Biologie I: Zellbiologische Grundlagen - Exam

Aufgabe 1)

Die Zellmembran spielt eine wesentliche Rolle in der Aufrechterhaltung der Zellstruktur und der Regulierung des Stofftransports. Sie besteht hauptsächlich aus einer Phospholipid-Doppelschicht, in die Proteine, Cholesterin und Kohlenhydrate eingebettet sind. Die hydrophilen Köpfe der Phospholipide weisen nach außen, während die hydrophoben Schwänze nach innen zeigen. Diese Struktur ermöglicht eine selektive Permeabilität und Regulation der Signalübertragung.

• Die Phospholipid-Doppelschicht ist der Hauptbestandteil der Zellmembran und besteht aus hydrophilen Köpfen und hydrophoben Schwänzen.
• Proteine in der Zellmembran können integrale (die die Membran durchdringen) und periphere (die an der Membranoberfläche gekoppelt sind) sein.
• Kohlenhydrate in Form von Glykolipiden und Glykoproteinen sind für die Zellerkennung und -adhäsion wichtig.
• Cholesterin stabilisiert die Membranfluidität.
• Zu den Funktionen der Membran gehören die Barrierefunktion, der Transport von Substanzen (passiv und aktiv) und die Signaltransduktion.
• Die Glykokalyx bietet Oberflächenschutz.
• Zelladhäsion geschieht über Tight Junctions und Gap Junctions.

a)

(a) Membranaufbau und -dynamik:

Erkläre den Aufbau der Phospholipid-Doppelschicht der Zellmembran und welche Rolle Cholesterin bei der Membranfluidität spielt. Diskutiere, wie dies die Membraneigenschaften bei unterschiedlichen Temperaturen beeinflusst.

Lösung:

(a) Membranaufbau und -dynamik:

Die Phospholipid-Doppelschicht ist der grundlegende Aufbau der Zellmembran. Sie besteht aus Phospholipiden, die Amphiphile sind, d.h. sie haben sowohl einen hydrophilen (wasserliebenden) Kopf als auch einen hydrophoben (wasserabweisenden) Schwanz. Die hydrophilen Köpfe richten sich nach außen, zum wässrigen Milieu hin, während die hydrophoben Schwänze nach innen zeigen, was eine wasserfreie Zone in der Mitte der Doppelschicht bildet. Diese Struktur ermöglicht es der Zellmembran, eine Barriere zwischen dem Inneren der Zelle und ihrer Umgebung zu bilden, die eine selektive Permeabilität aufweist.

• Hydrophile Köpfe: Diese sind nach außen gerichtet, zu dem wässrigen Milieu sowohl inner- als auch außerhalb der Zelle.
• Hydrophobe Schwänze: Diese sind nach innen gerichtet, weg vom Wasser, und bilden den inneren Kern der Membran.

Cholesterin ist ein weiterer wichtiger Bestandteil der Zellmembran, der sich zwischen den Phospholipiden einfügt. Es spielt eine wesentliche Rolle bei der Aufrechterhaltung der Membranfluidität:

• Stabilisierung der Membran: Bei hohen Temperaturen verhindert Cholesterin, dass die Membran zu flüssig wird, indem es die Bewegung der Phospholipide einschränkt.
• Flexibilität bei niedrigen Temperaturen: Bei niedrigen Temperaturen verhindert Cholesterin, dass die Membran zu starr wird, indem es verhindert, dass die Phospholipide zu eng aneinander gepackt werden.

Dies hat folgende Auswirkungen auf die Membraneigenschaften bei unterschiedlichen Temperaturen:

• Hohe Temperaturen: Ohne Cholesterin könnten die Phospholipide zu viel Bewegungsfreiheit haben, was zu einer instabilen und zu flüssigen Membran führen würde. Cholesterin beschränkt die Beweglichkeit der Phospholipide und sorgt so für Stabilität.
• Niedrige Temperaturen: Ohne Cholesterin würden die Phospholipide sich zu dicht zusammenlagern und die Membran würde zu fest und unbeweglich werden. Cholesterin wirkt dem entgegen, indem es den engen Zusammenhalt der Phospholipide verhindert und so die nötige Flexibilität der Membran bewahrt.

Zusammengefasst trägt Cholesterin dazu bei, dass die Zellmembran ihre notwendige Fluidität und Stabilität in einem breiten Temperaturbereich behält, was für ihre Funktionalität entscheidend ist.

b)

(b) Membranproteine und Transportmechanismen:

• Analysiere die Unterschiede zwischen integralen und peripheren Membranproteinen. Erkläre, wie integrale Membranproteine durch die Membran transportierte Substanzen unterscheiden und geben ein Beispiel für einen passiven und einen aktiven Transportmechanismus an.
• Formuliere die Michaelis-Menten-Gleichung und erkläre deren Bedeutung für den aktiven Transport.

