Grundlagen Biologie der Organismen - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Zellstruktur: Aufbau und Funktion der ZellorganellenDie Zellstruktur umfasst die Organisation und Funktion der verschiedenen Zellorganellen, die in einer Zelle vorhanden sind.

• Zellmembran: selektive Barriere, reguliert den Stoffaustausch
• Zellkern: enthält DNA, steuert Zellaktivitäten
• Ribosomen: Proteinbiosynthese
• Endoplasmatisches Retikulum (ER): Synthese und Transport von Proteinen und Lipiden
• Golgi-Apparat: Modifikation, Sortierung und Verpackung von Proteinen
• Mitochondrien: Energieproduktion (ATP)
• Lysosomen: Abbau von Zellabfall
• Chloroplasten (nur in Pflanzenzellen): Photosynthese
• Vakuolen: Speicherung von Stoffen und Abfallprodukten
• Zytoskelett: Struktur und Transport innerhalb der Zelle

a)

Beschreibe detailliert den Prozess der Proteinbiosynthese in einer eukaryotischen Zelle und erläutere die Rolle jeder beteiligten Zellorganelle.

Stell Dir vor, ein Protein wird nach seiner Synthese für den Transport zur Zellmembran vorbereitet. Nenne und erkläre die Funktionen der Zellorganellen, die an diesem Prozess beteiligt sind.

Lösung:

Der Prozess der Proteinbiosynthese in einer eukaryotischen Zelle:

Die Proteinbiosynthese, auch als Genexpression bekannt, ist der Prozess, bei dem Zellen Proteine herstellen. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte und beinhaltet verschiedene Zellorganellen:

• Zellkern: Der Prozess beginnt im Zellkern, wo sich die DNA befindet. Die DNA-Sequenz des entsprechenden Gens wird in mRNA (Messenger-RNA) transkribiert. Dieser Vorgang wird als Transkription bezeichnet.
• Ribosomen: Die mRNA verlässt den Zellkern durch die Kernporen und gelangt zu den Ribosomen, die entweder frei im Zytoplasma oder am rauen Endoplasmatischen Retikulum (ER) gebunden sind. Hier findet die Translation statt, bei der die mRNA-Sequenz in eine Aminosäuresequenz (Protein) übersetzt wird.
• Endoplasmatisches Retikulum (ER): Wenn das Protein von Ribosomen am rauen ER synthetisiert wird, wird es in den Lumen des ER transportiert, wo es gefaltet und gegebenenfalls modifiziert wird (z.B. durch Anhängen von Zuckerketten).
• Golgi-Apparat: Das gefaltete und modifizierte Protein wird dann in Vesikeln zum Golgi-Apparat transportiert. Im Golgi-Apparat werden die Proteine weiter modifiziert, sortiert und verpackt, um zu ihrem Bestimmungsort transportiert zu werden.
• Transportvesikel: Vom Golgi-Apparat aus werden die Proteine in Transportvesikeln verpackt, die dann durch das Zytoskelett zur Zellmembran transportiert werden.
• Zytoskelett: Das Zytoskelett erleichtert den Transport der Vesikel innerhalb der Zelle und ermöglicht deren Bewegung zur Zellmembran.
• Zellmembran: Schließlich verschmelzen die Transportvesikel mit der Zellmembran und entlassen das Protein (via Exozytose) entweder in den extrazellulären Raum oder integrieren es direkt in die Zellmembran.

Zusammengefasst:Der Prozess der Proteinbiosynthese in einer eukaryotischen Zelle umfasst mehrere Schritte und Zellorganellen:

• Im Zellkern wird die DNA in mRNA transkribiert.
• Die mRNA wird zu Ribosomen transportiert und in ein Protein translatiert.
• Das Protein wird im Endoplasmatischen Retikulum gefaltet und modifiziert.
• Im Golgi-Apparat wird das Protein weiter modifiziert, sortiert und verpackt.
• Transportvesikel transportieren das Protein zur Zellmembran.
• Das Zytoskelett erleichtert den Transport der Vesikel.
• Schließlich wird das Protein in der Zellmembran freigesetzt oder integriert.

b)

Erläutere die Funktion der Mitochondrien in der Energieproduktion einer Zelle. Berechne den theoretischen ATP-Gewinn aus der vollständigen Oxidation eines Glucosemoleküls.

