Polymerase-Kettenreaktion (PCR) - Ein Verfahren zur Vervielfältigung von DNA [Biologie, Oberstufe]
TeacherToby
https://www.youtube.com/watch?v=Xp2MPoNUe-0

Transkript (automatisch erstellt)

0:01 [Musik] in diesem Video werden wir uns der Polymerase Kettenreaktion oder kurz PCR
0:13 beschäftigen einfach fahren mit Hilfe dessen man von spezifischen kurzen DNA-Abschnitten zahlreiche Kopien
0:19 anfertigen kann und die Vervielfältigung der DNA bezeichnet man auch als DNA Amplifikation wahrscheinlich habt ihr
0:27 euch schon mit der DNA-Replikation beschäftigt also der Verdopplung der DNA die DNA in der unsere Erbinformationen
0:34 gespeichert ist nennt man auch eine Doppelhelix weil sie aus zwei Einzelsträngen besteht die wie eine
0:39 Schraube um ihre eigene Achse gebunden sind Verdoppelung heißt also konkret dass aus
0:44 einem doppelsträngigen DNA Strang zwei Doppelstränge DNA werden bei diesem Vorgang bleibt die DNA jeweils zur
0:51 Hälfte erhalten was man auch als semikonservativ bezeichnet so jeder Hälfte wird entsprechend ein neuer
0:57 Strang synthetisiert bzw hergestellt warum erzähle ich etwas über die DNA Replikation wenn es in diesem Video doch
1:04 um die PC geht ganz einfach weil genau dieses Wissen um den molekularen Ablauf der DNA Replikation sich Biologen zu
1:12 Nutze gemacht haben um im Labor die Polymerase Kettenreaktion zu entwickeln die PCR beruht also auf den Mechanismus
1:19 der Replikation die pcr-armt den Mechanismus der Replikation nach wie ihr später noch sehen werdet
1:28 zunächst ist es sinnvoll einen Blick auf die Bestandteile zu werfen die in einen reaktionsgemischte PCR enthalten sind
1:34 ähnlich wie man sich vor dem Kochen mit den Zutaten eines jeweiligen Rezepts beschäftigt gucken wir uns also jetzt
1:40 die Zutaten an die notwendig sind für unsere Rezepte die PCR wenn das Ziel ist einen bestimmten DNA-Abschnitt zu
1:48 amplifizieren zu vervielfältigen dann ist natürlich klar dass das Reaktionsgemisch diese Sequenz an
1:53 doppelsträngiger DNA die amplifiziert werden soll enthält diese Sequenz dient also als Vorlage als Matrize für die
2:02 späteren Kopien nachdem der Doppelstrang in zwei Einzelstränge getrennt wurde ist es das Enzym DNA polymerase 3 das bei
2:11 der Replikation komplementäre dna-basen an beide Stränge anheftet und so dafür sorgt dass die eben angesprochene Kopie
2:19 angefertigt wird das Enzym kann den Prozess jedoch nicht ohne weiteres in Gang setzen dafür ist
2:25 es auf die Schützenhilfe von sogenannten Primern angewiesen beide Bestandteile sind auch im Reaktionsgemisch für die PC
2:32 enthalten das heißt zwei kurze künstlich synthetisierte Primer die zu den Enden des spezifischen dna-abschnitts
2:40 komplementär sind und eine Hitze beständige DNA polymerase für die Synthese der beiden Tochter
2:47 strenger also der neuen zur Matrize komplementären Stränge sind natürlich die Basen Adenin Thymin Guanin und
2:55 zytosin notwendig im pcr-reaktionsgemisch Liegen die dna-basen jedoch nicht als einfache
3:00 Basen vor sondern als sogenannte dNTPs desoxyribonukleotid-triphosphate was unterschiedliche Gründe hat wie zum
3:10 Beispiel dass sie dna-basen wenn sie einzeln vorliegen recht instabil sind so aber gebunden noch an drei
3:16 Phosphatgruppen recht stabil ihr kennt wahrscheinlich das Beispiel von ATP um die DNA zu stabilisieren und einen
3:23 neutralen pH-Wert zu gewährleisten enthält das Gefäß zu dem Salz und Puffer mit diesen Zutaten im Reaktionsgemisch
3:31 lassen sich nun in der Polymerase Kettenreaktion Kopien des gewünschten DNA Abschnitts anfertigen und zwar durch
3:38 folgende drei Schritte die sich zyklisch immer wiederholen erstens die DNA Denaturierung zweitens die Weimar
3:46 Hybridisierung und drittens die dna-polimarisation beim ersten Schritt den man als DNA Denaturierung bezeichnet
3:53 wird das Reaktionsgemisch mit den eben genannten Bestandteilen auf ca 92 Grad erhitzt vielleicht hat der ein oder
4:01 andere es von euch bereits gemerkt auch wenn das pcr-gemisch viele Bestandteile der DNA-Replikation enthält die Enzyme
4:08 zur endspiralisierung und zur Trennung des doppelstrangs in zwei Einzelstränge tauchen nicht auf und trotzdem ist
4:15 dieser Schritt notwendig für die spätere Synthese der beiden Tochter strenger die Enzyme sind deshalb nicht notwendig weil
4:22 das Erhitzen des reaktionsgemischs ihre Funktion übernimmt eine derart heiße Temperatur hat zur Folge dass sich die
4:28 Wasserstoffbrücken des DNA doppelstrangs der dna-matratze lösen und auf diese Weise die beiden Stränge voneinander
4:35 getrennt werden wenn man das gesamte Gefäß erhitzt ist klar dass alle Bestandteile dieser heißen Temperatur