Lösung:

(b) Membranproteine und Transportmechanismen:

• Integration in die Membran: Integrale Membranproteine dringen vollständig oder teilweise durch die Phospholipid-Doppelschicht. Sie können Transmembranproteine sein, die die Membran komplett durchspannen, oder Proteine, die nur teilweise in die Membran eingelagert sind. Periphere Membranproteine hingegen sind nur lose an die äußere oder innere Oberfläche der Membran gebunden und dringen nicht in die hydrophobe Region ein.
• Funktion von integralen Membranproteinen: Diese Proteine sind entscheidend für eine Vielzahl von Funktionen, darunter der Transport von Substanzen durch die Membran. Sie können spezifische Substrate anhand von Struktur und chemischen Eigenschaften erkennen und binden, was selektiven Transport ermöglicht.
• Beispiele für Transportmechanismen:
  • Passiver Transport: Ein Beispiel dafür ist die einfache Diffusion durch Kanalproteine. Diese Proteine bilden Poren in der Membran, durch die spezifische Ionen oder Moleküle frei diffundieren können, etwa Aquaporine für den Wassertransport.
  • Aktiver Transport: Dies erfordert Energie (oft in Form von ATP). Ein bekanntes Beispiel ist die Natrium-Kalium-Pumpe, die Natriumionen nach außen und Kaliumionen nach innen transportiert, indem sie ATP hydrolysiert, um die benötigte Energie bereitzustellen.

Michaelis-Menten-Gleichung:

Die Michaelis-Menten-Gleichung wird häufig verwendet, um Enzymkinetik zu beschreiben, lässt sich aber auch auf den aktiven Transport übertragen:

\[ V = \frac{{V_{\text{max}} \times [S]}}{{K_m + [S]}} \]

• Definitionen:
  • \( V \) ist die Transportrate.
  • \( V_{\text{max}} \) ist die maximale Transportrate bei sättigenden Substratkonzentrationen.
  • \( [S] \) ist die Konzentration des zu transportierenden Substrats.
  • \( K_m \) ist die Michaelis-Menten-Konstante, die die Substratkonzentration angibt, bei der der Transport zwei Drittel von \( V_{\text{max}} \) beträgt.

Die Michaelis-Menten-Gleichung beschreibt, wie die Transportgeschwindigkeit (V) bei zunehmender Substratkonzentration (\( [S] \)) steigt und sich schließlich einer maximalen Geschwindigkeit (\( V_{\text{max}} \)) annähert. Dies ist besonders wichtig für den aktiven Transport, da die Anzahl und Effizienz der Transportproteine begrenzt sind, was die Aufnahmegeschwindigkeit des Substrats an eine maximale Kapazität bindet.

c)

(c) Zell-Zell-Kommunikation und -Adhäsion:

Erläutere die Bedeutung von Glykolipiden und Glykoproteinen in der Zell-Zell-Kommunikation. Wie helfen diese Moleküle der Zelle, sich zu identifizieren und mit ihrer Umgebung zu interagieren? Beschreibe darüber hinaus die Rolle von Tight Junctions und Gap Junctions in der Zelladhäsion und dem Informationsaustausch zwischen Zellen.

Lösung:

(c) Zell-Zell-Kommunikation und -Adhäsion:

Glykolipide und Glykoproteine:

Glykolipide und Glykoproteine spielen eine zentrale Rolle in der Zell-Zell-Kommunikation und bei der Erkennung spezifischer Zelltypen. Diese Moleküle sind auf der Zelloberfläche verankert und tragen Kohlenhydratketten, die für die Kommunikation und Identifizierung zwischen Zellen wichtig sind:

• Zellidentifikation: Die Kohlenhydratketten auf Glykolipiden und Glykoproteinen dienen als spezifische Erkennungssignale. Diese 'Tags' helfen den Zellen, sich selbst zu identifizieren und andere Zellen oder fremde Substanzen zu erkennen. Zum Beispiel sind bestimmte Glykolipide und Glykoproteine für die Blutgruppenantigene verantwortlich (A, B, AB, oder O).
• Interaktion mit der Umgebung: Diese Moleküle vermitteln die Anheftung von Zellen an ihre Umgebung und ermöglichen die Kommunikation über Signalmoleküle wie Hormone oder Neurotransmitter. Glykoproteine sind oft Rezeptoren, die spezifische Signale empfangen und eine Reaktion in der Zelle auslösen.

