Biochemie - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Enzyme spielen eine zentrale Rolle in der Biochemie als biologische Katalysatoren, die chemische Reaktionen beschleunigen, indem sie die Aktivierungsenergie senken. Sie bestehen aus verschiedenen strukturellen Ebenen: der Primärstruktur (Aminosäuresequenz), Sekundärstruktur (α-Helices und β-Faltblätter), Tertiärstruktur (dreidimensionale Faltung) und Quartärstruktur (Assemblierung mehrerer Polypeptidketten). Das aktive Zentrum ist die Region, in der die Substratbindung und Katalyse stattfinden, während allosterische Stellen die Enzymaktivität regulieren. Der Mechanismus umfasst die Bindung an das Substrat, die Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes, Konformationsänderungen, den Reaktionsübergang und die Produktfreisetzung. Ein wichtiges Konzept zur Beschreibung der Enzymkinetik ist die Michaelis-Menten-Gleichung.

a)

Die Primärstruktur eines bestimmten Enzyms setzt sich aus einer spezifischen Aminosäuresequenz zusammen. Mit welchem biochemischen Verfahren würdest du diese Sequenz bestimmen und welche Schritte umfasst dieses Verfahren? Beschreibe den Prozess im Detail und erkläre die Bedeutung jeder Stufe.

Lösung:

Um die Primärstruktur eines Enzyms zu bestimmen, wird in der Biochemie häufig die Methode der Proteinsequenzierung angewendet. Ein gängiges Verfahren hierfür ist die Edman-Abbaureaktion. Dieses Verfahren umfasst mehrere Schritte, die ich im Folgenden erläutern werde:

• Probenvorbereitung: Das zu untersuchende Protein wird gereinigt und für die Sequenzierung vorbereitet. Dazu können Techniken wie SDS-PAGE (Sodium Dodecyl Sulfate Polyacrylamide Gel Electrophoresis) verwendet werden, um das Protein aufgrund seiner Größe und Ladung zu trennen und zu isolieren.
• Proteolyse: Das Protein wird durch spezielle Enzyme (Proteasen) in kleinere Peptide gespalten. Häufig verwendete Proteasen sind Trypsin und Chymotrypsin. Dieser Schritt erleichtert die Sequenzierung, da kleinere Peptide einfacher analysiert werden können als große Proteine.
• Trennung der Peptide: Die entstandenen Peptide werden mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) getrennt und isoliert, um sie individuell sequenzieren zu können.
• Edman-Abbau: Jedes Aminosäure-Rest des Peptids wird nacheinander vom Aminoende her chemisch abgebaut. Dabei wird die N-terminale Aminosäure durch Phenylisothiocyanat (PITC) markiert und anschließend in einem Zyklus entfernt und in ein stabileres Derivat überführt, das analysiert werden kann.
• Identifizierung der Aminosäuren: Die abgebauten Aminosäuren-Derivate werden typischerweise durch Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC) identifiziert. Die Reihenfolge der entfernten Aminosäuren gibt die Primärstruktur des Proteins an.

Die Bedeutung jeder Stufe:

• Probenvorbereitung: Sicherstellung der Reinheit und Eignung des Proteins für die Sequenzierung.
• Proteolyse: Erzeugung kleinerer Peptide zur Erleichterung der Sequenzanalyse.
• Trennung der Peptide: Ermöglicht die individuelle Sequenzierung der einzelnen Peptide.
• Edman-Abbau: Schrittweiser Abbau, um die Reihenfolge der Aminosäuren zu bestimmen.
• Identifizierung der Aminosäuren: Direkte Ermittlung der Aminosäurensequenz durch chromatographische Analyse.

b)

Die Enzymkinetik kann durch die Michaelis-Menten-Gleichung beschrieben werden: \(V_0 = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}\).

