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1 ARBEITSBLATT 1 Transkription 1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Bereiche auf der DNA und beschreiben Sie ihre Funktion! Bindungsstelle für RNA-Polymerase RNA-Polymerase nicht-codogener Strang Promotor- Sequenz codogener Strang Zu transkribierender Bereich Terminator- Sequenz An der Promotor-Sequenz bindet die RNA-Polymerase. Der codogene Strang wird transkribiert, der nicht-codogene Strang nicht. Die Transkription der Terminator-Sequenz ist ein Signal für die RNA-Polymerase, die Verlängerung des mrna-strangs einzustellen. Der zu transkribierende Bereich ist die in mrna umzuschreibende Information beispielsweise für ein Protein. 1

2 ARBEITSBLATT 1 Transkription 2. Gliedern Sie die Transkription in sinnvolle Phasen und benennen Sie diese! Beschreiben Sie die wichtigsten Vorgänge, die während dieser Phasen ablaufen! Phasen Initiation Vorgänge Die RNA-Polymerase bindet an den Promotor. Der DNA-Doppelstrang wird unmittelbar vor dem zu transkribierenden Bereich auf einer Länge von etwa 15 Basenpaaren aufgetrennt. Es entsteht die Transkriptionsblase. Entsprechend der komplementären Basenpaarung lagern sich erste RNA-Nucleotide an die nun freiliegenden DNA-Nucleotide des Elongation codogenen Stranges an. Die RNA-Polymerase bewegt sich an der DNA entlang. Dabei werden die angelagerten RNA-Nucleotide miteinander verknüpft und der nächste Bereich der DNA aufgetrennt. Der von 5 nach 3 wachsende mrna-strang löst sich am anderen Ende der Transkriptionsblase vom codogenen Strang. Dort schließt sich die DNA-Doppelhelix wieder. Termination Die Transkription der Terminator-Sequenz ist ein Signal für die RNA- Polymerase, die Verlängerung des mrna-strangs einzustellen. Dieser löst sich von der DNA und der RNA-Polymerase. Die beiden DNA-Stränge vereinigen sich wieder zum Doppelstrang. Die RNA- Polymerase löst sich von der DNA ab. 3. Entwickeln Sie eine Hypothese, welche die Notwendigkeit der Transkription begründet! Bei den Eukaryoten ist die Notwendigkeit der Transkription offensichtlich, da sich die DNA im Zellkern befindet, die zur Proteinbiosynthese notwendigen Ribosomen dagegen im Cytoplasma. Es muss also ein Informationstransfer geleistet durch die mrna stattfinden. Dass auch bei den heute lebenden Prokaryoten eine Transkription stattfindet, lässt sich durch die Hypothese einer RNA-Welt begründen: Nach dieser Hypothese bestand die Erbinformation der ersten Zellen aus RNA. Diese RNA war dann auch Matrize für die ersten Aminosäureketten. Bei der Evolution komplexerer Zellen mit DNA als Erbmaterial wurde dann RNA als Zwischenschritt beibehalten. 2

3 ARBEITSBLATT 2 Translation 1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Bestandteile! Start-tRNA größere Untereinheit des Ribosoms Freisetzungsfaktor Startcodon mrna Stoppcodon kleinere Untereinheit des Ribosoms mit Peptidyl- und Aminoacyl-Bindungsstelle 1

4 ARBEITSBLATT 2 Translation 2. Nummerieren Sie die Abbildungen in der entsprechenden Reihenfolge! Beschreiben Sie die wesentlichen Vorgänge der Translation! Phase: 6 Vorgänge: Der Freisetzungsfaktor hat das Polypeptid von der letzten trna abgespalten. Das Ribosom löst sich von der mrna und zerfällt in seine beiden Untereinheiten. Phase: 5 Vorgänge: Das Ribosom ist so weit gewandert, dass im Eingangsbereich A ein Stoppcodon liegt. Der Freisetzungsfaktor besetzt diesen Bereich. Phase: 3 Vorgänge: Eine trna hat sich an das zweite Codon der mrna angelagert. Die beiden Aminosäuren sind durch eine Peptidbindung verknüpft. Phase: 1 Vorgänge: Die kleinere Untereinheit des Ribosoms hat sich an das Startcodon angelagert. Phase: 2 Vorgänge: Die Start-tRNA und die größere Untereinheit des Ribosoms sind hinzugekommen. Phase: 4 Vorgänge: Das Ribosom ist ein Triplett weitergerückt. Die Start-tRNA hat sich vom Methionin und vom Ribosom gelöst. Die zweite trna liegt nun im Ausgang P, sodass eine passende trna im Eingang A binden kann. 2