Nutze die folgenden Informationen:

• Glykolyse: 2 ATP und 2 NADH (je 1 NADH = 2,5 ATP)
• Citratzyklus: 2 ATP, 6 NADH und 2 FADH2 (je 1 FADH2 = 1,5 ATP)
• Oxidative Phosphorylierung: 28 ATP

Lösung:

Funktion der Mitochondrien in der Energieproduktion:

Mitochondrien, auch als „Kraftwerke der Zelle“ bekannt, spielen eine zentrale Rolle in der Energieproduktion. Sie sind die Hauptorte der Zellatmung, bei der energiereiche Moleküle wie Glucose oxidiert und Adenosintriphosphat (ATP), die Hauptenergiespeicherform der Zelle, produziert wird. Der Prozess der Energieproduktion in den Mitochondrien umfasst drei Hauptschritte: Glykolyse, Citratzyklus und oxidative Phosphorylierung.

• Glykolyse: Diese erfolgt im Zytoplasma und führt zur Bildung von 2 ATP und 2 NADH pro Glucosemolekül. Die NADH-Moleküle werden später in den Mitochondrien weiterverarbeitet.
• Citratzyklus (Krebs-Zyklus): Dieser Zyklus findet in der Mitochondrienmatrix statt und produziert 2 ATP, 6 NADH und 2 FADH2 pro Glucosemolekül.
• Oxidative Phosphorylierung: Diese erfolgt an der inneren Mitochondrienmembran und nutzt die Elektronen des NADH und FADH2 zur Erzeugung eines Protonengradienten. Dies führt zur Synthese von etwa 28 ATP pro Glucosemolekül.

Theoretischer ATP-Gewinn aus der vollständigen Oxidation eines Glucosemoleküls:

• Glykolyse:
• 2 ATP direkt
• 2 NADH, die in der oxidativen Phosphorylierung 2 x 2,5 ATP = 5 ATP liefern
• Citratzyklus:
• 2 ATP direkt
• 6 NADH, die in der oxidativen Phosphorylierung 6 x 2,5 ATP = 15 ATP liefern
• 2 FADH2, die in der oxidativen Phosphorylierung 2 x 1,5 ATP = 3 ATP liefern
• Oxidative Phosphorylierung:
• 28 ATP

Die Summe der ATP-Moleküle aus allen Schritten ergibt den theoretischen ATP-Gewinn:

• Glykolyse: 2 ATP + 5 ATP = 7 ATP
• Citratzyklus: 2 ATP + 15 ATP + 3 ATP = 20 ATP
• Oxidative Phosphorylierung: 28 ATP

Gesamt: 7 ATP + 20 ATP + 28 ATP = 55 ATP

Daher beträgt der theoretische ATP-Gewinn aus der vollständigen Oxidation eines Glucosemoleküls 55 ATP.

c)

Erkläre den Prozess und die Bedeutung der Photosynthese in den Chloroplasten von Pflanzenzellen.

Die Photosynthese kann durch die folgende chemische Gleichung beschrieben werden: \texplain\texplain

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Berechne die Anzahl der Glukosemoleküle, die produziert werden, wenn eine Pflanze 360 Moleküle Kohlendioxid verbraucht.

Lösung:

Der Prozess und die Bedeutung der Photosynthese in Chloroplasten:

Photosynthese ist der Prozess, durch den grüne Pflanzen, Algen und bestimmte Bakterien Lichtenergie in chemische Energie umwandeln, die in Form von Glukose gespeichert wird. Dieser Prozess findet in den Chloroplasten der Pflanzenzellen statt und ist für die Erzeugung des wichtigsten Energiequellenmoleküls (Glukose) auf der Erde sowie für die Produktion von Sauerstoff, der für die Atmung der meisten Lebewesen erforderlich ist, essentiell.

