Biologie I/B: Klassische und molekulare Genetik, molekulare Grundlagen der Entwicklung Theoretische Übungen SS 2016

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1 Biologie I/B: Klassische und molekulare Genetik, molekulare Grundlagen der Entwicklung Theoretische Übungen SS 2016 Vorbemerkung für die Erlangung des Testats: Bearbeiten Sie die unten gestellten Aufgaben vor der jeweiligen Übungsstunde. Während der Stunde werden Sie zufallsgemäß gebeten, die Lösung bestimmter Aufgaben vorzutragen. Sie können sich nicht darauf verlassen, bei Ihrem Lieblingsthema dran zu kommen. Es wird erwartet, dass Sie sich mit der Fragestellung intensiv befasst haben. Bitte kontaktieren Sie ggf. Ihre/n Tutor/in vor der Stunde, wenn Sie gravierende Schwierigkeiten haben. Fragen für die Übungsstunde 1 ( ) DNA-Struktur und Replikation 1. Tragen Sie den Fachbegriff für die jeweilige Aussage in die Tabelle ein. Beschreibung Begriff Technik zur schnellen Produktion von Millionen von Kopien einer bestimmten Region der DNA verschiedene "Zustandsformen" eines Gens, die jeweils auf dem gleichen Locus liegen Bausteine von DNA und RNA nur Veränderungen in diesen Zellen werden an die nächste Generation weitergegeben die Information der mrna nutzende Proteinsynthese aus diesem Material bestehen Chromosomen Menge der nukleären DNA einer haploiden Zelle mit Ein- Chromatid-Chromosomen Summe aller Gene eines Organismus, seine genetische Ausstattung kurze, einzelsträngige DNA-Moleküle, werden in der PCR gebraucht auf den Geschlechtschromosomen liegende Gene Organismus ohne membranumhüllte Organellen Zelle mit 1n Chromosomen Organismus mit zwei verschiedenen Allelen eines Gens 1

2 Beschreibung Begriff zu zwei identischen Tochterzellen führende Zellteilung lineares Molekül aus Chromatin im Zellkern von Eukaryoten Ort eines Allels auf einem Chromosom Ein Enzym, das DNA-Fragmente verknüpft Synthese von RNA, nutzt einen DNA-Strang als Vorlage Produktion von Geschlechtszellen, hier tritt Rekombination auf Summe aller beobachtbaren Merkmale eines Organismus Anzahl der Chromosomensätze von Chromosomen unabhängiges DNA-Molekül, wird auch gentechnologisch zum Transport von genetischer Information genutzt eukaryotische DNA ohne Introns, wird von Reverser Transkriptase erzeugt dieses Merkmal wird nur bei homozygoten Allelen ausgeprägt Organismus mit genetischem Material innerhalb eines Zellkerns sind gleich in Größe, Form, Loci und Lage des Zentromers, unterscheiden sich in ihren Allelen eine DNA-Doppelhelix eines Chromosoms Anordnung der homologen Chromosomen im Pachytän der Meiose, hier tritt Crossing over auf 2. Die Nukleotidsequenz des einen Stranges in einem DNA-Molekül ist 5 -GGATTTTTGTCCACAATCA-3. Wie lautet die Sequenz des komplementären Stranges? Markieren Sie das 5 - und 3 - Ende des komplementären Stranges. 3. Die DNA bestimmter Bakterienzellen besteht zu 13 % aus dem Nukleotid Adenin. Wie hoch sind die prozentualen Anteile der anderen Nukleotide? 2

3 4. Ein etwas zerstreuter technischer Assistent analysiert in Ihrem Labor genetisches Material aus drei Spezies. Leider sind ihm die Beschriftungen der Proben verloren gegangen und somit die Ergebnisse seiner Analysen nicht mehr den Proben zuzuordnen. Da Sie wissen, dass es sich bei den Spezies um ein RNA-Virus, ein einzelsträngiges DNA-Virus und ein Säugetier handelt, versuchen Sie trotzdem eine Zuordnung: Probe Adenin Cytosin Guanin Thymin Uracil A 28,0 % 22,0 % 22,0 % 0,0 % 28,0 % B 21,0 % 29,0 % 29,0 % 21,0 % 0,0 % C 27,0 % 24,0 % 26,0 % 23,0 % 0,0 % Begründen Sie für jeden Fall Ihre Zuordnung. 5. Wieviele mögliche Nukleotidsequenzen gibt es für einen einzelsträngigen DNA-Abschnitt, der aus 8 Nukleotiden besteht? Welche allgemeine Formel können Sie für n Nukleotide ableiten? 6. In welcher Reihenfolge schmelzen die folgenden drei DNA-Moleküle in einer Lösung, deren Temperatur man erhöht? Begründen Sie Ihre Antwort. a) 5 -GCGGGCCAGCCCGAGTGGGTAGCCCAGG-3 3 -CGCCCGGTCGGGCTCACCCATCGGGTCC-5 b) 5 -ATTATAAAATATTTAGATACTATATTTACAA-3 3 -TAATATTTTATAAATCTATGATATAAATGTT-5 c) 5 -AGAGCTAGATCGAT-3 3 -TCTCGATCTAGCTA-3 Multiple Choice Fragen Wichtig: Begründen Sie jeweils Ihre Antworten! 7. Welche der folgenden Elemente kommen nicht / welches der folgenden Elemente kommt nicht in DNA vor? a) Kohlenstoff b)wasserstoff c) Sauerstoff d) Phosphor e) Schwefel f) Stickstoff 3