Rolle von Tight Junctions und Gap Junctions in der Zelladhäsion und dem Informationsaustausch:

• Tight Junctions (Zonulae occludentes): Diese Strukturen verbinden die Plasmamembranen benachbarter Epithelzellen dicht miteinander und verhindern das Eindringen von Molekülen durch den interzellulären Raum. Diese Barrierefunktion ist wichtig, um die Polarität der Zellen zu erhalten und die unkontrollierte Passage von Substanzen zwischen den Zellen zu verhindern. Dies spielt beispielsweise im Darm eine wesentliche Rolle, um den kontrollierten Transport von Nährstoffen zu gewährleisten.
• Gap Junctions: Diese Verbindungen bestehen aus Connexin-Proteinen und schaffen Kanäle, die kleine Moleküle, Ionen und elektrische Impulse direkt zwischen benachbarten Zellen austauschen. Gap Junctions ermöglichen eine schnelle und direkte Kommunikation zwischen Zellen, was für Gewebe, die eine koordinierte Aktivität benötigen (z.B. Herzmuskelzellen beim Herzschlag), von großer Bedeutung ist.

Zusammenfassend tragen Glykolipide und Glykoproteine maßgeblich zur Fähigkeit der Zellen bei, sich zu identifizieren und miteinander zu kommunizieren. Tight Junctions und Gap Junctions sind wesentliche Strukturen für die Aufrechterhaltung der Zelladhäsion und den schnellen Informationsaustausch zwischen Zellen, was für die Funktionalität vielzelliger Organismen entscheidend ist.

Aufgabe 2)

Intrazelluläre Kompartimentierung und TransportmechanismenIntrazelluläre Kompartimentierung bezeichnet die Unterteilung der Zelle in verschiedene Membran-umgebene Räume, die spezifische Funktionen erfüllen. Transportmechanismen regeln den Austausch von Molekülen zwischen diesen Kompartimenten.

• Schlüsselkompartimente: Zellkern, ER, Golgi-Apparat, Lysosomen, Mitochondrien, Peroxisomen, Vesikel
• Transportarten: passiver Transport (Diffusion), aktiver Transport (unter ATP-Verbrauch), vesikulärer Transport
• ER-Golgi-Transport: vesikulärer Transport entlang des sekretorischen Wegs
• Nukleozytoplasmatischer Transport: durch Kernporenkomplexe
• Proteintransport: Signalsequenzen und SRP (Signal Recognition Particle)
• Lysosomale Enzyme: Synthese und Transport über den Golgi-Apparat

a)

Beschreibe den vesikulären Transportweg vom Endoplasmatischen Reticulum (ER) zum Golgi-Apparat, einschließlich der Rolle der Coat Proteine (COPI und COPII) und der verschiedenen Schritte, die ein Vesikel durchläuft, um seine Zielmembran zu erreichen.

Lösung:

Vesikulärer Transportweg vom Endoplasmatischen Reticulum (ER) zum Golgi-ApparatDer vesikuläre Transport vom ER zum Golgi-Apparat ist ein zentraler Prozess in der sekretorischen Transportkette der Zelle. Dieser Transportweg ist für die Modifikation, Sortierung und den Versand von Proteinen und Lipiden wesentlich.

• Bildung von Transportvesikeln: Vesikel entstehen durch Abschnürung von einer Membran. In diesem Fall erfolgt die Abschnürung vom ER. Dies geschieht mit Hilfe von Coat Proteinen. Zwei wesentliche Typen von Coat Proteinen sind COPI und COPII:
  • COPII: Coat Proteine vom Typ COPII sind für den Transport vom ER zum Golgi-Apparat verantwortlich. Sie binden an die zytoplasmatische Seite der ER-Membran und helfen bei der Knospung von Vesikeln.
  • COPI: Coat Proteine vom Typ COPI sind an den retrograden (rückwärts gerichteten) Transport vom Golgi zurück zum ER beteiligt.
• Beladung der Vesikel: Die Vesikel werden mit spezifischen Proteinen und Lipiden beladen, die in den Golgi-Apparat transportiert werden sollen.
• Abknospung: Die beladenen Vesikel schnüren sich von der ER-Membran ab. Dieser Prozess wird durch das COPII-Coating unterstützt, das die Membranverformung und Abtrennung erleichtert.
• Transport: Die abgeschnürten Vesikel bewegen sich entlang des Zytoskeletts zum Golgi-Apparat. Die Bewegung wird durch Motorproteine wie Dynein und Kinesin unterstützt.
• Anheften und Fusion: Die Vesikel docken an den spezifizierten Empfängerregionen des Golgi-Apparats an. Dies geschieht durch die Erkennung und Wechselwirkung spezieller Oberflächenmoleküle (SNARE-Proteine) auf der Vesikelmembran und der Zielmembran.
• Entlaung: Schließlich fusioniert das Vesikel mit der Membran des Golgi-Apparats und entleert seinen Inhalt in das Lumen des Golgi. Dies ermöglicht die weitere Modifikation und Sortierung der Frachtmoleküle.

b)

Erkläre den nukleozytoplasmatischen Transport durch Kernporenkomplexe. Wie interagieren Signalsequenzen und Kerntransportrezeptoren bei der Regulation dieses Transports? Diskutiere auch, wie dieser Mechanismus die Genexpression beeinflussen könnte.

