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3. Genetik

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 Prokaryot
Ribosomen 705
DNA: ringformig, nicht an Proteine gebunden frei im Gytoplasma
Vermehrung: Teilung
Merkmale:
- kein Zellkern
- gene

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Proteinbiosynthese Prokaryoten Unterschiede zwischen Eukaryoten & Prokaryoten Hitzeschock Genregulation (lac-Operon, trp-Operon)

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Prokaryot Ribosomen 705 DNA: ringformig, nicht an Proteine gebunden frei im Gytoplasma Vermehrung: Teilung Merkmale: - kein Zellkern - genetische Information. neben dem Bakterienchromosom noch kleine. DNA-Moleküle, die Plasmide - sind von einer tellmembran umgeben, besitzen aber keine von Membranen umgebenen Zellorganellen - Cytoplasma: viele Ribosomen (klein) Haben Zellwände (unterscheiden sich von pflanzlichen Zellwänden). - äußere Schleimschicht → Kapsel -fädige Anhäge dienen als Geipeln der Fortbewegung oder als Pili der Anheftung -Bakterien & Archaeen: • überall in Leeft, Wasser & Boden A Abbildung DNA- Aufbau Genaufbau Vergleich der Proteinbiosynthese bei Prokaryoten & Eukaryoten Trans kription Proteinbiosynthese: Translation 70S-Ribosom Merkmale Ribosomen ↳ Prokaryoten Reifung der mRNA ist DNA Matrizenstrang XNX hur • Archaeen finden sich in extremen debensräumen (Quellen (heip) & Salzseen) Cytoplasma einmal vorhanden → haploid ringförmige wachsende Polypeptidkette, Die DNA ist mRNA Probaryoten ringförmig Kernhälle cap Gene enthalten fast Cytoplasma B DNA NNN Transkription Translation primRNA RNA-Prozessierung reife mRNA 1: Genexpression im Vergleich. A: Prokaryoten B: Eukaryoten Padde nur codierende Sequenzen wachsende Polypeptidkette 805-Ribosom Räumliche Organisation Die Transkription & Translation finden im Cytoplasma statt. (Kompartimentierung) Zeitliche Organisation Die Translation beginnt, bevor die Transkription beendet ist 5000 0000 Poly A und enthält keine Histone. Die mRNA wird ohne Modifizierung translatiert. Die 70f-Ribosomen führen die Translation durch (705; Untereinheiten SOS + 305) Eukaryoten Die faden förmige DUA ist um Histone gewickelt Die Transkription findet im Zellkern statt, die Translation im Cyto- plasma. Die Translation beginnt nach Abschluss der Transkription Mosaikgene" enthalten Exons und Introns. Die prä-mRNA wird durch Spleißen, Capping & Anheften des Poly-A-Schwenzer prozessiert. Die 805-Ribosomen führen die Translation durch 1805; Untereinheiten: 603 + 405) Proteinbiosynthese Hitzeschock bei Prolaryoten : 1.) Beschreiben Sie mithilfe von Abb.1 die Regulation bei Prokaryoten unter wechselnden Temperaturbedingungen. - Bei kühlen Temperaturen...

