Allgemeine Biologie II - Exam

Aufgabe 1)

DNA-Replikation und RNA-TranskriptionDie DNA ist ein Doppelstrang aus Nukleotiden (Adenin, Thymin, Cytosin und Guanin), während RNA ein Einzelstrang aus Nukleotiden (Adenin, Uracil, Cytosin und Guanin) ist. Die Replikation der DNA erfolgt semi-konservativ und wird durch das Enzym DNA-Polymerase katalysiert. Die Transkription einer DNA-Sequenz in eine RNA-Sequenz wird durch die RNA-Polymerase durchgeführt. Die genetische Information wird dann von der RNA zur Herstellung von Proteinen genutzt, ein Prozess, der als Translation bezeichnet wird und in den Ribosomen stattfindet.

a)

Erkläre den semi-konservativen Mechanismus der DNA-Replikation. Zeichne in Deiner Erklärung die intermediären Schritte und benenne die beteiligten Enzyme detailliert.

Lösung:

• Definition des semi-konservativen Mechanismus Bei der semi-konservativen DNA-Replikation entstehen zwei neue DNA-Doppelstränge, von denen jeder aus einem ursprünglichen Strang (Elternstrang) und einem neu synthetisierten Strang (Tochterstrang) besteht. Das bedeutet, dass die ursprüngliche DNA in zwei Hälften geteilt wird, und jede Hälfte dient als Vorlage für die Bildung eines neuen Strangs.
• Intermediäre Schritte und beteiligte Enzyme
  • Initiation Der Prozess beginnt an bestimmten Stellen auf der DNA, den Ursprüngen der Replikation. Enzyme wie Helicase entwirren die DNA-Doppelstranghelix und brechen die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Basenpaaren.
  • Primer-Anlagerung DNA-Primase synthetisiert kurze RNA-Primer, die als Startpunkt für die DNA-Synthese dienen.
  • Elongation DNA-Polymerase III fügt neue Nukleotide an den neuen Strang an, indem sie die Nukleotide komplementär zum Vorlage-DNA-Strang anfügt.
  • Kontinuierliche und diskontinuierliche Synthese Auf dem Leitstrang (leading strand) erfolgt die Synthese kontinuierlich in Richtung des Replikationsgabels. Auf dem Folgestrang (lagging strand) erfolgt die Synthese diskontinuierlich in Form von Okazaki-Fragmenten.
  • Ligation Die RNA-Primer werden entfernt und durch DNA ersetzt. DNA-Ligase verbindet die Okazaki-Fragmente, um einen durchgehenden DNA-Strang zu bilden.
  • Beendigung Sobald die Replikationsgabel aufeinandertrifft, wird die Replikation beendet, und die DNA wird durch die Topoisomerase entwirrt.

• Enzyme der DNA-Replikation
  • Helicase: Entwindet die DNA-Doppelhelix.
  • DNA-Primase: Synthetisiert RNA-Primer.
  • DNA-Polymerase III: Fügt Nukleotide an den neuen DNA-Strang an.
  • DNA-Polymerase I: Entfernt RNA-Primer und ersetzt sie durch DNA.
  • DNA-Ligase: Verbindet Okazaki-Fragmente.
  • Topoisomerase: Entspannt die DNA nach der Replikation.

• Visuelle Darstellung Leider kann ich keine Zeichnungen direkt in diesen Text einfügen. Stelle dir jedoch eine auseinandergezogene DNA-Helix vor, die an den Enden durch die Helicase geöffnet ist, mit kurzen RNA-Primer-Sequenzen, die an den Leit- und Folgesträngen befestigt sind. Entlang des Leitstrangs sind kontinuierlich neu hinzugefügte Nukleotide zu sehen, während der Folgestrang aus mehreren Okazaki-Fragmenten besteht, die später durch die DNA-Ligase verbunden werden.

b)

Beschreibe die Schritte der Transkription von einer DNA-Sequenz zu einer RNA-Sequenz. Gehe dabei auf die Rolle der RNA-Polymerase ein und erkläre den Ablauf der Initiation, Elongation und Termination der Transkription.