Lösung:

Nukleozytoplasmatischer Transport durch KernporenkomplexeDer nukleozytoplasmatische Transport bezieht sich auf den Austausch von Molekülen zwischen dem Zellkern und dem Zytoplasma durch Kernporenkomplexe (NPCs). Dieser Prozess ist essenziell für die Regulierung der Genexpression und die zelluläre Funktion.

• Kernporenkomplexe (NPCs): NPCs sind große Proteinkomplexe, die die Kernhülle durchspannen und als Gatekeeper für den Transport von Proteinen, RNA und anderen Molekülen dienen.
• Transportmechanismen: Der Transport kann aktiv oder passiv erfolgen:
• Passiver Transport: Kleine Moleküle können durch Diffusion passiv durch die NPCs diffundieren.
• Aktiver Transport: Große Moleküle wie Proteine und RNA benötigen einen aktiven Transportmechanismus, der energieabhängig ist.
• Signalsequenzen und Kerntransportrezeptoren: Die Regulation des nukleozytoplasmatischen Transports erfolgt durch spezifische Signalsequenzen und Kerntransportrezeptoren:
  • Signalsequenzen: Diese sind spezifische Aminosäuresequenzen, die als Adressen dienen, um Proteine für den Transport zu markieren. Beispiele sind Kernlokalisierungssignale (NLS) für den Import in den Kern und Kernexportsignale (NES) für den Export aus dem Kern.
  • Kerntransportrezeptoren: Diese Proteine binden an die Signalsequenzen und vermitteln den Transport durch die NPCs. Importine und Exportine sind Beispiele für solche Rezeptoren. Importine binden an NLS und vermitteln den Kernimport, während Exportine an NES binden und den Kernexport regulieren.
• Regulationsmechanismen: Der Transportprozess ist streng reguliert und kann durch unterschiedliche Mechanismen beeinflusst werden:
• GTP-Hydrolyse: GTP-bindende Proteine wie Ran spielen eine Schlüsselrolle bei der Richtung und Regulation des Transports. Ran-GTP ist für den Export und Ran-GDP für den Import verantwortlich.
• Phosphorylierung: Modifikationen wie die Phosphorylierung bestimmter Proteine können deren Bindung an Transportrezeptoren und den Transport in oder aus dem Kern beeinflussen.
• Einfluss auf die Genexpression: Der nukleozytoplasmatische Transport beeinflusst die Genexpression auf mehrere Arten:
• Proteintransport: Transkriptionsfaktoren und andere regulatorische Proteine müssen in den Zellkern importiert werden, um die Transkription von Genen zu aktivieren oder zu inhibieren.
• mRNA-Export: mRNA-Moleküle, die im Zellkern synthetisiert werden, müssen in das Zytoplasma exportiert werden, wo sie translatiert werden.
• Signalweiterleitung: Zelluläre Signale können den Transport von Molekülen zwischen dem Zytoplasma und dem Kern regulieren und dadurch die Genexpression anpassen.

Aufgabe 3)

Strukturen und Funktionen von Nukleinsäuren: Die DNA und RNA sind Grundbausteine für die Erbinformation und die Proteinbiosynthese, die aus Nukleotiden bestehen. Die DNA ist eine Doppelhelix mit antiparallelen Strängen und Basenpaarung über Wasserstoffbrücken (A-T, G-C), während die RNA ein Einzelstrang ist und Ribose anstelle von Desoxyribose sowie Uracil anstelle von Thymin enthält (A-U, G-C). Die DNA dient der Speicherung und Weitergabe genetischer Information, wohingegen die RNA die genetische Information überträgt (mRNA), Bestandteil der Ribosomen ist (rRNA) und Aminosäuren transportiert (tRNA). Nukleotide bestehen aus einer Phosphatgruppe, Zucker (Pentose) und einer stickstoffhaltigen Base. Die Replikation erfolgt semikonservativ und involviert Enzyme wie DNA-Polymerase, Helicase und Ligase. Während der Transkription wird mRNA anhand der DNA Vorlage von der RNA-Polymerase synthetisiert, und die Translation übersetzt mRNA-Sequenzen in Proteine mithilfe von Ribosomen und tRNA.

a)

