Biochemie / Molekularbiologie - Exam

Aufgabe 1)

In einem Gewebe sind verschiedene Zellen darauf angewiesen, untereinander zu kommunizieren, um gemeinsam auf Hormone und Wachstumsfaktoren zu reagieren. Ein bestimmtes extrazelluläres Signal, z.B. ein Hormon, bindet an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR) auf der Zellmembran und löst eine Signalkaskade aus. Dabei wird als Second Messenger cAMP produziert, was zur Aktivierung einer Proteinkinase führt. Diese Kinase ist in der Lage, andere Proteine zu phosphorylieren und damit die Genexpression zu beeinflussen. Eine negative Rückkopplung reguliert diese Signale, um eine Überstimulierung zu vermeiden.

a)

Beschreibe den Prozess der Signaltransduktion, der durch die Bindung eines Hormons an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR) initiiert wird. Gehe dabei besonders auf die Rolle von G-Proteinen und der Adenylylcyclase ein.

Lösung:

Beschreibung des Prozesses der Signaltransduktion durch G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCR):

• Ein Hormon, das als extrazelluläres Signal fungiert, bindet an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR) auf der Zellmembran der Zielzelle.
• Diese Bindung führt zu einer Konformationsänderung des GPCR, wodurch das Rezeptorprotein aktiviert wird und ein daran gebundenes G-Protein in der Membran aktiviert.
• G-Proteine bestehen aus drei Untereinheiten: Alpha (α), Beta (β) und Gamma (γ). Im inaktiven Zustand ist GDP (Guanosindiphosphat) an die Alpha-Untereinheit gebunden.
• Bei der Aktivierung durch den GPCR wird GDP durch GTP (Guanosintriphosphat) ersetzt. Dadurch ändert sich die Struktur der Alpha-Untereinheit, was zur Dissoziation der Alpha-Untereinheit von den Beta- und Gamma-Untereinheiten führt.
• Die Alpha-Untereinheit (gebunden an GTP) interagiert mit und aktiviert die Adenylylcyclase, ein membrangebundenes Enzym.
• Die aktivierte Adenylylcyclase katalysiert die Umwandlung von ATP (Adenosintriphosphat) in cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat), das als Second Messenger fungiert.
• cAMP aktiviert wiederum die Proteinkinase A (PKA), die andere Proteine durch Phosphorylierung reguliert. Diese Proteine können verschiedene zelluläre Funktionen beeinflussen, einschließlich der Genexpression.
• Die Signaltransduktion wird schließlich durch negative Rückkopplung reguliert. Beispielsweise kann das GTP auf der Alpha-Untereinheit hydrolysiert werden, was zur Rückkehr zum GDP-gebundenen Zustand führt und das G-Protein inaktiviert.

b)

Erkläre, wie cAMP als Second Messenger fungiert und wie es die Aktivierung der Proteinkinase A (PKA) steuert. Zeichne den signaltransduktionsweg unter Einbeziehung der cAMP-Produktion und PKA-Aktivierung.

Lösung:

Erklärung, wie cAMP als Second Messenger fungiert und die Aktivierung der Proteinkinase A (PKA) steuert:

• Initiierung der Signaltransduktion: Ein Hormon bindet an einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor (GPCR) auf der Zellmembran, was eine Konformationsänderung des Receptors bewirkt und zur Aktivierung eines gebundenen G-Proteins führt.
• Aktivierung der Adenylylcyclase: Die Alpha-Untereinheit des G-Proteins, an die GTP gebunden ist, dissoziiert von den Beta- und Gamma-Untereinheiten und bindet an die Adenylylcyclase. Dies aktiviert das Enzym.
• Produktion von cAMP: Die aktivierte Adenylylcyclase katalysiert die Umwandlung von ATP in cAMP (zyklisches Adenosinmonophosphat), welches als Second Messenger dient.
• Aktivierung der Proteinkinase A (PKA): cAMP bindet an die regulatorischen Untereinheiten der inaktiven PKA. Dies führt zur Freisetzung der katalytischen Untereinheiten, die dann aktiv werden.
• Phosphorylierung von Zielproteinen: Die aktiven katalytischen Untereinheiten der PKA phosphorylieren spezifische Zielproteine, was verschiedene zelluläre Funktionen beeinflusst, einschließlich der Regulation der Genexpression.
• Regulation durch negative Rückkopplung: Die Hydrolyse von cAMP durch Phosphodiesterasen und die Rückkehr des G-Proteins zum GDP-gebundenen Zustand führen zur Deaktivierung des Signalwegs.

