Aufgaben: DNA und RNA

Erkläre, was die DNA ist, welche Art von Information sie enthält und in welchem Teil einer Eukaryotenzelle sich der größte Teil dieses Moleküls befindet.

Nenne die vier Basen der DNA und erkläre die Paarungsregel, der die Doppelhelix folgt.

Das Schema zeigt einen Abschnitt einer DNA-Doppelhelix. Gib an, was die Markierungen 1 und 2 darstellen, und ergänze die fehlenden Basen auf den mit ? gekennzeichneten Sprossen, wobei A sich immer mit T und G mit C paart.

Erkläre, was ein Nukleotid ist, und nenne seine drei Bestandteile. Welcher von ihnen ist von Nukleotid zu Nukleotid verschieden und bildet den „Buchstaben“ der Erbinformation?

Die DNA-Doppelhelix ähnelt einer Wendeltreppe. Erkläre, welche Moleküle die „Seiten“ der Leiter und welche die „Sprossen“ bilden und wie die Bestandteile jeder Sprosse miteinander verbunden sind.

Ordne diese Strukturen der Größe nach von der kleinsten zur größten und erkläre in einem Satz, was jede ist: Chromosom, Zelle, Gen, Nukleotid, Zellkern.

In der DNA einer Art bestehen $22\ \%$ der Basen aus Thymin. Berechne, wie hoch der Anteil von Adenin, Guanin und Cytosin ist, und erkläre die Überlegung.

Die beiden DNA-Stränge sind antiparallel: Einer durchläuft die Doppelhelix in Richtung 5' nach 3', der andere in Richtung 3' nach 5'. Erkläre mit einem Vergleich, was „antiparallel“ bedeutet und was die Bezeichnungen 5' und 3' angeben.

Nenne drei Unterschiede zwischen DNA und RNA: den enthaltenen Zucker, die Anzahl der Stränge und eine ihrer Basen.

Erkläre, was ein Gen ist, und beschreibe seinen Zusammenhang mit der DNA, den Chromosomen und den Proteinen.

Vor der Teilung kopiert die Zelle ihre gesamte DNA durch die Replikation. Erkläre, worin dieser Vorgang besteht und warum er als semikonservativ bezeichnet wird: Welche Stränge bilden jedes DNA-Tochtermolekül, und welche Rolle spielt die Basenkomplementarität dafür, dass die Kopie exakt ist?

In einem DNA-Molekül bestehen $18\ \%$ der Basen aus Guanin. Berechne die Anteile von Cytosin, Adenin und Thymin und erkläre jeden Schritt der Überlegung.

Ein DNA-Strang hat die Sequenz 5'-ATG CCG TTA-3'. Schreibe die Sequenz des komplementären Strangs, gib auch dessen Richtung an und erkläre, was du berücksichtigt hast.

Die Replikation der DNA findet statt, bevor sich die Zelle durch Mitose teilt. Erkläre, warum sie unbedingt in dieser Reihenfolge ablaufen muss und was mit der Erbinformation der Tochterzellen geschehen würde, wenn sich eine Zelle teilen würde, ohne vorher ihre DNA kopiert zu haben.

Vergleiche, wie die DNA in einem Bakterium und in einer Eukaryotenzelle organisiert ist: wo sie sich befindet, wie viele Chromosomen es meist gibt und welche Form sie haben.

Jahrzehntelang glaubte man, das Erbmaterial seien die Proteine und nicht die DNA. Begründe, welche drei Eigenschaften jedes Molekül erfüllen muss, um Erbmaterial sein zu können, und erkläre, warum die DNA sie erfüllt.

Ein Astrobiologie-Team untersucht das Erbmaterial eines außerirdischen Mikroorganismus. Es stellt fest, dass es aus zwei einander gegenüberliegenden Strängen besteht, beobachtet aber zwei Auffälligkeiten gegenüber der irdischen DNA: 1) Der Durchmesser der Doppelhelix ist nicht konstant, sondern weist ständige Verbreiterungen und Verengungen auf; 2) die beiden Stränge verlaufen in dieselbe Richtung (beide in Richtung $5' \to 3'$). Begründe unter Anwendung der von Watson und Crick aufgestellten Prinzipien der Komplementarität von Purin- und Pyrimidinbasen und der Antiparallelität, welche Art chemischer Paarungen diese Unregelmäßigkeiten in der Dicke verursachen könnte, und sage voraus, welche physikalische oder enzymatische Schwierigkeit eine parallele Doppelhelix bei der Replikation in der Zelle hätte.

Ein Labor untersucht die Zusammensetzung der Basen im Erbmaterial, das aus drei verschiedenen Viren gewonnen wurde, und erhält folgende Ergebnisse:

• Virus 1: $30\ \%$ Adenin, $30\ \%$ Thymin, $20\ \%$ Guanin, $20\ \%$ Cytosin.

• Virus 2: $30\ \%$ Adenin, $20\ \%$ Thymin, $22\ \%$ Guanin, $28\ \%$ Cytosin.

• Virus 3: $30\ \%$ Adenin, $30\ \%$ Uracil, $20\ \%$ Guanin, $20\ \%$ Cytosin.