Erkläre die strukturellen Unterschiede zwischen DNA und RNA im Detail. Gehe dabei auf die Art des Zuckers, der Basen und die generelle Struktur ein

Lösung:

Strukturelle Unterschiede zwischen DNA und RNA:Die DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure) unterscheiden sich in mehreren wichtigen strukturellen Aspekten. Hier sind die Hauptunterschiede im Detail:

• Art des Zuckers: - Die DNA enthält Desoxyribose, einen Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen, bei dem an der 2'-Position der Zuckerstruktur ein Wasserstoffatom (H) gebunden ist.- Die RNA enthält Ribose, ebenfalls ein Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen, jedoch ist an der 2'-Position eine Hydroxylgruppe (-OH) vorhanden.
• Basen: - In der DNA gibt es vier Basen: Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C). Die Basenpaarung erfolgt mit A-T und G-C durch Wasserstoffbrückenbindungen.- In der RNA gibt es statt Thymin die Base Uracil (U), sodass die Basen Adenin (A), Uracil (U), Guanin (G) und Cytosin (C) vorhanden sind. Die Basenpaarung erfolgt hier mit A-U und G-C.
• Generelle Struktur: - Die DNA ist meist eine Doppelhelix mit zwei antiparallelen Strängen, die durch Wasserstoffbrücken zwischen den komplementären Basen zusammengehalten werden.- Die RNA hingegen ist in der Regel ein Einzelstrang und kann unterschiedlichste Formen annehmen (z.B. Schleifen, Haarnadelstrukturen), oft abhängig von der Funktion, die sie erfüllt.
• Funktion: - Die DNA dient primär als Langzeitspeicher für genetische Informationen.- Die RNA ist vielfältiger in ihren Funktionen: mRNA (messenger RNA) überträgt genetische Informationen von der DNA zu den Ribosomen, rRNA (ribosomale RNA) ist Bestandteil der Ribosomen, und tRNA (Transfer RNA) transportiert Aminosäuren während der Proteinsynthese.

b)

Beschreibe den Prozess der Replikation der DNA. Welche Enzyme sind daran beteiligt und welche spezifischen Funktionen erfüllen sie dabei?

Lösung:

Prozess der Replikation der DNA:Die DNA-Replikation ist ein komplexer, mehrstufiger Prozess, der sicherstellt, dass die genetische Information exakt kopiert wird. Hier sind die einzelnen Schritte des Prozesses und die beteiligten Enzyme im Detail:

• Initiation: - Der Prozess der DNA-Replikation beginnt an spezifischen Stellen auf der DNA, den sogenannten Origins of Replication.- Helicase: Dieses Enzym entwindet die Doppelhelix, indem es die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basen aufbricht. Dadurch entstehen zwei Einzelstränge, die als Matrizen für die Replikation dienen.
• Elongation: - Primase: Dieses Enzym synthetisiert kurze RNA-Primer, die als Startpunkte für die DNA-Synthese dienen.- DNA-Polymerase: Dieses Enzym addiert komplementäre Nukleotide an das 3'-Ende des RNA-Primers und verlängert somit den neuen DNA-Strang. Es gibt verschiedene Typen der DNA-Polymerase, aber die Hauptarbeit in der Replikation wird von der DNA-Polymerase III erledigt.- Leitstrang und Folgestrang: Der DNA-Doppelstrang wird in zwei Stränge aufgeteilt: den Leitstrang (leading strand), der kontinuierlich in 5'-3' Richtung synthetisiert wird, und den Folgestrang (lagging strand), der diskontinuierlich in Form kleiner Fragmente, den Okazaki-Fragmente, synthetisiert wird.
• Termination: - DNA-Polymerase I: Dieses Enzym entfernt die RNA-Primer und ersetzt sie durch DNA-Nukleotide.- DNA-Ligase: Dieses Enzym verbindet die Okazaki-Fragmente auf dem Folgestrang, indem es die Phosphodiesterbindungen zwischen den DNA-Segmenten bildet.
• Fehlerkorrektur: - Exonuklease-Aktivität der DNA-Polymerase: Dieses Enzym hat die Fähigkeit, falsch eingebaute Nukleotide zu erkennen und sie zu entfernen, wodurch die Genauigkeit der Replikation erhöht wird.

Der gesamte Prozess der Replikation ist semikonservativ, was bedeutet, dass jede der beiden neu gebildeten DNA-Doppelstränge einen alten und einen neuen Strang enthält. Dies gewährleistet die genetische Kontinuität von einer Generation zur nächsten.

c)

In einem Experiment zur Transkription wurde entdeckt, dass in einem bestimmten Abschnitt der RNA die Nukleotidsequenz GUA vorliegt. Welche DNA-Sequenz wurde als Vorlage für diesen RNA-Abschnitt verwendet?