1. Hormon bindet an GPCR -> GPCR aktiviert2. GPCR aktiviert G-Protein3. G-Protein aktiviert Adenylylcyclase4. Adenylylcyclase produziert cAMP5. cAMP aktiviert PKA6. PKA phosphoryliert Zielproteine -> Funktionelle Änderungen7. Negative Rückkopplung deaktiviert Signalweg

c)

Diskutiere die Mechanismen der Phosphorylierung durch Proteinkinasen und der Dephosphorylierung durch Phosphatasen. Warum ist dieser Wechsel im Rahmen der Signaltransduktion wichtig?

Lösung:

Mechanismen der Phosphorylierung durch Proteinkinasen und der Dephosphorylierung durch Phosphatasen:

• Phosphorylierung durch Proteinkinasen:
  • Proteinkinasen sind Enzyme, die Phosphatgruppen von ATP auf spezifische Aminosäurereste (meist Serin, Threonin oder Tyrosin) von Zielproteinen übertragen.
  • Dieser Prozess verändert die Konformation und die Aktivität der Zielproteine, was oft zur Aktivierung oder Deaktivierung bestimmter Funktionen führt. Zum Beispiel kann die Phosphorylierung die Bindungsfähigkeit eines Proteins zu anderen Molekülen oder seine enzymatische Aktivität beeinflussen.
  • Phosphorylierungen können als schnelle und reversible Methode zur Regulierung von zellulären Prozessen wie der Genexpression, dem Zellwachstum oder der Signalübertragung dienen.
• Dephosphorylierung durch Phosphatasen:
  • Phosphatasen sind Enzyme, die Phosphatgruppen von phosphorylierten Proteinen entfernen. Dies geschieht durch die Hydrolyse der Phosphatbindung.
  • Die Dephosphorylierung führt häufig zur Inaktivierung oder Aktivierung der Zielproteine, je nach Zellkontext und den involvierten spezifischen Proteinen.
  • Wie die Phosphorylierung ist auch die Dephosphorylierung eine schnelle und reversible Möglichkeit zur Regelung von Zellfunktionen.
• Wichtigkeit des Wechsels zwischen Phosphorylierung und Dephosphorylierung:
  • Der dynamische Wechsel zwischen Phosphorylierung und Dephosphorylierung ist essenziell für die Feinabstimmung und Präzision der zellulären Signaltransduktion.
  • Durch diesen Wechsel können Zellen flexibel auf eine Vielzahl von Signalen reagieren und komplexe Signalnetzwerke regulieren. Dies ermöglicht schnelle Anpassungen an sich ändernde Bedingungen und feine Regulationen der zellulären Aktivitäten.
  • Eine kontrollierte Phosphorylierung und Dephosphorylierung verhindert eine Überaktivierung oder eine unzureichende Signalisierung, was zu zellulären Schäden oder Krankheiten führen könnte.
  • Insbesondere im Rahmen der Signaltransduktion durch GPCRs kann die gezielte Regulierung von Proteinkinasen und Phosphatasen sicherstellen, dass Signale effizient weitergeleitet und entsprechend der zellulären Bedürfnisse moduliert werden.

d)

Die Signalverstärkung ist ein wichtiges Konzept der Signaltransduktion. Berechne die Verstärkungsrate, wenn eine einzelne Hormonmolekülbindung zur Produktion von 100 Molekülen cAMP führt und jedes cAMP-Molekül 10 aktive PKA-Einheiten generiert. Wie viele aktive PKA-Einheiten entstehen dann aus einem einzelnen Hormonmolekül?

Lösung:

Berechnung der Signalverstärkungsrate:

• Wir beginnen mit der Bindung eines einzelnen Hormonmoleküls an einen GPCR.
• Diese Bindung führt zur Produktion von 100 Molekülen cAMP.
• Jedes cAMP-Molekül aktiviert 10 Einheiten der Proteinkinase A (PKA).
• Die Gesamtzahl der aktivierten PKA-Einheiten kann somit wie folgt berechnet werden:

• Anzahl der cAMP-Moleküle: 100
• Anzahl der aktivierten PKA-Einheiten pro cAMP-Molekül: 10
• Gesamtzahl der aktivierten PKA-Einheiten: 100 cAMP-Moleküle * 10 PKA-Einheiten/cAMP-Molekül = 1000 PKA-Einheiten

Ein einzelnes Hormonmolekül führt zur Aktivierung von 1000 PKA-Einheiten. Die Verstärkungsrate ist somit 1000:1, wobei ein einzelnes Hormonmolekül letztlich zur Aktivierung von 1000 PKA-Einheiten führt.