5 ARBEITSBLATT 3 Proteinbiosynthese bei Eukaryoten Die Proteinbiosynthese läuft bei Eukaryoten komplizierter ab als bei Prokaryoten. 1. Beschriften Sie die Abbildung! Machen Sie den zeitlichen Ablauf der Proteinbiosynthese bei Eukaryoten durch das Einfügen von Pfeilen deutlich! Transkription RNA-Polymerase 5 3 Exon Intron Exon Intron Exon Intron 3 5 DNA 5 Introns 3 prä-mrna Spleißen 5 Spleißosomen 3 cap Poly(A) 5 3 reife mrna Translation 5 Kernhülle 3 fertiges Polypeptid 1

6 ARBEITSBLATT 3 Proteinbiosynthese bei Eukaryoten 2. Vergleichen Sie die Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryoten miteinander, indem Sie die wesentlichen Schritte beschreiben! Prokaryoten Die RNA-Polymerase bindet an den Promotor. Eukaryoten Wie bei Prokaryoten bindet die RNA- Polymerase an den Promotor. Die RNA-Polymerase transkribiert die DNA- Sequenz hinter dem Promotor bis zum Signal des Terminators. Es entsteht die mrna. Auch hier wird die gesamte Sequenz transkribiert, einschließlich der Introns. Es entsteht die prä-mrna. Cap-Sequenz und Poly(A)-Schwanz werden an die prä-mrna angeheftet. Aus der prä-mrna werden die Introns herausgeschnitten (Spleißen). Die reife mrna ist das Ergebnis. Durch alternatives Spleißen, das heißt durch unterschiedliche Anordnung von Exons können aufgrund einer prä-mrna unterschiedliche Proteine synthetisiert werden. Die reife mrna wandert aus dem Kern in das Cytoplasma. Ribosomen binden an die mrna. Mithilfe von trnas wird die mrna zum Polypeptid translatiert. An den Ribosomen im Cytoplasma wird die reife mrna zum Polypeptid translatiert. Oft werden die Polypeptide noch nachbearbeitet. 3. Formulieren Sie Hypothesen für die Existenz von Introns und Exons bei Eukaryoten! Berücksichtigen Sie dabei, dass Eukaryoten höher entwickelt und evolutionär jünger sind als Prokaryoten! Die Existenz von Introns und Exons ermöglicht über das alternative Spleißen eine wesentlich größere Vielfalt von Proteinen, ohne dass die Menge an DNA in gleichem Maße vervielfacht werden müsste. Diese größere Vielfalt an Proteinen ermöglichte die Entwicklung komplexerer Zellen und hatte daher in der Evolution einen hohen Selektionswert. 2

