetzt, welcher ausschließlich das typische Stickstoffisotop 14N enthält
    • Teilen sich die Bakterien nun und replizieren in diesem Zusammenhang zuvor ihre DNA, so muss das Stickstoffisotop 14N dafür verwendet werden 
  • Nach etwa 20 Minuten wurde eine Probe entnommen
    • Die Teilung von E. coli Bakterien findet unter idealen Bedingungen im 20-Minuten-Takt statt
    • Die erste Probe enthält dementsprechend die erste Generation, welche bereits das Stickstoffisotop 14N in ihrem Erbgut eingebaut haben muss 
  • Nach jeweils 20 weiteren Minuten werden zwei weitere Proben entnommen
  • Aus den Proben der Bakterien wird die DNA extrahiert und zentrifugiert
Frage anzeigen

Frage

Mit welcher Technik wurde das Experiment ausgewertet?

Antwort anzeigen

Antwort

Um das Experiment auszuwerten, bedienten sich Meselson und Stahl an der sogenannten Dichtegradientenzentrifugation. Dadurch werden DNA-Moleküle nach ihrem Gewicht geordnet. Die DNA der Bakterien aus den verschiedenen Proben wurde extrahiert und anschließend zentrifugiert.

Frage anzeigen

Frage

Was sah man in der ersten Probe nach der Dichtegradientenzentrifugation?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der ersten Probe konnte eine Bande am Boden des Glases bei 15N erkannt werden. Hier ist kein 14N enthalten, da diese DNA durch die DNA Replikation im 15N haltigem Medium entstand. Deshalb ist diese DNA schwerer und befindet sich am Boden

Frage anzeigen

Frage

Was sah man in der zweiten Probe nach der Dichtegradientenzentrifugation?

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der zweiten Probe befindet sich die einzige Bande bei 14N/15N. Das bedeutet, dass die DNA sowohl 14N als auch 15N enthält.

Frage anzeigen

Frage

Welcher theoretische Replikationsmechanismus konnte durch die zweite Probe (nach einer Generation im 14N haltigem Medium) widerlegt werden und warum? 

Antwort anzeigen

Antwort

Bei der zweiten Probe befindet sich die einzige Bande bei 14N/15N. Das bedeutet, dass die DNA-Moleküle sowohl 14N als auch 15N Isotope enthält.

Bei der konservativen Replikation hätten sich neue Stränge mit dem 14N und alte Stränge mit dem 15N Isotop nicht vermischt und es wäre eine Bande bei 14N und eine bei 15N bilden müssen. Somit kann der konservative Mechanismus ausgeschlossen werden.

Frage anzeigen

Frage

Was sah man in der dritten Probe nach der Dichtegradientenzentrifugation?

Antwort anzeigen

Antwort

Hier bildet sich eine Bande im Bereich 14N und eine im Bereich 15N/14N.

Frage anzeigen

Frage

Welcher theoretische Replikationsmechanismus konnte durch die dritte Probe (nach zwei Generationen im 14N haltigem Medium) widerlegt werden und warum? 

Antwort anzeigen

Antwort

Mithilfe der dritten Probe konnte die dispersive Replikation widerlegt werden. Es entstanden zwei Banden: Eine Bande zwischen 14N und 15N wie bei der vorherigen Generation, sowie eine leichte 14N-DNA-Bande am oberen Rand des Reagenzglases. Würde die DNA Replikation dispersiv ablaufen, wäre eine Bande am oberen Rand bzw. DNA die ausschließlich aus 14N Isotopen besteht nicht möglich gewesen.

Frage anzeigen

Frage

Welche beiden Wissenschaftler vermuteten bereits, was Meselson und Stahl mit ihrem Experiment beweisen konnten?

Antwort anzeigen

Antwort

James D. Watson und Francis C. Crick, die Entdecker der Doppel-Helix-Struktur der DNA vermuteten bereits, dass es sich bei der Replikation der DNA um einen semikonservativen Mechanismus handelt

Frage anzeigen

Frage

Was sind Isotope?

Antwort anzeigen

Antwort

Isotope sind Atome eines Elements mit gleicher Ordnungszahl, aber unterschiedlicher Massenzahl. Sie haben die gleiche Anzahl an Protonen, aber eine unterschiedliche Anzahl Neutronen, wodurch ihre Masse variiert.

Frage anzeigen
Mehr zum Thema Meselson Stahl Experiment
60%

der Nutzer schaffen das Meselson Stahl Experiment Quiz nicht! Kannst du es schaffen?

Quiz starten

Finde passende Lernmaterialien für deine Fächer

Alles was du für deinen Lernerfolg brauchst - in einer App!

Lernplan

Sei rechtzeitig vorbereitet für deine Prüfungen.

Quizzes

Teste dein Wissen mit spielerischen Quizzes.

Karteikarten

Erstelle und finde Karteikarten in Rekordzeit.

Notizen

Erstelle die schönsten Notizen schneller als je zuvor.

Lern-Sets

Hab all deine Lermaterialien an einem Ort.

Dokumente

Lade unzählige Dokumente hoch und habe sie immer dabei.

Lern Statistiken

Kenne deine Schwächen und Stärken.

Wöchentliche

Ziele Setze dir individuelle Ziele und sammle Punkte.

Smart Reminders

Nie wieder prokrastinieren mit unseren Lernerinnerungen.

Trophäen

Sammle Punkte und erreiche neue Levels beim Lernen.

Magic Marker

Lass dir Karteikarten automatisch erstellen.

Smartes Formatieren

Erstelle die schönsten Lernmaterialien mit unseren Vorlagen.

Melde dich an für Notizen & Bearbeitung. 100% for free.