Aufgabe 2)

Betrachten wir ein Enzym, das die Umwandlung eines Substrats S in ein Produkt P katalysiert. Es folgt der Michaelis-Menten-Kinetik mit der Gleichung: \[ v = \frac{v_{max} [S]}{K_m + [S]} \]

Parameter und Werte:

• \(v_{max} = 100 \text{ µmol/min} \)
• \( K_m = 50 \text{ µmol/L} \)
• [S] ist die Substratkonzentration

a)

Berechne die Reaktionsgeschwindigkeit, \(v\), für Substratkonzentrationen von [S] = 25 µmol/L, [S] = 50 µmol/L und [S] = 100 µmol/L. Zeige alle Schritte und verwende die Michaelis-Menten-Gleichung.

Lösung:

Aufgabe: Berechne die Reaktionsgeschwindigkeit, \(v\), für Substratkonzentrationen von [S] = 25 µmol/L, [S] = 50 µmol/L und [S] = 100 µmol/L. Zeige alle Schritte und verwende die Michaelis-Menten-Gleichung.Gegebene Parameter:

• \(v_{max} = 100 \text{ µmol/min} \)
• \( K_m = 50 \text{ µmol/L} \)
• \([S] = 25 \text{ µmol/L}, 50 \text{ µmol/L}, 100 \text{ µmol/L} \)

• Für \([S] = 25 \text{ µmol/L}\): \[ v = \frac{100 \cdot 25}{50 + 25} \] \[ v = \frac{2500}{75} \] \[ v = 33.33 \text{ µmol/min} \]
• Für \([S] = 50 \text{ µmol/L}\): \[ v = \frac{100 \cdot 50}{50 + 50} \] \[ v = \frac{5000}{100} \] \[ v = 50 \text{ µmol/min} \]
• Für \([S] = 100 \text{ µmol/L}\): \[ v = \frac{100 \cdot 100}{50 + 100} \] \[ v = \frac{10000}{150} \] \[ v = 66.67 \text{ µmol/min} \]

b)

Diskutiere, wie sich eine allosterische Inhibition auf dieses Enzym auswirken würde. Beschreibe den Mechanismus sowie die potentiellen Effekte auf die Parameter \(v_{max}\) und \(K_m\).

Lösung:

Aufgabe: Diskutiere, wie sich eine allosterische Inhibition auf dieses Enzym auswirken würde. Beschreibe den Mechanismus sowie die potentiellen Effekte auf die Parameter \(v_{max}\) und \(K_m\).Allosterische Inhibition:Allosterische Inhibition tritt auf, wenn ein Inhibitor an eine andere Stelle auf dem Enzym (die allosterische Stelle) bindet als das aktive Zentrum, wo das Substrat gebunden wird. Diese Bindung kann zu Veränderungen in der Konformation des Enzyms führen, was seine Aktivität beeinflussen kann.Mechanismus:

• Der Inhibitor bindet an das allosterische Zentrum des Enzyms. Dies ist eine spezifische Stelle, die nicht mit dem aktiven Zentrum übereinstimmt, wo das Substrat bindet.
• Die Bindung des Inhibitors bewirkt eine Konformationsänderung im Enzym. Diese Konformationsänderung kann die Struktur des aktiven Zentrums verändern.
• Die Änderung in der Struktur des aktiven Zentrums kann die Affinität des Enzyms für das Substrat verringern oder dessen katalytische Effizienz beeinträchtigen.

• Effekt auf \(v_{max}\): Bei einer nicht-kompetitiven Hemmung, die eine Art der allosterischen Hemmung sein kann, wird \(v_{max}\) typischerweise gesenkt. Das Enzym wird weniger effizient in der Katalyse der Reaktion, selbst wenn die Substratkonzentration hoch ist.
• Effekt auf \(K_m\): Der Einfluss auf \(K_m\) kann variieren. Bei einer nicht-kompetitiven Hemmung bleibt \(K_m\) oft unverändert, da die Affinität des Enzyms für das Substrat nicht direkt beeinflusst wird. Bei einer kompetitiven Hemmung hingegen, die nicht allosterisch ist, würde \(K_m\) erhöht, weil die Anwesenheit des Inhibitors die Bindung des Substrats erschwert. Allosterische Hemmung hingegen kann auch andere Muster zeigen und erfordert oft detaillierte experimentelle Untersuchung, um die genauen Effekte zu bestimmen.