7 ARBEITSBLATT 4 Der genetische Code 1. Die Nucleotidsequenz im Anfangsbereich des codogenen DNA-Stranges für das menschliche Hämoglobin A lautet: T-A-C-C-A-T-G-T-A-G-A-A-T-G-T-G-G-T-C-T-C-C-T-C- Das Hämoglobin S, eine Mutante des Hämoglobin A, verursacht die Sichelzellenanämie. Hier ist lediglich ein Nucleotid ausgewechselt. Die Nucleotidsequenz für den entsprechenden Abschnitt auf der DNA lautet: T-A-C-C-A-T-G-T-A-G-A-A-T-G-T-G-G-T-C-A-C-C-T-C- Bestimmen Sie die Nucleotidsequenz der zugehörigen mrna und die Aminosäuresequenz des jeweiligen Hämoglobinabschnitts! Hämoglobin A m-rna: A-U-G - G-U-A - C-A-U - C-U-U - A-C-A - C-C-A - G-A-G - G-A-G Hämoglobinabschnitt: Val His Leu Thr Pro Glu Glu Hämoglobin S m-rna: A-U-G- G-U-A - C-A-U - C-U-U - A-C-A - C-C-A - G-U-G - G-A-G Hämoglobinabschnitt: Val His Leu Thr Pro Val Glu 2. Sichelzellenanämie ist unter anderem durch eine Deformation der Roten Blutkörperchen gekennzeichnet. Erklären Sie, wieso die Auswechslung lediglich eines Nucleotids eine so große Auswirkung hat! Es wird eine Aminosäure mit einer polaren Seitenkette (Glu) ersetzt durch eine Aminosäure mit einer unpolaren Seitenkette (Val). Dies kann ausreichen, die Raumform des Proteins so zu ver- ändern, dass eine erhebliche Störung der Funktion die Folge ist. 3. Welche Auswirkungen könnte es haben, wenn das 20. Nucleotid in der Sequenz nicht ausgewechselt würde, sondern verloren ginge? Erläutern Sie! Die Deletion des 20. Nucleotids würde dazu führen, dass von dort an alle Codone falsch abge- lesen werden (Leserastermutation). Ab der 6. Position wären im Polypeptid alle Aminosäuren falsch. Dann wäre das Genprodukt ein vermutlich völlig unbrauchbares Polypeptid, sicherlich kein Hämoglobin mehr. 1

8 ARBEITSBLATT 4 Der genetische Code 4. Erklären Sie, ob es von den Auswirkungen her unerheblich ist, welches Nucleotid innerhalb eines Tripletts bei einer Punktmutation ausgewechselt wird! Wäre das 21. Nucleotid durch T ersetzt worden, so hätte dies keine Auswirkung auf die Polypep- tidkette gehabt. Das veränderte Codon hätte dieselbe Aminosäure codiert. Dies ist häufig dann der Fall, wenn der Basenaustausch die 3. Base eines Tripletts betrifft. Wird eine der beiden ersten Basen eines Tripletts verändert, so führt die Mutation zum Austausch einer Aminosäure im Polypeptid und somit häufig zu einem Protein mit geringerer oder fehlender Funktionalität. 2

9 ARBEITSBLATT 5 Proteinbiosynthese Überblick und Bedeutung 1. Die genetische Information in der DNA steuert letztlich die gesamten biochemischen Vorgänge in unserem Körper. Begründen Sie, wieso gerade die Synthese von Proteinen dies gewährleistet! Proteine sind nicht nur wichtige Bauelemente von Zellen und Geweben, sie werden auch vielfältig zur Steuerung eingesetzt. So werden Stoffwechselprozesse durch Enzyme reguliert, selektive Transporte in Biomembranen durch spezielle Proteine gewährleistet, die Transkription von Genen durch Proteine wie beispielsweise Transkriptionsfaktoren gesteuert. 2. Benennen Sie die verschiedenen chemischen Strukturen und die Prozesse ihrer Bildung auf dem Weg von der genetischen Information im Zellkern bis zum Produkt in der Zelle! Unterscheiden Sie dabei zwischen Prokaryoten und Eukaryoten! Prokaryoten: DNA Transkription: mrna Translation: Polypeptid Faltung: Protein Eukaryoten: DNA Transkription: prä-mrna Spleißen: reife mrna Translation: Polypeptid Faltung, Nachbearbeitung: Protein 1

