Biologieolympiade

Biologieolympiade
Aufgabe 1 Licht und Schatten
a)
Da während der Photosynthese Stärke gebildet wird, kann man mit einem IIK-Nachweiß die
abgedunkelten Stellen bestimmen.
Da die Photosynthese nämlich nur unter Lichteinfluss stattfinden kann, kann an den
abgedunkelten Stellen der Stärkenachweiß mit einer IIK-Lösung nur negativ ausfallen.
Der dafür durchzuführende Versuch sollte folgendermaßen aufgebaut sein:
Materialien: Pflanzenblatt, Aluminiumfolie, großer Glasbehälter, Becherglas, Ethanol,
Heizplatte, IIK-Lösung, Schale, Wasser, Lampe
Durchführung:
Das Pflanzenblatt wird an bestimmten Stellen mit einer Aluminiumfolie so abgedeckt, dass
diese nicht mehr durch das Licht der Lampe bestrahlt werden können.
Das Blatt wird nun für 3 Tage belichtet.
Nach den 3 Tagen wird die Aluminiumfolie vom Blatt enternt und das Blatt wird in ein
Becherglas mit Ethanol gelegt.
Nun stellt man das Becherglas in einer Wasserbad, erhitzt dieses, so dass das Blatt im
siedenden Ethanol farblos wird.
Das Blatt wird aus dem Wasserbad genommen und getrocknet und schließlich in eine Schale
gelegt und mit einer IIK-Lösung übergossen.
Beobachtung:
An den zuvor abgedunkelten Stellen ist keine Färbung vorhanden.
Die zuvor nicht abgedunkelten Stellen weisen eine schwarzblaue Färbung auf.
Auswertung:
Die schwarzblaue Färbung des Blattes ist ein Nachweis für die während der Photosynthese
entstandene Stärke.
Die abgedeckten Stellen des Blattes enthalten keine Stärke, da ohne Licht keine
Photosynthese stattfinden konnte/kann.
b)
Diagramm 1: Zusammenhang zwischen Temperatur und Anzahl der CO2 Moleküle
Diagramm 2 : Anzahl der in den Calvineyklus eingeschleusten CO2 Moleküle
Begründung:
Die Kurven sind deswegen nicht identisch, da nicht alle von der Pflanze aufgenommenen CO2
Moleküle direkt in den Calvin-Zyklus gelangen, sondern beispielsweise in den Interzellularen
der Zelle gespeichert werden.
Zunächst einmal steigt die Kurve der aufgenommenen CO2 Moleküle, da die Photosynthese
gemäß den Gesetzen der RGT-Regel, schneller ablaufen kann. ( Die RGT-Regel besagt, dass
wenn die Temperatur um 10 °C erhöht wird, sich die Reaktionsgeschwindigkeit verdoppelt.)
Jedoch denaturieren die Enzyme bei zu hohen Temperaturen, so dass ab einer zu hohen
Temperatur die Reaktion langsamer bzw. nicht mehr ablaufen kann.
Die Spaltöffnungen schließen sich bei zu hohen Temperaturen, so dass weniger bzw. kein
CO2 mehr in das Blatt gelangen kann.
Deswegen nimmt die CO2-Aufnahme ab einer bestimmten Temperatur schnell ab, während
die Anzahl der in den Calvin-Zyklus eingeschleusten Moleküle vergleichsweise langsamer
sinkt, da noch die Restmengen des gespeicherten CO2 verwertet werden können.
c) Der Farbumschlag der Salzlösung steht in unmittelbaren Zusammenhang, mit der
Freisetzung von Sauerstoff, welcher von den Chloroplasten in folge der Photosynthese
produziert wurde (Versuch unter Lichteinwirkung!).
Die Chloroplasten benötigen dazu einen künstlichen sog. Elektronenakzeptor, um das Wasser
im Wasserstoff und Sauerstoff spalten zu können.
Diese Elektronenakzeptoren werden als Hill-Reagenzien bezeichnet, benannt nach dem
Entdecker Robert Hill.
Dazu dient das im Versuch verwendete DCPIP, (Dichlorphenolindophenol) welches
in seiner oxidierten Form blau und in der reduzierten Form farblos ist. Während der Reaktion
entfärbt es sich durch die Arbeit der Chloroplasten.
Aufgabe 2: Gute Nachbarn?
a)
Eine Dimerisierung kann nur zwischen zwei gleichen Aminosäuren stattfinden. Daher
kommen nur die benachbarten AS Leu-Leu oder Phe-Phe dafür in Frage. Phenylalanin besitzt
im Gegensatz zu Leucin keine partitiellen Ladungen, daher können auch keine
Wasserstoffbrücken ausgebildet werden, und somit findet auch keine Dimerisierung statt.
b)
(1) Der Autausch der Aminosäure Asp21 mit Arg hat keinen Einfluss auf die
Dimerisierung, da keine Wasserstoffbrückenbildungen ausgebildet werden können.
Dies ist darauf zurückzuführen, dass der NH3+ - Rest des Lys20 keinen
komplementären COO‫ ־‬- Rest bei der Aminosäure Arg vorfindet.