Lösung:

• Einleitung Die Transkription ist der Prozess, bei dem eine DNA-Sequenz in eine RNA-Sequenz umgeschrieben wird. Dieser Prozess wird durch das Enzym RNA-Polymerase katalysiert, das die DNA entwindet und die Synthese von RNA anhand der DNA-Vorlage durchführt.
• Schritte der Transkription
  • 1. Initiation
    • Die RNA-Polymerase bindet an eine spezifische DNA-Sequenz, die als Promoter bezeichnet wird. Der Promoter liegt normalerweise stromaufwärts des zu transkribierenden Gens.
    • Nach der Bindung an den Promoter entwindet die RNA-Polymerase ein kurzes Stück der DNA-Doppelhelix und beginnt, die beiden Stränge zu trennen.
    • Die RNA-Polymerase beginnt dann, RNA-Nukleotide komplementär zum kodierenden Strang der DNA (den Matrizenstrang) zu synthetisieren.
  • 2. Elongation
    • Während der Elongation verlängert die RNA-Polymerase das RNA-Molekül, indem sie den Matrizenstrang der DNA als Vorlage benutzt. Das RNA-Molekül wächst dabei in 5'-zu-3'-Richtung.
    • Die RNA-Polymerase fährt entlang der DNA und öffnet die Helix, fügt Nukleotide hinzu und schafft gleichzeitig eine wachsende RNA-Kette.
    • Die hinzugefügten RNA-Nukleotide sind komplementär zu den DNA-Nukleotiden; Adenin bindet mit Uracil und Cytosin mit Guanin.
  • 3. Termination
    • Die Termination erfolgt, wenn die RNA-Polymerase auf eine Terminator-Sequenz in der DNA trifft. Diese Terminator-Sequenz signalisiert das Ende der Transkription.
    • Die neu synthetisierte RNA wird freigesetzt, und die RNA-Polymerase löst sich von der DNA.
    • Die DNA-Doppelhelix schließt sich wieder und kehrt in ihren ursprünglichen Zustand zurück.
• Rolle der RNA-Polymerase
  • Die RNA-Polymerase ist das Hauptenzym, das den Transkriptionsprozess ermöglicht. Sie bindet an den Promoter und initiiert die Transkription, elongiert die RNA-Kette und terminiert die Synthese, wenn sie das Terminator-Signal erreicht.
  • Zusätzlich zu ihrer katalytischen Funktion spielt die RNA-Polymerase eine Rolle bei der Entwindung der DNA-Doppelhelix und bei der Bindung spezifischer Transkriptionsfaktoren, die die Transkription regulieren.
• Zusammenfassung der Schritte
  • Die Initiation beginnt mit der Anlagerung der RNA-Polymerase an den Promoter und der Entwindung der DNA.
  • Die Elongation beinhaltet das Hinzufügen von RNA-Nukleotiden komplementär zum DNA-Matrizenstrang.
  • Die Termination schließt den Prozess ab, wenn die RNA-Polymerase das Terminator-Signal erreicht und die RNA freisetzt.

Aufgabe 2)

Erkläre den Mechanismus der DNA-Replikation, welcher die Verdopplung der DNA während der Zellteilung beschreibt. In Deine Antwort sollten die verschiedenen Schritte des Prozesses sowie die beteiligten Enzyme auf detaillierte Weise einbezogen werden.

a)

Beschreibe den Initiationsprozess der DNA-Replikation und erkläre die Rolle des Origins of Replication in diesem Prozess. Wie wird der Start der DNA-Replikation an diesem Punkt reguliert?

Lösung:

Der Initiationsprozess der DNA-Replikation:

• Die DNA-Replikation beginnt am sogenannten Origin of Replication, einem bestimmten Punkt auf der DNA, der als Startpunkt für die Replikation dient.
• Bei Prokaryoten gibt es in der Regel einen einzigen Ori (Origin of Replication), während bei Eukaryoten mehrere Ori entlang der Chromosomen verteilt sind.