Photosynthese kann in zwei Hauptphasen unterteilt werden:

• Lichtabhängige Reaktionen: Diese finden in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten statt, wo Sonnenlicht genutzt wird, um Wasser in Sauerstoff, Protonen und Elektronen zu spalten. Die Lichtenergie wird auch verwendet, um ATP und NADPH zu produzieren, die dann in der nächsten Phase verwendet werden.
• Lichtunabhängige Reaktionen (Calvin-Zyklus): Diese finden im Stroma der Chloroplasten statt und nutzen die Energie von ATP und NADPH, um Kohlendioxid (CO₂) in Glukose umzuwandeln. Der Calvin-Zyklus umfasst mehrere Schritte, darunter die Fixierung von CO₂, die Reduktion von 3-Phosphoglycerinsäure und die Regeneration von Ribulose-1,5-Bisphosphat.

Die chemische Gleichung der Photosynthese lautet:

6 CO₂ + 6 H₂O + Lichtenergie → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Berechnung der Anzahl der produzierten Glukosemoleküle:

Nach der Photosynthesegleichung erzeugen 6 Moleküle Kohlendioxid (CO₂) ein Molekül Glukose (C₆H₁₂O₆). Um die Anzahl der Glukosemoleküle zu bestimmen, die produziert werden, wenn eine Pflanze 360 Moleküle Kohlendioxid verbraucht, verwenden wir die folgende Proportionalregel:

• Ein Molekül Glukose benötigt 6 Moleküle CO₂.

Formel:

• Anzahl der Glukosemoleküle = Anzahl der CO₂-Moleküle / 6

• Anzahl der Glukosemoleküle = 360 / 6

• Anzahl der Glukosemoleküle = 60

Daher werden 60 Glukosemoleküle produziert, wenn eine Pflanze 360 Moleküle Kohlendioxid verbraucht.

Aufgabe 2)

Zellmembran: Transportmechanismen und Signaltransduktion Die Plasmamembran ermöglicht selektiven Stofftransport und Signalübertragung zur Zellkommunikation.

• Transportmechanismen:
  • Passiver Transport: Diffusion, erleichterte Diffusion, Osmose
  • Aktiver Transport: Primär aktiv (z.B. Na⁺/K⁺-Pumpe), sekundär aktiv (z.B. Symport, Antiport)
  • Vesikulärer Transport: Endozytose, Exozytose
• Signaltransduktion:
  • Rezeptoren: G-Protein-gekoppelte Rezeptoren, Tyrosin-Kinase-Rezeptoren
  • Intrazelluläre Signalmoleküle: cAMP, Ca²⁺, IP₃
  • Signalwege: MAP-Kinase-Weg, PI3K/Akt-Weg

a)

Erkläre den Unterschied zwischen primär aktivem und sekundär aktivem Transport über die Plasmamembran. Gehe dabei auch auf ein Beispiel für jede Transportart ein.

Lösung:

Erklärung des Unterschieds zwischen primär aktivem und sekundär aktivem Transport über die Plasmamembran:

• Primär aktiver Transport: Beim primär aktiven Transport werden Moleküle oder Ionen gegen ihren Konzentrationsgradienten unter direktem Verbrauch von Energie in Form von ATP durch die Plasmamembran transportiert. Dieser Vorgang erfordert spezielle Transportproteine, sogenannte Pumpen. Ein bekanntes Beispiel ist die Na⁺/K⁺-Pumpe, die Natriumionen (Na⁺) aus der Zelle heraus und Kaliumionen (K⁺) in die Zelle hinein transportiert:
  • Die Na⁺/K⁺-Pumpe bindet drei Na⁺-Ionen und ein ATP-Molekül.
  • Das ATP wird hydrolysiert, wodurch Energie freigesetzt wird und die Pumpe ihre Konformation ändert.
  • Die Na⁺-Ionen werden nach außen freigesetzt, und zwei K⁺-Ionen binden an die Pumpe.
  • Die Veränderung der Pumpe durch die Bindung der K⁺-Ionen ermöglicht deren Transport in das Zellinnere.
• Sekundär aktiver Transport: Beim sekundär aktiven Transport erfolgt der Transport von Molekülen oder Ionen ebenfalls gegen ihren Konzentrationsgradienten, jedoch nicht direkt unter Energieverbrauch. Stattdessen wird die Energie, die durch den Transport eines anderen Moleküls entlang dessen Konzentrationsgradienten freigesetzt wird, genutzt. Dies erfolgt durch Symport (beide Moleküle werden in die gleiche Richtung transportiert) oder Antiport (Moleküle werden in entgegengesetzte Richtungen transportiert). Ein Beispiel ist der Glukose-Na⁺-Symporter:
  • Der Symporter nutzt den Konzentrationsgradienten von Na⁺, der durch die Na⁺/K⁺-Pumpe aufgebaut wurde.
  • Na⁺ bewegt sich entlang seines Gradienten in die Zelle und zieht dabei Glukose-Moleküle mit sich.
  • Dadurch wird Glukose gleichzeitig gegen ihren eigenen Konzentrationsgradienten in die Zelle transportiert.

