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PCR-Methode und Gelelektrophorese einfach erklärt – Alle Infos zu PCR und Gelelektrophorese DNA Ablauf
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PCR-Methode und Gelelektrophorese einfach erklärt – Alle Infos zu PCR und Gelelektrophorese DNA Ablauf

Die PCR-Methode einfach erklärt und die Gelelektrophorese sind zwei grundlegende Techniken in der Molekularbiologie. Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ermöglicht die gezielte Vervielfältigung von DNA-Abschnitten, während die Gelelektrophorese zur Trennung und Analyse von DNA-Fragmenten dient. Beide Methoden finden breite Anwendung in Medizin, Forschung und Forensik.

13.4.2021

7385

Was ist PCR?

Die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist ein Verfahren zur gezielten Vervielfältigung (Amplifikation) von DNA. Sie ähnelt der natürlichen DNA-Replikation im Körper und nutzt das Enzym DNA-Polymerase. Die PCR läuft in Zyklen ab, wobei jeder Zyklus aus drei gleichen Schritten besteht. Typischerweise werden etwa 20 Zyklen durchgeführt.

Vocabulary: Amplifikation bezeichnet in der Molekularbiologie die Vervielfältigung von DNA-Sequenzen.

Example: Die PCR findet unter anderem Anwendung bei COVID-19-Tests.

PCR UND GELELEKTROPHORESE INHALTSVERZEICHNIS
PCR
1. Was ist PCR?
2. Kary Mullis
3. Warum wird PCR durchgeführt
4. Was wird für die PCR-Reakt
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3. Amplifikation

Der dritte Schritt der PCR ist die Amplifikation, auch als Elongation PCR bekannt:

  • Die Temperatur wird auf ca. 70°C erhöht.
  • Dies ist die optimale Arbeitstemperatur für die DNA-Polymerase.
  • Das Enzym verknüpft die freien Nukleotide miteinander und bildet so einen neuen DNA-Strang.

Definition: Amplifikation oder Elongation bezeichnet die Verlängerung des DNA-Strangs durch die DNA-Polymerase.

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Aufbau der Gelelektrophorese

Der Aufbau einer Gelelektrophorese-Apparatur umfasst folgende Komponenten:

  1. Eine Gelmatrix (meist aus Agarose)
  2. Eine Stromquelle
  3. Eine Kammer mit zwei Elektroden (Kathode und Anode)
  4. Glasplatten zur Begrenzung des Gels

Die Gelmatrix wird elektrisch aufgeladen, wobei eine Seite als Kathode und die andere als Anode fungiert.

Vocabulary: Die Gelmatrix ist die Substanz, durch die die zu trennenden Moleküle wandern.

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Nach der erfolgreichen Vervielfältigung

Nach Abschluss der PCR-Zyklen:

  • Ist eine passende DNA-Sequenz zum Folgestrang gebildet worden.
  • Der Zyklus startet erneut bei Schritt 1 (Denaturierung).
  • Die Anzahl der DNA-Kopien steigt mit jedem Zyklus exponentiell an.

Anschließend müssen die amplifizierten DNA-Abschnitte getrennt und identifiziert werden, da:

  • Verschiedene Fragmente unterschiedlicher Länge entstanden sind.
  • Oft nur ein bestimmter Abschnitt für weitere Analysen erforderlich ist.

Diese Trennung und Identifizierung erfolgt mittels Gelelektrophorese.

Highlight: Die exponentielle Vermehrung der DNA-Abschnitte ermöglicht die Analyse selbst kleinster DNA-Mengen.

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Quellen

Die Präsentation basiert auf verschiedenen Quellen, darunter:

  • Biologiebücher
  • Online-Ressourcen wie studyflix.de und biologie-schule.de
  • YouTube-Videos zur Veranschaulichung der Methoden

Diese Quellen bieten weiterführende Informationen für interessierte Leser.

Highlight: Die Nutzung verschiedener Quellen gewährleistet eine umfassende und fundierte Darstellung der Thematik.

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Warum wird die DNA vervielfältigt?

Die PCR-Anwendung ist vielfältig und wird eingesetzt, wenn nicht genügend DNA-Material vorhanden ist. Hauptanwendungsgebiete sind:

  1. Medizin
  2. Kriminalistik
  3. Lebensmittelkontrolle
  4. Vaterschaftstests
  5. Wissenschaftliche Forschung

Highlight: Die PCR ermöglicht Analysen in verschiedenen Bereichen, von der medizinischen Diagnostik bis zur Forensik.

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1. Denaturierung

Der erste Schritt der PCR ist die Denaturierung:

  • Die Probe wird auf etwa 90°C erhitzt.
  • Die hohe Temperatur führt zur Trennung der Wasserstoffbrückenbindungen in der DNA.
  • Aus dem DNA-Doppelstrang entstehen zwei Einzelstränge.
  • Diese Einzelstränge dienen als Vorlage für die Vervielfältigung.

Definition: Denaturierung bezeichnet in der Molekularbiologie die Trennung der DNA-Doppelhelix in Einzelstränge durch Erhitzen.

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Inhaltsverzeichnis

Die Präsentation gliedert sich in zwei Hauptteile: PCR und Gelelektrophorese. Der PCR-Teil umfasst eine Definition, Informationen zum Erfinder Kary Mullis, Anwendungsbereiche, benötigte Materialien, Reaktionsschritte und Nachbearbeitung. Der Gelelektrophorese-Teil behandelt allgemeine Informationen, Aufbau, Ablauf und Verwendung. Abschließend werden ein Fazit gezogen und Quellen angegeben.