Schritte des Initiationsprozesses:

• Erkennung des Originiationspunkts: Spezifische Proteine, sogenannte Initiatorproteine, erkennen und binden an den Origin of Replication. Diese Proteine sind bei Prokaryoten als DnaA bekannt.
• Aufspaltung der DNA-Doppelhelix: Die Bindung der Initiatorproteine destabilisiert den DNA-Doppelstrang und führt zur Öffnung der Helix, wodurch eine sogenannte Replikationsblase entsteht.
• Beteiligte Enzyme: Helicase, ein weiteres Enzym, bindet an die Replikationsgabeln der Blase und spaltet die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den beiden DNA-Strängen weiter auf. Dies schafft einen Einzelstrang-DNA-Bereich, der als Vorlage für die Replikation dient.
• Stabilisierung der Einzelstrang-DNA: Einzelstrang-bindende Proteine (SSB-Proteine) binden an die Einzelstrang-DNA, um diese zu stabilisieren und eine erneute Bindung zu verhindern.
• Primase-Aktivität: Primase synthetisiert kurze RNA-Primer, die als Startpunkte für die DNA-Polymerase dienen.

Regulation des Starts der DNA-Replikation:

• Die Initiation der DNA-Replikation muss sorgfältig reguliert werden, um sicherzustellen, dass jeder Origin of Replication nur einmal pro Zellzyklus aktiviert wird.
• Bei Prokaryoten ist die Menge an DnaA-Protein in der Zelle ein wichtiger regulatorischer Faktor. Die Replikation kann erst beginnen, wenn genügend DnaA-Protein vorhanden ist, um den Origin vollständig zu besetzen.
• Bei Eukaryoten spielt der Zellzyklus eine entscheidende Rolle. Die Aktivierung von Ori erfolgt durch spezifische Zellzykluskontrollproteine, die sicherstellen, dass die Replikation nur einmal während der S-Phase des Zellzyklus stattfindet.
• CDKs (Cyclin-abhängige Kinasen) und andere regulatorische Proteine beeinflussen die Aktivität der Initiationsproteine und stellen sicher, dass der Prozess streng kontrolliert wird.

b)

Erläutere die Funktionen der Helikase und der Topoisomerase während der DNA-Replikation. Wie arbeiten diese beiden Enzyme zusammen, um die Struktur der DNA für die Replikation vorzubereiten?

Lösung:

Funktionen der Helikase und der Topoisomerase während der DNA-Replikation:

• Helikase: Die Helikase ist ein essentielles Enzym bei der DNA-Replikation, dessen Hauptfunktion das Entwinden und Aufbrechen des DNA-Doppelstrangs ist. Sie bewegt sich entlang des DNA-Doppelstrangs und spaltet die Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den komplementären Basen, wodurch die beiden Stränge getrennt werden. Dies erzeugt einzelne Stränge, die als Matrizen für die Synthese neuer DNA-Stränge dienen.

• Topoisomerase: Die Topoisomerase entlastet die durch die Helikase erzeugte Torsionsspannung in der DNA. Wenn die Helikase die DNA entwindet, führt dies zu einer Überdrehung und Supercoiling der DNA vor der Replikationsgabel. Die Topoisomerase löst diese Spannung, indem sie die DNA-Stränge schneidet und sie dann erneut verbindet. Es gibt zwei Haupttypen von Topoisomerasen: Typ I, die einen Einzelstrangschbruch erzeugt, und Typ II, die einen Doppelstrangschbruch erzeugt.

Zusammenarbeit der Helikase und Topoisomerase während der Replikation:

• Die Helikase und die Topoisomerase arbeiten eng zusammen, um die DNA-Struktur für die Replikation vorzubereiten und Spannungen zu reduzieren.
• Wenn die Helikase die DNA-Doppelhelix aufbricht, entsteht vorauslaufend vor der Replikationsgabel eine starke Torsionsspannung und Supercoiling.
• Die Topoisomerase tritt in Aktion, indem sie an diese überdrehte Region bindet und die DNA-Stränge schneidet, entweder durch Einzelstrangbrüche (Topoisomerase I) oder Doppelstrangbrüche (Topoisomerase II).
• Nach dem Schneiden der DNA ermöglicht die Topoisomerase das Entdrehen der DNA, was die Spannung mindert. Anschließend verbindet sie die DNA-Stränge wieder, um eine kontinuierliche, entspannte DNA-Struktur zu gewährleisten, die für die Replikationsmaschinerie zugänglich bleibt.
• Diese koordinierte Aktion sorgt dafür, dass die Replikationsgabel effizient und ohne Hindernisse voranschreiten kann, und verhindert schädliche Supercoiling-Effekte, die den Replikationsprozess behindern könnten.

c)

Vergleiche die Synthese des Leitstrangs und des Folgestrangs während der DNA-Replikation. Welche Unterschiede gibt es in den Mechanismen, und warum treten Okazaki-Fragmente auf? Erkläre auch die Rolle der Primase und der DNA-Polymerase in diesem Prozess.

