Mutationen

Erkläre, was eine Mutation ist und wann sie typischerweise auftritt (Fehler beim Kopieren der DNA oder Einwirkung äußerer Faktoren).

Unterscheide zwischen einer Mutation in einer Körperzelle (z. B. der Haut) und einer Mutation in einer Keimzelle: Welche von beiden kann an die Nachkommen weitergegeben werden?

Unterscheide die Begriffe Mutation und Mutagen und nenne jeweils ein Beispiel.

Mutationen können schädlich, neutral oder vorteilhaft sein. Erkläre, was jeweils gemeint ist, und nenne ein Beispiel für eine Mutation, die für den betroffenen Organismus vorteilhaft ist.

Genmutationen können Substitutionen (eine Base wird durch eine andere ersetzt), Insertionen (eine Base wird eingefügt) oder Deletionen (eine Base geht verloren) sein. Veranschauliche alle drei Typen, indem du das Wort PALO veränderst, und erkläre jeden Typ.

Begründe, warum das Einfügen oder der Verlust einer Base für das Protein meist schwerwiegender ist als der Austausch einer Base gegen eine andere. Verwende dazu den Satz aus Wörtern mit drei Buchstaben „EVA VIO UNA OCA“ als Modell für das Leseraster der Codons.

In einem Labor werden zwei mutierte Varianten eines Gens untersucht, das ein lebenswichtiges Enzym aus 320 Aminosäuren codiert. In der mRNA lautet die normale Sequenz, die die Aminosäuren 10, 11 und 12 codiert, 5'-AUG GCU UUA-3' (Methionin-Alanin-Leucin):

• Variante 1: hat die Deletion eines einzelnen Nukleotids (das C des Codons GCU).

• Variante 2: hat die Deletion des gesamten Tripletts GCU (drei Nukleotide gehen gleichzeitig verloren).

1. a) In Variante 1 ist das neue Codon, das entsteht, wenn sich die benachbarten Nukleotide verbinden, GUU (Valin). Erkläre, was es bedeutet, dass das Leseraster verändert wurde (Rasterschubmutation), und wie sich dies ab dieser Stelle bis zum Ende des Proteins auf die Aminosäuresequenz auswirkt.
2. b) Begründe, welche der beiden Varianten mit größerer Wahrscheinlichkeit einen Teil der Enzymaktivität behält und welche mit nahezu völliger Sicherheit ein funktionsloses oder vorzeitig verkürztes Protein ergibt.

Neben den Mutationen, die eine einzelne Base verändern, gibt es Chromosomenmutationen, die Chromosomenabschnitte oder ganze Chromosomen betreffen. Erkläre den Unterschied mit dem Vergleich eines Buches: einen Buchstaben ändern im Gegensatz zu einer verlorenen oder verdoppelten Seite.

Das Down-Syndrom beruht auf dem Vorhandensein von drei Kopien des Chromosoms 21 statt zwei (Trisomie 21). Erkläre, warum es sich nicht um die Mutation eines bestimmten Gens, sondern um eine Veränderung der Chromosomenzahl handelt, und in welchem Moment der Keimzellbildung sie entstehen kann.

Nenne drei mutagene Faktoren (physikalisch oder chemisch) und erkläre kurz, wie sie auf die DNA wirken.

Erkläre, welcher Zusammenhang zwischen der Anhäufung von Mutationen in Genen, die den Zellzyklus steuern, und der Entstehung von Krebs besteht.

Tabak, ultraviolette Strahlung und einige Viren erhöhen das Krebsrisiko, aber nicht alle exponierten Personen erkranken. Erkläre, warum Krebs als multifaktorielle Erkrankung gilt, bei der angesammelte Mutationen, der Zufall und die genetische Veranlagung jeder Person eine Rolle spielen.

Ein Patient, dem erfolgreich ein Melanom am Rücken entfernt wurde, hat in der Arztpraxis zwei Fragen:

1. „Ich mache mir Sorgen, dass ich diese Mutation an mein neugeborenes Kind weitergegeben habe.“

2. „Da der Tumor entfernt wurde und meine Haut braun und abgehärtet ist, bin ich jetzt immun und brauche keine Sonnencreme mehr.“

Widerlege beide Aussagen mit fundierten Argumenten:

1. a) Begründe, warum sein Kind dieses Melanom nicht erben wird, und unterscheide dabei zwischen Mutationen in Körperzellen und in Keimzellen.
2. b) Erkläre, warum es biologisch falsch ist, dass sich die Haut gegen Krebs „immunisiert“. Gehe dabei auf den Zusammenhang zwischen angesammelter UV-Strahlung, Mutationen in Protoonkogenen oder Tumorsuppressorgenen und der Entgleisung des Zellzyklus ein.

