ARBEITSBLATT 1 Transkription

ARBEITSBLATT 1
Lösungen
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
PromotorSequenz
codogener Strang
TerminatorSequenz
Zu transkribierender Bereich
Proteinbiosynthese
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
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Bereich ist die in mRNA umzuschreibende Information beispielsweise für ein Protein.
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ARBEITSBLATT 1
Transkription
Lösungen
2. Gliedern Sie die Transkription in sinnvolle Phasen und benennen Sie diese! Beschreiben Sie die
wichtigsten Vorgänge, die während dieser Phasen ablaufen!
Phasen
Vorgänge
Initiation
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
codogenen Stranges an.
Elongation
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 RNAPolymerase, 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 RNAProteinbiosynthese
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.
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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.
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ARBEITSBLATT 2
Lösungen
Translation
1. Beschriften Sie in der Abbildung die verschiedenen Bestandteile!
Start-tRNA
größere Untereinheit
des Ribosoms
Freisetzungsfaktor
mRNA
Startcodon
Stoppcodon
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Proteinbiosynthese
kleinere Untereinheit des
Ribosoms mit Peptidyl- und
Aminoacyl-Bindungsstelle
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ARBEITSBLATT 2
Lösungen
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
Phase: 5
Vorgänge:
von der letzten tRNA abgespalten. Das
Eingangsbereich A ein Stoppcodon liegt. Der
Ribosom löst sich von der mRNA und zer-
Freisetzungsfaktor besetzt diesen Bereich.
Das Ribosom ist so weit gewandert, dass im
fällt in seine beiden Untereinheiten.
Phase: 3
Vorgänge:
Phase: 2
Vorgänge:
Eine tRNA hat sich an das zweite Codon
Die Start-tRNA und die größere Untereinheit
der mRNA angelagert. Die beiden Ami-
des Ribosoms sind hinzugekommen.
Proteinbiosynthese
nosäuren sind durch eine Peptidbindung
Phase: 1
Vorgänge:
Die kleinere Untereinheit des Ribosoms
Phase: 4
Vorgänge:
Das Ribosom ist ein Triplett weitergerückt. Die
hat sich an das Startcodon angelagert.
Start-tRNA hat sich vom Methionin und vom Ri-
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verknüpft.
bosom gelöst. Die zweite tRNA liegt nun im Ausgang P, sodass eine passende tRNA im Eingang
A binden kann.
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ARBEITSBLATT 3
Lösungen
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!
RNA-Polymerase
Transkription
Exon
5’
Intron
Exon
Intron
Exon
Intron
3’
DNA
3’
5’
Introns
5’
3’
prä-mRNA
Spleißen
5’
3’
Spleißosomen
Poly(A)
cap
5’
3’
reife mRNA
Proteinbiosynthese
Kernhülle
Translation
3’
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5’
fertiges Polypeptid
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ARBEITSBLATT 3
Proteinbiosynthese bei Eukaryoten
Lösungen
2. Vergleichen Sie die Proteinbiosynthese bei Pro- und Eukaryoten miteinander, indem Sie die
wesentlichen Schritte beschreiben!
Prokaryoten
Eukaryoten
Die RNA-Polymerase bindet an den Promotor.
Wie bei Prokaryoten bindet die RNAPolymerase an den Promotor.
Die RNA-Polymerase transkribiert die DNASequenz 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.
An den Ribosomen im Cytoplasma wird die
reife mRNA zum Polypeptid translatiert. Oft
werden die Polypeptide noch
nachbearbeitet.
Proteinbiosynthese
Ribosomen binden an die mRNA. Mithilfe von
tRNAs wird die mRNA zum Polypeptid translatiert.
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
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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.
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ARBEITSBLATT 4
Lösungen
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-CDas 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:
Hämoglobinabschnitt:
A-U-G - G-U-A - C-A-U - C-U-U - A-C-A - C-C-A - G-A-G - G-A-G
Val –
His – Leu –
Thr – Pro – Glu –
Glu –
Hämoglobin S
m-RNA:
Hämoglobinabschnitt:
A-U-G- G-U-A - C-A-U - C-U-U - A-C-A - C-C-A - G-U-G - G-A-G
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
Proteinbiosynthese
einer unpolaren Seitenkette (Val). Dies kann ausreichen, die Raumform des Proteins so zu verändern, dass eine erhebliche Störung der Funktion die Folge ist.
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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 abgelesen 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.
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ARBEITSBLATT 4
Der genetische Code
Lösungen
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 Polypeptidkette 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
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Proteinbiosynthese
Polypeptid und somit häufig zu einem Protein mit geringerer oder fehlender Funktionalität.
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ARBEITSBLATT 5
Proteinbiosynthese – Überblick und Bedeutung
Lösungen
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 Æ Transkription: mRNA Æ Translation: Polypeptid Æ Faltung: Protein
Eukaryoten: DNA Æ Transkription: prä-mRNA Æ Spleißen: reife mRNA Æ Translation: Polypeptid
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Proteinbiosynthese
Æ Faltung, Nachbearbeitung: Protein
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ARBEITSBLATT 5
Proteinbiosynthese – Überblick und Bedeutung
Lösungen
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
mRNA
TerminatorSequenz
Proteinbiosynthese
PromotorSequenz
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
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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 TerminatorSequenz ist der zu transkribierende Bereich.
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ARBEITSBLATT 6
Molekulare Grundlagen der Proteinbiosynthese
Lösungen
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
Proteinbiosynthese
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
2. Bei der Transkription erfolgt die Verlängerung der mRNA durch die RNA-Polymerase in 5'Æ 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.
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auch durch Ionen- beziehungsweise Elektronenpaarbindungen zwischen den Seitenketten.
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ARBEITSBLATT 6
Molekulare Grundlagen der Proteinbiosynthese
Lösungen
Die Primärstruktur des Proteins ist eine Sequenz von Aminosäuren, die durch Peptidbindungen ver-
Proteinbiosynthese
3. Erläutern Sie anhand der Abbildung die Entstehung der Raumstruktur der Proteine!
knüpft sind (Abbildung A). Durch Wasserstoffbrücken zwischen den polaren Gruppen der Aminosäurereste können Sekundärstrukturen gebildet werden. Besonders häufig sind dies die α-Helix- und
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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 FaltblattBereiche durch weniger strukturierte Abschnitte verbunden sind.
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