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Proteinbiosynthese und genetischer Code

Proteinbiosynthese und genetischer Code

 1.1
Aufgabe 1 Entschlüsselung des genetischen Codes
1,2
Asle Aylun
Name:
Gymnasium Essen Nord-Ost - Biologie Q1 G1 (Bothe) - 06.10.2020
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Proteinbiosynthese und genetischer Code

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11/12/10

Klausur

Eine Klausur zu der Proteinbiosynthese.

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1.1 Aufgabe 1 Entschlüsselung des genetischen Codes 1,2 Asle Aylun Name: Gymnasium Essen Nord-Ost - Biologie Q1 G1 (Bothe) - 06.10.2020 1. Klausur Unterrichtsvorhaben I: Modellvorstellungen zur Proteinbiosynthese 1.3 Erklären Sie, was ein genetischer Code ist. Erläutern Sie die Eigenschaften des genetischen Codes. (20 Punkte) Erklären Sie die Versuchsergebnisse der Triplettbindungsteste in Material B. Benutzen Sie dazu die Codesonne. (s. Aufgabe 2: Codesonne in Material D) Begründen Sie die Eigenschaften des genetischen Codes durch die Versuchsergebnisse 1 bis 5 der Triplettbindungsteste in Material B. (22 Punkte) ✓ Erläutern Sie die Besonderheit der Basensequenz eines mRNA-Abschnitts des ViPhagen X 174. (Material C, Abb. 1) Erklären Sie das Konzept der überlappenden Gene in anhand der Abbildung 2 in Material C. Berücksichtigen Sie dabei die Vorteile Leben überlappender Gene für den Phagen. Vergleichen Sie dieses Konzept mit dem Konzept des überlappungsfreien genetischen Codes. (12 Punkte) Arbeitsmaterial: Material A: Der Triplettbindungstest knackt den DNA-Code für Aminosäuren Welches RNA-Triplett welche Aminosäure codiert, konnte mit dem Triplettbindungstest geklärt werden. Abb. 1 zeigt dieses Verfahren zur Analyse des genetischen Codes. NIRENBERG und MATTHAI verwendeten 1961 statt einer natürlichen RNA einfache künstliche Polynucleotide mit bekannter Basensequenz zur Proteinbiosynthese. Dieser mRNA wird alles hinzugefügt, was eine Bakterienzelle zur Translation braucht. Experiment: Triplettbindungstest Anwendung Aufklärung des genetischen Codes durch Translationsexperimente mit synthetischer RNA Methode Aus Bakterien wird ein Extrakt hergestellt, der außer mRNA alles für die Proteinsynthese enthält. + + Synthetische RNA-Moleküle mit bekannter Basensequenz werden hinzugefügt. LU...

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UU Glu Lys GA Arg Ergebnis Die entstandene Aminosäuresequenz gibt Aufschluss über das zugrunde llegende RNA-Basentriplett. UUUD UUU für die Aminosäure Phenylalanin (Phe) AAA für die Aminosäure Lysin (Lys) AAG für die Aminosäure Lysin (Lys) AGA für die Aminosäure Arginin (Arg) GAA für die Aminosäure Glutaminsäure (Glu) Darstellungsleistung (6 Punkte) Schlussfolgerung Bestimmte Basentripletts codieren für bestimmte Aminosäuren. Eine bestimmte Aminosäure kann durch verschiedene Tripletts codiert werden. Die Aminosäuresequenz der gebildeten Polypeptide wird analysiert - Phe Phe Phe Lys Lys Lys Glu Glu Glu Lys Lys Lys Arg Arg Arg je nachdem wo das Able- sen startet, ergeben sich unterschiedliche Tripletts. Seite 1 von 5 Name: As din Aydın Gymnasium Essen Nord-Ost - Biologie Q1 G1 (Bothe) - 06.10.2020 Material B: Ergebnisse verschiedener Versuchsansätze mit dem Triplettbindungstest In der unten stehenden Tabelle finden Sie einige Ergebnisse der Triplettbindungsteste. Links sind die eingesetzten synthetischen RNA-Moleküle angegeben, rechts die dadurch aufgebauten Peptide. Experiment Nr. synthetische RNA-Moleküle 1 2 3 4 5 Initiation. Poly-C Poly-G Poly-CG 5' Poly-GAC Poly-GCCC Met Material C: Konzept der überlappenden Gene bei Viren Als Virus bezeichnet man in der Medizin ein infektiöses Partikel, das aus Nukleinsäuren (DNA oder RNA), Proteinen und gegebenenfalls einer Virushülle bestehen kann. Viren besitzen keinen eigenen Stoffwechselapparat und sind zur Vermehrung auf Wirtszellen angewiesen. Sie werden daher meist nicht zu den Lebewesen gezählt. Als Bakteriophagen oder kurz Phagen bezeichnet man verschiedene Gruppen von Viren, die auf Bakterien als Wirtszellen spezialisiert sind. Der Phage X 174 besitzt ein ringförmiges, einzelsträngiges DNA-Molekül, das aus 5368 Nukleotiden besteht. Seine DNA sollte deshalb für maximal 1795 Aminosäuren codieren, aus denen fünf bis sechs Polypeptide gebildet werden können. Die DNA des Virus codiert aber für elf Proteine, die aus mehr als 2300 Aminosäuren bestehen. Gly Thr AUGGGUACICICI A Initiation damit entstehende Peptide Pro Pro Pro - Pro Pro - Pro - ... A' Gly-Gly-Gly-Gly-Gly - Gly-.. Arg-Ala-Arg - Ala-Arg - Ala - ... oder Ala-Arg - Ala-Arg - Ala-Arg - ... Asp Asp - Asp - Asp - Asp - Asp - ... oder Thr-Thr-Thr - Thr - Thr - Thr - ... oder Arg - Arg-Arg - Arg-Arg - Arg-... Ala-Arg - Pro Pro Ala - Arg - Pro - Pro-... His B Met Leu Abb 1: Basensequenz eines mRNA-Abschnitts des Phagen X 174 Ala K Abb 2: Konzept der überlappenden Gene beim Phagen $X 174 Phe C O Leu Ala Pro D E Polypeptid 3' mRNA accicacical ССС Gene auf der DNA des Phagen Seite 2 von 5 2.1 Aufgabe 2 Einfluss von Antibiotika auf die Proteinbiosynthese von Bakterien Beschreiben Sie den Ablauf der Translation am Ribosom. Erläutern Sie mithilfe von Material A die Auswirkungen der Antibiotika Chloramphenicol, Erythromycin und Tetracyclin auf die Proteinbiosynthese! (28 Punkte) 2: Isle kydn. Gymnasium Essen Nord-Ost - Biologie Q1 G1 (Bothe) - 06.10.2020 2.2 Erklären Sie anhand der Experimente im zellfreien System mit der künstlichen mRNA poly- imms U UC (Material B) die Auswirkungen des Antibiotikums Streptomycin auf die Proteinbio- synthese. Nehmen Sie hierzu Material A, den Informationstext (Material C) und die Codesonne (Material D) zu Hilfe! ( 12 Punkte) fu 2.3 Erläutern Sie die Auswirkungen der Mutationen bei E. coli (Material E) auf die jeweilige gebildete rRNA. Stellen Sie eine Hypothese auf, weshalb die Mutanten gegen Streptomycin resistent sein könnten. (14 Punkte) Darstellungsleistung (6 Punkte) Arbeitsmaterial: Material A: Einfluss auf die Proteinbiosynthese Zur Bekämpfung bakterieller Infektionen werden vielfältige Antibiotika eingesetzt. Einige dieser Antibiotika beeinflussen die Proteinbiosynthese von Bakterien. Name: 50 S-Untereinheit mRNA M Polypeptid Streptomycin Verändert die Form der 30 S-Untereinheit des Ribosoms. Die mRNA kann nicht mehr korrekt gelesen werden. Chloramphenicol Bindet an die 50 S-Untereinheit des Ribosoms und verhindert die Bildung von Polypeptiden. 