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Versuchsergebnisse der Autoradiographie im Schema (3) 1000 Biologie Q1 LK-Proteinbiosynthese Klausur Nr. 1 Teil II: Proteinbiosynthese Aufgaben: II.1 Der genetische Code ist 1961 von NIRENBERG und MATHAEI entschlüsselt worden. Aufgrund verschiedener Experimente hat man sechs Eigenschaften des genetischen Codes festmachen können. Nennen Sie diese Eigenschaften des genetischen Codes. (12 Punkte) 11.2 Ermitteln Sie (mithilfe der Materialen E) aus den angegebenen DNA-Abschnitten aller drei Personen (Material D) die entsprechenden Aminosäuresequenzen. Vergleichen Sie die codogenen DNA-Abschnitte und die Aminosäuresequenzen der drei Personen miteinander und stellen sie die Unterschiede heraus. (Material D) (27 Punkte) 11.3 Erläutern Sie die Folgen des Basenaustauschs bei der Person B im Vergleich zu einer gesunden Person. Stellen Sie eine begründete Vermutung darüber auf, welche Folge diese Veränderungen bei der Person A für das GDH-Protein hat und wie dies zu den in Material C beschriebenen phänotypischen Merkmalen führt. (9 Punkte) Material Teil II: Biologie_Q1 LK-Proteinbiosynthese Klausur Nr. 1 Material C: Symptome und Genetische Ursachendes Hyperinsulinismus Hyperinsulinismus ist eine seltene Erbkrankheit, welche durch verschiedene genetische Defekte zustande kommen kann und dadurch unterschiedlich ausgeprägte Regulationsstörungen in der Insulinausschüttung haben kann. Die meisten Patienten leiden an Unterzuckerung (Hypoglykämie), welche zu allgemeinen klinischen Symptomen wir Lethargie (Bewusstseinsstörung mit Schläfrigkeit), Zittern, Unruhe und/oder Schwitzen führt. 1 Wird der Blutzuckerspiegel durch glukosehaltige Nahrung erhöht, verschwinden diese Symptome für eine Zeit lang. Die Unterzuckerung kommt dadurch zustande, dass bei den Patienten die Produktion des Hormons Insulin zu hoch ist. Insulin ist für den Abbau des Zuckers aus dem Blut verantwortlich. Verschiedene Mutationen können zu diesem Krankheitsbild führen. Eine davon liegt in dem Gen, welches das sogenannte GDH-Protein bildet. Dieses Gen gibt der Bauspeicheldrüse zum ,,passenden Zeitpunkt" den Befehl zur Insulinausschüttung. Das GDH-Protein kann zwei Formen einnehmen: Eine ,,inaktive" Form, bei der die Bauchspeicheldrüse nicht aufgefordert wird, Insulin zu bilden und eine aktive" Form, welche das Signal für die Bauchspeicheldrüse ist, dass mehr Insulin gebildet werden muss. Sobald der Blutzuckerspiegel einen bestimmten Grenzwert überschreitet, bekommt das Protein die Information, seine Konformation (räumliche Gestalt) zu ändern, sodass es zur ,,aktiven" Form wird. Bei Menschen mit angeborenen Hyperinsulinismus bewirkt das mutierte Gen eine dauerhafte Veränderung der Proteinstruktur zur ,,aktiven" Form. ² 1 https://www.awmf.org/uploads/txszleitlinien/174-0121 S1 Diagnostik-Therapie-Kongenitaler-Hyperinsulinismus-KHI 2020- 01pdf (22.09.2020) 2 https://healthcare-in-europe.com/de/news/hyperinsulinismus-forscher-finden-ursache-in-den-genen.html# (22.09.2020) Material D: Biologie Q1 LK-Proteinbiosynthese Klausur Nr. 1 Laborbefund einer gesunden Person: DNA: 3'... AGC CGC CAC CGG ACA... 5' mRNA 5. VCG GOGGUGG CC USU.. 3'V Aminosäure: So Ala Val Ala Cys ✓ Laborbefund einer erkrankten Person A: DNA: 3'... AGC CGC AAC CGG