4 8. Welche der folgenden Verbindungen ist/sind Bestandteil/e der DNA? a) Cytosin b) Arginin c) Glycerol d) Tyrosin e) Alanin Zu welchen Stoffklassen gehören die ausgeschlossenen Verbindungen? 9. Welche der folgenden Aussagen trifft/treffen für normale doppelsträngige DNA zu: a) A plus C ist immer gleich G plus T. b) A plus G ist immer gleich C plus T. c) Die Anzahl der Purine ist gleich der Anzahl der Pyrimidine. d) Die Anzahl der Phosphatreste ist gleich der Anzahl der Desoxyribose-Zucker. 10. Wieviele Telomere liegen in einer menschlichen, sich nicht teilenden Stäbchenzelle der Retina vor? a) 1 b) 2 c) 23 d) 46 e) 92 f) Kreuzen Sie für jede Aussage an, ob sie wahr oder falsch ist. Aussage wahr falsch Für doppelsträngige DNA gilt: (A+G)/(C+T) = 1 GC-reiche DNA schmilzt bei höherer Temperatur als AT-reiche DNA In eukaryotischen Zellen wird rrna im Cytoplasma synthetisiert Histone enthalten viele basische Aminosäuren Introns findet man in den Protein-kodierenden Regionen von Prokaryoten Die DNA eines eukaryotischen Chromatids ist eine einzige lange Doppelhelix Ein Centromer befindet sich immer in der Mitte eines Chromosoms Ein Telomer befindet sich immer am Ende eines Chromosoms 4

5 12. In einer Zelle wurde das Gen für die DNA-Polymerase durch eine Mutation inaktiviert. Die Zelle versucht nun in Abwesenheit der Polymerase, ihre DNA zu replizieren. Welche Schritte der DNA-Replikation laufen noch ab? Welche Schritte laufen noch ab, wenn statt der DNA-Polymerase die folgenden Gene inaktiviert wurden? 1) DNA-Ligase 2) Gleitring für die DNA-Polymerase 3) Nuklease, die die RNA-Primer entfernt 4) DNA-Helikase 5) Primase 13. Sie führen eine Variante des Meselson-Stahl-Experimentes durch: Sie lassen E. coli Zellen für viele Generationen in Medium mit schwerem Stickstoff ( 15 N) wachsen (Generation 0), danach überführen Sie einen Teil der Zellen in Medium mit leichtem Stickstoff ( 14 N) und lassen sie sich dreimal synchron teilen. Angenommen, in den Zellen befanden sich zum Zeitpunkt der Überführung 4 x 10 9 DNA-Moleküle (Generation 0) - wieviele DNA-Moleküle befinden sich in den Generationen 1, 2 und 3 und welche Dichten finden Sie? 5

6 14. Das folgende DNA-Segment ist Teil eines (natürlich viel längeren) Chromosoms: 5...ATTCGTACGATCGACTGACTGACAGTC TAAGCATGCTAGCTGACTGACTGTCAG...5 Nehmen Sie an, die DNA-Polymerase startet von links mit der Replikation des Segments. a) Welcher Strang ist die Matrize für den Leitstrang? b) Wie sieht das Segment aus, wenn die Polymerase die Mitte erreicht hat? Wo liegen DNA-Polymerase-Moleküle, wo die RNA-Primer? Zeichnen Sie das Segment auf ein Extrablatt und markieren Sie alle 3 und 5 Enden. c) Schreiben Sie die kompletten Tochtermoleküle auf das Blatt und markieren Sie auch hier alle 3 und 5 Enden. 15. Das folgende Diagramm stellt den Ursprung einer bidirektionalen Replikation auf einem DNA-Strang dar. Zeichnen Sie es ab (Tipp: recht groß zeichnen!) und zeichnen Sie ein: die Primer, die Okazaki-Fragmente, die DNA-Polymerase I, die DNA-Polymerase III, die Ligase, die Helikase und die Gyrase. Beschriften Sie die Polaritäten der DNA-Stränge. Unterscheiden Sie klar, wo kontinuierliche und diskontinuierliche Replikation stattfindet. 6

7 16. Alle bekannten DNA-Polymerasen verlängern Polynukleotidketten in Richtung von einem Primer aus. Im Verlauf der Replikation werden diese RNA- Primer später enzymatisch entfernt. In E. coli und in eukaryotischen Genomen werden verschiedene Strategien angewandt, um den Verlust terminaler Sequenzen zu vermeiden. Beschreiben Sie diese kurz! Multiple Choice Fragen Wichtig: Begründen Sie jeweils Ihre Antworten! 17. E. coli Zellen werden für genau eine Generation in Medium wachsen gelassen, das radioaktives Thymidin enthält. Danach werden die Zellen wieder in normales Medium überführt und wieder für genau eine Generation wachsen gelassen. Wie hoch wird nun der Anteil radioaktiv markierter Bakterienzellen sein? a) 1/16 b) 1/8 c) 1/4 d)1/2 e) alle 18. Nehmen Sie an, ein 1000 kb langes DNA-Fragment besitzt 10 gleichmäßig über die DNA verteilte Replikationsursprünge und die Geschwindigkeit der DNA- Polymerase beträgt 1 kb pro Sekunde. Wie lange dauert eine Replikation (also die Produktion von zwei Tochtersträngen)? a) 20 b) 30 c)40 d) 50 e) Warum kann die Generationszeit von E. coli 20 min betragen, obwohl die Duplikation der DNA 40 min dauert? 7