Die Wirkung chemischer Mutagene

Musterlösung zu ‚Die Wirkung chemischer Mutagene’
Übungsaufgaben für das Abitur 4
Der Prüfling
1. ... leitet die Versuchsfrage ab
- Erhöht 5-Bromuracil die Rückmutationsrate von Bakterien?
- Erhöht 5-Bromuracil die Rückmutationsrate von Punktmutationen oder Rastermutationen?
... analysiert und deutet das dargestellt Experiment.
Gegeben sind zwei E. coli-Mutanten-Stämme. Beide Stämme können Lactose nicht als Energiequelle
nutzen. Stamm 1 weist eine Punktmutation, Stamm 2 eine Rastermutation auf.
1ml Bakterien-ÜNK von Stamm 1 und Stamm 2 werden jeweils auf eine Agarplatte mit BU und ohne BU
ausplattiert. Diese Platten enthalten ausschließlich Laktose als Energiequelle. Auf diesen Platten können nur
+
Rückmutanten (lac ) überleben.
Beobachtung nach 24 Stunden Inkubation:
- Auf den Agarplatten mit BU befinden sich 600 Rückmutanten-Kolonien von Stamm 1
(Punktmutation) bzw. 3 Rückmutanten-Kolonien von Stamm 2 (Rastermutation).
- Auf den Agarplatten ohne Zusatz befinden sich 25 Rückmutanten-Kolonien von Stamm 1
(Punktmutation) bzw. 2 von Stamm 2 (Rastermutation).
Analyse und Deutung:
Bakterien mit Punktmutation (Stamm 1) rückmutieren mit BU 200mal so häufig wie Bakterien mit
Rastermutation (Stamm 2).
Bakterien mit Punktmutation (Stamm 1) rückmutieren ohne BU 22mal so häufig wie Bakterien mit
Rastermutation (Stamm 2).
BU verzehnfacht die Rückmutationsrate bei Punktmutationen.
Die Rückmutationsrate bei Rastermutationen bleibt ohne und mit BU gleich, BU hat auf Rastermutationen
keinen Einfluss.
-> BU verursacht Mutationen durch einen Basenaustausch (Punktmutation), verändert jedoch nicht die
Anzahl der Basen (Rastermutation). 5-Bromuracil erhöht die Rückmutationsrate von Bakterien mit
Punktmutationen.
2. ... erläutert die Vorgänge bei der Replikation auf molekularer Ebene unter besonderer
Berücksichtigung der beteiligten Enzyme und ihrer Funktion.
Topoisomerase entwindet die DNA-Doppelhelix, indem sie an einigen Stellen das Zucker-Phosphat
Rückgrat auftrennt.
Helicase trennt den Doppelstrang in zwei Einzelstränge durch Spaltung der Wasserstoffbrücken
Einzelstrang bindende Proteine verhindern die erneute Verbindung der beiden Einzelstränge.
Primase synthetisiert am Leitstrang (3´-5´) RNA-Primer, der als Ansatzstelle für die Polymerase III
dient.
DNA-Polymerase III setzt am Primer des Leitstranges an und verknüpft in 5´-3´ Richtung (nur in
dieser Richtung möglich) die komplementär angelagerten Nucleotide mit dem Leitstrang.
Am Folgestrang (5´-3´) synthetisiert Primase viele Primer in kurzen Abständen, da Polymerase III
nicht in 3´-5´ Richtung arbeiten kann.
Polymerase III setzt an Primer an, verknüpft abschnittweise komplementär angelagerte Nucleotide
mit dem Folgestrang in 5´-3´Richtung (Okazaki- Stücke).
DNA-Polymerase I ersetzt RNA-Nucleotide der Primer durch DNA-Nucleotide.
Ligase verbindet am Folgestrang Okazaki-Fragmente.
... veranschaulicht Vorgänge mit Skizzen.
3. ... erklärt, wie es auf molekularer Ebene zu Punktmutationen durch BU kommt.
Gegeben sind zwei kurze DNA-Doppelstrangfragmente. Gezeigt werden die Folgen des Einbaus des
Basenanalogons 5-Bromuracil über vier Replikationsrunden. 5-Bromuracil kann spontan zwischen den
beiden Zustandsformen Ketoform (BU) und Enolform (BU*) wechseln. Die Ketoform ist ein Basenanalogon
von Thymin und paart mit Adenin. BU* ist ein Basenanalogon von Cytosin und paart mit Guanin.
Fall 1:
-
Bei der 1. Replikation werden an den Einzelstrang GTACAT komplementäre Nucleotide angelagert.
Dabei lagert sich an die 3. Base (Adenin) anstelle von Thymin sein Basenanalogon BU an
(CABGTA).
-
-
Bei der 2. Replikation werden an den Einzelstrang (GTACAT) komplementäre Nucleotide angelagert
(CATGTA). Damit entspricht die Basensequenz des Doppelstrangfragments der der
Originalsequenz. Es hat keine Veränderung stattgefunden. An den 2. Einzelstrang mit BU
(CABGTA) bindet sich Adenin, es entsteht die Basensequenz GTACAT. Damit entspricht die
Basensequenz auch dieses Doppelstrangfragments der der Originalsequenz.
Bei 3. und 4. Replikation lagern sich fehlerfrei komplementäre Basen an die Einzelstränge. Der
Einbau von BU bei der 1.Replikation bleibt folgenlos.
Fall 2 (seltener):
Bei der 1. Replikation werden an den Einzelstrang AGGCTG komplementäre Nucleotide angelagert.
Dabei lagert sich an die 2. Base (Guanin) anstelle von Cytosin sein Basenanalogon BU* an
(TB*CGAC).
Bei der 2. Replikation wechselt BU* spontan von der Enolform in die Ketoform (BU). Aus der
Basensequenz TB*CGAC wird TBCGAC. Während zu BU* Guanin komplementär ist, ist zu BU
Adenin komplementär. Anstelle von Guanin lagert sich Adenin an.
Bei der 3. Replikation bindet dieses Adenin komplementär mit Thymin. Die Basensequenz des
Stranges heißt jetzt AAGCTG statt AGGCTG. Es liegt eine Punktmutation vor, die dauerhaft bei
jeder Replikationsrunde erneut auftreten wird.
4. ... ermittelt die Mutagenität von 5-Bromuracil
Material A und C zeigen, wie 5-Bromuracil spontan von der Keto- in die Enolform und umgekehrt wechseln
kann und auf diese Weise Punktmutationen verursacht. Wie der Versuch aus Material B zeigt, erhöht 5Bromuracil die Mutationsrate drastisch. Ohne Zusatz beträgt die Rückmutationsrate 25 Mutanten pro ml
ÜNK, mit Zusatz von 5-Bromuracil 600 Mutanten pro ml ÜNK. Das entspricht einer Steigerung um das
24fache.
... begründet, warum ...
Mutagenität wird mithilfe von Rückmutationen überprüft, weil die Anzahl der Wildtypbakterien konkrete
Angaben über die Mutationsrate an einem konkreten Genort liefert. Die gleiche Angaben ist bei der
Betrachtung Wildtyp – Mutante nicht möglich, da Mutationen an ganz unterschiedlichen Genoerten auftreten
können, aber nur einer beobachtet wird.
... beurteilt die Bedeutung ...
Derartige Untersuchungen sind wichtig, da mutagene Stoffe häufig krebserregend sind. Sie dürfen aus
gesundheitlichen Gründen nicht in Kontakt kommen mit Menschen und Tieren.
Autor: Ann-Christin Becker, Karolin Bünting, Gk Bio