ACA... 5' VCG AGUS A OUG GCC mRNA 5'... UG0..3' V Aminosäure: Se Aa Leu Ala Cys ✓ Laborbefund einer Person B: DNA: 3'... AGC CGC CAG CGG ACA... 5' mRNA 5... UCG 606 Gud Gac USU... 3' V Aminosäure: S Ala Ala Cys ✓ Val A) Inhaltliche Leistung Tell I: Replikation der DNA Aufgabe 1.1 Du hast jeweils den Buchstaben des Materials A die korrekten Fachbegriffe zugeordnet: A) DNA-Polymerase B) DNA-Ligase C) RNA-Primer (auch ok: Nukleotid) D) Primase E) DNA-Polymerase F) Helicase G) Topoisomerase Du hast den molekularen Prozess der Replikation ausführlich erläutert; sinngemäß: Grundprinzip der DNA-Replikation: DNA-Doppelstrang wird aufgespalten, sodass zwei Einzelstränge entstehen und an diesen werden komplementär die passenden Basen angelagert - Topoisomerase: entspiralisiert die DNA-Helix Helicase: löst die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basen →> Replikationsgabel und zwei Einzelstränge entstehen Primase: ist eine RNA-Polymerase, die an einen Einzelstrang bindet und dort den Primer herstellt Primer: Startmolekül (Startpunkt) für die DNA-Polymerase III und er bindet jeweils an einen der alten DNA-Stränge DNA-Polymerase III: 0 vervollständigt die DNA-Einzelstränge, indem es die DNA- Nukleotide anheftet sie startet am Primer sie kann nur in 5'->3'-Richtung die Nukleotide verknüpfen = sie braucht also ein offenes 3'-OH-Ende, an welches es die neuen Nukleosid-Triphosphate (= Verbindung aus Base, Zucker und drei Phosphaten) anknüpfen kann ⇒ nur am Leitstrang (er wird in 3'-> 5' Richtung abgelesen) erfolgt die Synthese kontinuierlich ⇒ am Folgestrang kann sie nur kleine Stücke synthetisieren, da immer wieder neue Primer in der Näher Replikationsgabel gesetzt werden müssen der es entstehen OKAZAKI-Fragmente = kurze DNA- Abschnitte (ca. 1000 Nukleotide) DNA-Polymerase 1: füllt die Lücken, wo vorher der Primer saß (dieser löst sich, wenn er seine Aufgabe erfüllt hat) DNA-Ligase = verbindet die einzelnen durchgehenden Strang OKAZAKI-Fragmente zu einem max. Punkte 7 10 Aufgabe 1.2 Du hast die Zielsetzung, Durchführung und die Ergebnisse des Versuchs erläutert und auch die Ergebnisse gedeutet (Beleg); jeweils sinngemäß: Zielsetzung: Durchführung, sinngemäß: - - Klausur Nr. 1 - Erwartungshorizont z.B. Experimente mit Wurzelspitzen der Bohne wurden durchgeführt, um genauere Aufschlüsse zum Mechanismus der Replikation der DNA machen zu können; oder evtl. weiterer Beleg für die Entscheidung zwischen konservativer / semi-konservativer Replikation Wurzelspitzen lässt man in einer Nährlösung mit radioaktiv markiertem Thymidin unter konstanten Bedingungen wachsen, so dass die gesamte DNA radioaktiv wird; Quetschpräparate werden von den Wurzelspitzenzellen erstellt Radioaktive DNA färbt Fotopapier schwarz Anschließend: Umsetzen der Wurzelspitzenzellen in eine Nährlösung, die nicht radioaktiv ist Erstellung von Quetschpräparaten nach einer und zwei Zellteilungen Untersuchung der Radioaktivität der Quetschpräparate anhand der Schwärzung von Fotopapier und man vergleicht nach jeder Zellteilung die Ergebnisse der autoradiographischen Untersuchung Ergebnisse: Abb. 1.1/1. Quetschpräparat: Wenn -wie zu Beginn des Versuchs- die gesamte DNA radioaktiv ist, zeigt sich dies durch eine tiefschwarze Färbung auf dem Autoradiogramm Abb. 2.2: nach einer