Lösung:

Ermittlung der DNA-Vorlage für einen RNA-Abschnitt:Um die DNA-Sequenz zu bestimmen, die als Vorlage für die RNA-Sequenz GUA diente, müssen wir die Prinzipien der komplementären Basenpaarung während der Transkription anwenden. Bei der Transkription wird RNA basierend auf der DNA-Vorlage synthetisiert. Die komplementären Basen in RNA und DNA paaren wie folgt:

• Adenin (A) paart mit Uracil (U) in RNA und mit Thymin (T) in DNA.
• Uracil (U) paart mit Adenin (A).
• Guanin (G) paart mit Cytosin (C).
• Cytosin (C) paart mit Guanin (G).

Um die DNA-Vorlage zu bestimmen, gehen wir wie folgt vor: Wir sehen uns die RNA-Sequenz GUA an und bestimmen die komplementären Basen in der DNA:

• Die RNA-Basis Guanin (G) paart mit der DNA-Basis Cytosin (C).
• Die RNA-Basis Uracil (U) paart mit der DNA-Basis Adenin (A).
• Die RNA-Basis Adenin (A) paart mit der DNA-Basis Thymin (T).

Also lautet die komplementäre DNA-Sequenz zu GUA:

• C (für G in RNA)
• A (für U in RNA)
• T (für A in RNA)

Daher wurde die DNA-Sequenz CAT als Vorlage für den RNA-Abschnitt GUA verwendet.

d)

Während der Translation wird eine mRNA-Sequenz in eine Aminosäuresequenz übersetzt. Gegeben ist ein mRNA-Abschnitt mit der Sequenz 5'-AUGGCCUAC-3'. Bestimme die korrespondierende Aminosäuresequenz und erläutere kurz die Rolle der tRNA im Prozess der Translation.

Lösung:

Übersetzung der mRNA-Sequenz in eine Aminosäuresequenz:Die Translation ist der Prozess, bei dem eine mRNA-Sequenz in eine Aminosäuresequenz übersetzt wird. Die mRNA-Sequenz wird in Gruppen von drei Nukleotiden, sogenannte Codons, gelesen, und jedes Codon kodiert für eine spezifische Aminosäure. Hier ist die gegebene mRNA-Sequenz:

• 5'-AUGGCCUAC-3'

Um die korrespondierende Aminosäuresequenz zu bestimmen, müssen wir jedes Codon identifizieren und die entsprechende Aminosäure aus der genetischen Code-Tabelle ablesen:

• AUG: Methionin (Met) - Startcodon
• GCC: Alanin (Ala)
• UAC: Tyrosin (Tyr)

Daher lautet die korrespondierende Aminosäuresequenz:

• Met-Ala-Tyr

Rolle der tRNA im Prozess der Translation:Die tRNA (Transfer-RNA) spielt eine zentrale Rolle bei der Translation. Ihre Hauptaufgaben umfassen:

• Aminoacylierung: Jede tRNA bindet eine spezifische Aminosäure, die durch ein Enzym (Aminoacyl-tRNA-Synthetase) an das 3'-Ende der tRNA gehängt wird.
• Anticodon-Erkennung: Jede tRNA verfügt über ein Anticodon, eine Gruppe von drei Nukleotiden, die komplementär zu einem Codon auf der mRNA ist. Diese komplementäre Basenpaarung sorgt dafür, dass die richtige Aminosäure in die wachsende Polypeptidkette eingebaut wird.
• Transport: Die tRNA transportiert die Aminosäuren zu den Ribosomen, den zellulären Maschinen, an denen die Peptidbindungen zwischen den Aminosäuren während der Proteinsynthese gebildet werden.

Durch die Kombination dieser Funktionen stellt die tRNA sicher, dass die genetische Information, die in der mRNA enthalten ist, korrekt in die entsprechende Aminosäuresequenz eines Proteins übersetzt wird.

Aufgabe 4)

Der Zellzyklus ist eine geregelte Abfolge von Phasen, die das Zellwachstum und die Zellteilung steuern. Diese Phasen umfassen G1, S, G2 und M. Während der G1-Phase wächst die Zelle und bereitet sich auf die DNA-Synthese vor. In der S-Phase erfolgt die DNA-Replikation. Die G2-Phase dient der Vorbereitung auf die Mitose. Die M-Phase umfasst die Mitose (unterteilt in Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase) und die Zytokinese. Manche Zellen können in die G0-Phase eintreten, in der sie sich nicht weiter teilen. Die Kontrolle des Zellzyklus wird durch zyklin-abhängige Kinasen (CDKs) und Checkpoints gewährleistet, die Übergänge zwischen den Phasen sicherstellen und Fehler verhindern. Der Tumorsuppressor p53 spielt eine wichtige Rolle bei der Erkennung von DNA-Schäden und kann DNA-Reparaturen oder Apoptose aktivieren. CDK-Inhibitoren wie p21 und p27 können die CDK-Aktivität blockieren und somit den Zellzyklus regulieren.

a)

Beschreibe detailliert die Rolle von p53 im Zellzyklus. Welche Konsequenzen kann eine Mutation im p53-Gen für die Zellzykluskontrolle und die Krebsentstehung haben?