Zusammengefasst:

• Primär aktiver Transport nutzt direkt ATP zur Energiegewinnung.
• Sekundär aktiver Transport nutzt den von einem primären Transportprozess aufgebauten Gradienten als Energiequelle.

b)

Ein bestimmtes Molekül diffundiert über die Plasmamembran. Erläutere den Vorgang der Diffusion und nenne Faktoren, die die Diffusionsrate beeinflussen können.

Lösung:

Erläuterung des Vorgangs der Diffusion und der Faktoren, die die Diffusionsrate beeinflussen können:

Die Diffusion ist ein passiver Transportmechanismus, bei dem sich Moleküle von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedriger Konzentration bewegen, bis ein Gleichgewicht erreicht ist. Dieser Vorgang erfolgt ohne Energieaufwand und wird durch die zufällige Bewegung der Moleküle angetrieben.

• Vorgang der Diffusion: Diffusion geschieht spontan und folgt dem Konzentrationsgradienten. Hier sind die Schritte im Überblick:
  • Moleküle bewegen sich aufgrund ihrer kinetischen Energie zufällig in alle Richtungen.
  • In Bereichen hoher Konzentration stoßen Moleküle häufiger zusammen und verteilen sich allmählich in Bereiche niedrigerer Konzentration.
  • Dieser Zufallsprozess setzt sich fort, bis die Konzentration der Moleküle in allen Bereichen gleich ist, also ein Gleichgewicht erreicht ist.
• Faktoren, die die Diffusionsrate beeinflussen können: Verschiedene Faktoren können die Geschwindigkeit, mit der die Diffusion stattfindet, beeinflussen:
  • Konzentrationsgradient: Ein steilerer Konzentrationsgradient führt zu einer schnelleren Diffusion, da der Unterschied in der Molekülkonzentration größer ist.
  • Temperatur: Höhere Temperaturen erhöhen die kinetische Energie der Moleküle, was zu einer schnelleren Diffusion führt.
  • Größe und Art der Moleküle: Kleinere Moleküle diffundieren schneller als größere Moleküle. Zudem diffundieren ungeladene und hydrophobe Moleküle leichter durch die Lipid-Doppelschicht der Zellmembran.
  • Diffusionsfläche: Eine größere Oberfläche, über die die Diffusion stattfinden kann, erhöht die Diffusionsrate.
  • Membrandicke: Eine dünnere Membran ermöglicht eine schnellere Diffusion, da die Strecke, die die Moleküle zurücklegen müssen, kürzer ist.
  • Permeabilität der Membran: Membranen, die für bestimmte Moleküle durchlässiger sind, ermöglichen eine schnellere Diffusion dieser Moleküle.

Zusammengefasst:

• Die Diffusion erfolgt entlang des Konzentrationsgradienten, ohne Energieaufwand.
• Die Diffusionsrate wird durch Faktoren wie Konzentrationsgradient, Temperatur, Molekülgröße, Diffusionsfläche, Membrandicke und Membranpermeabilität beeinflusst.

c)

Beschreibe den Mechanismus der Signaltransduktion mittels G-Protein-gekoppelter Rezeptoren. Wie kann die Bindung eines Liganden an diesen Rezeptor zur Aktivierung einer zweiten Botenstoffkaskade führen?

Lösung:

Mechanismus der Signaltransduktion mittels G-Protein-gekoppelter Rezeptoren (GPCRs):

G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind eine große Familie von Rezeptoren, die an vielen physiologischen Prozessen beteiligt sind. Sie vermitteln ihre Signale durch die Aktivierung von G-Proteinen, die wiederum verschiedene intrazelluläre Signalwege aktivieren können.

