Musterlösung zu ‚Mutation im Hormonrezeptor

Musterlösung zu ‚Mutation im Hormonrezeptor’
Übungsaufgaben für das Abitur 5
Der Prüfling
1. ... erläutert den Weg vom Gen zum Genprodukt ...
siehe Anlage 1
... und veranschaulicht die Ausführungen mit Skizzen.
siehe Bio-Buch
Beschriftete Skizzen zu den sieben Teilprozessen
Größe: mindestens ½ Seite pro Skizze
2. ...ermittelt die für die Dimerbildung des Rezeptorenpaares wichtigen Aminosäuren ...
Position
7/ 31
46/ 81
DNA-Tripletts
ACA/ ACA
AAA/ CAA
Codons
UGU/ UGU
UUU/ GUU
AS
Cys/ Cys
Phe/ Val
32/ 59
AGT/ GTT
UCA/ CAA
Ser/ Gln
Bindung
Disulfidbrücke
keine Angabe in
Material C
chemische
Bindung
... und erklärt, wie es auf molekularer Ebene zur Dimerbildung kommt.
Auf der Oberflächenmembran der Zielzelle von Hormonen sitzen Rezeptoren, an die die Hormone
nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip binden können. Als Proteine sind die Rezeptoren Genprodukte,
die Information für ihre Bildung ist auf der DNA codiert. In dem gegebenen Beispiel treten die
Rezeptoren paarweise auf. Bindet das Hormon an eines der beiden Rezeptormoleküle, so bildet
dieses mit dem zweiten Rezeptormolekül ein Dimer. Dimerbildung bedeutet, dass sich die 3-DStruktur des Rezeptorenpaares verändert. Diese Struktur-Veränderung ermöglicht dem Hormon, in die
Zielzelle zu gelangen und dort als Transkriptionsfaktor zu wirken.
Die Aufgabe ist zu erklären, wie es zur Dimerbildung zwischen den Rezeptormolekülen kommt.
Dimerbildung setzt eine Reaktion zwischen den Restgruppen von AS voraus. Alle AS bestehen aus
einem zentralen C-Atom, einer Aminogruppe, einer Carboxylgruppe und einer Restgruppe. AS
unterscheiden sich durch die Restgruppen voneinander. Aminogruppe und Carboxylgruppe sind an
den Peptidbindungen zwischen den AS eines Polypeptids beteiligt. Sie sind verantwortlich für die
Primärstruktur eines Polypeptids/ Proteins und stehen für weitere Reaktionen nicht zur Verfügung. Die
räumliche Struktur eines Polypeptides/ Proteins (Tertiärstruktur) wird durch Reaktionen zwischen den
Restgruppen der AS bewirkt. Zwei häufige Reaktionen zwischen den Restgruppen von AS sind in
Material C dargestellt: die Disulfidbrücke zwischen zwei Cysteinmolekülen und die chemische Bindung
wie z. B. zwischen Serin und Glutamin.
Material A zeigt, dass auf den Genen für die beiden benachbarten Rezeptoren jeweils in Position 6 - 8
und 30 – 32 die Tripletts ACA vorliegen. ACA codiert für Cystein. Die beiden Cysteinmoleküle liegen
sich in den beiden Genprodukten = Rezeptoren auf der Membran der Zielzelle gegenüber. Es kommt
zur Bildung einer Disulfidbrücke zwischen den beiden Rezeptoren. Die Bildung der Disulfidbrücke wird
erst durch die Reaktion des Hormons mit einem der beiden Rezeptoren veranlasst.
3. ... erläutert anhand von Material A die Folgen von Mutation 1 für Transkription und Rezeptor
...
Bei Mutation 1 (Untersuchung 1) ist in Position 8 des Gens für Rezeptor 1 Adenin gegen Cytosin
ausgetauscht. Es liegt eine Punktmutation vor. Das mutierte DNA-Triplett ACC wird bei der
Transkription in das Codon UGG übersetzt. Bei der Translation wird dann anstelle von Cystein
Tryptophan in die Primärsequenz des Genprodukts eingebaut. Tryptophan kann keine Disulfidbrücke
mit dem Cysteinmolekül von Rezeptor 2 bilden. Bindet das Hormon an diesen mutierten Rezeptor, so
unterbleibt die Bildung der Disulfidbrücke, d. h. die Dimerbildung. Das Hormon kann nicht in die Zelle
gelangen und dort als Transkriptionsfaktor fungieren.