30 S-Untereinheit Abb 1: Einfluss von Antibiotika auf die Proteinbiosynthese Erythromycin Bindet an die 50 S- Untereinheit des Ribosoms. Verhindert die Fort- bewegung des Ribosoms auf der mRNA. Tetracyclin Verhindert die Anlagerung des Anticodons der tRNA an das Codon der mRNA. Tramlation: з Пісківида ник Seite 3 von 5 Name: Asli uydan Gymnasium Essen Nord-Ost - Biologie Q1 G1 (Bothe) - 06.10.2020 Material B: Versuchsansatz zur Wirkung von Streptomycin Der Wirkmechanismus von Streptomycin wurde in den 1960er Jahren genauer untersucht. Zunächst wurden Escherichia Coli-Bakterien aufgebrochen und die Zellwandreste durch Zentrifugation entfernt. Man erhielt ein zellfreies System mit allen für die Proteinbiosynthese notwendigen Komponenten. Anschließend entfernten die Biologen die Bakterien-DNA, die zelleigene mRNA und die Aminosäuren. In das zellfreie System gab man anschließend eine künstliche mRNA mit der sich wiederholenden Basenabfolge UCUCUC, kurz poly UC. Um feststellen zu können, welche Aminosäuren in die Polypeptide eingebaut werden, gab man radioaktiv markierte Aminosäuren hinzu. In mehreren Versuchsansätzen überprüfte man alle Aminosäuren. Bei einer weiteren Versuchsreihe wurde zusätzlich eine definierte Menge Streptomycin hinzugegeben. Die Versuchsergebnisse sind im Säulendiagramm wiedergegeben. 5000 2000 1000 11. Leucin Serin Pheny Leucle ve suchsansatz hne Streptenyrin est Streptomycin Prolin Сенсія Ĉ UCUI CUCIUCU Abb 2: Einbau radioaktiv markierter Aminosäuren in Polypeptide bei Escherichia coli-Bakterien Material C: ribosomale RNA Die ribosomale Ribonukleinsäure (rRNA) ist die Ribonukleinsäure, aus der zusammen mit Proteinen die Ribosomen aufgebaut sind. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich im Inneren eines Ribosoms ausschließlich ribosomale RNA befindet. Proteine stabilisieren das Ribosom von außen. Jerin Die ribosomale RNA wird wie die mRNA durch Transkription anhand einer DNA-Vorlage erzeugt. Die rRNA bindet anschließend an ribosomale Proteine, wodurch die Ribosomen entstehen. Die ribosomale Ribonukleinsäure hat in diesem Verbund enzymatische, strukturelle und Erkennungsfunktionen. Proteine 0·00²0 tRNA Abb 3: Funktion des Ribosoms: A kleine Untereinheit, B funktionsfähiges Ribosom, C große Untereinheit Seite 4 von 5 Name: Gymnasium Essen Nord-Ost - Biologie Q1 G1 (Bothe) - 06.10.2020 Material D: Codesonne Asparaginsäure Valin Alanin | D Arginin U Serin* Lysin Asparagin | Glutaminsäure G TTT Wildtyp: A UCAGUCAGUCAGUCAC G U G C ▶ Start ▷ Start (selten) Stopp mehrfach codiert A قالات Glycin A 3 G U Threonin Methionin I Isoleucin| Phenylalanin) Leucin* 0 U с U Arginin с A C U Ⓒ Serin* ACUGACUGACUCACC Tro Tyrosin 40 CO U Cystein O AO Glutamin Histidin TCT Viel Erfolg! 18 C A TTA Material E: Resistenz gegen Streptomycin Einige Bakterienstämme von E. coli sind gegen das Antibiotikum Streptomycin resistent. Eine Analyse der DNA des Wildtyps und der resistenten Mutanten zeigte folgende Mutationen im s und der resis codogenen Strang: TTG TGT G Tryptophan resistente Mutanten: Leucin* Prolin (СС=160 асс GCC = Ala Cac = Arg (CG₂ = Pro Seite 5 von 5