Lösung:

Rolle von p53 im Zellzyklus

• Überwachung der DNA-Integrität: p53 ist ein Tumorsuppressor-Protein, das die Integrität der DNA überwacht und schützt. Es wird oft als „Wächter des Genoms“ bezeichnet.
• Aktivierung bei DNA-Schäden: Bei der Erkennung von DNA-Schäden wird p53 aktiviert und akkumuliert im Zellkern.
• Transkriptionsfaktor: Als Transkriptionsfaktor reguliert p53 die Expression verschiedener Gene, die für die Zellzyklusarrest, DNA-Reparatur und Apoptose (programmierter Zelltod) verantwortlich sind.
• Einleitung des Zellzyklusarrests: p53 kann die Zellzyklusprogression an Checkpoints wie G1/S und G2/M durch Induktion von CDK-Inhibitoren wie p21 stoppen. Dadurch wird der Zelle Zeit gegeben, die Schäden zu reparieren.
• Förderung der Apoptose: Wenn die DNA-Schäden irreparabel sind, kann p53 die Apoptose einleiten, um die Weitergabe fehlerhafter DNA an Tochterzellen zu verhindern.
• Verhinderung von Tumorentwicklung: Durch seine Rolle bei der Zellzykluskontrolle und Apoptose verhindert p53 die unkontrollierte Zellteilung und Tumorbildung.

Konsequenzen einer Mutation im p53-Gen

• Verlust der DNA-Kontrolle: Mutationen im p53-Gen können dazu führen, dass p53 seine Überwachungs- und Kontrollfunktion verliert. Geschädigte DNA kann sich anhäufen, ohne repariert oder beseitigt zu werden.
• Ausfall des Zellzyklusarrests: Ohne funktionierendes p53 kann der Zellzyklus trotz vorhandener DNA-Schäden weitergehen, was zur Akkumulation genetischer Instabilitäten beiträgt.
• Verhinderung der Apoptose: Mutiertes p53 kann seine Funktion, die Apoptose irreparabel geschädigter Zellen einzuleiten, verlieren, was zur Ansammlung potenziell krebserregender Zellen führt.
• Förderung der Tumorentstehung: Defekte p53-Funktionen sind in vielen Krebsarten zu beobachten. Der Verlust der Fähigkeit, Zellwachstum und -teilung zu regulieren, begünstigt die Entstehung und das Fortschreiten von Tumoren.
• Therapie-Resistenz: Tumore mit mutiertem p53 sind oft resistenter gegen Therapien, da der Mechanismus für die Apoptose fehlt, was die Behandlung erschwert.

b)

Erläutere den Mechanismus, durch den CDK-Inhibitoren wie p21 und p27 den Zellzyklus regulieren. In welchen Phasen des Zellzyklus sind diese Inhibitoren besonders aktiv, und warum?

Lösung:

Mechanismus der CDK-Inhibitoren p21 und p27

• Spezifische Hemmstoffe: CDK-Inhibitoren wie p21 und p27 sind Proteine, die spezifisch die Aktivität zyklin-abhängiger Kinasen (CDKs) hemmen. CDKs sind essenziell für den Übergang der Zellen durch die verschiedenen Phasen des Zellzyklus.
• Bindung an CDK-Komplexe: p21 und p27 binden an CDK-Zyklin-Komplexe und hemmen deren enzymatische Aktivität. Dies verhindert die Phosphorylierung von Zielproteinen, die notwendig für die Zellzyklusprogression sind.
• Zellzyklusarrest: Durch die Hemmung der CDK-Aktivität führen p21 und p27 zu einem Zellzyklusarrest. Dies ermöglicht der Zelle, Schäden zu reparieren oder auf Signale zu reagieren, bevor sie weiter durch den Zellzyklus fortschreitet.

