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Der genetische Fingerabdruck

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Dicty

Der genetische Fingerabdruck

lernst du in der Sekundarstufe 5. Klasse - 6. Klasse - 7. Klasse

Beschreibung Der genetische Fingerabdruck

In diesem Video wird erklärt was ein genetischer Fingerabdruck ist und wie er gemacht wird. Die DNA spielt dabei eine wesentliche Rolle. Alle Menschen stimmen zu 99,9% in ihrer DNA-Sequenz überein. Wie anhand der DNA trotzdem jedes Individuum eindeutig zugeordnet werden kann, lernst du hier. Dabei wird dir auch erklärt, was der sogenannte STR-Bereich ist. Was man dabei bei eineiigen Zwillingen zu beachten hat und ob man diese DNAs überhaupt auseinander halten kann, wird dir ebenfalls erklärt.

Transkript Der genetische Fingerabdruck

Hallo, ich bin Katja und in diesem Video geht es darum, was ein genetischer Fingerabdruck ist und welche Methoden dabei Anwendung finden. Die Technik des genetischen Fingerabdrucks wurde 1984 das 1. Mal von Dr. Alec Jeffreys an der Universität Leicester in England dokumentiert. Dabei wird nicht die Sequenz der DNA-Basen, sondern die Länge bestimmter DNA-Abschnitte untersucht. Der genetische Fingerabdruck wird im Englischen auch DNA Profiling genannt, weil ein Längenprofil bestimmter DNA-Abschnitte erstellt wird. Obwohl 99,9 Prozent der menschlichen DNA-Sequenz in jedem Menschen identisch ist, reichen die restlichen 0,1 Prozent aus, um ein Individuum von einem anderen zu unterscheiden. Eine Ausnahme hierbei bilden eineiige Zwillinge. Etwa 97 Prozent der menschlichen DNA trägt keine Gene. Innerhalb dieser nicht codierenden Bereiche oder Introns gibt es zahlreiche Abschnitte, die sich aus Wiederholungen derselben kurzen Basenfolge zusammensetzen. Diese Wiederholungssequenzen mit einer Länge der Sequenz von 2 bis 16 Basenpaaren unterscheiden sich stark von Individuum zu Individuum. In diesem Beispiel wird die Sequenz CATG 4 Mal wiederholt. Diese DNA-Sequenzwiederholungen werden auch STRs oder short tandem repeats genannt. Short tandem repeat heißt soviel wie "kurze Reihenwiederholung". Da die STR-Bereiche oder Loci sich nicht in codierenden DNA-Abschnitten befinden, erlaubt der genetische Fingerabdruck ebenso wie der echte keine Aussagen über die sonstigen Merkmale einer Person - zum Beispiel Aussehen, Gesundheit. Lediglich eine Aussage über das Geschlecht ist zusätzlich möglich. Die Sequenz und die Anzahl der Wiederholungen unterscheidet sich zwischen den STR-Bereichen. Bei einer Standardanalyse wird die Länge von 8 bis 16 STR-Loci zwischen DNA-Proben verglichen. Diese STR-Loci sind über den Chromosomensatz des Menschen verteilt. An jedem STR-Locus besitzt jeder Mensch das gleiche Basenmuster. In unserem Beispiel war das CATG. Nur die Anzahl der Wiederholungen ist variabel. Je ein STR-Allel pro Locus wird vom Vater und einer von der Mutter vererbt. In diesem Beispiel hat die Mutter in einem bestimmten STR-Bereich auf dem einen Chromosom 3 Wiederholungen und auf dem Schwester-Chromosomen 4 Wiederholungen der Sequenz. Der Vater hat auf einem Chromosom 2 Wiederholungen und auf dem anderen 5 Wiederholungen der Sequenz. Das Kind erhält nun je ein Chromosom vom Vater und eins von der Mutter, und zwar vom Vater das mit 2 Wiederholungen und von der Mutter das mit 4 Wiederholungen der Sequenz. Dadurch dass in der Regel mehr STR-Bereiche betrachtet werden, sinkt die statistische Wahrscheinlichkeit, dass 2 Menschen zufällig das gleiche STR-Muster haben auf weniger als 1:100.000.000. Das bedeutet, dass unter 100 Millionen Menschen jeweils einer denselben genetischen Fingerabdruck hat wie die untersuchte Person. Die Gefahr einer Verunreinigung der Ausgangsprobe mit biologischem Material einer anderen Person ist wesentlich größer, als dass 2 Personen das gleiche DNA-Profil haben. Auch alle Materialien, die im Labor benutzt werden, müssen frei von fremder DNA sein. So viel zum Hintergrund. Was geschieht aber, wenn ein genetischer Fingerabdruck