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1 Unterrichtsmaterialien in digitaler und in gedruckter Form Auszug aus: Die gentechnische Produktion von Insulin - Selbstlerneinheit zur kontextorientierten Wiederholung der molekularen Genetik Das komplette Material finden Sie hier: School-Scout.de

2 S 3 M 3 Das Insulin des Menschen Produktion und Aufgabe 1) Die β-zellen der Bauchspeicheldrüse Die β-zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) produzieren beim gesunden Menschen Insulin (siehe Abbildung). Diese Zellen zeigen den Aufbau einer normalen tierischen Zelle. Besonders stark sind bei ihnen das raue endoplasmatische Reticulum (raues ER) und die Dictyosomen ausgeprägt. Neben dem Zellkern sollen nur diese Organellen betrachtet werden. Zwölffingerdarm (erster Abschnitt des Dünndarms) Bauchspeicheldrüse Magen 2) Vom Zellkern ins Cytoplasma Im Zellkern der β-zellen der Bauchspeicheldrüse wird das Insulin-Gen durch die RNA-Polymerase transkribiert. Es entsteht ein ca Basen langes Transkript. Das Transkript ist die prä-mrna. a Langerhans sche Insel α-zelle Drüsenbläschen β-zelle Beim Spleißen wird ein ca. 600 Basen langes Intron aus der prämrna herausgeschnitten. Die mrna, an der sich nun zudem der Poly-A-Schwanz am 3 -Ende und eine Cap am 5 -Ende befindet, bewegt sich nun durch die Kernporen ins Cytoplasma. b picture-alliance / Science photo Library Kapillargefäß a Lage der Bauchspeicheldrüse b Die β Zellen der Langerhans schen Inseln produzieren Insulin

3 S 10 M 4 Primärstruktur des Präproinsulins und Tertiärstruktur des Insulins Sie haben sich nun ausführlich mit der Synthese, Freisetzung und Auswirkung von Insulin im menschlichen Körper beschäftigt. Die folgenden Abbildungen zeigen die Primärstruktur des Präproinsulins im Einbuchstabencode und die Tertiärstruktur des Insulins. Die Proteinsequenz des Präproinsulins: Information zum Ein- und Dreibuchstabencode: Die Aminosäuren stellt man häufig im sogenannten Dreibuchstabencode dar. Ebenso häufig ist eine Darstellung im Einbuchstabencode. Die unten stehende Tabelle zeigt auf, welche Buchstaben bzw. Buchstabenkombinationen den einzelnen Aminosäuren zugeordnet sind. Dreibuchstabencode Einbuchstabencode Einbuchstabencode Aminosäure Dreibuchstabencode Einbuchstabencode Aminosäure Dreibuchstabencode Aminosäure Alanin Ala A Glycin Gly G Prolin Pro P Arginin Arg R Histidin His H Serin Ser S Asparagin Asn N Isoleucin Ile I Threonin Thr T Asparaginsäure Asp D Leucin Leu L Tryptophan Trp W Cystein Cys C Lysin Lys K Tyrosin Tyr Y Glutamin Gln Q Methionin Met M Valin Val V Glutaminsäure Glu E Phenylalanin Phe F

4 S 12 Lösungskarte zu M 4 1. Aufbau Präproinsulin 110 AS (Präsequenz, B-Kette, C-Kette, A-Kette); Präsequenz (24 AS), B-Kette (30 AS), C-Kette (35 AS), A-Kette (21 AS) Insulin 51 AS (B-Kette, A-Kette); B-Kette (30 AS), A-Kette (21 AS) Vorkommen kurzeitig im Lumen des rauen ER befindet sich in Vesikeln, die an der trans-seite des Dictyosoms abgegeben werden Wirkung keine Wirkung ermöglicht die Glucoseaufnahme in die Zellen Man kann drei Alpha-Helices erkennen. Hiervon ist eine in der B-Kette lokalisiert und zwei in der A-Kette. Zudem erkennt man noch ein Beta-Faltblatt in der A-Kette. 4. a) Ein Aminosäureaustausch in der Präsequenz könnte dazu führen, dass das Signalerkennungspartikel SRP nicht mehr gebunden werden kann und der Transport in das Lumen des rauen ER somit nicht mehr stattfindet. b) In der C-Kette könnte ein Aminosäureaustausch dazu führen, dass sich die Erkennungssequenz für die Proteasen im Dictyosom ändert. c) Die B- und A-Kette sind Bestandteil des Insulins. Es wäre möglich, dass eine Veränderung in der Primärstruktur innerhalb der B- und A-Kette die Tertiärstruktur des Proteins so verändert, dass das Protein die Aufnahme von Glucose nicht mehr bewerkstelligen kann.

5 S 19 M 8 Die cdna Meilenstein auf dem Weg zur Insulinherstellung Zwischenstopp Unser Ziel ist es, Bakterien zur Produktion von Insulin zu bringen. Die genetische Information auf der Kern-DNA enthält das Intron und kann von Bakterien, welche zu den Prokaryoten gehören, nicht durch Spleißen entfernt werden. Daher ist es sinnvoll, mit der mrna weiterzuarbeiten, da diese das Intron nicht mehr enthält. Und weiter geht es! Im Cytoplasma der β-zellen der Bauchspeicheldrüse befindet sich viel PräproinsulinmRNA. Diese codiert für das Präproinsulin. Das Präproinsulin wird dann im rauen endoplasmatischen Reticulum und in den Dictyosomen zum Insulin weiterverarbeitet. Insulin besteht nur aus der B- und der A-Kette. Um später das Insulin künstlich mithilfe von Bakterien herzustellen, benötigen wir diese Information in Form der DNA. Es gibt nun einen Weg, aus dieser mrna eine DNA zu synthetisieren. Diese DNA wird cdna (complementary DNA) genannt. Die Synthese der complementary DNA (cdna) 1) Isolierung der Gesamt-RNA aus der Bauchspeicheldrüse Man nimmt ein Stückchen der Bauchspeicheldrüse und zerkleinert es. Mithilfe von bestimmten Chemikalien und Reinigungsschritten wird die gesamte RNA isoliert. Die RNA umfasst nun trna, rrna und mrna. 2) Von der mrna zur cdna Die mrna unterscheidet sich von der trna und der rrna durch den Poly-A-Schwanz (ca. 250 Adenosine) am 3 -Ende und die Cap-Struktur am 5 -Ende. Es gibt nun ein Enzym, welches RNA in 3 à 5 -Richtung lesen und komplementär dazu einen DNA-Strang in 5 à 3 -Richtung synthetisieren kann. Dieses Enzym ist die Reverse Transkriptase. Dieses Enzym kommt nicht bei Tieren und somit auch nicht beim Menschen vor. Es stammt aus sogenannten Retroviren, wie auch das HI-Virus eines ist. Die Reverse Transkriptase benötigt, wie die DNA-Polymerase, einen Startpunkt (Primer). Der Strang, der abgelesen wird, ist aber eine RNA und keine DNA. Man gibt nun in eine Lösung aus einem Puffer, Desoxyribonucleosidtriphosphaten, dem RNA-Gemisch und der Reversen Transkriptase einen Poly-T-Primer. Dieser besteht aus ca. 15 Thyminen.

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