Lösung:

Vergleich der Synthese des Leitstrangs und des Folgestrangs während der DNA-Replikation:

• Leitstrang: Die Synthese des Leitstrangs erfolgt kontinuierlich. Dies liegt daran, dass die DNA-Polymerase nur in 5'-zu-3'-Richtung arbeiten kann und der Leitstrang in die gleiche Richtung wie die Replikationsgabel verläuft. Nach der Initiation durch kurze RNA-Primer, synthetisiert von der Primase, kann die DNA-Polymerase III den Leitstrang fortlaufend verlängern.

• Folgestrang: Die Synthese des Folgestrangs ist diskontinuierlich. Da die DNA-Polymerase nur in 5'-zu-3'-Richtung arbeiten kann, der Folgestrang jedoch entgegengesetzt zur Replikationsgabel verläuft, muss die Synthese in kurzen Abschnitten, den sogenannten Okazaki-Fragmenten, erfolgen. Für jedes Okazaki-Fragment benötigtdie Primase einen neuen RNA-Primer.

Unterschiede in den Mechanismen:

• Kontinuierliche vs. diskontinuierliche Synthese: Während der Leitstrang kontinuierlich verlängert wird, wird der Folgestrang in kurzen Fragmenten synthetisiert.
• Anzahl der Primer: Der Leitstrang benötigt nur einen einzigen RNA-Primer am Ursprung der Replikation, wohingegen der Folgestrang für jedes Okazaki-Fragment einen neuen RNA-Primer benötigt.

Warum treten Okazaki-Fragmente auf?

• Okazaki-Fragmente entstehen aufgrund der antiparallelen Struktur der DNA-Doppelhelix und der 5'-zu-3'-Richtung der DNA-Synthese durch die DNA-Polymerase. Da der Folgestrang in die entgegengesetzte Richtung der Replikationsgabel verläuft, kann er nicht kontinuierlich synthetisiert werden und muss in kurzen Abschnitten aufgebaut werden.

Rolle der Primase und der DNA-Polymerase:

• Primase: Die Primase ist für die Synthese der kurzen RNA-Primer verantwortlich, die als Startpunkte für die DNA-Polymerase dienen. Diese Primer sind notwendig sowohl für den kontinuierlichen Leitstrang als auch für jedes Okazaki-Fragment auf dem Folgestrang.
• DNA-Polymerase: Die DNA-Polymerase III ist das Hauptenzym, das die Synthese der neuen DNA-Stränge durch Hinzufügen von Desoxyribonukleotiden an das 3'-Ende des Primers durchführt. Auf dem Leitstrang kann die DNA-Polymerase III kontinuierlich wirken. Auf dem Folgestrang arbeitet die DNA-Polymerase III in einem zyklischen Prozess, indem sie Okazaki-Fragmente synthetisiert.
• Nach der Entfernung der RNA-Primer durch die DNA-Polymerase I werden die Lücken zwischen den Okazaki-Fragmenten durch die DNA-Ligase geschlossen, die die Phosphodiesterbindungen zwischen den einzelnen DNA-Fragmenten herstellt.

Aufgabe 3)

Signaltransduktion in ZellenDer Prozess der Signaltransduktion in Zellen beinhaltet die Umwandlung eines extrazellulären Signals in ein spezifisches intrazelluläres Signal. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte und Komponenten einschließlich Rezeptoren, Second Messenger, Kinasen und Transkriptionsfaktoren. Ein extrazelluläres Signal bindet an einen Rezeptor, was eine Signalkaskade aktiviert. Häufig involvierte Rezeptoren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) und Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs). Die Phosphorylierung dient oft als molekularer Schalter innerhalb dieser Kaskaden. Die zelluläre Antwort kann unter anderem Genexpression, Metabolismus, Zellteilung und Zelltod umfassen.

a)

a) Erkläre den Mechanismus der Signalübertragung über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs). Beschreibe, inwiefern GPCRs die Aktivierung von Second Messengern beeinflussen und wie dies zur zellulären Antwort führen kann. Verwende spezifische Beispiele und erläutere die Rolle der Phosphorylierung in diesem Prozess.