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Links sind die eingesetzten synthetischen RNA-Moleküle angegeben, rechts die dadurch aufgebauten Peptide. Experiment Nr. synthetische RNA-Moleküle 1 2 3 4 5 Initiation. Poly-C Poly-G Poly-CG 5' Poly-GAC Poly-GCCC Met Material C: Konzept der überlappenden Gene bei Viren Als Virus bezeichnet man in der Medizin ein infektiöses Partikel, das aus Nukleinsäuren (DNA oder RNA), Proteinen und gegebenenfalls einer Virushülle bestehen kann. Viren besitzen keinen eigenen Stoffwechselapparat und sind zur Vermehrung auf Wirtszellen angewiesen. Sie werden daher meist nicht zu den Lebewesen gezählt. Als Bakteriophagen oder kurz Phagen bezeichnet man verschiedene Gruppen von Viren, die auf Bakterien als Wirtszellen spezialisiert sind. Der Phage X 174 besitzt ein ringförmiges, einzelsträngiges DNA-Molekül, das aus 5368 Nukleotiden besteht. Seine DNA sollte deshalb für maximal 1795 Aminosäuren codieren, aus denen fünf bis sechs Polypeptide gebildet werden können. Die DNA des Virus codiert aber für elf Proteine, die aus mehr als 2300 Aminosäuren bestehen. Gly Thr AUGGGUACICICI A Initiation damit entstehende Peptide Pro Pro Pro - Pro Pro - Pro - ... A' Gly-Gly-Gly-Gly-Gly - Gly-.. Arg-Ala-Arg - Ala-Arg - Ala - ... oder Ala-Arg - Ala-Arg - Ala-Arg - ... Asp Asp - Asp - Asp - Asp - Asp - ... oder Thr-Thr-Thr - Thr - Thr - Thr - ... oder Arg - Arg-Arg - Arg-Arg - Arg-... Ala-Arg - Pro Pro Ala - Arg - Pro - Pro-... His B Met Leu Abb 1: Basensequenz eines mRNA-Abschnitts des Phagen X 174 Ala K Abb 2: Konzept der überlappenden Gene beim Phagen $X 174 Phe C O Leu Ala Pro D E Polypeptid 3' mRNA accicacical ССС Gene auf der DNA des Phagen Seite 2 von 5 2.1 Aufgabe 2 Einfluss von Antibiotika auf die Proteinbiosynthese von Bakterien Beschreiben Sie den Ablauf der Translation am Ribosom. Erläutern Sie mithilfe von Material A die Auswirkungen der Antibiotika Chloramphenicol, Erythromycin und Tetracyclin auf die Proteinbiosynthese! (28 Punkte) 2: Isle kydn. Gymnasium Essen Nord-Ost - Biologie Q1 G1 (Bothe) - 06.10.2020 2.2 Erklären Sie anhand der Experimente im zellfreien System mit der künstlichen mRNA poly- imms U UC (Material B) die Auswirkungen des Antibiotikums Streptomycin auf die Proteinbio- synthese. Nehmen Sie hierzu Material A, den Informationstext (Material C) und die Codesonne (Material D) zu Hilfe! ( 12 Punkte) fu 2.3 Erläutern Sie die Auswirkungen der Mutationen bei E. coli (Material E) auf die jeweilige gebildete rRNA. Stellen Sie eine Hypothese auf, weshalb die Mutanten gegen Streptomycin resistent sein könnten. (14 Punkte) Darstellungsleistung (6 Punkte) Arbeitsmaterial: Material A: Einfluss auf die Proteinbiosynthese Zur Bekämpfung bakterieller Infektionen werden vielfältige Antibiotika eingesetzt. Einige dieser Antibiotika beeinflussen die Proteinbiosynthese von Bakterien. Name: 50 S-Untereinheit mRNA M Polypeptid Streptomycin Verändert die Form der 30 S-Untereinheit des Ribosoms. Die mRNA kann nicht mehr korrekt gelesen werden. Chloramphenicol Bindet an die 50 S-Untereinheit des Ribosoms und verhindert die Bildung von Polypeptiden. 