... erläutert anhand von Material A die Folgen von Mutation 2 für Transkription und Rezeptor.
Bei Mutation 2 (Untersuchung 2) ist in Position 60 des Gens für Rezeptor 2 Thymin gegen Guanin
ausgetauscht. Es liegt eine Punktmutation vor. Das mutierte DNA-Triplett GTG wird bei der
Transkription in das Codon CAC übersetzt. Bei der Translation wird dann anstelle von Glutamin (Gln)
Histidin (His) in die Primärsequenz des Genprodukts eingebaut. Histidin kann keine chemische
Bindung mit dem Serinmolekül von Rezeptor 1 bilden. Bindet das Hormon an diesen mutierten
Rezeptor, so unterbleibt die Bildung der chemischen Bindung, d. h. die Dimerbildung. Das Hormon
kann nicht in die Zelle gelangen und dort als Transkriptionsfaktor fungieren.
4. ... beurteilt, ob die Entdeckung einer Mutation und die Klärung ihrer Auswirkung auf
molekularer Ebene ein Beweis für einen kausalen Zusammenhang zwischen Mutation und
Phänotyp-Änderung ist ...
Mutation
Bei Mutationen muss unterschieden werden zwischen Mutationen mit Wirkung und stummen
Mutationen. Ob eine Mutation stumm ist oder nicht, kann auf mehreren Ebenen untersucht werden:
- auf der Ebene des genetischen Codes
- auf der Ebene der Bildung der Tertiärstruktur eines Polypeptids/ Proteins.
Klärung der Auswirkung von Mutationen auf der Ebene des genetischen Codes
Der genetische Code ist degeneriert. Es ist deshalb von Bedeutung, an welcher Stelle eines DNATripletts die Mutation erfolgt.Beispiel: CG* codiert für Arginin, * steht für beliebige Base.
Austausch der dritten Base → keine Änderung der codierten AS → stumme Mutation
Austausch der zweiten Base z. B. in CU* → Änderung der codierten Base in Leucin → eventuell
Mutation mit Wirkung
Austausch der ersten Base z. B. in GG* → Änderung der codierten Base in Glycin → eventuell
Mutation mit Wirkung
Klärung der Auswirkung von Mutationen auf der Ebene der Bildung der Tertiärstruktur eines
Polypeptids/ Proteins
Nicht jede AS in der Primärstruktur eines Polypeptids/ Proteins ist über die Reaktion ihrer Restgruppe
an der Bildung der Tertiärstruktur beteiligt. Proteine wirken aber i. d. R. über ihre 3-D-Struktur (siehe
Schlüssel-Schloss-Prinzip). Mutationen in Tripletts, die für Cystein codieren, verursachen
überdurchschnittlich häufig Veränderungen in der 3-D-Struktur eines Polypeptids/ Proteins, da Cystein
an der Bildung der Disulfidbrücken beteiligt ist. Mutationen in Tripletts, die für Tryptophan codieren,
verursachen selten Veränderungen in der 3-D-Struktur eines Polypeptids/ Proteins, da die Restgruppe
von Tryptophan kaum mit Restgruppen anderer AS reagiert.
Die Entdeckung einer Mutation und die Klärung ihrer Auswirkung auf molekularer Ebene ist kein
Beweis für einen kausalen Zusammenhang zwischen Mutation und Phänotyp-Änderung.
... gibt an, wie ein Beweis zu führen ist.
Der Beweis kann geführt werden über GVOs. Mithilfe gentechnischer Methoden wird das mutierte
Allel, von dem angenommen wird, dass es ursächlich ist für eine bestimmte Phänotyp-Veränderung, in
das Genom einer Zygote (gegebenenfalls von einem Modellorganismus) überführt. Diese Zygote
muss von Eltern-Individuen gebildet worden sein, die nachgewiesenermaßen nicht Träger des
mutierten Allels sind. Entwickelt sich die Zygote zu einem Individuum mit der Phänotyp-Änderung
kann dieses veränderte Merkmal nicht von seinen Eltern stammen. Ursächlich ist die Mutation auf
dem überführten Allel.
Autorin: Ruby Stoppe LK Bio 13