• Struktur der GPCRs: GPCRs bestehen aus einer einzigen Polypeptidkette, die sieben transmembrane Domänen umfasst. Der extrazelluläre Teil des Rezeptors bindet spezifische Liganden (z.B. Hormone, Neurotransmitter), während der intrazelluläre Teil mit G-Proteinen interagiert.
• Mechanismus der GPCR-vermittelten Signaltransduktion:
  • Ligandenbindung: Ein Ligand bindet an den extrazellulären Teil des GPCRs, wodurch der Rezeptor eine Konformationsänderung erfährt.
  • Aktivierung des G-Proteins: Diese Konformationsänderung ermöglicht es dem GPCR, ein im inaktiven Zustand gebundenes G-Protein zu aktivieren. Das G-Protein besteht aus drei Untereinheiten: Alpha (α), Beta (β) und Gamma (γ).
  • GDP-GTP-Austausch: Das inaktive G-Protein besitzt an der Alpha-Untereinheit GDP (Guanosindiphosphat). Durch die Bindung des Liganden wird GDP durch GTP (Guanosintriphosphat) ersetzt. Dies bewirkt eine Dissoziation der Alpha-Untereinheit von den Beta- und Gamma-Untereinheiten.
  • Aktivierung von Effektoren: Die aktivierte Alpha-Untereinheit (gebunden an GTP) und teilweise auch die Beta-Gamma-Untereinheiten können nun verschiedene Effektormoleküle (z.B. Adenylylcyclase, Phospholipase C) binden und aktivieren.
  • Erzeugung von sekundären Botenstoffen: Die aktivierten Effektoren führen zur Produktion von sekundären Botenstoffen wie cAMP, IP₃ und DAG. Diese sekundären Botenstoffe verstärken das Signal, indem sie weitere Signalwege innerhalb der Zelle aktivieren.
  • Beispiel für eine Botenstoffkaskade:
    • Der Ligand bindet an den GPCR und aktiviert ein G-Protein.
    • Das aktivierte G-Protein aktiviert die Adenylylcyclase, die ATP in cAMP umwandelt.
    • cAMP dient als sekundärer Botenstoff und aktiviert die Proteinkinase A (PKA).
    • PKA phosphoryliert verschiedene Zielproteine, die spezifische zelluläre Antworten hervorrufen.
  • Inaktivierung: Das Signal wird beendet, wenn GTP zu GDP hydrolysiert wird und die Alpha-Untereinheit des G-Proteins zurück zu den Beta- und Gamma-Untereinheiten wechselt, wodurch der G-Protein-Komplex inaktiviert wird.

Zusammengefasst:

• G-Protein-gekoppelte Rezeptoren vermitteln Signale durch Ligandenbindung und nachfolgende Aktivierung von G-Proteinen.
• Die aktivierten G-Proteine initiieren sekundäre Botenstoffkaskaden, die verschiedene zelluläre Reaktionen auslösen.

Aufgabe 3)

In der biologischen Zellteilung spielen Mitose und Meiose eine entscheidende Rolle für das Wachstum, die Entwicklung und die Fortpflanzung von Organismen. Während die Mitose zur Bildung genetisch identischer Tochterzellen führt, resultiert die Meiose in genetisch unterschiedlichen Geschlechtszellen. Für die genauere Betrachtung der Unterschiede und Mechanismen, beachte die folgenden Informationen:

• Mitose umfasst eine Teilung, bestehend aus Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase.
• Die Meiose beinhaltet zwei Teilungen (Meiose I und Meiose II) und umfasst ein Crossing-over in der Prophase I.
• Am Ende der Mitose entstehen zwei diploide Zellen, während die Meiose vier haploide Zellen hervorbringt.
• Genetische Variation wird durch Rekombination in der Meiose und das Crossing-over in der Prophase I erzeugt.

a)

Erkläre detailliert den Prozess der Rekombination während der Prophase I der Meiose und wie dies zur genetischen Variation beiträgt.