Lösung:

Signaltransduktion in ZellenDer Prozess der Signaltransduktion in Zellen beinhaltet die Umwandlung eines extrazellulären Signals in ein spezifisches intrazelluläres Signal. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte und Komponenten einschließlich Rezeptoren, Second Messenger, Kinasen und Transkriptionsfaktoren. Ein extrazelluläres Signal bindet an einen Rezeptor, was eine Signalkaskade aktiviert. Häufig involvierte Rezeptoren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) und Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs). Die Phosphorylierung dient oft als molekularer Schalter innerhalb dieser Kaskaden. Die zelluläre Antwort kann unter anderem Genexpression, Metabolismus, Zellteilung und Zelltod umfassen.a) Erkläre den Mechanismus der Signalübertragung über G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs). Beschreibe, inwiefern GPCRs die Aktivierung von Second Messengern beeinflussen und wie dies zur zellulären Antwort führen kann. Verwende spezifische Beispiele und erläutere die Rolle der Phosphorylierung in diesem Prozess.Antwort:

• Mechanismus der Signalübertragung über GPCRs:
• Wenn ein Ligand (extrazelluläres Signal) an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR) bindet, ändert der Rezeptor seine Konformation.
• Diese Konformationsänderung aktiviert das assoziierte G-Protein, welches aus drei Untereinheiten besteht: \(\alpha\), \(\beta\), und \(\gamma\).
• Das G-Protein tauscht GDP gegen GTP an seiner \(\alpha\)-Untereinheit aus, was dazu führt, dass sich das G-Protein in \(\alpha\)-GTP und \(\beta\gamma\)-Dimer aufteilt.
• Die \(\alpha\)-GTP- und \(\beta\gamma\)-Dimer können nun verschiedene Effektorproteine beeinflussen, die zu der Produktion von Second Messengern führen.
• Aktivierung von Second Messengern:
• Beispiele für Second Messenger sind cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat) und IP3 (Inositoltriphosphat).
• Ein Beispiel ist das \(\beta\)-adrenerge System, bei dem der Ligand Adrenalin an einen \(\beta\)-adrenergen Rezeptor bindet. Dies führt zur Aktivierung von Adenylatcyclase durch das \(\alpha_s\)-GTP-Protein.
• Adenylatcyclase katalysiert die Umwandlung von ATP zu cAMP, einem Second Messenger.
• cAMP aktiviert Proteinkinase A (PKA), welche diverse Zielproteine durch Phosphorylierung aktiviert oder deaktiviert.
• Rolle der Phosphorylierung:
• Phosphorylierung durch Kinasen dient als molekularer Schalter zur Regulation der Aktivität von Proteinen.
• Die Aktivierung von PKA durch cAMP führt zur Phosphorylierung spezifischer Substrate, was zu zellulären Antworten wie Genexpression, Metabolismus und Zellteilung führt.
• Ein spezifisches Beispiel ist die Phosphorylierung von CREB (cAMP response element-binding protein) durch PKA, was zur Initiierung der Transkription bestimmter Gene führt.
• Zusätzlich zur PKA-abhängigen Signalkaskade können \(\beta\gamma\)-Dimere andere Signalkaskaden aktivieren, wie die Aktivierung von Phospholipase C (PLC), was zur Bildung von IP3 und Diacylglycerol (DAG) führt. IP3 erhöht die Calciumkonzentration im Zytosol, was weitere Signalkaskaden aktiviert.
• Zelluläre Antwort:
• Die Signalübertragung durch GPCRs und die Aktivierung von Second Messengern führen zu spezifischen zellulären Reaktionen.
• Diese Reaktionen können vielfältig sein und umfassen Änderungen im Genexpressionsprofil, im Metabolismus, in der Zellteilung und in der Kontrolle des Zelltods.

b)

b) Betrachte einen Signalweg, der durch Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs) initiiert wird. Modelliere mathematisch die Phosphorylierungskaskade, die durch eine typische RTK ausgelöst wird, indem Du eine Differentialgleichung verwendest, die den zeitlichen Verlauf der Konzentrationen der phosphorylierten Kinasen beschreibt. Leite die Gleichung her und zeige deren Lösung, wobei die Gleichgewichtskonzentration im betrachteten System angenommen wird. Nutze dabei die Annahmen chemischer Kinetik.