4:40 ausgesetzt sind und vor allem für die DNA polymerase stellt das ein echte das Problem da weil diese bei Temperaturen
4:48 nahe des Siedepunktes denaturiert also kaputt geht als die PCR-Methode erfunden wurde musste man in jedem Zyklus nach
4:57 der Denaturierung ein neues Enzym DNA-Polymerase hinzufügen so dass sie Methode kaum geeignet war für eine
5:04 allgemeine breite Anwendung deutlich wirtschaftlicher und praktikabler wäre es das selbst bei der
5:10 denaturierungstemperatur von über 90 Grad Celsius funktionsfähig bliebe so dass es nicht bei jedem Zyklus neu
5:18 zugeführt werden muss die Lösung für dieses Problem stellt das Bakterium thermos aquaticus da das in heißen
5:24 Quellen lebt entsprechend seiner heißen Umgebungstemperatur hat es ein äußerst hitzeresistenten Stoffwechsel und zu
5:32 diesem gehören auch Enzyme wie die DNA polymerase die bei solch hohen Temperaturen nicht denaturiert aus
5:38 diesem Grund nutzt man die Hitze resistente den apolymerase von thermos die bei den hohen Temperaturen während
5:45 der Denaturierung der DNA intakt bleibt beim zweiten Schritt der sogenannten primer-hybridisierung bzw dem Primer in
5:53 nealing wird das Reaktionsgefäß auf circa 50 bis 60 Grad abgekühlt so dass sich die DNA Primer an die
6:00 matrizenstränge durch komplementäre basenpaarungen anlagern können anders als bei der Replikation der DNA handelt
6:07 es sich bei der PCR um DNA statt RNA Primer damit man komplementäre Primer die jeweils am Ende jedes Strangs binden
6:17 künstlich herstellen kann muss natürlich auch die jeweilige Basensequenz am Ende bei der strenge bekannt sein eine
6:23 Polymerase eines Bakteriums das in heißen Quellen lebt ist nicht nur Hitze resistenter und kann höhere Temperaturen
6:30 überleben es arbeitet natürlich auch bei deutlich wärmeren Temperaturen als sie den apolymerase beispielsweise von uns
6:36 Menschen deshalb wird die Temperatur beim nächsten Schritt bei der sogenannten
6:41 Polymerisationen erhöht auf eine für die DNA polymerase optimale Temperatur nämlich auf ca 74 Grad bei dieser
6:51 Temperatur lagern sich die DNA Polymerasen an die Primer der beiden matrizenstränge an und katalysieren die
6:57 Synthese der neuen komplementären Stränge nach diesen drei Schritten Denaturierung Hybridisierung
7:04 Polymerisation sind mittels PCR aus der Matrizen DNA zwei doppelsträngige Kopien der DNA-Sequenz hervorgegangen ein
7:13 einzelner Zyklus dauert nur wenige Minuten man kann sich leicht vorstellen wie in kurzer Zeit eine enorme Menge an
7:19 Kopien des gewünschten dna-fragments erzeugt werden können schließlich nimmt die Anzahl der Kopien mit der
7:25 Wiederholung des Zyklus exponentiell zu an dieser Stelle möchte ich noch auf zwei Fragen eingehen warum ist
7:33 eigentlich so viel DNA erforderlich und wo findet die PCR Anwendung welches Interesse verfolgen Biologen mit
7:41 Hilfe der Polymerase Kettenreaktionen zahlreiche Kopien von spezifischen DNA-Abschnitten in kurzer Zeit
7:46 herzustellen meist ist die PCR nur ein Schritt von vielen bei der Untersuchung und Analyse
7:53 von DNA nachdem man spezifische dna-sequenzenmittel für der pcr-amplifiziert vervielfältigt hat wird
8:00 zum Beispiel die Gelelektrophorese durchgeführt ein Verfahren dass sich in einem gesonderten Video erklärt habe und
8:06 man nutzt um Personen zu identifizieren die Identifizierung von Personen ist in manchen Wissenschaftsbereichen von
8:12 enormer Bedeutung zum Beispiel in der Kriminalistik zu Überführung eines Tatverdächtigen in der Forensik also bei
8:18 der systematischen Untersuchung von Verbrechen oder beim Vaterschaftstest zur Prüfung wer der leibliche Vater
8:23 eines Kindes ist in all diesen Anwendungsbereichen aber auch zum Nachweis von Krankheiten oder die Ideen
8:29 a-sequenzierung kommt die PCR zum Einsatz heutzutage sind pcr-maschinen fester
8:35 Bestandteil eines gentechnischen Labors man könnte sich an dieser Stelle zurecht fragen warum man die DNA nachdem man sie
8:42 aus einem Organismus isoliert hat nicht direkt mit Hilfe der Gel-Elektrophorese auftrennt bzw analysiert
8:49 warum ist überhaupt die Polymerase Kettenreaktion erforderlich mit Hilfe der die Ideen aamplifiziert wird ganz
8:55 einfach weil die DNA-Menge die sich aus einer biologischen Probe isolieren lässt schlichtweg sehr häufig zu gering ist
9:02 und damit arbeiten zu können um im Labor den a zu untersuchen und auch für gentechnische Anwendungen ist es oft
9:09 notwendig viele Kopien einer DNA-Sequenz zu erzeugen nachfolgend habe ich euch noch mal die
9:16 wichtigsten Punkte zur PCR zusammengefasst [Musik]