Aufgaben: Die Genexpression

Erkläre in eigenen Worten, was es bedeutet, dass eine Zelle „ein Gen exprimiert“, und warum das Endprodukt dieser Expression ein Protein ist.

Betrachte die Skizze einer eukaryotischen Zelle, in der die Expression eines Gens dargestellt ist: Die Markierungen ?1 und ?2 zeigen, wo Transkription und Translation stattfinden, ohne anzugeben, welche welche ist. Gib an, welcher Vorgang an jeder markierten Stelle abläuft und an welchem Ort der Zelle sie sich befindet.

Was ist der genetische Code? Erkläre, was ein Codon ist und aus wie vielen Basen es besteht.

Erkläre, was ein Protein ist, und nenne drei verschiedene Funktionen, die Proteine in Lebewesen erfüllen, mit je einem Beispiel.

Definiere die Transkription: Welches Molekül dient als Matrize, welches Molekül wird hergestellt und in welchem Teil der eukaryotischen Zelle läuft sie ab?

Die DNA verlässt den Zellkern nie, aber die Ribosomen befinden sich im Zytoplasma. Erkläre, welches Problem das für die Herstellung von Proteinen darstellt und wie die mRNA es löst.

Erkläre, was eine Aminosäure ist und wie aus ihnen ein Protein entsteht: Was ist eine Polypeptidkette und was bestimmt die Reihenfolge, in der die Aminosäuren verknüpft werden?

Bei der Transkription bestimmt jede Base des DNA-Matrizenstrangs, welche Base die mRNA erhält. Gib an, welche Base die mRNA gegenüber einem A, einem T, einem G und einem C der Matrize einbaut, und denke daran, dass es in der RNA kein Thymin gibt.

Nenne zwei Unterschiede zwischen Transkription und Translation: das Molekül, das in jedem Vorgang hergestellt wird, und den Ort, an dem er stattfindet.

Der Matrizenstrang eines Gens hat die Sequenz 3'-TAC GGA TTT-5'. Schreibe die Sequenz der mRNA auf, die daraus synthetisiert wird, und beachte dabei, dass in der RNA Thymin durch Uracil ersetzt wird.

Erkläre die Rolle des Ribosoms und der Transfer-RNA (tRNA) bei der Translation: Wo bindet jedes von ihnen und was transportiert die tRNA?

Eine mRNA trägt die Sequenz 5'-AUG GCU CAA-3'. Rekonstruiere die Sequenz des DNA-Matrizenstrangs, von dem sie transkribiert wurde, und gib seine Richtung an.

Diese Schritte der Genexpression sind durcheinandergeraten: Das Protein ist fertiggestellt; die mRNA verlässt den Zellkern; die mRNA bindet an ein Ribosom; die DNA wird transkribiert. Bringe sie in die richtige Reihenfolge und beschreibe jeden in einem Satz.

Transkription und Replikation ähneln sich, weil bei beiden ein DNA-Strang „gelesen“ und ein komplementäres Molekül hergestellt wird. Erkläre zwei grundlegende Unterschiede zwischen beiden Vorgängen: was jeweils kopiert wird und welches Molekül entsteht.

Insulin ist ein Protein aus $51$ Aminosäuren. Berücksichtige, dass die mRNA auch ein Stoppcodon benötigt, berechne, wie viele Nucleotide der codierende Teil ihrer mRNA mindestens hat, und erkläre die Rechnung.

Das Ribosom liest die mRNA in aufeinanderfolgenden Codons, ohne Basen zu überspringen. Begründe, was mit allen Codons geschieht, die auf eine Stelle folgen, an der eine Base zu viel eingefügt wurde, und warum man sagt, das „Leseraster verschiebt sich“.

Bei zwei Patienten werden Punktmutationen im selben Codon ihrer reifen mRNA untersucht, das ursprünglich GAA lautete (codiert Glutaminsäure):

• Beim Patienten A mutiert das Codon zu GAG (codiert Glutaminsäure).

• Beim Patienten B mutiert es zu GUA (codiert Valin).

1. a) Begründe anhand der Eigenschaften des genetischen Codes, warum Patient A keinerlei Veränderung zeigt, während Patient B ein nicht funktionsfähiges Enzym hat.
2. b) Könnte es eine „stille Mutation“ wie die des Patienten A geben, wenn der genetische Code nicht degeneriert wäre? Begründe deine Antwort, indem du herleitest, welche Folgen Mutationen in einem hypothetischen Code mit nur einem Codon pro Aminosäure hätten.

Ein Bakterium synthetisiert ein Oligopeptid anhand des folgenden Abschnitts reifer mRNA:

5'-... AUG GCC UUU UAA ...-3'

Ein mutagener Stoff verursacht die Deletion (den Verlust) des ersten Nucleotids des Codons GCC (des ersten Cytosins), sodass die Sequenz lautet: 5'-... AUG GCU UUU AA...-3'.