Lösung:

Der Prozess der Rekombination während der Prophase I der Meiose ist ein wesentlicher Mechanismus zur Erzeugung genetischer Variation. Hier ist eine detaillierte Erklärung dieses Prozesses und wie er zur genetischen Vielfalt beiträgt:

• Synapsis: Zu Beginn der Prophase I paaren sich die homologen Chromosomen, die jeweils aus zwei Schwesterchromatiden bestehen. Dieser Pairing-Prozess wird als Synapsis bezeichnet und führt zur Bildung eines Tetrads oder Bivalents, das aus vier Chromatiden besteht.
• Crossing-over: Nachdem die Synapsis stattgefunden hat, kommt es zum Crossing-over. Hierbei überkreuzen sich nicht-schwesterliche Chromatiden der homologen Chromosomen und tauschen genetisches Material aus. Die Stellen, an denen das Crossing-over stattfindet, werden als Chiasmata bezeichnet.
• Rekombination: Der Austausch von DNA-Sequenzen zwischen den nicht-schwesterlichen Chromatiden führt zur genetischen Rekombination. Dies bedeutet, dass jede Chromatide nun eine Kombination von genetischem Material von beiden Elternteilen enthält.
• Auflösung der Crossovers: Nach dem Crossing-over lösen sich die Chromatiden voneinander, bleiben aber bis zur späteren Phase der Meiose I über das Chiasma verbunden. Diese Verbindung sorgt dafür, dass die homologen Chromosomen korrekt ausgerichtet und getrennt werden.
• Genetische Variation: Das Ergebnis des Crossing-over und der Rekombination ist eine einzigartige Kombination von Genen auf jeder Chromatide. Dies führt dazu, dass jede der resultierenden Gameten (Geschlechtszellen) eine einzigartige genetische Zusammensetzung hat, was zur genetischen Vielfalt in der Population beiträgt.

Zusammengefasst trägt die Rekombination während der Prophase I der Meiose zur genetischen Variation bei, indem sie neue Kombinationen von Allelen erzeugt, die in den Tochterzellen weitergegeben werden. Dies ist ein fundamentaler Prozess für die Evolution und Anpassung von Arten.

b)

Vergleiche Mitose und Meiose bzgl. ihrer Endprodukte und ihrer Bedeutung in der biologischen Entwicklung und Fortpflanzung von Organismen. Gehe auf die verschiedenen Phasen und die genetischen Resultate ein.

Lösung:

Mitose und Meiose sind zwei unterschiedliche Formen der Zellteilung, die jeweils ihre eigenen spezifischen Rollen in der biologischen Entwicklung und Fortpflanzung von Organismen spielen. Hier sind die Hauptunterschiede und Bedeutungen beider Prozesse im Hinblick auf ihre Endprodukte und Phasen:

• Mitose:
• Endprodukte: Am Ende der Mitose entstehen zwei genetisch identische Tochterzellen. Diese Zellen sind diploid und enthalten jeweils den kompletten Chromosomensatz, wie die ursprüngliche Mutterzelle.
• Phasen: Die Mitose umfasst eine Teilung, die in vier Phasen unterteilt ist:
  • Prophase: Die Chromosomen werden sichtbar, und die Kernmembran zerfällt.
  • Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich in der Mitte der Zelle (Äquatorialebene) an.
  • Anaphase: Die Schwesterchromatiden werden getrennt und zu den entgegengesetzten Polen der Zelle gezogen.
  • Telophase: Zwei neue Kernmembranen bilden sich um die getrennten Chromosomensätze, und die Zelle teilt sich in zwei Tochterzellen (Zytokinese).
• Bedeutung: Die Mitose ist entscheidend für das Wachstum, die Gewebereparatur und die asexuelle Fortpflanzung bei Organismen. Sie stellt sicher, dass jede Tochterzelle eine exakte Kopie der Mutterzelle ist.
• Meiose:
• Endprodukte: Am Ende der Meiose entstehen vier genetisch unterschiedliche Tochterzellen. Diese Zellen sind haploid und enthalten jeweils nur die Hälfte des Chromosomensatzes, d.h. einen Chromosomensatz von einem der beiden Elternteile.
• Phasen: Die Meiose besteht aus zwei aufeinanderfolgenden Teilungen, die jeweils in vier Phasen unterteilt sind:
  • Meiose I: Die erste Teilung reduziert die Chromosomenzahl.
    • Prophase I: Homologe Chromosomen paaren sich, und Crossing-over führt zum Austausch genetischen Materials.
    • Metaphase I: Die homologen Chromosomen ordnen sich in der Mitte der Zelle an.
    • Anaphase I: Homologe Chromosomen werden getrennt und zu den entgegengesetzten Polen der Zelle gezogen.
    • Telophase I: Zwei neue Zellkerne bilden sich, gefolgt von der Zellteilung (Zytokinese), was zu zwei haploiden Zellen führt.
  • Meiose II: Die zweite Teilung ist ähnlich wie die Mitose.
    • Prophase II: Die Chromosomen werden sichtbar, und die Kernmembran zerfällt.
    • Metaphase II: Die Chromosomen ordnen sich in der Mitte der Zelle an.
    • Anaphase II: Die Schwesterchromatiden werden getrennt und zu den entgegengesetzten Polen der Zelle gezogen.
    • Telophase II: Zwei neue Kernmembranen bilden sich um die getrennten Chromosomensätze, und die Zellen teilen sich, um insgesamt vier haploide Tochterzellen zu bilden.
• Bedeutung: Die Meiose ist entscheidend für die sexuelle Fortpflanzung. Sie erzeugt genetische Variation durch Rekombination und Crossing-over und sorgt dafür, dass die Nachkommen eine Mischung der elterlichen Gene erhalten. Dies ist wichtig für die genetische Diversität und die evolutionäre Anpassungsfähigkeit einer Population.