Bestimme für jedes Virus begründet, welche Art von Nukleinsäure es besitzt (DNA oder RNA) und ob der Strang einzelsträngig oder doppelsträngig ist. Begründe außerdem, warum Virus 2 den chemischen Gesetzmäßigkeiten nicht widerspricht, obwohl seine Anteile an Adenin und Thymin nicht übereinstimmen.

In einem Labor wird ein experimenteller Wirkstoff an einer Zellkultur getestet. Die Verbindung bindet irreversibel an Histone und verhindert, dass sich die DNA von den Nukleosomen abwickelt.

1. a) Sage voraus, welche zwei für die Zelle unverzichtbaren molekularen Prozesse sofort blockiert werden, und begründe auf molekularer Ebene, warum.
2. b) Eine Zelle mit bereits verdoppelter DNA beginnt die Mitose und kann ihre Chromosomen kondensieren, doch der Wirkstoff verhindert, dass sie am Ende der Telophase wieder dekondensieren. Welche Folgen hat das für die Lebensfähigkeit der Tochterzellen während der Interphase?

Die doppelsträngige DNA zweier Bakterienarten wird untersucht: Art A stammt aus einer hydrothermalen Tiefseequelle bei $85\ ^\circ\text{C}$, Art B stammt aus dem Boden bei $20\ ^\circ\text{C}$. Die Analysen zeigen, dass eine der Proben einen Cytosin-Anteil von $38\ \%$ enthält und die andere einen Cytosin-Anteil von $19\ \%$.

1. a) Leite her und begründe, welcher Anteil zu welchem Bakterium gehört. Beziehe dich dabei auf die molekulare Stabilität der Bindungen zwischen den Basenpaaren.
2. b) Berechne den Anteil aller übrigen Stickstoffbasen (Adenin, Thymin und Guanin) in der DNA des thermophilen Bakteriums der Probe.

Der ununterbrochene codierende Bereich eines eukaryotischen Gens besteht aus genau $900$ Basenpaaren (einschließlich des abschließenden Stoppcodons).

1. a) Berechne, wie viele Aminosäuren das aus diesem Gen translatierte Protein enthält.
2. b) Angenommen, es kommt zu einer Insertionsmutation eines einzelnen Nucleotids an Position $301$. Sage voraus, welche Folgen diese Mutation für die endgültige Länge der Aminosäurekette und für ihre biologische Funktion hat, im Vergleich zu einer Substitution (Punktmutation) an derselben Position $301$. Begründe deine Vorhersage mit den Begriffen Leseraster und vorzeitiges Stoppcodon.

Ein menschliches Chromosom in der Metaphase ist etwa $5\ \mu\text{m}$ lang, der darin enthaltene DNA-Faden wäre ausgestreckt aber etwa $5\ \text{cm}$ lang (eine Verpackung um das $10\,000$-Fache).

1. a) Wendest du auf eine Zelle in der Metaphase einen Hemmstoff des Enzyms RNA-Polymerase (zuständig für die Transkription) an, wirst du feststellen, dass er kaum eine Wirkung hat, weil die RNA-Synthese bereits auf natürliche Weise zum Erliegen gekommen ist. Begründe diese Tatsache, indem du sie mit dem Verdichtungsgrad des Chromatins in Verbindung bringst.
2. b) Begründe, warum es für die Zelle während der Mitose unverzichtbar ist, einen so hohen Verpackungsgrad zu erreichen, und warum es für sie tödlich wäre, denselben Kondensationsgrad während der Interphase dauerhaft beizubehalten.

Bestimmte Chemotherapeutika gegen Krebs (quervernetzende Wirkstoffe) können die beiden DNA-Stränge kovalent miteinander verbinden. Stell dir einen hypothetischen Wirkstoff vor, der dauerhafte kovalente Bindungen zwischen den gegenüberliegenden Stickstoffbasen der Doppelhelix ausbildet und dabei die üblichen Wasserstoffbrücken ersetzt.

1. a) Sage voraus, warum dieser Wirkstoff die Teilung von Tumorzellen schlagartig bremst, und erkläre, welche Enzyme und Vorgänge der Replikation oder Transkription physikalisch blockiert werden.
2. b) Begründe anhand des obigen Falls, warum die Selektion im Lauf der Evolution schwache Bindungen (Wasserstoffbrücken) zwischen den beiden Strängen und starke Bindungen (kovalente Phosphodiesterbindungen) entlang jedes Einzelstrangs beibehalten hat, statt nur starke oder nur schwache Bindungen zu nutzen.

Im historischen Experiment von Hershey und Chase (1952) mit Bakteriophagen:

1. a) Sage voraus, welche Ergebnisse im Bakteriensediment und in der Flüssigkeit darüber (Überstand) zu erwarten gewesen wären, wenn die damals vorherrschende Hypothese (Proteine seien das Erbmaterial) zugetroffen hätte.
2. b) Stell dir vor, ein Schüler schlägt vor, das Experiment zu wiederholen und die Viren mit Stickstoff-15 ($^{15}\text{N}$, stabiles Isotop) zu markieren, statt Phosphor ($^{32}\text{P}$) und Schwefel ($^{35}\text{S}$) zu verwenden. Begründe, warum dieser Versuchsaufbau völlig ungeeignet wäre, um herauszufinden, ob das Erbmaterial die DNA oder das Protein ist.