• Erkläre die Bedeutung der Größen \(V_{max}\), \(K_m\) und \([S]\).
• Leite die Michaelis-Menten-Gleichung her und erläutere die Annahmen, die dabei gemacht werden.
• Ein Enzym hat einen \(K_m\)-Wert von 5 mM und \(V_{max}\) beträgt 100 µmol/min. Berechne die Anfangsgeschwindigkeit \(V_0\), wenn die Substratkonzentration \([S]\) 2 mM beträgt.

Lösung:

Die Michaelis-Menten-Gleichung beschreibt die Anfangsgeschwindigkeit \((V_0)\) einer enzymatischen Reaktion in Abhängigkeit von der Substratkonzentration. Die Gleichung lautet:

\(V_0 = \frac{V_{max}[S]}{K_m + [S]}\)

• \(V_{max}\): Dies ist die maximale Reaktionsgeschwindigkeit, die erreicht wird, wenn das Enzym vollständig mit Substrat gesättigt ist. Bei dieser Geschwindigkeit spielt die Substratkonzentration keine Rolle mehr, weil alle aktiven Zentren des Enzyms besetzt sind.
• \(K_m\): Dies ist die Michaelis-Konstante und gibt die Substratkonzentration an, bei der die Reaktionsgeschwindigkeit die Hälfte von \(V_{max}\) erreicht. Sie ist ein Maß für die Affinität des Enzyms zu seinem Substrat: Ein niedriger \(K_m\)-Wert bedeutet eine hohe Affinität, während ein hoher \(K_m\)-Wert eine niedrige Affinität anzeigt.
• \([S]\): Dies ist die Substratkonzentration, die dem Enzym für die Reaktion zur Verfügung steht.

Herleitung der Michaelis-Menten-Gleichung:

Die Herleitung basiert auf mehreren Annahmen:

• 1. Bildung des Enzym-Substrat-Komplexes (ES): Das Enzym (E) bindet reversibel an das Substrat (S) und bildet den Enzym-Substrat-Komplex (ES). Dies kann als Gleichgewicht beschrieben werden: \[E + S \underset{k_2}{\overset{k_1}{\rightleftharpoons}} ES \overset{k_3}{\rightarrow} E + P \]
• 2. Katalytische Umwandlung: Der Enzym-Substrat-Komplex (ES) wird dann in das Produkt (P) umgewandelt und das Enzym wird wieder freigesetzt: \[ES \overset{k_3}{\rightarrow} E + P\]
• 3. Stationaritätsannahme: Die Konzentration des Enzym-Substrat-Komplexes \([ES]\) ändert sich bei stationären Bedingungen kaum. Das bedeutet, dass die Bildungsrate von ES gleich der Zerfallsrate von ES ist: \[k_1 [E][S] = (k_2 + k_3) [ES]\]
• 4. Annahme der Gesamtenzymkonzentration: Die Gesamtkonzentration des Enzyms \([E_{total}]\) setzt sich aus dem freien Enzym \([E]\) und dem Enzym im Komplex \([ES]\) zusammen: \[E_{total} = [E] + [ES]\]

Die Michaelis-Menten-Gleichung kann daher wie folgt hergeleitet werden:

1. Zuerst die Konzentration des Enzym-Substrat-Komplexes \([ES]\) in Bezug auf die Konzentration des Substrats \([S]\) und des Enzyms \([E]_{total}\): \[ [ES] = \frac{[E_{total}] [S]}{K_m + [S]} \]
2. Die Geschwindigkeit der Reaktion ist direkt proportional zur Konzentration des Enzym-Substrat-Komplexes: \[ V_0 = k_3 [ES] \]
3. Setze die Werte für \([ES]\) ein unter Verwendung der Michaelis-Konstante \(K_m\) und der maximalen Geschwindigkeit \(V_{max}\): \[V_{max} = k_3 [E_{total}] \] \[V_0 = \frac{V_{max} [S]}{K_m + [S]} \]

Berechnung der Anfangsgeschwindigkeit:Ein Enzym hat einen \(K_m\)-Wert von 5 mM und \(V_{max}\) beträgt 100 µmol/min. Berechne die Anfangsgeschwindigkeit \(V_0\), wenn die Substratkonzentration \([S]\) 2 mM beträgt.