Zusammengefasst führen die Mitose und Meiose zu unterschiedlichen Endprodukten: Mitose erzeugt zwei genetisch identische diploide Zellen, während Meiose vier genetisch unterschiedliche haploide Zellen hervorbringt. Jede hat ihre spezifische Bedeutung für das Wachstum, die Reparatur und die Fortpflanzung von Organismen.

c)

Berechne die mögliche Anzahl der genetischen Kombinationen, die in der Meiose durch unabhängige Segregation der Chromosomen entstehen können. Gegeben sei, dass ein diploider Organismus 8 Chromosomen in seinen somatischen Zellen hat.

Lösung:

Um die mögliche Anzahl der genetischen Kombinationen zu berechnen, die in der Meiose durch die unabhängige Segregation der Chromosomen entstehen können, verwenden wir die Formel

 2^n

, wobei n die Anzahl der Chromosomenpaare ist. Ein diploider Organismus mit 8 Chromosomen (4 Chromosomenpaare) hat also n = 4.

Nun berechnen wir die mögliche Anzahl der Kombinationen:

• n = 4

• 2^n = 2^4

• 2^4 = 16

Dies bedeutet, dass durch die unabhängige Segregation der Chromosomen in einem Organismus mit 8 Chromosomen 16 verschiedene genetische Kombinationen entstehen können.

Aufgabe 4)

Genexpression ist ein komplexer Prozess, der aus zwei Hauptphasen besteht: Transkription und Translation. Während der Transkription wird die DNA-Sequenz eines Gens in mRNA umgeschrieben, indem die RNA-Polymerase an den Promotor bindet, die RNA-Kette verlängert und schließlich am Terminator die Transkription beendet. Im nächsten Schritt, der Translation, wird die mRNA in ein Polypeptid übersetzt. Dies geschieht durch Ribosomen, die an die mRNA binden, wobei tRNA Moleküle die entsprechenden Aminosäuren zum Ribosom bringen, die dann in wachsender Peptidketten definiert werden. Der Prozess endet bei einem Stop-Codon.

a)

a) Beschreibe die Rolle der RNA-Polymerase bei der Transkription in Bezug auf die Initiation, Elongation und Termination. Welche spezifischen Sequenzen sind in den verschiedenen Stadien der Transkription besonders wichtig und warum?

Lösung:

Lösung der Teilaufgabe:Die RNA-Polymerase spielt eine entscheidende Rolle bei der Transkription. Ihre Aktivitäten können in drei Hauptphasen unterteilt werden: Initiation, Elongation und Termination.