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liegt die Sekundärstruktur der mRNA als molekulare Haarna delschleife vor. Durch Bindung komplementärer Basenpaare ist die Erkennungssequenz für das Ribosom und auch das Start-codon dadurch,, maskiert", so dass keine bzw. eine stark verlangsamte Translation erfolgt. Bei einer Temperaturerhöhung lo`sen sich die Wasser- stoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basen und die mRNA entfaltet sich. Nun liegt die Erkennungssequena für die kleine Untereinheit des Ribosoms frei, es kann andocken & die Translation findet statt. der Translation Haarnadel- struktur m-RNA für Hitzeschock- protein codierend 30 °C 42 °C 2) Erklären Sie, was man unter Struktur- & Regulatorgenen versteht. Strukturgene: codiert Enzyme oder strukturgebende Proteine Regulatorgene: codtert Regulatorprotein => hier Represser inaktive m-RNA aktive m-RNA 1 Temperaturabhängige Faltung der m-RNA грон 09 GUUGGCUCC (Transkriptionsfaktor) RNA-Polymerase ation: Substrat induktion beim Lactose - Operon Genregulation: פפפכככ Start-Codon DNA 1) Erläutern Sie die Abb. 1 dargestellte Substrat induktion des Loc. Operenst m-RNA Ohne Lactose (Abb 1A): Repressor aktiv, bindet an Operator, hindert RNA- Polymerase an Transkription der Strukturgene zum Lactose-Abbau Mit Lactose (Abb1B): Repressor wird durch Bindung der Lactose inaktiviert & kann nicht mehr an Operater binden; A-1 A -Polymerase kann nun die Strukturgene transkribieren; Bildung der Lactose abbauenden Enzyme; Substrat induktion - Lactose (Substrat) induziert eigenen Abbau. A aktiver Repressor SUR 5 1 ribosomale RNA 2 Schematisierte Darstellung zur Regulation von Hitzeschock-Genen Regulator gen Transkription keine Lactose vorhanden lac-Operon Translation 2) Erläutern Sie die Rolle des Transkriptionsfaktors 032 (Sigma 32) bei der Hitzeschock- Antwort mithilfe von Abbildung 2. - Der Transkriptionsfaktor wird von dem Gen rpott codiert. Nach der Transkription liegt die mRNA gefaltet in ihrer inaktiven Form ver. Erfolgt eine Temperaturerhöhung, wird dieve entfalltet und die Translation findet statt. 832 lagert sich darauf hin an die Polymerase und ermöglicht dadurch eine bessere Bindung am Promobor. Es Expresion verschiedener Hitzschock-Gene, die den Bakterien erlauben, auch bei einer Temperaturerhöhung zu überleben. die erfolgt es Promotor 3.) Infektiose Bakterien produzieren virulente (krankmachende) Proteine erst, wenn sich die Prokaryeten innerhalb des Wirtes befinden. Stellen Sie die biologische Bedeutung clar. Ribosom (große Untereinheit) · Eine temperaturabhängige Regulation bestimmter Proteine ermöglicht den infektiösen Bakterien Stoffe fe nur herzustellen, wenn sie auch benötigt werden. Die plötzliche Temperaturerhöhung signalisiert dabei den Bakterien, dass sie sich innerhalb des Wirts organismus befinden. von den Bakterien produziert. Außerhalb des Wirtes wäre deren Erst dann werden unter diesen Bedingungen für sie nützlichen Stoffe. Produktion eine Verschwendung von Energie und Nährstoffen. RNA- Polymerase Promotor Struktur- * gene Operator GUUGGCUCC GGAGCC Hitze keine Enzymsynthese Kälte Ribosom (kleine Untereinheit) Abbildung 1: Substratinduktion beim Lactose-Operon 1 (negative Genregulation) Entsorgung von Proteinresten Bakterienanzahl 0 DNA m-RNA aktiver Repressor Lactose B 4.) Konzentration der am ten Enzyme. ২৩৩২৩৩: AOSTUSTUKU Galactose Glucose tzeschock-Gene Hitzeschock-Proteine Translation Hitzeschockprotein Entfaltung von Proteinen einmalige Zugabe von Lactose viel Lactose vorhanden posive (eceregulation) RNA- Polymerase DNA-Reparatur inaktiver Lactose abbauende Repressor Enzyme ~~~ einmalige Zugabe von Glucose Wachstum einer E-coli-Kultur Lactoseabbau Glucose verbraucht Zeit Lactose bebeillig- Bakdenen- dichte Enzyme des Jaibese-Abbaus 3.) Definieren Sie die Begriffe Operon & Operation. Operon DUA-Kontrollabschnitt aus Promotor und Operal + nachgeschaltete Strukturgene. Operator: DNA- Abschnitt zwischen Promotor und Strukturgenen, an dem das Regelator protein (hier: der Repressor) binden kann. Wird der Operator