Highlight: Die strukturierte Gliederung ermöglicht einen umfassenden Überblick über beide Techniken.

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Verwendung der Gelelektrophorese

Die Gelelektrophorese findet vielfältige Anwendung, insbesondere in der Forensik:

  • Zur Identifizierung von Tätern, Opfern oder Eltern (genetischer Fingerabdruck)
  • Der genetische Fingerabdruck basiert auf Tandemwiederholungen in der DNA
  • Tandemwiederholungen sind Wiederholungen von einem oder mehreren Nukleotiden
  • Diese befinden sich in sogenannten VNTR-Regionen (nicht-codierende Bereiche)
  • VNTR-Regionen werden durch PCR vervielfältigt und können dann als Referenz dienen

Vocabulary: VNTR steht für "Variable Number Tandem Repeat" und bezeichnet sich wiederholende DNA-Sequenzen.

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PCR und Gelelektrophorese

Die Präsentation behandelt zwei zentrale Techniken der Molekularbiologie: die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) und die Gelelektrophorese. Diese Methoden sind von grundlegender Bedeutung für die moderne Genetik und finden vielfältige Anwendungen in Wissenschaft und Praxis.

Highlight: Die PCR und Gelelektrophorese sind Schlüsseltechniken in der Molekularbiologie mit breitem Anwendungsspektrum.

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2. Primerhybridisierung

Der zweite Schritt der PCR ist die Primerhybridisierung:

  • Die Temperatur wird auf ca. 60°C abgesenkt.
  • Bei dieser Temperatur können die Primer als Startmoleküle an die DNA-Einzelstränge binden.
  • Die Bindung erfolgt nach dem Prinzip der komplementären Basenpaarung (A+T; G+C).

Vocabulary: Hybridisierung bezeichnet die Anlagerung komplementärer Nukleinsäure-Einzelstränge.

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PCR (Polymerase-Kettenreaktion)

Die PCR (Polymerase-Kettenreaktion) ist eine fundamentale Methode in der Molekularbiologie. Sie dient der gezielten Vervielfältigung (Amplifikation) von DNA-Abschnitten und basiert auf dem Prinzip der DNA-Synthese.

Definition: Die PCR (Polymerase Chain Reaction) ist ein Verfahren zur gezielten Vervielfältigung von DNA-Abschnitten.

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Was wird für PCR-Reaktionen benötigt?

Für die Durchführung einer PCR werden folgende Komponenten benötigt:

  1. Doppelsträngige DNA-Vorlage
  2. Zwei künstlich hergestellte Startmoleküle (Primer)
  3. Freie Nukleotid-Bausteine aus den vier DNA-Basen
  4. Hitzestabile DNA-Polymerasen
  5. Ein Thermocycler (Gerät zur Temperaturregulierung)

Vocabulary: Primer sind kurze DNA-Sequenzen, die als Startpunkt für die DNA-Synthese dienen.

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Fazit

Die Gelelektrophorese ist eine leistungsfähige Methode zur Trennung und Analyse von Molekülen, insbesondere DNA-Fragmenten:

  • Moleküle lassen sich voneinander trennen und in Bandenmustern sichtbar machen.
  • Moleküle ähnlicher Größe bewegen sich gleich weit durch die Gelmatrix und bilden einzelne Banden.
  • Die Methode eignet sich hervorragend zum Vergleich von genetischem Material.

Highlight: Die Kombination von PCR und Gelelektrophorese ermöglicht präzise Analysen genetischen Materials in verschiedensten Anwendungsbereichen.

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Gelelektrophorese

Die Gelelektrophorese ist eine wichtige Methode in der Chemie und Molekularbiologie. Sie ermöglicht die Trennung und Sichtbarmachung von Molekülen, insbesondere DNA-Fragmenten. Diese Technik eignet sich hervorragend zum Vergleich von genetischem Material und nutzt ein Gel als Trägermittel.

Definition: Die Gelelektrophorese ist eine Methode zur Trennung von Molekülen basierend auf ihrer Größe und elektrischen Ladung.

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Kary Mullis

Kary Mullis, ein US-amerikanischer Biochemiker (28.12.1944 - 07.08.2019), entwickelte die PCR-Methode. Für diese bahnbrechende Erfindung erhielt er 1993 den Nobelpreis. Die PCR gilt als eine der wichtigsten Methoden der modernen Molekularbiologie.

Quote: "Die PCR ist die wichtigste Methode der modernen Molekularbiologie."

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Reaktionsschritte

Die PCR läuft in drei Hauptschritten ab, die sich zyklisch wiederholen:

  1. Denaturierung
  2. Primerhybridisierung
  3. Amplifikation

Diese Schritte werden im Folgenden detailliert erklärt.

Highlight: Der zyklische Ablauf der PCR ermöglicht eine exponentielle Vermehrung der Ziel-DNA.

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Ablauf der Gelelektrophorese

Der Ablauf der Gelelektrophorese DNA gestaltet sich wie folgt:

  1. Die zu trennenden Moleküle sind unterschiedlich groß und damit unterschiedlich stark geladen.
  2. Dies führt zu einer unterschiedlichen Bewegung in der Gelmatrix.
  3. Längere Moleküle werden stärker gehindert als kürzere.
  4. Die DNA wird in die Matrix eingebracht.
  5. Aufgrund ihres Phosphatrückgrats ist DNA negativ geladen und bewegt sich zur Anode.

Das Gel besteht meist aus Agarose und befindet sich in einer Pufferlösung.

Example: Bei der Agarose-Gelelektrophorese werden DNA-Fragmente nach ihrer Größe aufgetrennt.

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