erstellt werden soll? Für den genetischen Fingerabdruck wird die DNA im 1. Schritt aus menschlichen Zellen isoliert. Etwa aus Zellen der Mundschleimhaut, des Blutes aus Haarfolikel-Zellen oder Spermien. Welche Körperzellen verwendet werden, ist im Grunde egal. Da in allen Körperzellen eines Individuums die gleiche genetische Information enthalten ist. Im 2. Schritt werden die STR-Bereiche mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktion oder auch polymerase chain reaction (PCR) vervielfältigt. Wie das funktioniert, erkläre ich in einem der nächsten Videos. Die vervielfältigten STR-Bereiche werden in einem Gel nach Größe und Ladung aufgetrennt. Diese Technik nennt man Gelelektrophorese. Agarose wird aus Rotalgen gewonnen und ähnlich wie Gelatine kann man sie in heißem Wasser auflösen und beim Erstarren entsteht ein Gel. Solange das Gel noch heiß und flüssig ist, kann man einen sogenannten Kamm in die Flüssigkeit hängen und diesen nach Erstarren des Gels wieder herausziehen. Zurück bleibt ein Loch im Gel, in das man die vervielfältigten DNA-Fragmente einfüllt. Das Gel hat in sich eine Art sehr feine Netzstruktur. Wenn man jetzt Strom anlegt, bewegen sich die negativ geladenen DNA-Fragmente zum Pluspol. Die kleinen DNA-Fragmente kommen dabei schneller durch das Gelnetz als die großen. Durch Zugabe von Stoffen, die an die DNA binden, können die Fragmente anschließend sichtbar gemacht werden. Sehr gebräuchlich ist hierfür Ethidiumbromid, das bei Bestrahlung mit UV-Licht leuchtet. In modernen Laboren kommt heute auch die Kapillarelektrophorese zum Einsatz, die im Prinzip ähnlich funktioniert wie die Gelelektrophorese. Die DNA-Fragmente werden hier aber nicht in einem relativ großen Gel, sondern einem dünnen gelgefüllten Röhrchen, einer sogenannten Kapillare aufgetrennt und am Ende durch eine Sonde dedektiert. Das Ergebnis ist das typische Bild ähnlich einer unregelmäßigen Leiter. Die einzelnen Striche werden auch Banden genannt und jede Bande auf dem Bild steht für DNA-Stücke einer bestimmten Länge. Ob man bei diesen Abbildungen jetzt helle Banden auf dunklem Hintergrund oder dunkle Banden auf hellem Hintergrund hat, ist vollkommen egal und nur eine Frage der Darstellung. Die ursprünglich von Dr. Alec Jeffreys entwickelte Methode funktioniert etwas anders als die STR-Analyse. Bei dieser Methode wird die DNA durch bestimmte Restriktionsenzyme zerschnitten. Diese Enzyme stammen aus Bakterieren und erkennen jeweils spezifische DNA-Sequenzen, an denen sie schneiden. Ein Beispiel ist das Enzym EcoRI aus Escherichia coli. Unten hab ich die Sequenz aufgeschrieben, an der das Enzym schneidet. Dadurch entstehen auch wieder DNA-Fragmente, die mithilfe der Gelelektrophorese aufgetrennt werden und ein Muster ergeben, das für jedes Individuum spezifisch ist. Diese Methode zum Erstellen eines genetischen Fingerabdrucks wird heute kaum noch verwendet, da hierfür größere DNA-Mengen notwendig sind und die Methode relativ umständlich ist. Darüber hinaus gibt es internationale Vereinbarungen darüber, welche SDR-Bereiche für den genetischen Fingerabdruck untersucht werden, damit DNA-Profile von Tätern auch zwischen Ländern ausgetauscht und verglichen werden können. Der genetische Fingerabdruck findet Anwendung für den Vaterschaftstest, für den Vergleich von DNA-Spuren von einem Tatort mit der DNA eines Verdächtigen und bei der Identifikation von Verstorbenen. In Deutschland werden DNA-Profile von Tätern in der Datenbank des Bundeskriminalamts gespeichert. Hier noch mal einige wichtige Begriffe in der Wiederholung: In den nicht codierenden Bereichen, den Introns, gibt es DNA-Sequenzwiederholungen, die STRs. Diese werden mit Hilfe der Polymerase-Kettenreaktionen (PCR) vervielfältigt. Die entstandenen Fragmente werden durch Agarose-Gelelektrophorese aufgetrennt und es entsteht ein DNA-Längenprofil. Ich hoffe, dieses Video hat euch gezeigt, was ein genetischer Fingerabdruck ist und wie er zustande kommt. Danke euch für's Zuschauen, bis zum nächsten Mal.