durch einen Repressor blockbort, ist das operon 11 abgeschaltet. Ist der Operator frei Cohne Represser), ist er, angeschaltet " Operator = Schalter für Transkription. Frotcimbiosynthese: Genregulation: Endproduktrepression beim Tryptophan-Operon (trp-Operon): wenig Tryptophan vorhanden Operon 1.) Deuten Sie den Kurvenverlauf in Abb. 3 unter Berücksichtigung der Synthese weges von Tryptophan (Abb. 1&2) von - 1st tryptophan nicht ausreichender Menge vorhanden, bleibt der Repressor inaktiv. Die Polymerase bindet am Promotor, läuft über den Operator und die Strukburgene für die Synthese • Tryptophan werden transkribiert & translatiert. 1st Tryptophan vorhanden, bindeb es am Repressor & aktiviert ihn. Der aktive Repressor bindet am Operator & blockiert damit die weitere Transkription, sodass kein Tryptophan mehr hergestellt wird. 2.) Erläutern Sie die biologische Bedeutung der Tatsache, dass entsprechende Bakterien die Tryptophansynthese regulieren können. Regulatorgen zu m-RNA Transkription Promotor Translation inaktiver Repressor A Gen, E₁ Operator Gen₂ 3.) Vergleichen Sie die Regulation des lac-Operons und des trp- Operons miteinander. - Gemeinsamkeiten: Strukburgene, Promotor & Operator als Kontrolregion, Bindung Transkription des Operons. - 1st kein Tryptophan vorhanden, so wird das Enzym 1 hergestellt, um Tryptophan: Synthetisieren. Enzym 1 liegt demnach in einer höheren Konzentration vor. Wird die Aminosäure jedoch künstlich hinzugefügt, bindet Tryptophan am Repressor und aktiviert ihn. Die Struktur- gene werden nicht mehr exprimiert, sodass auch das Enzym 1 nicht mehr hergestellt 2 Syntheseweg von Tryptophan (E: Enzym) wird. Die Konzentration des Enzyms nimmt ab. m-RNA Vorstufe Gen₂ C E₂ eines Repressors Strukturgene Tryptophan Polymerase Trypto- phan Konzentration von Enzym 1 (rel.Einheit) genug Tryptophan vorhanden 10 Polymerase * Operator Zugabe von Tryptophan keine Enzymsynthese aktiver Repressor 60 Zeit (min) 3 Konzentration von Enzym 1 vor und nach Gabe von Tryptophan 120 an den Operator und daraus resultierende Blockade der Unterschiede: •Lac-Operon - Substratinduktion: Das Substrat bewirkt die Expression der Enzyme, die au seinen Abbau nötig sind; fehlt das Substrat, ist das Operon durch den Repressor blockiert •Trp-Operon-Endprodukt repression: Das Endprodukt verhindert seine eigene Synthese, indem es den Repressor aktiviert.

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Strukturgene: codiert Enzyme oder strukturgebende Proteine Regulatorgene: codtert Regulatorprotein => hier Represser inaktive m-RNA aktive m-RNA 1 Temperaturabhängige Faltung der m-RNA грон 09 GUUGGCUCC (Transkriptionsfaktor) RNA-Polymerase ation: Substrat induktion beim Lactose - Operon Genregulation: פפפכככ Start-Codon DNA 1) Erläutern Sie die Abb. 1 dargestellte Substrat induktion des Loc. Operenst m-RNA Ohne Lactose (Abb 1A): Repressor aktiv, bindet an Operator, hindert RNA- Polymerase an Transkription der Strukturgene zum Lactose-Abbau Mit Lactose (Abb1B): Repressor wird durch Bindung der Lactose inaktiviert & kann nicht mehr an Operater binden; A-1 A -Polymerase kann nun die Strukturgene transkribieren; Bildung der Lactose abbauenden Enzyme; Substrat induktion - Lactose (Substrat) induziert eigenen Abbau. A aktiver Repressor SUR 5 1 ribosomale RNA 2 Schematisierte Darstellung zur Regulation von Hitzeschock-Genen Regulator gen Transkription keine Lactose vorhanden lac-Operon Translation 2) Erläutern Sie die Rolle des Transkriptionsfaktors 032 (Sigma 32) bei der Hitzeschock- Antwort mithilfe von Abbildung 2. - Der Transkriptionsfaktor wird von dem Gen rpott codiert. Nach der Transkription liegt die mRNA gefaltet in ihrer inaktiven Form ver. Erfolgt eine Temperaturerhöhung, wird dieve entfalltet und die Translation findet statt. 