Aufgabe 3)

Nukleinsäuren sind entscheidend für die Speicherung und Umsetzung genetischer Information. Dabei spielen DNA und RNA unterschiedliche Rollen in den Prozessen der Replikation, Transkription und Translation. Genexpression beinhaltet auch die Regulation dieser Prozesse und kann durch Mutationen sowie durch kodierende und nicht-kodierende Regionen beeinflusst werden.

a)

(a) Erläutere den Prozess der DNA-Replikation und die Rolle der DNA-Polymerase. Welche grundsätzlichen Unterschiede bestehen zwischen der Replikation von Prokaryoten und Eukaryoten?

Lösung:

(a) Der Prozess der DNA-Replikation und die Rolle der DNA-Polymerase:

Die DNA-Replikation ist ein entscheidender biologischer Prozess, bei dem eine exakte Kopie der DNA hergestellt wird. Diese Kopie ist notwendig für Zellteilungen, damit jede Tochterzelle eine vollständige Kopie des genetischen Materials erhält.

Schritte der DNA-Replikation:

• Initiation: Der Prozess beginnt an spezifischen Stellen im DNA-Molekül, den sogenannten Ursprüngen der Replikation. In diesen Bereichen wird die Doppelhelix entwunden, um zwei Einzelstränge freizulegen, die als Matrizen dienen.
• Primase: Ein Enzym namens Primase synthetisiert kurze RNA-Primer, die als Startpunkte für die DNA-Synthese dienen.
• Elongation: Die DNA-Polymerase fügt Nukleotide an den 3'-Enden der RNA-Primer hinzu und synthetisiert neue DNA-Stränge, indem sie die Matrizenstränge liest. Die Synthese erfolgt in 5'-zu-3'-Richtung.
• Leading und Lagging Strang: Die DNA-Replikation ist semi-diskontinuierlich – der führende Strang wird kontinuierlich synthetisiert, während der verzögerte Strang in kurzen Abschnitten, den Okazaki-Fragmenten, synthetisiert wird. Diese Fragmente werden später durch das Enzym Ligase verbunden.
• Termination: Die Replikation endet, wenn die Replikationsgabeln auf Replikationsstoppsignale treffen oder wenn sie aufeinander zulaufen.

Rolle der DNA-Polymerase:

• Synthese neuer DNA-Stränge: Die Hauptfunktion der DNA-Polymerase ist die Katalysation der Synthese neuer DNA-Stränge, indem sie komplementäre Nukleotide an den Matrizenstrang anfügt.
• Korrekturlesen: Die DNA-Polymerase verfügt über exonukleolytische Aktivitäten, die es ihr ermöglichen, während der Synthese entstandene Fehler zu erkennen und zu korrigieren, wodurch die Genauigkeit der Replikation erhöht wird.

Grundsätzliche Unterschiede zwischen der Replikation von Prokaryoten und Eukaryoten:

• Ursprünge der Replikation: Prokaryoten haben typischerweise einen einzigen Ursprung der Replikation, während Eukaryoten mehrere Ursprünge haben, was die Replikation komplexer und effizienter macht.
• Replikationsgeschwindigkeit: Die Replikation erfolgt in Prokaryoten schneller als in Eukaryoten. Dies liegt zum Teil an der einfacheren Zellstruktur der Prokaryoten.
• Replikationsmaschinen: Eukaryoten verwenden mehrere verschiedene DNA-Polymerasen mit unterschiedlichen Funktionen, während Prokaryoten hauptsächlich auf eine DNA-Polymerase III angewiesen sind.
• Telomere: Eukaryoten haben lineare Chromosomen mit Telomeren am Ende, die während der Replikation gekürzt werden können. Prokaryoten haben kreisförmige Chromosomen ohne solche Enden, sodass sie sich über diese Problematik keine Sorgen machen müssen.

b)

(b) Beschreibe die Unterschiede zwischen Transkription und Translation. Welche Rolle spielen RNA-Polymerase und Ribosomen in diesen Prozessen?