Lösung:

Signaltransduktion in ZellenDer Prozess der Signaltransduktion in Zellen beinhaltet die Umwandlung eines extrazellulären Signals in ein spezifisches intrazelluläres Signal. Dieser Prozess umfasst mehrere Schritte und Komponenten einschließlich Rezeptoren, Second Messenger, Kinasen und Transkriptionsfaktoren. Ein extrazelluläres Signal bindet an einen Rezeptor, was eine Signalkaskade aktiviert. Häufig involvierte Rezeptoren sind G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) und Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs). Die Phosphorylierung dient oft als molekularer Schalter innerhalb dieser Kaskaden. Die zelluläre Antwort kann unter anderem Genexpression, Metabolismus, Zellteilung und Zelltod umfassen.b) Betrachte einen Signalweg, der durch Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs) initiiert wird. Modelliere mathematisch die Phosphorylierungskaskade, die durch eine typische RTK ausgelöst wird, indem Du eine Differentialgleichung verwendest, die den zeitlichen Verlauf der Konzentrationen der phosphorylierten Kinasen beschreibt. Leite die Gleichung her und zeige deren Lösung, wobei die Gleichgewichtskonzentration im betrachteten System angenommen wird. Nutze dabei die Annahmen chemischer Kinetik.Antwort:

• Grundlagen der Reaktionen durch RTKs:
• Rezeptor-Tyrosinkinasen (RTKs) werden durch die Bindung eines Liganden aktiviert. Diese Aktivierung führt zur Dimerisierung und Autophosphorylierung der Rezeptoren.
• Die phosphorylierten RTKs dienen als Bindungsstellen für intrazelluläre Signalproteine, die daraufhin aktiviert werden und eine Kaskade von Phosphorylierungsschritten einleiten.
• Mathematische Modellierung der Phosphorylierungskaskade:
• Wir betrachten eine vereinfachte Kaskade, die einen linearen Signalweg durch Aktivierung mehrerer Kinasen umfasst: \text{Kinase}_n\text{P} (für n = 1, 2, ...) sequentiell phosphoryliert Kinase_{n+1} zu Kinase_{n+1}\text{P}.
• Herleitung der Differentialgleichung:
• Wir nehmen an, dass die Konzentrationen der phosphorylierten Kinasen durch Michaelis-Menten-Kinetik beschrieben werden können. Die Änderungsrate der phosphorylierten Kinase (z.B. Kinase_1) wird durch folgende Differentialgleichung beschrieben:

\text{d}[\text{Kinase}_1\text{P}] / \text{d}t = k_1 [\text{Kinase}_1] [\text{RTK}\text{P}] - k_{-1} [\text{Kinase}_1\text{P}] - d_1 [\text{Kinase}_1\text{P}]

• wobei

  k_1

  die Ratekonstante für die Phosphorylierung,

  k_{-1}

  die Rückreaktion und

  d_1

  der Abbau der phosphorylierten Kinase ist.
• Für Kinase_2 lautet die Differentialgleichung ähnlich:

\text{d}[\text{Kinase}_2\text{P}] / \text{d}t = k_2 [\text{Kinase}_1\text{P}] [\text{Kinase}_2] - k_{-2} [\text{Kinase}_2\text{P}] - d_2 [\text{Kinase}_2\text{P}]

• Im stationären Zustand (\text{d}[\text{Kinase}_1\text{P}] / \text{d}t = 0 und \text{d}[\text{Kinase}_2\text{P}] / \text{d}t = 0) setzen wir die Änderungsraten gleich Null:

0 = k_1 [\text{Kinase}_1] [\text{RTK}\text{P}] - k_{-1} [\text{Kinase}_1\text{P}] - d_1 [\text{Kinase}_1\text{P}]