Zellteilung auf nicht radioaktivem Nährmedium wird das Fotopapier nur noch grau gefärbt, was zeigt, dass die DNA nur noch teils radioaktiv ist. Abb. 2.3: nach zwei Zellteilungen ist in zwei Fällen das Fotopapier grau (teilweise radioaktiv) und in den zwei anderen Fällen erfolgt keine Färbung des Fotopapiers / es bleibt weiß (keine Radioaktivität mehr vorhanden) Deutung/Der Versuch belegt, dass.... Der Versuch ist ein Beleg für die semikonservative Replikation der DNA Das bedeutet, dass der DNA-Doppelstrang sich bei der Replikation in zwei Einzelstränge auftrennt und sich zu jedem parentalen DNA-Strang ein neuer DNA-Strang bildet. max. Punkte 3 4 6 4 erreichte Punkte 3 2 3 3 Aufgabe 1.3 Du hast dargestellt, wie das Ergebnis wäre, wenn die Replikation nach dem konservativen Mechanismus erfolgen würde; sinngemäß: Skizze: Bei einer konservativen Replikation würde der parentale DNA- Doppelstrang nach einer Zellteilung erhalten bleiben und es würde ein komplett neuer DNA-Doppelstrang entstehen. Daher wäre nach der ersten Zellteilung in nicht radioaktiver Nährlösung ein Präparat schwarz gefärbt (genau wie das erste Präparat) und eins würde das Fotopapier gar nicht färben, da es ausschließlich (neue) nicht radioaktive DNA enthält. Start: nur schwarz: nach 1. Teilung: 1x schwarz + 1x weiß nach 2. Teilung: 1x schwarz + 3x weiß (2 Punkte für jeweils korrekten Schritt 2 und 3, 1 Punkt für korrekte Ausgangssituation) Nach einer weiteren Zellteilung würde wieder nur ein Präparat das Fotopapier schwarz färben (nämlich das alte" Präparat), während drei weitere keine Färbung aufweisen würden, da hier ebenfalls keine radioaktiv markierte DNA verbaut wurde, da die Nährlösung diese nicht enthalten hat. Teil II: Proteinbiosynthese Aufgabe II.1 Du hast die sechs Eigenschaften des genetischen Codes vollständig genannt: Er ist ein Triplett-Code und wird als RNA-Sequenz stets in 5'-> 3'-Richtung angegeben. 1. 2. 3. Er ist nahezu universell. Er gilt für fast alle Lebewesen. Er ist eindeutig. Jedes Triplett und damit jedes Codon codiert nur eine Aminosäure. 4. Er ist degeneriert. Fast alle Aminosäuren werden durch mehrere Tripletts codiert. Er ist kommafrei. Die Codons schließen lückenlos aneinander. 5. 6. Er ist nicht überlappend. Eine Base ist immer nur Bestandteil eines Codons. Aufgabe 11.2 Du hast aus den DNA-Abschnitten aller drei Personen die entsprechenden Amino- säuresequenzen gebildet: Laborbefund einer gesunden Person: DNA: 3'.... AGC CGC CAC CGG ACA... 5' mRNA 5'... UCG GCG GUG GCC UGU 3' Ser Ala Val Ala Cys Aminosäure: max. Punkte 6 5 max. Punkte 12 max. Punkte 2,5 2,5 Laborbefund einer erkrankten Person A: DNA: 3'... AGC CGC AAC CGG ACA... 5' mRNA 5'... UCG GCG UUG GCC UGU 3' Aminosäure: Ser Ala Leu Ala Cys Laborbefund einer Person B: DNA: 3'... AGC CGC CAG CGG ACA...5' mRNA 5'... UCG GCG GUC GCC UGU 3' Ser Ala Val Ala Cys Aminosäure: Biologie Q1 LK-Proteinbiosynthese Klausur Nr. 1 - Erwartungshorizont Du hast die codogenen DNA-Abschnitte und die Aminosäuresequenzen verglichen und die Unterschiede herausgestellt; sinngemäß: Im dritten dargestellten Basentriplett der DNA hat an 1. bzw. 3. Stelle ein Basenaustausch stattgefunden: O - Beim gesunden Menschen lautet dieses Triplett im codogenen Strang CAC O Bei der Person A lautet dieses Triplett im