Gegeben: \(K_m = 5\) mM, \(V_{max} = 100\) µmol/min, \([S] = 2\) mM.

Setze die Werte in die Michaelis-Menten-Gleichung ein:

\[V_0 = \frac{100 \cdot 2}{5 + 2} = \frac{200}{7} \approx 28.57\ \text{µmol/min}\]

Die Anfangsgeschwindigkeit \(V_0\) beträgt ungefähr 28,57 µmol/min.

Aufgabe 3)

Oxidative Phosphorylierung:Die ATP-Synthese durch Transfer von Elektronen auf Sauerstoff findet in den Mitochondrien statt. Die Elektronentransportkette, die sich in der inneren Mitochondrienmembran befindet, besteht aus vier Hauptkomplexen (Komplex I-IV). Dabei werden Protonen in den Intermembranraum gepumpt, wodurch ein Protonengradient entsteht. Dieser Protonenfluss durch die ATP-Synthase treibt die Produktion von ATP an.

• Ort: Innere Mitochondrienmembran
• Elektronentransportkette: Komplex I-IV
• Protonengradient: Protonen werden in den Intermembranraum gepumpt
• ATP-Synthase: Protonenfluss durch die ATP-Synthase treibt die ATP-Produktion
• Reaktionen: \[NADH + H^+ + 1/2 O_2 \rightarrow NAD^+ + H_2O\] \[ADP + P_i + 4H^+_{intermembran} \rightarrow ATP + H_2O + 4H^+_{matrix}\]

a)

Erkläre den genauen Mechanismus des Protonenflusses durch die innere Mitochondrienmembran und wie dieser Prozess zur ATP-Synthese führt. Gehe auch auf die strukturellen und funktionellen Unterschiede der Komplexe I-IV ein.

Lösung:

Mechanismus des Protonenflusses und ATP-Synthese:Der Mechanismus des Protonenflusses durch die innere Mitochondrienmembran ist ein wesentlicher Prozess, der zur Synthese von ATP führt. Dieser Prozess wird als oxidative Phosphorylierung bezeichnet und umfasst mehrere Schritte:

• Protonenpumpe und Elektronentransport: Die Elektronentransportkette besteht aus vier Hauptkomplexen, die in der inneren Mitochondrienmembran verankert sind. Diese Komplexe sind sequentiell angeordnet und transferieren Elektronen von NADH und FADH2 auf Sauerstoff. Dabei pumpen sie Protonen (H+) aus der mitochondrialen Matrix in den Intermembranraum.
• Protonengradient: Der Transport der Protonen in den Intermembranraum erzeugt einen Protonengradienten (elektrochemisches Membranpotenzial). Dadurch entsteht ein hoher Protonengradient im Intermembranraum und ein niedriger Protonengradient in der Matrix.
• ATP-Synthase: Die Protonen fließen durch die ATP-Synthase von dem Intermembranraum zurück in die Matrix. Dieses Enzym besteht aus zwei Hauptuntereinheiten: F0 (der Protonenkanal) und F1 (die katalytische Domäne). Der Protonenfluss durch die F0-Untereinheit führt zu konformationellen Änderungen in der F1-Untereinheit, die die Energie zur Verknüpfung von ADP und anorganischem Phosphat (Pi) zu ATP bereitstellen.

Strukturelle und funktionelle Unterschiede der Komplexe I-IV:

• Komplex I (NADH:Ubiquinon-Oxidoreduktase): Akzeptiert Elektronen von NADH und überträgt sie auf Ubiquinon (Coenzym Q). Dabei werden Protonen in den Intermembranraum gepumpt.
• Komplex II (Succinatdehydrogenase): Akzeptiert Elektronen von FADH2 während des Citratzyklus und überträgt sie ebenfalls auf Ubiquinon. Komplex II pumpt keine Protonen in den Intermembranraum.
• Komplex III (Cytochrom-bc1-Komplex): Überträgt Elektronen von Ubiquinol (reduzierte Form von Ubiquinon) auf Cytochrom c, ein kleines mobiles Elektronentransportprotein. Dabei werden erneut Protonen in den Intermembranraum gepumpt.
• Komplex IV (Cytochrom-c-Oxidase): Überträgt Elektronen von Cytochrom c auf molekularen Sauerstoff, wodurch Wasser gebildet wird. Komplex IV pumpt ebenfalls Protonen in den Intermembranraum.