10 ARBEITSBLATT 5 Proteinbiosynthese Überblick und Bedeutung 3. Die genetische Information ist in der DNA festgelegt. Dabei sind entsprechend ihrer funktionellen Bedeutung verschiedene Bereiche für ein Gen zu unterscheiden. Benennen Sie diese in der Skizze und beschreiben Sie kurz ihre jeweilige funktionelle Bedeutung! Bindungsstelle für RNA-Polymerase Transkriptionsstartpunkt Startcodon für die Translation Stoppcodon für die Translation DNA Zu transkribierender Bereich Promotor- Sequenz mrna Terminator- Sequenz Protein Die Promotor-Sequenz ist der Bereich eines Gens, an dem die RNA-Polymerase bindet. Der Transkriptionsstartpunkt ist das Triplett, an dem sich das erste RNA-Nucleotid anlagert. An der mrna-kopie des Startcodons für die Translation bindet die Start-tRNA. Zur mrna-kopie des Stoppcodons gibt es keine passende trna. Dort lagert sich bei der Translation der Freisetzungsfaktor (RF) an und löst die Polypeptidkette von der letzten trna ab. Die Terminator-Sequenz beendet die Transkription. Der Bereich ab der Promotor-Sequenz bis einschließlich der Terminator- Sequenz ist der zu transkribierende Bereich. 2

11 ARBEITSBLATT 6 Molekulare Grundlagen der Proteinbiosynthese 1. Nennen Sie die Bausteine, aus denen DNA, mrna und Proteine aufgebaut sind! Beschreiben Sie die Verknüpfung dieser Bausteine zum jeweiligen Molekül! DNA: Bausteine der DNA sind Nucleotide aus Desoxyribose, Phosphatrest und einer der Basen Adenin, Thymin, Cytosin, Guanin. Durch Phosphodiesterbindungen sind die Nucleotide zum Polynucleotid verknüpft. Die Raumstruktur der DNA ist eine Doppelhelix aus zwei gegensätzlich orientierten komplementären Polynucleotiden, die um eine gemeinsame Längsachse gewunden und durch Wasserstoffbrücken miteinander verbunden sind. mrna: Bausteine der mrna sind Nucleotide aus Ribose, Phosphatrest und einer der Basen Adenin, Uracil, Cytosin, Guanin. Auch diese Nucleotide sind über Phosphodiesterbindungen zum Polynucleotid verknüpft. Proteine: Bausteine der Proteine sind Aminosäuren. Diese sind über Peptidbindungen zum Polypeptid verknüpft. Diese Aminosäuresequenz bildet die Primärstruktur eines Proteins. Sekundärstrukturen wie β-faltblatt oder α-helix sind durch Wasserstoffbrücken zwischen den Seitenketten stabilisiert. Die Tertiärstruktur entsteht durch hydrophobe Wechselwirkungen oder auch durch Ionen- beziehungsweise Elektronenpaarbindungen zwischen den Seitenketten. 2. Bei der Transkription erfolgt die Verlängerung der mrna durch die RNA-Polymerase in 5' 3'-Richtung. Beschreiben Sie, worin sich die beiden Enden (5' beziehungsweise 3') der mrna unterscheiden! Am 5 -Ende sitzt am 5 -C-Atom der Ribose ein Phosphatrest, am 3 -Ende sitzt am 3 - C-Atom der Ribose eine OH-Gruppe. 1

12 ARBEITSBLATT 6 Molekulare Grundlagen der Proteinbiosynthese 3. Erläutern Sie anhand der Abbildung die Entstehung der Raumstruktur der Proteine! Die Primärstruktur des Proteins ist eine Sequenz von Aminosäuren, die durch Peptidbindungen verknüpft sind (Abbildung A). Durch Wasserstoffbrücken zwischen den polaren Gruppen der Aminosäurereste können Sekundärstrukturen gebildet werden. Besonders häufig sind dies die α-helix- und die β-faltblatt-struktur (Abbildung B). Diese Sekundärstrukturen werden meist zusätzlich gefaltet, geschraubt oder auch anderweitig geformt. Diese Tertiärstruktur wird wie in Abbildung C gezeigt durch Bindungen oder Wechselwirkungen zwischen den Seitenketten der Aminosäurereste gefestigt: nämlich durch eher lockere Wasserstoffbrücken-Bindungen und hydrophobe Wechselwirkungen (VAN-DER-WAALS-Kräfte), aber auch durch stabile Elektronenpaar- und Ionen-Bindungen. Abbildung C zeigt modellhaft die Tertiärstruktur eines Proteins, bei dem Helix-Bereiche und Faltblatt- Bereiche durch weniger strukturierte Abschnitte verbunden sind. 2

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