• Daraus folgt:

[\text{Kinase}_1\text{P}] = \frac{k_1 [\text{Kinase}_1] [\text{RTK}\text{P}]}{k_{-1} + d_1}

• Für die Gleichgewichtskonzentration von Kinase_2\text{P} ergibt sich:

[\text{Kinase}_2\text{P}] = \frac{k_2 [\text{Kinase}_1\text{P}] [\text{Kinase}_2]}{k_{-2} + d_2} = \frac{k_2 (k_1 [\text{Kinase}_1] [\text{RTK}\text{P}]) [\text{Kinase}_2]}{(k_{-1} + d_1) (k_{-2} + d_2)}

• Durch die Modellierung mit Differentialgleichungen und der Annahme chemischer Kinetik können wir die zeitliche Evolution der Konzentrationen der phosphorylierten Kinasen beschreiben. Im Gleichgewicht erhalten wir die stationären Konzentrationen der phosphorylierten Kinasen als Funktion der kinetischen Parameter und der Konzentrationen der beteiligten Proteine.

Aufgabe 4)

In biologischen Systemen sind die Prozesse der Transkription und Translation entscheidend für die Genexpression. Bei der Transkription wird die genetische Information von der DNA in die mRNA umgeschrieben. Diese wird dann bei der Translation in Proteine übersetzt. Die Transkription findet im Zellkern statt und wird von der RNA-Polymerase katalysiert. Die mRNA wird danach zu den Ribosomen im Zytoplasma transportiert, wo die Translation stattfindet. Die mRNA wird in Codons, Dreiergruppen von Nukleotiden, gelesen, und die tRNA bringt die entsprechenden Aminosäuren zu den Ribosomen. Die Translation startet immer mit dem Startcodon AUG, das für Methionin codiert.

a)

Teilaufgabe 1: Beschreibe den Ablauf der Transkription und nenne die Rolle der RNA-Polymerase dabei. Gehe insbesondere darauf ein, wie die spezifische Basensequenz der DNA in eine komplementäre mRNA-Sequenz umgeschrieben wird.

Berechne außerdem anhand der Basensequenzen folgendes:

' DNA-Sequenz: 5'-ATGCCGTAG-3'

Welche mRNA-Sequenz entsteht durch die Transkription dieser DNA-Sequenz?

Lösung:

Teilaufgabe 1: Beschreibe den Ablauf der Transkription und nenne die Rolle der RNA-Polymerase dabei. Gehe insbesondere darauf ein, wie die spezifische Basensequenz der DNA in eine komplementäre mRNA-Sequenz umgeschrieben wird.

Berechne außerdem anhand der Basensequenzen folgendes:

' DNA-Sequenz: 5'-ATGCCGTAG-3'

Welche mRNA-Sequenz entsteht durch die Transkription dieser DNA-Sequenz?

• 1. Initiation: Während der Initiation der Transkription erkennt die RNA-Polymerase eine spezifische Region der DNA, den Promotor, und bindet an diesen. Dies markiert den Startpunkt der Transkription.
• 2. Elongation: Nachdem die RNA-Polymerase an den Promotor gebunden hat, beginnt sie die DNA-Doppelhelix zu entwinden und die beiden Stränge zu trennen. Die RNA-Polymerase liest den codierenden DNA-Strang in 3' zu 5' Richtung und synthetisiert die mRNA in 5' zu 3' Richtung.
• 3. Termination: Sobald ein Terminatorbereich auf der DNA erreicht ist, stoppt die RNA-Polymerase die Transkription und setzt die neu synthetisierte mRNA frei.

Rolle der RNA-Polymerase: Die RNA-Polymerase ist das zentrale Enzym der Transkription. Sie bindet an den Promotor der DNA, entwinden die Doppelhelix, liest die Abfolge der Basen am codierenden Strang (3' zu 5') und synthetisiert eine komplementäre mRNA-Sequenz (5' zu 3'). Während dieser Prozess läuft, trägt die RNA-Polymerase dazu bei, dass die spezifische Basensequenz der DNA genau in eine komplementäre Basensequenz der mRNA umgeschrieben wird. Wenn eine DNA-Sequenz 5'-ATGCCGTAG-3' lautet, bestimmt die RNA-Polymerase die entsprechende mRNA-Sequenz.