Zusammengefasst: Die Elektronentransportkette und die damit verbundene Protonenpumpe schaffen einen Protonengradienten. Der resultierende Protonenfluss durch die ATP-Synthase ermöglicht die Synthese von ATP aus ADP und Pi, was den Hauptproduktionsweg für ATP in aeroben Organismen darstellt.

b)

Berechne die Anzahl der ATP-Moleküle, die aus der vollständigen Oxidation eines Moleküls NADH erzeugt werden. Berücksichtige, dass pro NADH-Molekül circa 10 Protonen in den Intermembranraum gepumpt werden, und dass vier Protonen notwendig sind, um ein Molekül ATP zu synthetisieren.

Lösung:

Anzahl der ATP-Moleküle aus der vollständigen Oxidation eines NADH-Moleküls:Um die Anzahl der ATP-Moleküle zu berechnen, die aus der vollständigen Oxidation eines Moleküls NADH erzeugt werden, folgen wir diesen Schritten:

• Protonenpumpe durch NADH: Pro NADH-Molekül werden etwa 10 Protonen (H⁺) in den Intermembranraum gepumpt.
• Protonenbedarf für ATP-Synthese: Um ein Molekül ATP zu synthetisieren, werden 4 Protonen (H⁺) benötigt. Das beinhaltet den Protonenfluss durch die ATP-Synthase und den Transport von ADP und Pi in die Matrix.
• Berechnung: Die Anzahl der ATP-Moleküle, die aus der Oxidation eines Moleküls NADH erzeugt werden können, berechnet sich wie folgt:

• Formel: \[ \text{Anzahl der ATP} = \frac{\text{Protonen pro NADH}}{\text{Protonenbedarf pro ATP}} \]
• Einsetzen der Werte: \[ \text{Anzahl der ATP} = \frac{10}{4} = 2.5 \]

• Daher werden aus der vollständigen Oxidation eines Moleküls NADH etwa 2,5 ATP-Moleküle erzeugt.

Zusammengefasst: Aus der vollständigen Oxidation eines Moleküls NADH in der Elektronentransportkette werden ungefähr 2,5 ATP-Moleküle synthetisiert.

c)

Diskutiere den Einfluss von Inhibitoren und Entkopplern auf die oxidative Phosphorylierung. Wie würde die Hemmung von Komplex III oder das Einführen eines Entkopplers in die Membran die ATP-Produktion beeinflussen?

Lösung:

Einfluss von Inhibitoren und Entkopplern auf die oxidative Phosphorylierung:

• Inhibitoren der Elektronentransportkette: Inhibitoren sind Substanzen, die spezifische Komplexe der Elektronentransportkette blockieren. Wenn einer der Komplexe I-IV gehemmt wird, wird der Elektronenfluss entlang der Kette gestoppt oder verlangsamt, was die Protonenpumpe und somit die ATP-Produktion beeinträchtigt.

• Hemmung von Komplex III: Wenn Komplex III (Cytochrom-bc1-Komplex) gehemmt wird, kann er keine Elektronen von Ubiquinol auf Cytochrom c übertragen:
• Dies führt zu einem Rückstau von Elektronen in den vorherigen Komplexen (Komplex I und II).
• Die Protonenpumpe in Komplex III wird gestoppt, was zu einem reduzierten Protonengradienten führt.
• Da der Protonengradient die treibende Kraft für die ATP-Synthase ist, wird die ATP-Produktion stark reduziert oder vollständig gestoppt.