Aktivität von CDK-Inhibitoren in verschiedenen Zellzyklusphasen

• G1-Phase: p21 und p27 sind besonders aktiv in der G1-Phase. Wenn DNA-Schäden vorhanden sind oder andere zelluläre Stressbedingungen auftreten, wird p53 aktiviert, welches wiederum die Expression von p21 induziert. p21 hemmt CDK4/6-Zyklin-D-Komplexe und CDK2-Zyklin-E-Komplexe, was den Übergang von der G1- in die S-Phase verhindert.
• S-Phase: Während der S-Phase kann p21 auch die Aktivität von CDK2-Zyklin-A-Komplexen hemmen, um die DNA-Replikation zu regulieren und sicherzustellen, dass es zu keiner fehlerhaften Replikation kommt.
• G2-Phase: In der G2-Phase hilft p21 bei der Regulation von CDK1 und verhindert den Übergang zur Mitose, wenn DNA-Schäden immer noch vorhanden oder nicht vollständig repariert sind.
• Allgemeine Rolle von p27: p27 wirkt ähnlich wie p21, indem es die Aktivität von CDK2, CDK4 und CDK6 in verschiedenen Phasen des Zellzyklus hemmt und somit die Progression in die nächste Phase unter bestimmten Bedingungen blockiert.

Warum sind diese Inhibitoren besonders aktiv in bestimmten Phasen?

• Schutz vor DNA-Schäden: Die Aktivität von p21 und p27 ist besonders in der G1- und S-Phase erhöht, da diese Phasen kritische Kontrollpunkte sind, bei denen die Zelle sicherstellen muss, dass die DNA intakt ist, bevor sie repliziert und weitergegeben wird.
• Zellzyklus-Kontrollmechanismen: Diese Inhibitoren tragen dazu bei, dass der Zellzyklus strikt reguliert bleibt und dass Zellen unter Stressbedingungen oder in Anwesenheit von Schäden ihre Teilung anhalten können. Dies verhindert Fehler in der Zellteilung, die zu Krebs führen könnten.

c)

Der Übergang von der G2-Phase zur M-Phase wird streng kontrolliert. Führe die mathematische Modellierung eines einfachen Systems durch, bei dem die Aktivität eines hypothetischen M-Phase-Promotors (MP) von der Konzentration eines 'Aktivator'-Proteins (A) abhängt. Angenommen, die Aktivität von MP ist proportional zur Quadratur der Aktivator-Konzentration, d.h., \(MP = k \, [A]^2\). Wie würde eine Veränderung in der Konzentration des Aktivator-Proteins die Aktivität des M-Phase-Promotors beeinflussen?

Lösung:

Mathematische Modellierung des Systems

Angenommen, die Aktivität des hypothetischen M-Phase-Promotors (MP) hängt quadratisch von der Konzentration eines 'Aktivator'-Proteins (A) ab. Diese Beziehung wird durch folgende Gleichung beschrieben:

\[ MP = k \times [A]^2 \]

Hierbei ist:

• \(k\) eine Proportionalitätskonstante
• \([A]\) die Konzentration des Aktivator-Proteins

Diese Beziehung bedeutet, dass die Aktivität des M-Phase-Promotors stark von der Konzentration des Aktivator-Proteins abhängt. Eine Änderung in der Konzentration des Aktivator-Proteins (A) führt zu signifikanten Änderungen in der Aktivität des M-Phase-Promotors.

Einfluss der Konzentrationsänderung des Aktivator-Proteins

• Verdoppelung der Konzentration: Wird die Konzentration des Aktivator-Proteins verdoppelt (\([A]' = 2[A]\)), ergibt sich:

  \[ MP' = k \times (2[A])^2 = k \times 4[A]^2 = 4 \times k[A]^2 = 4 \times MP \]

  Die Aktivität des M-Phase-Promotors würde sich also vervierfachen.

• Änderung um den Faktor \(n\): Allgemein, wenn die Konzentration des Aktivator-Proteins um den Faktor \(n\) geändert wird (\([A]' = n[A]\)), ergibt sich:

  \[ MP' = k \times (n[A])^2 = k \times n^2[A]^2 = n^2 \times k[A]^2 = n^2 \times MP \]

  Die Aktivität des M-Phase-Promotors würde sich also um den Faktor \(n^2\) ändern.

• Halbierung der Konzentration: Wird die Konzentration des Aktivator-Proteins halbiert (\([A]' = [A]/2\)), ergibt sich:

  \[ MP' = k \times \bigg(\frac{[A]}{2}\bigg)^2 = k \times \frac{[A]^2}{4} = \frac{1}{4} \times k[A]^2 = \frac{1}{4} \times MP \]

  Die Aktivität des M-Phase-Promotors würde auf ein Viertel reduziert.

Hauptschlussfolgerung: Jede Veränderung in der Konzentration des Aktivator-Proteins hat eine erhebliche Auswirkung auf die Aktivität des M-Phase-Promotors, da die Aktivität des M-Phase-Promotors proportional zum Quadrat der Konzentration des Aktivator-Proteins ist.