Die meisten Mutationen haben keine Folgen. Erkläre zwei Gründe, warum viele Mutationen unbemerkt bleiben (DNA-Reparatursysteme und Eigenschaften des genetischen Codes).

Ein Kind hat eine dominante Mutation, die keines seiner Elternteile besitzt. Erkläre, wie sie „neu“ auftreten kann (Neumutation), wenn die Mutation in der Eizelle oder der Spermienzelle entstanden ist, aus denen dieses Kind hervorging, und ob es sie an seine Kinder weitergeben kann.

Das Grippevirus verändert sich jedes Jahr ein wenig. Stelle einen Zusammenhang mit seiner hohen Mutationsrate beim Kopieren seines Erbmaterials her und erkläre, warum der Grippeimpfstoff jede Saison angepasst werden muss, während andere Impfungen jahrelang schützen.

Man sagt, Mutationen seien „der Rohstoff der Evolution“. Begründe, warum es ohne Mutationen keine neue genetische Variabilität gäbe, auf die die Selektion wirken könnte.

In einer Bakterienpopulation machen sich Mutationen viel schneller bemerkbar als in einer Elefantenpopulation. Stelle einen Zusammenhang mit der sehr schnellen ungeschlechtlichen Vermehrung her (ein Bakterium kann sich alle $20$ Minuten teilen) und mit der riesigen Individuenzahl.

Betrachte das Schema, das die genetische und zelluläre Veränderung bei der Sichelzellanämie zeigt. Stelle dir vor, bei einem Gentest werden zwei Personen mit Mutationen in demselben Codon (GAA) gefunden:

• Person A: hat eine stille Punktmutation, bei der GAA zu GAG wird (das ebenfalls Glutaminsäure codiert).

• Person B: hat die Deletion der ersten Base (das G geht verloren), wodurch das Leseraster verändert wird.

1. a) Sage begründet den Phänotyp von Person A auf Zellebene voraus und erkläre, welche Eigenschaft des genetischen Codes verhindert, dass sie eine Sichelzellanämie entwickelt.
2. b) Vergleiche die zu erwartenden zellulären und funktionellen Auswirkungen bei Person B mit dem im Schema gezeigten Fall der Sichelzellanämie. Begründe, warum die Deletion eines einzelnen Nukleotids für das Protein meist biologisch schwerwiegender ist als die dargestellte Punktmutation.

Ein Patient mit bakterieller Mandelentzündung bricht die Behandlung mit dem Antibiotikum am dritten von sieben verordneten Tagen ab, weil er kein Fieber und keine Beschwerden mehr hat. Seine Begründung lautet: „Wenn ich das Antibiotikum weiter nehme, lernen die Bakterien, es zu bekämpfen, und mutieren, um resistent zu werden; es ist besser, jetzt aufzuhören, damit ich sie nicht zum Mutieren zwinge.“

1. a) Erkenne den Denkfehler in seiner Überlegung und widerlege seine Aussage. Unterscheide dabei klar zwischen dem zufälligen, bereits vorhandenen Ursprung der Mutationen und der selektierenden Rolle des Antibiotikums.
2. b) Sage voraus, was mit der übrig gebliebenen Bakterienpopulation in seinem Rachen geschieht, wenn er die Behandlung vorzeitig abbricht, und begründe, warum dieser falsche Gebrauch zur Ausbreitung multiresistenter Stämme beiträgt.

In bestimmten ländlichen Gebieten Afrikas südlich der Sahara ist 25 % der erwachsenen Bevölkerung heterozygot für das Allel der Sichelzellanämie (Genotyp AS: ein normales Allel A und ein Sichelzellallel S), während homozygote Sichelzell-Träger (SS) ohne Krankenhausversorgung an einer schweren Krankheit mit hoher Sterblichkeit leiden.

1. a) Wenn das Allel S im homozygoten Zustand tödlich oder sehr schädlich ist, warum hat die natürliche Selektion es nicht aus der Population entfernt? Begründe deine Antwort, indem du die Fitness der drei möglichen Genotypen (AA, AS und SS) in einem Gebiet mit hoher Malariahäufigkeit vergleichst.
2. b) Wenn in einer abgeschiedenen Region die Malaria übertragende Mücke durch dauerhafte biologische Bekämpfung vollständig ausgerottet wird, sage begründet voraus, was in den folgenden Generationen mit der Häufigkeit des Allels S geschieht.