• Entkoppler der oxidativen Phosphorylierung: Entkoppler sind Moleküle, die die innere Mitochondrienmembran permeabel für Protonen machen:
• Entkoppler ermöglichen Protonen, die Membran zu passieren, ohne durch die ATP-Synthase zu fließen.
• Dies zerstört den Protonengradienten, der für die ATP-Synthase notwendig ist.
• Obwohl die Elektronentransportkette weiterhin Elektronen überträgt und Protonen pumpt, wird die Energie nicht zur ATP-Produktion genutzt, sondern als Wärme freigesetzt.

• Zusammenfassung:
• Die Hemmung von Komplexen in der Elektronentransportkette, wie z.B. Komplex III, blockiert den Elektronenfluss und verringert den Protonengradienten, was die ATP-Produktion negativ beeinflusst.
• Entkoppler zerstören den Protonengradienten, was ebenfalls dazu führt, dass die ATP-Produktion ineffizient wird, da Protonen die ATP-Synthase umgehen.

d)

Beschreibe die Rolle von Sauerstoff in der Elektronentransportkette. Was würde passieren, wenn kein Sauerstoff verfügbar wäre? Erkläre dies anhand der Gleichungen für die Elektronentransport- und ATP-Synthese-Reaktionen.

Lösung:

Rolle von Sauerstoff in der Elektronentransportkette:Sauerstoff spielt eine entscheidende Rolle in der Elektronentransportkette, insbesondere im finalen Schritt bei Komplex IV (Cytochrom-c-Oxidase). Als letzter Elektronenakzeptor ermöglicht Sauerstoff den reibungslosen Ablauf der Elektronenübertragung durch die Komplexe I-IV und die Bildung eines Protonengradienten. Hier ist eine detaillierte Beschreibung:

• Reduktion von Sauerstoff: In der letzten Stufe der Elektronentransportkette wird Sauerstoff (O₂) zu Wasser (H₂O) reduziert:

\[NADH + H^+ + \frac{1}{2} O_2 \rightarrow NAD^+ + H_2O\]

• Diese Reaktion tritt in Komplex IV auf, wo Elektronen von Cytochrom c auf molekularen Sauerstoff übertragen werden, was zur Bildung von Wasser führt.

• Protonenpumpen: Während die Elektronen die Kette durchlaufen, werden Protonen (H⁺) durch die Komplexe I, III und IV in den Intermembranraum gepumpt, wodurch ein Protonengradient entsteht.

• ATP-Synthase: Der Protonengradient treibt die ATP-Synthase an, die Protonen zurück in die Matrix transportiert und dabei die Synthese von ATP antreibt:

\[ADP + P_i + 4H^+_{intermembran} \rightarrow ATP + H_2O + 4H^+_{matrix}\]

• Was würde passieren, wenn kein Sauerstoff verfügbar wäre?
• Stoppen der Elektronentransportkette: Ohne Sauerstoff als finaler Elektronenakzeptor kann Komplex IV keine Elektronen mehr auf Sauerstoff übertragen. Dies führt zu einem Rückstau von Elektronen und Elektronenakzeptoren in vorhergehenden Komplexen.
• Protonengradient bricht zusammen: Der Rückstau blockiert die Protonenpumpen in den Komplexen I, III und IV. Ohne Protonengradient kann die ATP-Synthase nicht effizient arbeiten. Dies resultiert in einer drastischen Reduktion oder einem kompletten Stopp der ATP-Produktion.
• Gleichungen:
  • Reaktion der Elektronentransportkette:
  \[NADH + H^+ + \frac{1}{2} O_2 \rightarrow NAD^+ + H_2O\] Ohne Sauerstoff findet diese Reaktion nicht statt.
  • ATP-Synthese-Reaktion:
  \[ADP + P_i + 4H^+_{intermembran} \rightarrow ATP + H_2O + 4H^+_{matrix}\] Ohne Protonenfluss durch die ATP-Synthase ist die ATP-Produktion eingeschränkt.
• Zusammengefasst: Fehlt Sauerstoff, kommt die Elektronentransportkette zum Erliegen, Protonen werden nicht mehr gepumpt, und die ATP-Synthese stoppt. Dies führt zu Energiemangel in der Zelle und kann schwere Zellschädigung oder Zelltod zur Folge haben.