Gegeben ist:

• AUG = Methionin (Start)

• GCC = Alanin; GCU = Alanin; UUU = Phenylalanin; UUA = Leucin

• UAA = Stopp (Termination)

1. a) Schreibe die resultierende Aminosäuresequenz vor und nach der Mutation auf.
2. b) Begründe, warum eine Rasterschubmutation (Deletion oder Insertion) in der Regel viel schwerwiegendere Folgen für die Funktion eines Proteins hat als eine Substitution einer einzelnen Base.

Ein Schüler behauptet: „Da eine Nervenzelle und eine Hautzelle völlig unterschiedliche Funktionen und Formen haben, müssen ihre DNA-Moleküle verschieden sein; zum Beispiel hat die Nervenzelle die Gene für Hautproteine, die sie nicht braucht, entfernt.“

1. a) Widerlege die Behauptung des Schülers, indem du erklärst, was wir tatsächlich fänden, wenn wir die genomische DNA beider Zelltypen sequenzieren.
2. b) Wenn die DNA identisch ist, sage voraus und begründe, welche Unterschiede du bei der Analyse der mRNA-Typen und der Proteine im Zytoplasma beider Zellen erwarten würdest.

Stell dir eine hypothetische mutierte Zelle vor, in der es kein mRNA-Molekül gibt: Die Ribosomen dringen direkt in den Zellkern ein und translatieren die Proteine, indem sie die DNA-Doppelhelix unmittelbar lesen.

Bewerte diese Situation, indem du zwei schwerwiegende biologische Nachteile dieses Mechanismus nennst: einen im Zusammenhang mit der Unversehrtheit und dem Schutz des Erbmaterials und einen im Zusammenhang mit der Reaktionsgeschwindigkeit und der Verstärkungsfähigkeit, wenn die Zelle in kurzer Zeit Tausende Kopien eines Proteins herstellen muss.

Auf elektronenmikroskopischen Aufnahmen von Bakterien sieht man häufig, dass sich mehrere Ribosomen an die mRNA anlagern und mit der Translation beginnen, während die RNA-Polymerase dieselbe mRNA noch von der DNA transkribiert.

1. a) Begründe, warum diese gleichzeitige Kopplung von Transkription und Translation in einer menschlichen Zelle unmöglich ist.
2. b) Wenn wir ein menschliches Gen genau so, wie es aus dem menschlichen Zellkern stammt (mit seinen Exons und Introns), in ein Bakterium klonieren, kann das Bakterium das richtige Protein nicht herstellen. Erkläre, worauf dieser Fehler beruht und welcher Schritt der RNA-Prozessierung dem Bakterium fehlt.

Ein menschliches Verdauungsenzym hat seine optimale Aktivität bei 37 °C. Wird es fünf Minuten lang auf 60 °C erhitzt und dann wieder auf 37 °C abgekühlt, verliert es seine Enzymaktivität vollständig und erlangt sie nicht zurück. Wird es dagegen bei -20 °C eingefroren und anschließend bei 37 °C aufgetaut, arbeitet es völlig normal weiter.

1. a) Begründe auf molekularer Ebene den beobachteten Unterschied zwischen Erhitzen und Einfrieren des Enzyms und erkläre, was jeweils mit seiner dreidimensionalen Struktur und seinem aktiven Zentrum geschieht.
2. b) Warum verhindert der Verlust der Tertiärstruktur, dass das Enzym sein Substrat erkennt?

Dank der Gentechnik ist es möglich, das Gen für menschliches Insulin in das Bakterium Escherichia coli einzubringen und dieses Bakterium dazu zu bringen, Insulin herzustellen, das mit unserem identisch ist.

1. a) Welche grundlegende Eigenschaft des genetischen Codes macht es möglich, dass ein Bakterium die Anweisungen eines menschlichen Gens richtig liest? Begründe, welche evolutionsbiologische Schlussfolgerung über den gemeinsamen Ursprung aller Lebewesen sich aus dieser Tatsache ziehen lässt.
2. b) Stell dir vor, der genetische Code hätte diese Eigenschaft nicht und wäre für jede Art spezifisch. Was geschähe, wenn das menschliche Gen in das Bakterium eingebracht würde? Begründe deine Schlussfolgerung.

Das Gen für die Beta-Kette des menschlichen Hämoglobins ist in der DNA des Zellkerns 1600 Basenpaare lang, doch das reife Protein enthält nur 146 Aminosäuren (das Start-Methionin wird nach der Translation entfernt).

1. a) Berechne, wie viele Nucleotide der reifen mRNA diese Polypeptidkette im engeren Sinn codieren (einschließlich Start- und Stoppcodon).
2. b) Begründe, worauf der große Längenunterschied zwischen dem ursprünglichen Gen von 1600 Basenpaaren und den von dir berechneten Nucleotiden beruht.
3. c) Das menschliche Genom enthält etwa 20 000 Gene, doch unsere Zellen stellen mehr als 90 000 verschiedene Proteine her. Erkläre, durch welchen Reifungsmechanismus der mRNA es möglich ist, aus einem einzigen Gen mehrere verschiedene Proteine zu erzeugen.