10 Kommentare

10 Kommentare
  1. GESUNDHEIT! :-)

    Von Marian Nba, vor 8 Monaten
  2. Hallo,
    um die STR Bereiche mithilfe der PCR vervielfältigen zu können, braucht man spezifische Primer, die zu den Bereichen der STR komplementär sind. Man fügt den PCR Reagienzen die vorwärts und rückwärts Primer für die STR Bereiche hinzu, sodass sie vervielfältigt können. Mithilfe der Gelelektrophorese können die STR's dann nach der Länge aufgetrennt und miteinander verglichen werden. Ich hoffe, das beantwortet deine Frage. Viele Grüße aus der Redaktion!

    Von Serpil K., vor fast 4 Jahren
  3. Wie gewinnt man vor der PCR die STR Bereiche?

    Von N Muensterberg, vor fast 4 Jahren
  4. Genau, das eine ist der Unterschied der genetischen Information zwischen zwei Menschen (0,1%), das andere ist, wie viel Prozent der DNA (jedes Menschen) tatsächlich für Proteine codieren (nur 3%).

    Von Dicty, vor mehr als 6 Jahren
  5. Hallo :)
    Ich glaube da gibt es ein kleines Missverständnis. Also die Introns sind die Genabschnitte die nicht-codierend sind. Die Exons sind die codierenden Abschnitte. Im Video ist gezeigt, dass 99,9% der DNA (Gesamt-DNA) identisch ist mit anderen Menschen. 0,1% (Gesamt-DNA) sind also unterschiedlich. Kurz danach wird dann gesagt, dass 97% der menschlichen DNA aus Introns besteht, also nicht codiert.

    Von Marcel S., vor mehr als 6 Jahren
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Der genetische Fingerabdruck Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Der genetische Fingerabdruck kannst du es wiederholen und üben.
  • Definiere die Grundbegriffe des genetischen Fingerabdrucks.

    Tipps

    Das DNA-profiling ist der Prozess der Erstellung eines genetischen Fingerabdrucks.

    Die Polymerase-Kettenreaktion sowie die Gelelektrophorese sind beides molekularbiologische Methoden, um DNA im Labor zu bearbeiten.

    Lösung

    Beim DNA-profiling wird ein sogenanntes Längenprofil bestimmter DNA-Abschnitte erstellt. Das entstandene DNA-Profil ist für jeden Menschen einzigartig und stellt seinen genetischen Fingerabdruck dar.

    Die nicht-codierenden Bereiche der DNA, die Introns, enthalten DNA-Sequenzwiederholungen, genannt short tandem repeats (STRs). Beim DNA-profiling werden diese Bereiche mithilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) vervielfältigt und anschließend mittels Gelelektrophorese der Größe nach aufgetrennt. Es entsteht das charakteristische DNA-Längenprofil.