Aufgabe 4)

Beschreibe den Prozess der DNA-Replikation. Erläutere die wesentlichen Phasen der Initiation, Elongation und Termination, sowie die Rolle der beteiligten Enzyme und Proteine.

a)

Aufgabe 1: Beschreibe den Initiationsprozess der DNA-Replikation am Origin of Replication im Detail. Welche Enzyme und Proteine sind daran beteiligt und welche Rolle spielen sie? Gehe dabei auch auf die Entwindung der DNA-Doppelhelix und die Bildung der Replikationsgabel ein.

Lösung:

Aufgabe 1: Beschreibe den Initiationsprozess der DNA-Replikation am Origin of Replication im Detail. Welche Enzyme und Proteine sind daran beteiligt und welche Rolle spielen sie? Gehe dabei auch auf die Entwindung der DNA-Doppelhelix und die Bildung der Replikationsgabel ein. Die Initiation der DNA-Replikation ist der erste von mehreren Schritten im Prozess der DNA-Verdopplung. Dieser Prozess beginnt an spezifischen DNA-Sequenzen, die als Origin of Replication (Ori) bekannt sind. Die wesentlichen Schritte und die beteiligten Enzyme und Proteine im Detail:

• Erkennung des Origin of Replication: Der Initiationsprozess beginnt mit der Erkennung des Origin of Replication durch das Protein DNA-A. DNA-A bindet spezifische Sequenzen an der Ori-Stelle, was zu einer lokalen Entwindung der DNA führt.
• Entwindung der DNA-Doppelhelix: Das Enzym Helicase (oft durch das Protein DNA-B rekrutiert) wird an die entwindete Region rekrutiert. Helicase entwindet die DNA-Doppelhelix weiter, indem sie die Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basenpaaren aufbricht. Dies führt zur Bildung von zwei Einzelsträngen.
• Stabilisierung der Einzelstränge: Sobald die DNA-Doppelhelix entwindet wird, binden Single-Strand Binding Proteins (SSBs) an die Einzelstränge, um sie stabil zu halten und ein erneutes Paaren der Stränge zu verhindern.
• Bildung der Replikationsgabel: Während die Helicase die DNA weiter entwindet, bildet sich eine sogenannte Replikationsgabel. Diese ist strukturell durch zwei Einzelstrang-DNA-Regionen (leading und lagging strand) gekennzeichnet, die von DNA-Polymerase-Enzymen verarbeitet werden können.
• Priming: Damit die DNA-Polymerase mit der Synthese neuer DNA-Stränge beginnen kann, wird ein Primer benötigt. Primase synthetisiert kurze RNA-Primer, die als Startpunkt für die DNA-Synthese dienen.
Alle diese Schritte und Proteine spielen eine entscheidende Rolle bei der Initiation der DNA-Replikation. Sie sorgen dafür, dass die DNA richtig entwunden und stabilisiert wird, sodass die DNA-Polymerasen ansetzen und ihre Arbeit beginnen können.

b)

Aufgabe 2: Während der Elongation der DNA-Replikation wird der Neubildungsprozess in 5'→3' Richtung durchgeführt. Erkläre den Unterschied zwischen der Synthese des Leitstrangs und des Folgestrangs. Was sind Okazaki-Fragmente und wie werden sie synthetisiert und verbunden? Welche Enzyme sind in diesem Prozess besonders wichtig?