• Initiation:In dieser Phase bindet die RNA-Polymerase an den Promotor der DNA. Der Promotor ist eine spezifische DNA-Sequenz, die als Bindungsstelle für die RNA-Polymerase dient. Er enthält typische Motive wie die -10 TATA-Box und die -35 Region in prokaryotischen Zellen, die wichtig für die Erkennung und Bindung der Polymerase sind. Diese Sequenzen helfen, die korrekte Positionierung der RNA-Polymerase sicherzustellen, sodass die Transkription an der richtigen Stelle beginnt.
• Elongation:Nach der Initiation beginnt die RNA-Polymerase, die DNA-Sequenz des Gens abzulesen und eine komplementäre RNA-Kette zu synthetisieren. Während der Elongation entwindet die Polymerase die DNA-Doppelhelix und fügt passende Ribonukleotide an das 3’-Ende der wachsenden RNA-Kette hinzu. Die Sequenz der DNA bestimmt die Sequenz der mRNA, wobei Adenin (A) mit Uracil (U), Thymin (T) mit Adenin (A), Cytosin (C) mit Guanin (G) und Guanin (G) mit Cytosin (C) gepaart wird.
• Termination:Die Transkription endet bei spezifischen DNA-Sequenzen, die als Terminatoren bekannt sind. Diese Sequenzen signalisieren der RNA-Polymerase, die RNA-Synthese zu beenden und die neu synthetisierte mRNA freizusetzen. In prokaryotischen Zellen gibt es rho-unabhängige Terminatoren, die durch die Bildung einer Haarnadelstruktur in der RNA verursacht werden, und rho-abhängige Terminatoren, die das rho-Protein erfordern.

Zusammenfassend sind die spezifischen DNA-Sequenzen, die in den verschiedenen Stadien der Transkription besonders wichtig sind, der Promotor (Initiation), die codierende Region des Gens (Elongation) und die Terminatorsequenz (Termination). Diese Sequenzen stellen sicher, dass die RNA-Polymerase korrekt rekrutiert wird, die richtige RNA-Sequenz synthetisiert und die Transkription zu gegebener Zeit beendet wird.

b)

b) Ein Gen hat eine mRNA-Sequenz 5' AUG GCA UCU AAA UGA 3'. Beschreibe den gesamten Prozess der Translation dieser mRNA-Sequenz, inklusive des Start-Codons, der Rolle der tRNA und der Aminosäuren-Kette, die als Ergebnis entsteht. Berechne auch die Länge der Polypeptidkette, die gebildet wird. Hinweis: Nutze die Standard-Codons für die Zuordnung der Aminosäuren.

Lösung:

Lösung der Teilaufgabe:Die Translation der mRNA-Sequenz umfasst mehrere Schritte, die zur Bildung einer Polypeptidkette führen. Die gegebene mRNA-Sequenz lautet:

 5' AUG GCA UCU AAA UGA 3'

Schritte der Translation:

• Initiation:Die Translation beginnt bei dem Start-Codon. Das Start-Codon für die Translation bei fast allen Organismen ist AUG, welches die Aminosäure Methionin (Met) codiert. Diese Initialisierung wird durch einen Initiationskomplex durchgeführt, der die kleine ribosomale Untereinheit, die Initiations-tRNA (mit Methionin) und verschiedene Initiationsfaktoren umfasst.
• Elongation:Nach der Initiation beginnt die Verlängerung der Polypeptidkette. Die Ribosomen bewegen sich entlang der mRNA und lesen jedes Codon sequentiell. Spezifische tRNA-Moleküle, die zu den jeweiligen Codons passende Anticodons tragen, bringen die entsprechenden Aminosäuren zum Ribosom. Diese Aminosäuren werden dann kovalent zu der wachsenden Polypeptidkette verknüpft.Die mRNA-Sequenz wird wie folgt übersetzt:
  • AUG (Methionin, Met)
  • GCA (Alanin, Ala)
  • UCU (Serin, Ser)
  • AAA (Lysin, Lys)
• Termination:Der Prozess endet, wenn das Ribosom auf ein Stop-Codon trifft. Die Stop-Codons (UAA, UAG, UGA) signalisieren das Ende der Translation. In diesem Fall ist das Stop-Codon UGA. Bei Erreichen des Stop-Codons bindet ein Freisetzungsfaktor (Release Factor) an die A-Stelle des Ribosoms, was zur Freisetzung der fertigen Polypeptidkette führt.

Zusammengefasst ergibt die vorliegende mRNA-Sequenz die folgende Aminosäuresequenz:

Met (Methionin) - Ala (Alanin) - Ser (Serin) - Lys (Lysin)

Die Polypeptidkette besteht aus 4 Aminosäuren. Die Länge der Polypeptidkette beträgt also 4 Aminosäuren.