  • Erkläre den wissenschaftlichen Hintergrund des genetischen Fingerabdrucks.

    Tipps

    Nur ein kleiner Teil der DNA codiert für Proteine.

    Bei der geschlechtlichen Fortpflanzung erhält der Nachkomme je die Hälfte seines Genoms von einem Elternteil.

    Drei der fünf Antwortmöglichkeiten sind falsch.

    Lösung

    Die ursprüngliche Technik des genetischen Fingerabdrucks nutzte Restriktionsenzyme aus Bakterien und war sehr materialaufwendig und umständlich. Daher wird sie heutzutage kaum noch angewendet.

    99,9 % der DNA-Sequenz sind in jedem Menschen identisch. Die restlichen 0,1 % reichen aus, um Individuen eindeutig voneinander zu unterscheiden.

    Innerhalb der DNA codieren nur 3% für Proteine, der Rest besteht aus nicht-codierenden Introns.

    Innerhalb der Introns befinden sich DNA-Sequenzwiederholungen, sogenannte short tandem repeats (STRs).

    Diese Bereiche werden solchermaßen vererbt, dass je ein STR-Allel vom Vater und ein weiteres von der Mutter weitergegeben wird.

  • Stelle den Aufbau und die Funktionsweise der Gelelektrophorese als molekularbiologische Methode dar.

    Tipps

    Kurze DNA-Fragmente wandern schneller als lange, da sie auf weniger Widerstand innerhalb der Netzstruktur der Agarose-Gelmatrix treffen.

    In der Abbildung siehst du ein DNA-Fragment. Welche Ladungen hat es? Wie verhält es sich in einem elektrischen Feld?

    Die Elektroden sind elektrische Leitungen – oft feine Drähte – innerhalb der Becken mit den Pufferlösungen. In der Abbildung sind sie weiß. Ihre Ladung bzw. Polarität ist an ihren Anschlüssen erkennbar.

    Lösung

    Aufbau und Ablauf der Gelelektrophorese

    1. Probentasche
    2. negative Elektrode
    3. positive Elektrode
    4. Laufrichtung
    5. DNA-Probe
    6. Agarose
    7. Gelelektrophorese
    8. lange DNA-Fragmente
    9. kurze DNA-Fragmente
  • Untersuche die Verwandtschaftsverhältnisse anhand der genetischen Fingerabdrücke der einzelnen Familienmitglieder.

    Tipps

    Nur 0,1 % der gesamten DNA unterscheiden sich von Mensch zu Mensch mit der Ausnahme von eineiigen Zwillingen.

    Zwei der fünf Aussagen sind falsch.

    Bei der Vererbung von STR-Allelen wird je ein Allel von der Mutter und eines vom Vater an das Kind weitergegeben.

    Lösung

    In dieser Abbildung sind die Banden (braun – CTAAG, lila – GTA) der STR-Bereiche dargestellt, wie sie nach einer Gelelektrophorese sichtbar wären. Je tiefer die Bande, desto kürzer das DNA-Fragment, und damit auch desto kleiner der STR-Bereich. Entsprechend umgekehrt besitzt eine höher gelegene Bande mehr Sequenzwiederholungen.

    Folgende Aussagen können durch den Vergleich der STR-Bereiche für die Familie verifiziert, also bestätigt, werden:

    • Beide Kinder entstammen einer Eizelle. Sie sind also eineiige Zwillinge. Ihre DNA ist identisch.
    • Die Basensequenzen der STR-Bereiche lauten CTAAG und GTA. Jene werden drei bis acht mal wiederholt.
    • Die Geschlechter der Kinder sind nicht ersichtlich, doch beide wurden adoptiert. Dies ist erkennbar, da keinerlei Übereinstimmung in der Anzahl der Basensequenzwiederholungen zu den Eltern besteht. Das biologische Geschlecht einer Person kann über andere Methoden – wie beispielsweise durch ein Karyogramm – ermittelt werden.