Berechnung: Um die mRNA-Sequenz zu erhalten, müssen wir die komplementären Basenpaare berücksichtigen:

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

Wir transkribieren die DNA-Sequenz 5'-ATGCCGTAG-3' basenweise, um die komplementäre mRNA-Sequenz zu bestimmen:

• 5'-ATGCCGTAG-3’ DNA-Sequenz entspricht:
• 'UACGGCAUC'-3' mRNA-Sequenz

Die resultierende mRNA-Sequenz lautet also: 3'-UACGGCAUC-5'.

b)

Teilaufgabe 2: Erläutere, wie die Translation der mRNA in ein Protein erfolgt. Gehe dabei auf die Rolle der Ribosomen und tRNA ein. Verdeutliche, wie die Basentripletts (Codons) der mRNA die Reihenfolge der Aminosäuren im Protein bestimmen.

Berechne außerdem:

' mRNA-Sequenz: 5'-AUGCCGUAG-3'

Welche Aminosäuresequenz wird aus dieser mRNA-Sequenz synthetisiert?

Nutze dazu die Standard-Codon-Tabelle.

Lösung:

Teilaufgabe 2: Erläutere, wie die Translation der mRNA in ein Protein erfolgt. Gehe dabei auf die Rolle der Ribosomen und tRNA ein. Verdeutliche, wie die Basentripletts (Codons) der mRNA die Reihenfolge der Aminosäuren im Protein bestimmen.

Berechne außerdem:

' mRNA-Sequenz: 5'-AUGCCGUAG-3'

Welche Aminosäuresequenz wird aus dieser mRNA-Sequenz synthetisiert?

Nutze dazu die Standard-Codon-Tabelle.

• Initiation: Die Translation beginnt, wenn die mRNA an die kleine Untereinheit des Ribosoms bindet. Anschließend bindet das Start-tRNA-Molekül, das das Startcodon AUG erkennt, an die mRNA. Die große Untereinheit des Ribosoms schließt sich an und bildet einen vollständigen Ribosomkomplex.
• Elongation: Während der Elongation bewegt sich das Ribosom entlang der mRNA von 5'-Ende zu 3'-Ende. Jede tRNA transportiert eine spezifische Aminosäure, die zu ihrem komplementären Anticodon auf der tRNA passt. Wenn das Anticodon der tRNA an das Codon der mRNA bindet, wird die entsprechende Aminosäure an die wachsende Polypeptidkette angefügt.
• Termination: Die Translation endet, wenn das Ribosom auf ein Stopcodon trifft (UAA, UAG oder UGA). Diese Stopcodons haben keine entsprechenden tRNA-Moleküle. Stattdessen binden Freisetzungsfaktoren an das Stopcodon, was dazu führt, dass das Ribosom die Polypeptidkette freisetzt und die Translation beendet.

Rolle der Ribosomen und tRNA: Die Ribosomen sind die zellulären Maschinen, die die Translation durchführen. Sie bestehen aus einer kleinen und einer großen Untereinheit und bieten die Plattform, auf der die mRNA gelesen und die Aminosäuren zu einer Polypeptidkette verknüpft werden. Die tRNA-Moleküle (Transfer-RNA) sind spezifisch für jede Aminosäure und haben Anticodons, die komplementär zu den Codons der mRNA sind. Die tRNA bringt die entsprechende Aminosäure zum Ribosom, wo sie in die wachsende Polypeptidkette eingegliedert wird.

Translation der mRNA in ein Protein anhand der gegebenen mRNA-Sequenz: Die mRNA-Sequenz lautet 5'-AUGCCGUAG-3'.

Wir verwenden die Standard-Codon-Tabelle, um die entsprechenden Aminosäuren zu identifizieren:

• AUG: Methionin (Startcodon)
• CCG: Prolin
• UAG: Stopcodon

Daher wird aus der mRNA-Sequenz 5'-AUGCCGUAG-3' folgendes Protein synthetisiert:

Protein: Methionin - Prolin (Translation endet beim Erreichen des Stopcodons UAG)