832 lagert sich darauf hin an die Polymerase und ermöglicht dadurch eine bessere Bindung am Promobor. Es Expresion verschiedener Hitzschock-Gene, die den Bakterien erlauben, auch bei einer Temperaturerhöhung zu überleben. die erfolgt es Promotor 3.) Infektiose Bakterien produzieren virulente (krankmachende) Proteine erst, wenn sich die Prokaryeten innerhalb des Wirtes befinden. Stellen Sie die biologische Bedeutung clar. Ribosom (große Untereinheit) · Eine temperaturabhängige Regulation bestimmter Proteine ermöglicht den infektiösen Bakterien Stoffe fe nur herzustellen, wenn sie auch benötigt werden. Die plötzliche Temperaturerhöhung signalisiert dabei den Bakterien, dass sie sich innerhalb des Wirts organismus befinden. von den Bakterien produziert. Außerhalb des Wirtes wäre deren Erst dann werden unter diesen Bedingungen für sie nützlichen Stoffe. Produktion eine Verschwendung von Energie und Nährstoffen. RNA- Polymerase Promotor Struktur- * gene Operator GUUGGCUCC GGAGCC Hitze keine Enzymsynthese Kälte Ribosom (kleine Untereinheit) Abbildung 1: Substratinduktion beim Lactose-Operon 1 (negative Genregulation) Entsorgung von Proteinresten Bakterienanzahl 0 DNA m-RNA aktiver Repressor Lactose B 4.) Konzentration der am ten Enzyme. ২৩৩২৩৩: AOSTUSTUKU Galactose Glucose tzeschock-Gene Hitzeschock-Proteine Translation Hitzeschockprotein Entfaltung von Proteinen einmalige Zugabe von Lactose viel Lactose vorhanden posive (eceregulation) RNA- Polymerase DNA-Reparatur inaktiver Lactose abbauende Repressor Enzyme ~~~ einmalige Zugabe von Glucose Wachstum einer E-coli-Kultur Lactoseabbau Glucose verbraucht Zeit Lactose bebeillig- Bakdenen- dichte Enzyme des Jaibese-Abbaus 3.) Definieren Sie die Begriffe Operon & Operation. Operon DUA-Kontrollabschnitt aus Promotor und Operal + nachgeschaltete Strukturgene. Operator: DNA- Abschnitt zwischen Promotor und Strukturgenen, an dem das Regelator protein (hier: der Repressor) binden kann. Wird der Operator durch einen Repressor blockbort, ist das operon 11 abgeschaltet. Ist der Operator frei Cohne Represser), ist er, angeschaltet " Operator = Schalter für Transkription. Frotcimbiosynthese: Genregulation: Endproduktrepression beim Tryptophan-Operon (trp-Operon): wenig Tryptophan vorhanden Operon 1.) Deuten Sie den Kurvenverlauf in Abb. 3 unter Berücksichtigung der Synthese weges von Tryptophan (Abb. 1&2) von - 1st tryptophan nicht ausreichender Menge vorhanden, bleibt der Repressor inaktiv. Die Polymerase bindet am Promotor, läuft über den Operator und die Strukburgene für die Synthese • Tryptophan werden transkribiert & translatiert. 1st Tryptophan vorhanden, bindeb es am Repressor & aktiviert ihn. Der aktive Repressor bindet am Operator & blockiert damit die weitere Transkription, sodass kein Tryptophan mehr hergestellt wird. 2.) Erläutern Sie die biologische Bedeutung der Tatsache, dass entsprechende Bakterien die Tryptophansynthese regulieren können. Regulatorgen zu m-RNA Transkription Promotor Translation inaktiver Repressor A Gen, E₁ Operator Gen₂ 3.) Vergleichen Sie die Regulation des lac-Operons und des trp- Operons miteinander. - Gemeinsamkeiten: Strukburgene, Promotor & Operator als Kontrolregion, Bindung Transkription des Operons. - 1st kein Tryptophan vorhanden, so wird das Enzym 1 hergestellt, um Tryptophan: Synthetisieren. Enzym 1 liegt demnach in einer höheren Konzentration vor. Wird die Aminosäure jedoch künstlich hinzugefügt, bindet Tryptophan am Repressor und aktiviert ihn. Die Struktur- gene werden nicht mehr exprimiert, sodass auch das Enzym 1 nicht mehr hergestellt 2 Syntheseweg von Tryptophan (E: Enzym) wird. Die Konzentration des Enzyms nimmt ab. m-RNA Vorstufe Gen₂ C E₂ eines Repressors Strukturgene Tryptophan Polymerase Trypto- phan Konzentration von Enzym 1 (rel.Einheit) genug Tryptophan vorhanden 10 Polymerase * Operator Zugabe von Tryptophan keine Enzymsynthese aktiver Repressor 60 Zeit (min) 3 Konzentration von Enzym 1 vor und nach Gabe von Tryptophan 120 an den Operator und daraus resultierende Blockade der Unterschiede: •Lac-Operon - Substratinduktion: Das Substrat bewirkt die Expression der Enzyme, die au seinen Abbau nötig sind; fehlt das Substrat, ist das Operon durch den Repressor blockiert •Trp-Operon-Endprodukt repression: Das Endprodukt verhindert seine eigene Synthese, indem es den Repressor aktiviert.