  • Beschreibe den Ablauf des DNA-profiling.

    Tipps

    Die Abschnitte der DNA, welche für das DNA-profiling genutzt werden, sind sie sogenannten Short Tandem Repeats, die sich aus Wiederholungen derselben kurzen Basenfolge zusammensetzen.

    Bei der Polymerase-Kettenreaktion werden DNA-Fragmente vervielfältigt, bei der Gelelektrophorese nach Größe aufgetrennt.

    Lösung

    Ablauf des DNA-Profiling

    1. Zunächst wird eine DNA-Probe benötigt, aus der das Erbgut der untersuchten Person isoliert werden kann. Häufig wird Erbmaterial aus Blut, Mundschleimhautzellen oder Sperma gewonnen.
    2. Im nächsten Schritt werden die STR-Bereiche der DNA vervielfältigt. Die genutzte Methode ist die Polymerase-Kettenreaktion – kurz: PCR. Es entstehen viele DNA-Fragmente mit unterschiedlicher Länge.
    3. Diese Fragmente werden bei der Gelelektrophorese nach Größe aufgetrennt. Dazu wird elektrische Spannung angelegt, was die negativ geladenen Bruchstücke dazu veranlasst, im Agarose-Gel zur positiv geladenen Elektrode zu wandern.
    4. Es entsteht das typische Muster, wobei jede Bande für zahlreiche DNA-Stücke mit gleicher Länge steht. Dieses Muster ist für jeden Menschen individuell und stellt seinen genetischen Fingerabdruck dar.
  • Analysiere die genetischen Fingerabdrücke und löse das Verbrechen auf.

    Tipps

    Bedenke, dass sich an einem Tatort DNA-Spuren von mehreren Personen befinden können.

    Befinden sich an einem Tatort DNA-Spuren, so müssen sämtliche Banden mit denen der verdächtigten Person übereinstimmen, um sie eindeutig identifizieren zu können.

    Lösung

    Rekonstruktion des Tathergangs:

    Person A und Person B fuhren im Auto zum Haus des Opfers. Dort sollte Person B etwas für Person A stehlen. Im Haus eingebrochen, wurde Person B vom Opfer schreiend und kratzend überrascht. Person B überwältigte das Opfer in einem Kampf mithilfe des Grillspießes in der Küche. Verletzt und ohne Beute zog sich Person B in das Fluchtfahrzeug von Person A zurück. Beide flohen gemeinsam, bevor die Polizei eintraf.

    Der Bandenvergleich verschiedener DNA-Spuren aus den Räumen Wohnzimmer, Küche und Schlafzimmer zeigte, dass sich im Wohnzimmer und im Schlafzimmer nur DNA des Opfers befand. In der Küche dagegen fand sich auch DNA des kriminellen Subjektes, welches als Person B identifiziert wurde.

    In der Küche, dem Tatort, wurden verschiedene Küchengeräte wie ein Messer, eine Schere, ein Grillspieß und eine Gabel auf Spuren untersucht. Am Grillspieß konnte Blut des Opfers festgestellt werden. Person B griff das Opfer also anscheinend mit dem Grillspieß an.

    Das Opfer wehrte sich und es kam zum Kampf, in dessen Verlauf durch Kratzen Hautfetzen von Person B unter die Fingernägel des Opfers gelangten. Mit so viel Gegenwehr hatte Person B nicht gerechnet. Als das Opfer überwältigt schien, zog sich Person B in das Auto von Person A zurück und beide flohen gemeinsam. Im Fluchtauto finden sich zusätzlich zu DNA-Spuren von Person B auch noch Spuren von Person A. Da in der Wohnung des Opfers nur DNA-Spuren von Opfer und Person B zu finden waren, kann mit hoher Wahrscheinlichkeit gesagt werden, dass der Raubüberfall von Person B durchgeführt wurde. Person A lieferte das Motiv, das Fluchtauto und das falsche Alibi.

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