Aufgaben: Nukleinsäuren

Welche drei Bestandteile bilden ein Nukleotid? Geben Sie an, worin sich ein DNA-Nukleotid von einem RNA-Nukleotid unterscheidet.

Nennen Sie die stickstoffhaltigen Basen, die in DNA und RNA vorkommen, und geben Sie an, welche Base jeweils nur in einer der beiden vorkommt.

Betrachten Sie das Schema eines Nukleotids und identifizieren Sie die drei mit den Ziffern 1, 2 und 3 gekennzeichneten Strukturen. Geben Sie jeweils den chemischen Namen an.

Erklären Sie die wesentlichen Merkmale des Doppelhelixmodells von Watson und Crick: Anordnung und Richtung der beiden Stränge, Lage der stickstoffhaltigen Basen und Art der Bindungen, die die Struktur zusammenhalten.

Im DNA-Abschnitt des Schemas sind nur die Basen eines der Stränge dargestellt. Schreiben Sie die Basen auf, die im komplementären Strang an den mit ? markierten Positionen stehen müssten, und formulieren Sie die Regel, die Sie angewendet haben.

Ein DNA-Strang hat die Sequenz 5'-ATGCCGTA-3'. Schreiben Sie die vollständige Sequenz des komplementären Strangs unter Angabe seiner Polarität (5'- und 3'-Ende) und erklären Sie, was es bedeutet, dass die beiden Stränge antiparallel verlaufen.

In einem Strang eines DNA-Moleküls macht Adenin $28\ \%$ der Basen aus und Thymin $12\ \%$. Berechnen Sie die Anteile jeder stickstoffhaltigen Base im komplementären Strang und im gesamten DNA-Molekül. Begründen Sie jeden Schritt mit den Chargaff-Regeln und erklären Sie, warum die Verteilung zwischen Guanin und Cytosin innerhalb jedes einzelnen Strangs nicht bekannt sein kann.

In einem Labor werden drei unbekannte Nukleinsäureproben (A, B und C) aus subzellulären Fraktionen eines Eukaryoten und eines tierischen Virus gereinigt:

• Probe A: Sie wird im alkalischen Milieu (basischer pH-Wert) rasch hydrolysiert. Sie enthält eine Pentose mit einer Hydroxygruppe am C-Atom 2' und die Basen A, G, C und U. Sie wird aus dem Zellkern, aus dem Zytosol und gebunden an die Membran des rauen endoplasmatischen Retikulums isoliert.

• Probe B: Sie ist gegen alkalische Hydrolyse resistent; sie enthält Thymin, und das Verhältnis $(\text{A}+\text{G})/(\text{T}+\text{C})$ ist genau gleich $1{,}0$. Sie wird sowohl aus dem Inneren des Zellkerns als auch aus der Matrix der Mitochondrien isoliert.

• Probe C: Sie stammt aus dem Virus. Sie enthält Desoxyribose und Thymin, aber ihre Basenanalyse ergibt einen Anteil von $34\ \%$ A, $18\ \%$ T, $28\ \%$ G und $20\ \%$ C.

1. a) Bestimmen Sie begründet, um welche Art von Nukleinsäure (DNA oder RNA) es sich bei jeder Probe handelt, ausgehend von ihrer chemischen Zusammensetzung (Zucker und Basen) und ihrer Reaktivität.
2. b) Deuten Sie die räumliche Struktur der Proben B und C: Erklären Sie, warum Probe B die chargaffschen Regeln erfüllt und Probe C nicht, und geben Sie an, ob jede Probe einsträngig oder doppelsträngig ist.
3. c) Vergleichen Sie Lokalisation und Funktion der Probe B mit den drei Haupttypen, in die sich die Probe A innerhalb der Eukaryotenzelle funktionell gliedert.

Im Rahmen der Astrobiologie wird ein informationstragendes Polymer untersucht, das aus einem Meteoriten isoliert wurde. Bei der Verbindung handelt es sich um eine doppelsträngige Nukleinsäure aus Desoxyribonukleotiden, die durch Phosphodiesterbindungen verknüpft sind. Einer der Wissenschaftler vermutet, dass dieses Molekül ganz allein einen primitiven außerirdischen Stoffwechsel hätte hervorbringen können, indem es gleichzeitig als genetischer Speicher und als ursprünglicher Stoffwechselkatalysator wirkte, analog zur irdischen Hypothese der „RNA-Welt“.

1. a) Widerlegen Sie den Vorschlag des Wissenschaftlers: Begründen Sie anhand der molekularen Unterschiede zwischen RNA und DNA (Vorhandensein der 2'-OH-Gruppe an der Ribose sowie einsträngige gegenüber doppelsträngiger Struktur), warum diese doppelsträngige DNA deutlich weniger als RNA geeignet ist, Konformationen mit katalytischer Aktivität (wie Ribozyme) einzunehmen.
2. b) Erklären Sie, warum die Entdeckung, dass RNA enzymatische Aktivität besitzt, das klassische Paradoxon zum Ursprung des Lebens löste, welches Makromolekül zuerst entstanden ist (Nukleinsäuren oder Proteine).
3. c) Erörtern Sie, wenn die RNA eine größere funktionelle Vielseitigkeit aufweist, welche evolutiven Vorteile die doppelsträngige DNA bot, sodass die natürliche Selektion sie als universelles Erbmaterial der zellulären Lebewesen festlegte.

Themenprojekt. Biomolekulares Audit deiner Vorratskammer.

Hast du dich je gefragt, wie sich die Bioelemente, die du im Unterricht kennenlernst, in dem widerspiegeln, was du täglich isst? Du untersuchst ein echtes Lebensmittel aus deiner Küche (Hülsenfrucht, Getreide oder Milchprodukt) und berücksichtigst dabei alle molekularen Ebenen.

1. Datenerhebung: Wähle das Lebensmittel aus und recherchiere seine Nährwertangaben pro $100\text{ g}$ in der spanischen Lebensmitteldatenbank (BEDCA) oder auf der Verpackung: Wasser, Bioelemente und Salze (wie $Na^+$ oder $Fe^{2+}$), Kohlenhydrate, Fette und Proteine.

2. Herleitung der Nukleinsäuren: Da Nährwerttabellen DNA/RNA nicht quantifizieren, begründe und schätze qualitativ ihr Vorkommen, indem du den zellulären Ursprung (tierisches oder pflanzliches Gewebe) und den Grad der industriellen Verarbeitung berücksichtigst.

3. Begründeter Bericht: Erstelle eine Tabelle, die auf deine übliche Portion zugeschnitten ist (z. B. $65,5\text{ g}$), und verfasse eine zusammenfassende Darstellung, die die zelluläre Funktion jeder Fraktion begründet: osmotische Homöostase von Wasser/Ionen, Energiebilanz von Kohlenhydraten im Vergleich zu Fetten, strukturelle/enzymatische Funktion der Proteine und Recycling von Nukleotiden.

Bewertet werden:

• Genauigkeit bei der Erhebung quantitativer Daten und korrekte Einheiten.

• Fähigkeit zur Herleitung, um Vorhandensein und Funktion des aufgenommenen Erbmaterials zu begründen.

• Fachliche Präzision bei der Verknüpfung der chemischen Struktur jedes Biomoleküls mit seiner Rolle im Stoffwechsel.