Lösung:

Aufgabe 2: Während der Elongation der DNA-Replikation wird der Neubildungsprozess in 5'→3' Richtung durchgeführt. Erkläre den Unterschied zwischen der Synthese des Leitstrangs und des Folgestrangs. Was sind Okazaki-Fragmente und wie werden sie synthetisiert und verbunden? Welche Enzyme sind in diesem Prozess besonders wichtig? Während der Elongation der DNA-Replikation erfolgt die Synthese neuer DNA-Stränge durch die DNA-Polymerase. Dies geschieht ausschließlich in 5'→3' Richtung, was zu unterschiedlichen Mechanismen für den Leitstrang und den Folgestrang führt.

• Synthese des Leitstrangs (Leading Strand): Der Leitstrang wird kontinuierlich in 5'→3' Richtung synthetisiert. Da die Replikationsgabel sich ebenfalls in 5'→3' Richtung bewegt, kann die DNA-Polymerase ununterbrochen Nukleotide hinzufügen, während der Strang entwunden wird. Diese kontinuierliche Synthese ist relativ einfach und erfolgt in einer gleichmäßigen, linearen Weise.
• Synthese des Folgestrangs (Lagging Strand): Im Gegensatz zum Leitstrang muss der Folgestrang diskontinuierlich synthetisiert werden. Da die Polymerase nur in 5'→3' Richtung ablaufen kann, aber die Replikationsgabel sich in die entgegengesetzte Richtung bewegt (3'→5' Richtung des Folgestrangs), wird die Synthese in kurzen Abschnitten durchgeführt. Diese kurzen Abschnitte werden Okazaki-Fragmente genannt.
• Okazaki-Fragmente: Diese Fragmente sind kurze DNA-Stücke, die während der Synthese des Folgestrangs entstehen. Ein Primase-Enzym synthetisiert kurze RNA-Primer, an denen die DNA-Polymerase III dann in 5'→3' Richtung neue DNA-Abschnitte synthetisiert. Jeder Abschnitt endet, wenn die Polymerase auf den vorherigen Primer trifft und aufhören muss.
• Verbindung der Okazaki-Fragmente: Nachdem die Okazaki-Fragmente synthetisiert wurden, muss die RNA aus den Primern entfernt und die Lücken zwischen den Fragmenten geschlossen werden. Dies wird durch mehrere Enzyme vermittelt:
  • RNase H: Entfernt die RNA-Primer, die die Starts der Okazaki-Fragmente markieren.
  • DNA-Polymerase I: Füllt die entstandenen Lücken durch das Hinzufügen von DNA-Nukleotiden an die 3'-Enden der vorherigen Okazaki-Fragmente.
  • DNA-Ligase: Verbindet die einzelnen DNA-Fragmente, indem sie eine Phosphodiesterbindung zwischen den Nukleotiden schafft, sodass ein kontinuierlicher DNA-Strang entsteht.
• Besonders wichtige Enzyme in diesem Prozess:
  • DNA-Polymerase III: Hauptenzym für die DNA-Synthese.
  • Primase: Synthetisiert RNA-Primer für die Initiation der Okazaki-Fragmente.
  • Helicase: Entwindet die DNA-Doppelhelix.
  • DNA-Polymerase I: Entfernt RNA-Primer und füllt Lücken mit DNA.
  • DNA-Ligase: Verbindet Okazaki-Fragmente zu einem kontinuierlichen Strang.
Auf diese Weise werden sowohl der Leitstrang als auch der Folgestrang effizient und präzise repliziert, um eine vollständige Kopie des DNA-Moleküls zu erzeugen.

c)

Aufgabe 3: Die DNA-Polymerase hat eine Proofreading-Funktion. Erläutere, wie der Proofreading-Mechanismus funktioniert und warum er für die Genauigkeit der DNA-Replikation unerlässlich ist. Berechne die Fehlerquote, wenn keine Proofreading-Funktion vorhanden wäre und vergleiche sie mit der tatsächlichen Fehlerquote mit Proofreading. Gehe davon aus, dass die DNA-Polymerase ohne Proofreading eine Fehlerrate von 1 Fehler pro 10.000 Nukleotide und mit Proofreading eine Fehlerrate von 1 Fehler pro 1.000.000 Nukleotide hat. Wie viele Fehler würde eine Polymerase ohne Proofreading für ein Genom mit 3 Milliarden Basenpaaren machen und wie viele mit Proofreading?