codogenen Strang AAC O Bei der Person B lautet es im codogenen Strang CAG Diese DNA-Tripletts werden dementsprechend auch in andere mRNA- Tripletts übersetzt o bei gesunden Menschen: GUG o bei der Person A: UUG O bei der Person B: GUC Diese mRNA-Tripletts codieren für andere AS: o beim gesunden: GUG kodiert für Valin o bei der Person A: UUG kodiert für Leucin o bei Person B: GUC kodiert für Valin Fazit: Aufgabe 11.3 O Durch den Basenaustausch im codogenen Strang der DNA wird also infolge der Proteinbiosynthese bei Person A eine andere Aminosäure im Polypeptid eingebaut. bei Person B gibt es zwar eine Mutation in der DNA, aber aufgrund der Degeneriertheit des genetischen Codes wird dieselbe AS eingebaut Teut. Mpen Du hast die Folgen des Basenaustauschs bei Person B im Vergleich zur gesunden Person erläutert; sinngemäß: Austausch der Base in der DNA führt zwar zu Änderung der mRNA, aber es wird dennoch dieselbe AS gebildet (= stille Mutation) →> keine dauerhafte Konformationsänderung des GDH-Proteins => keine Erkrankung an Hyperinsulinismus 2,5 2,5 2,5 2,5 4 2 2 max. Punkte 2 Biologie Q1 LK-Proteinbiosynthese Klausur Nr. 1 - Erwartungshorizont Du hast eine begründete Vermutung darüber aufgestellt, welche Folgen die Veränderungen in der DNA bei Person A für das GDH-Protein hat und wie dies zu den in Material C beschriebenen Merkmalen führt; sinngemäß: Durch den Austausch einer Base wird an einer Stelle statt der Aminosäure Valin die Aminosäure Leucin gebildet. Der Austausch einer Aminosäure führt i.d.R. aufgrund von anderen chemischen Wechselwirkungen zu einer Konformationsänderung (eine Änderung in der räumlichen Gestalt) des Proteins. Dadurch können Proteine in ihrer Funktion eingeschränkt sein oder diese sogar komplett verlieren (ist abhängig von den ausgetauschten AS und der Position des Austausches in der Polypeptidkette). Im Falle des Hyperinsulinismus bewirkt die Mutation im Gen, dass das gebildete Protein dauerhaft die ,,aktive" Form einnimmt. Das Protein hat also immer die Form, durch die es der Bauchspeicheldrüse das Signal gibt, Insulin auszuschütten. Es wird also auch dann Insulin ausgeschüttet, wenn der Blutzuckerspiegel gar nicht erhöht ist. Dadurch kommt es zu einer Unterzuckerung und den damit verbundenen Symptomen (Unruhe, Zittern etc.) M M Tell III: PCR Aufgabe III.1 Du hast die einzelnen Phasen eines PCR-Zyklus' benannt und beschrieben und diese Phasen dem Temperaturprofil in Material F zugeordnet; sinngemäß: Denaturierung: o Wasserstoffbrücken werden durch Hitze getrennt -> - - Einzelstränge entstehen o blaue Markierung, da ca.94°C Hybridisierung: o Zwei DNA-Primer binden komplementär an die DNA- Aufgabe III.2 Einzelstränge o grüne Markierung, da ca.55-65°C Polymerisierung: 0 O die Taq-Polymerase synthetisiert ausgehend von beiden Primern die neuen Stränge (von 5' nach 3') lila Markierung, da ca.72°C Du hast die Methode der Real-Time PCR beschrieben; singemäß: Sie ist eine Weiterentwicklung der PCR und bietet im Vergleich zu dieser schnellere Ergebnisse. Man benötigt: o fetale DNA o Desoxynukleosid-Triphosphate o Taq-Polymerase 0 einen Puffer o zwei spezifische Primer o einen Farbstoff (z. B.SYBR-Green) Die Proben durchlaufen in einem speziellen Thermocycler die typischen PCR-Zyklen. 7 max. Punkte 9 max. Punkte 8