(2) Der Austausch der Aminosäure Ser32 mit Thr führt zur Dimerisierung zwischen Thr
und Gln59.
(3) Der Autausch der Aminosäure Phe46 mit Asn hat keinen Einfluss auf die
Dimerisierung, da die gegenüberliegende Aminosäure Val81 keine komplentäre NH3
bzw COO Gruppe hat, die zur Ausbildung einer Wasserstoffbrückenbildung gebraucht
würde.
(4) Der Autausch der Aminosäure Val81 mit Ile hat keine Einfluss auf die Dimerisierung,
da der Rest der Amonisäure Ile nicht an den Rest der Aminosäure Phe binden kann, da
dieser aus einem geschlossenen Benzolring besteht und daher keine
Wasserstoffbrückenbildung ausbilden kann.
c)
Eine permanente Dimerisierung hat eine Konformationsänderung zur Folge. Diese
Konformationsänderung bewirkt nun, dass der mit dem Rezeptor verbundene Proteinkanal
permanent aktiviert bzw. geöffnet ist. Dieser Effekt ist vergleichbar mit einer ständigen
Anwesenheit des Hormons am Rezeptor.
Aufgabe 3: Auf den Punkt gebracht
a)
Da Petrischale 3 außer dem Medium Lactose keine weiteren Chemikalien enthält, können die
mutierten E.coli Stämme – sie sind durch Mutationen nicht mehr in der Lage, Lactose zu
verwerten – nicht bzw. nur einzeln auf diesem Medium überleben.
Dabei ist zu beachten, das bei Stamm 1, bei dem eine sog. Punktmutation vorhanden ist
immerhin 25 Bakterienkolonien auftreten, bei Stamm 2, welcher durch
Rasterverschiebungsmutationen verändert ist, jedoch nur 2 Kolonien vorhanden sind.
Da jedoch beide Bakterienstämme eigentlich nicht mehr in der Lage sein sollten, Lactose zu
verwerten, ist jedoch auch schon diese geringe Anzahl von Bakterienkolonien auf den ersten
Blick irritierend.
Erklären lässt sich dieses jedoch durch Spontanmutationen, also Mutationen, die es den
Bakterien wieder ermöglichen, Lactose zu verwerten.
b)
Zunächst einmal ist zu sagen, dass sowohl Bromuracil, als auch Ethidiumbromid Mutagene
sind.
Bromuracil gehört zu den so genannten Basenanaloga, d. h. sie können anstelle der normalen
Basen in die DNA eingebaut werden. Bromuracil z. B. stimmt in seiner Ketoform bis auf den
Bromrest anstelle der
-Gruppe mit Thymin überein, kann also anstelle von diesem
eingebaut werden und paart dann entsprechend mit Adenin.
Allerdings kann Bromuracil von seiner Ketoform (beide O-Atome doppelt am Ring
gebunden) in seine Enolform (Doppelbindung eines O-Atoms "klappt" in den Ring, es
entsteht eine OH-Gruppe) wechseln, die dann drei Wasserstoffbrücken ausbilden kann und
somit nicht mehr mit Adenin, sondern mit Guanin paart.
Ethidiumbromid dagegen ist eine intalierende Substanz, d. h. sie schiebt sich zwischen die
Basenpaare. Bleibt es dort auch während der Replikation oder Transkription erhalten, kann es
zu einer Veränderungen des Leserasters führen.
Dadurch werden dann Rasterverschiebungen verursacht.
Die Wirkungsweise in dem vorgegebenen Experiment ist nun die, dass Bromuracil in der
Petrischale 1 die Mutation bei 597 E.coli Bakterien sozusagen rückgängig machen kann, so
dass sie wieder Lactose verwerten können.
Jedoch ist Bromuracil nur bei 3 Rasterverschiebungsmutanten in der Lage, dasselbe Ergebnis
herbeizuführen, wobei es im Vergleich mit der Kontrollschale nicht offensichtlich wird, ob
diese 3 „Rückmutationen“ wirklich durch das Bromuracil verursacht worden sind.
Die Wirkungsweise des Ethidiumbromids auf Rasterverschiebungsmutanten ist ähnlich
wenngleich viel geringer als die des Bromuracils bei Punktmutationen.
Immerhin sind jedoch 48 Kolonien durch Zugabe von Ethidiumbromid in der Lage, Lactose
zu verwerten.
Parallel zu der Wirkung von Bromuracil auf Rasterverschiebungsmutationen ist die
Wirkungsweise von Ethidiumbromid auf Punktmutationen gleich 0.
c)
Die Zahlenverhältnisse von 25 Bakterienkolonien bei Punktmutationen zu 2 Kolonien bei
Rasterverschiebungsmutationen in Petrischale 3 zeigt deutlich an, dass es wahrscheinlicher
ist, dass Punktmutationen (hier: AGG  ACG) behoben werden können, als
Rasterverschiebungsmutationen, bei denen immerhin z.B. eine ganze Base im Strang der
DNA wegfällt bzw. dazu kommen kann.
Es kommt folglich öfters zu spontanen Punktmutationen als zu
Rasterverschiebungsmutationen.
d)
Die natürliche Punktmutationsrate beträgt 25/109  0.0000025%