Lösung:

Aufgabe 3: Die DNA-Polymerase hat eine Proofreading-Funktion. Erläutere, wie der Proofreading-Mechanismus funktioniert und warum er für die Genauigkeit der DNA-Replikation unerlässlich ist. Berechne die Fehlerquote, wenn keine Proofreading-Funktion vorhanden wäre und vergleiche sie mit der tatsächlichen Fehlerquote mit Proofreading. Gehe davon aus, dass die DNA-Polymerase ohne Proofreading eine Fehlerrate von 1 Fehler pro 10.000 Nukleotide und mit Proofreading eine Fehlerrate von 1 Fehler pro 1.000.000 Nukleotide hat. Wie viele Fehler würde eine Polymerase ohne Proofreading für ein Genom mit 3 Milliarden Basenpaaren machen und wie viele mit Proofreading?

• Proofreading-Mechanismus: Der Proofreading-Mechanismus der DNA-Polymerase kann als Korrekturfunktion beschrieben werden, die Fehler bei der DNA-Synthese minimiert. Während der DNA-Replikation fügt die DNA-Polymerase neue Nukleotide zum wachsenden DNA-Strang hinzu. Manchmal kann sie jedoch fälschlicherweise ein falsches Nukleotid einbauen. Die Proofreading-Funktion erkennt diese Fehler und korrigiert sie sofort. Der Mechanismus funktioniert folgendermaßen:
  • Die DNA-Polymerase überprüft jedes neu hinzugefügte Nukleotid unmittelbar nach der Insertion.
  • Wenn ein falsches Nukleotid erkannt wird, wird die Synthese gestoppt, und die Polymerase nutzt ihre 3'→5' Exonuklease-Aktivität, um das falsche Nukleotid zu entfernen.
  • Nach der Entfernung des falschen Nukleotids setzt die Synthese des neuen DNA-Strangs normal fort.
• Bedeutung der Proofreading-Funktion: Der Proofreading-Mechanismus ist unerlässlich für die hohe Genauigkeit der DNA-Replikation. Er hilft, Mutationen und genetische Fehler zu verhindern, die zu Krankheiten oder Fehlfunktionen führen könnten. Ohne diesen Mechanismus wären die Fehlerquoten erheblich höher, was möglicherweise schwerwiegende Folgen für die Zelle und den Organismus hätte.
• Fehlerquote ohne und mit Proofreading:
  • Ohne Proofreading: Gehen wir von einer Fehlerrate von 1 Fehler pro 10.000 Nukleotide aus, und nehmen wir an, das menschliche Genom hat etwa 3 Milliarden Basenpaare. Die Anzahl der Fehler ohne Proofreading kann wie folgt berechnet werden: \[ \text{Fehler ohne Proofreading} = \frac{3.000.000.000}{10.000} = 300.000 \]] Das bedeutet, dass ohne Proofreading etwa 300.000 Fehler im gesamten menschlichen Genom entstehen würden.
  • Mit Proofreading: Mit einer Fehlerrate von 1 Fehler pro 1.000.000 Nukleotide ist die Anzahl der Fehler mit Proofreading erheblich geringer. Dies lässt sich wie folgt berechnen: \[ \text{Fehler mit Proofreading} = \frac{3.000.000.000}{1.000.000} = 3.000 \]] Das bedeutet, dass mit Proofreading nur etwa 3.000 Fehler im gesamten menschlichen Genom entstehen würden.
  • Vergleich: Die Anwesenheit der Proofreading-Funktion reduziert die Anzahl der Fehler von 300.000 auf 3.000. Dieser Mechanismus ist daher entscheidend, um die Integrität und Stabilität des genetischen Materials zu gewährleisten und schwerwiegende Mutationen zu verhindern.