30 S-Untereinheit Abb 1: Einfluss von Antibiotika auf die Proteinbiosynthese Erythromycin Bindet an die 50 S- Untereinheit des Ribosoms. Verhindert die Fort- bewegung des Ribosoms auf der mRNA. Tetracyclin Verhindert die Anlagerung des Anticodons der tRNA an das Codon der mRNA. Tramlation: з Пісківида ник Seite 3 von 5 Name: Asli uydan Gymnasium Essen Nord-Ost - Biologie Q1 G1 (Bothe) - 06.10.2020 Material B: Versuchsansatz zur Wirkung von Streptomycin Der Wirkmechanismus von Streptomycin wurde in den 1960er Jahren genauer untersucht. Zunächst wurden Escherichia Coli-Bakterien aufgebrochen und die Zellwandreste durch Zentrifugation entfernt. Man erhielt ein zellfreies System mit allen für die Proteinbiosynthese notwendigen Komponenten. Anschließend entfernten die Biologen die Bakterien-DNA, die zelleigene mRNA und die Aminosäuren. In das zellfreie System gab man anschließend eine künstliche mRNA mit der sich wiederholenden Basenabfolge UCUCUC, kurz poly UC. Um feststellen zu können, welche Aminosäuren in die Polypeptide eingebaut werden, gab man radioaktiv markierte Aminosäuren hinzu. In mehreren Versuchsansätzen überprüfte man alle Aminosäuren. Bei einer weiteren Versuchsreihe wurde zusätzlich eine definierte Menge Streptomycin hinzugegeben. Die Versuchsergebnisse sind im Säulendiagramm wiedergegeben. 5000 2000 1000 11. Leucin Serin Pheny Leucle ve suchsansatz hne Streptenyrin est Streptomycin Prolin Сенсія Ĉ UCUI CUCIUCU Abb 2: Einbau radioaktiv markierter Aminosäuren in Polypeptide bei Escherichia coli-Bakterien Material C: ribosomale RNA Die ribosomale Ribonukleinsäure (rRNA) ist die Ribonukleinsäure, aus der zusammen mit Proteinen die Ribosomen aufgebaut sind. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich im Inneren eines Ribosoms ausschließlich ribosomale RNA befindet. Proteine stabilisieren das Ribosom von außen. Jerin Die ribosomale RNA wird wie die mRNA durch Transkription anhand einer DNA-Vorlage erzeugt. Die rRNA bindet anschließend an ribosomale Proteine, wodurch die Ribosomen entstehen. Die ribosomale Ribonukleinsäure hat in diesem Verbund enzymatische, strukturelle und Erkennungsfunktionen. Proteine 0·00²0 tRNA Abb 3: Funktion des Ribosoms: A kleine Untereinheit, B funktionsfähiges Ribosom, C große Untereinheit Seite 4 von 5 Name: Gymnasium Essen Nord-Ost - Biologie Q1 G1 (Bothe) - 06.10.2020 Material D: Codesonne Asparaginsäure Valin Alanin | D Arginin U Serin* Lysin Asparagin | Glutaminsäure G TTT Wildtyp: A UCAGUCAGUCAGUCAC G U G C ▶ Start ▷ Start (selten) Stopp mehrfach codiert A قالات Glycin A 3 G U Threonin Methionin I Isoleucin| Phenylalanin) Leucin* 0 U с U Arginin с A C U Ⓒ Serin* ACUGACUGACUCACC Tro Tyrosin 40 CO U Cystein O AO Glutamin Histidin TCT Viel Erfolg! 18 C A TTA Material E: Resistenz gegen Streptomycin Einige Bakterienstämme von E. coli sind gegen das Antibiotikum Streptomycin resistent. Eine Analyse der DNA des Wildtyps und der resistenten Mutanten zeigte folgende Mutationen im s und der resis codogenen Strang: TTG TGT G Tryptophan resistente Mutanten: Leucin* Prolin (СС=160 асс GCC = Ala Cac = Arg (CG₂ = Pro Seite 5 von 5