Lösung:

(b) Unterschiede zwischen Transkription und Translation und die Rolle von RNA-Polymerase und Ribosomen:

Unterschiede zwischen Transkription und Translation:

• Lokalisierung: Die Transkription findet im Zellkern (bei Eukaryoten) bzw. im Cytoplasma (bei Prokaryoten) statt, während die Translation an den Ribosomen im Cytoplasma (bei beiden Zelltypen) erfolgt.
• Funktion: Bei der Transkription wird die DNA-Sequenz eines Gens in eine mRNA-Sequenz umgeschrieben. Bei der Translation wird diese mRNA-Sequenz in eine Aminosäuresequenz (Protein) übersetzt.
• Enzyme und Moleküle: Transkription wird durch RNA-Polymerase katalysiert, während die Translation durch Ribosomen und tRNA-Moleküle vermittelt wird.
• Produkte: Das Endprodukt der Transkription ist eine mRNA, wohingegen die Translation ein Polypeptid (Protein) produziert.

Rolle der RNA-Polymerase:

• Synthese der mRNA: Die RNA-Polymerase katalysiert die Synthese von mRNA, indem sie die DNA-Matrize liest und komplementäre RNA-Nukleotide hinzufügt.
• Initiation der Transkription: Die RNA-Polymerase bindet an spezielle DNA-Sequenzen, sogenannte Promotoren, um die Transkription zu starten.
• Elongation der mRNA: Während der Elongationsphase fügt die RNA-Polymerase RNA-Nukleotide an das 3'-Ende der wachsenden mRNA-Kette hinzu.
• Termination der Transkription: Die RNA-Polymerase erkennt spezifische Terminationssignale und beendet die Synthese der mRNA.

Rolle der Ribosomen:

• Initiation der Translation: Die Ribosomen binden an die mRNA und rekrutieren die erste tRNA, die die Aminosäure Methionin trägt, um den Translationprozess zu starten.
• Peptidbindungssynthese: Ribosomen katalysieren die Bildung von Peptidbindungen zwischen Aminosäuren, die von tRNA-Molekülen zur mRNA gebracht werden.
• Elongation des Polypeptids: Ribosomen bewegen sich entlang der mRNA, lesen ihre Sequenz ab und verlängern das Polypeptid, indem sie die entsprechende Aminosäure an die wachsende Kette anhängen.
• Termination der Translation: Ribosomen erkennen Stop-Codons auf der mRNA und setzen das fertige Polypeptid frei. Danach zerfallen die Ribosomen in ihre Untereinheiten.

c)

(c) Diskutiere die Bedeutung von Exons und Introns in der Genregulation bei Eukaryoten. Wie können Mutationen in diesen Regionen die Genexpression beeinflussen?

Lösung:

(c) Bedeutung von Exons und Introns in der Genregulation bei Eukaryoten:

Exons:

• Kodierende Sequenzen: Exons sind die Regionen eines Gens, die die Informationen für die Synthese von Proteinen enthalten. Sie werden während der Transkription in mRNA umgeschrieben und dann während der Translation in eine Aminosäuresequenz übersetzt.
• Genexpression: Die richtige Zusammensetzung und Reihenfolge der Exons ist entscheidend für die korrekte Funktion des entstehenden Proteins. Änderungen in den Exons können die Struktur und Funktion des Proteins erheblich beeinflussen.

Introns:

• Nicht-kodierende Sequenzen: Introns sind nicht-kodierende Regionen eines Gens. Sie werden zwar während der Transkription mit transkribiert, aber vor der Translation aus der prä-mRNA herausgespleißt.
• Regulatorische Funktionen: Introns können regulatorische Sequenzen enthalten, die die Genexpression beeinflussen. Sie können beispielsweise die Effizienz des Spleißens und die Stabilität der mRNA beeinflussen und somit indirekt die Proteinsynthese steuern.
• Alternatives Spleißen: Introns erlauben alternatives Spleißen, ein Prozess, bei dem verschiedene Kombinationen von Exons in der mRNA enthalten sind. Dies erhöht die Vielfalt der Proteine, die ein einzelnes Gen kodieren kann und ermöglicht eine feinere Regulation der Genexpression.

Einfluss von Mutationen:

• Mutationen in Exons:
  • Missense-Mutationen: Diese Mutationen führen zu einem Austausch einer Aminosäure in der Proteinsequenz, was die Funktion oder Stabilität des Proteins beeinträchtigen kann.
  • Nonsense-Mutationen: Diese Mutationen erzeugen ein Stop-Codon in der Mitte der kodierenden Sequenz, was zu einem vorzeitigen Abbruch der Proteinsynthese führt und ein oft funktionsloses Protein erzeugt.
  • Frameshift-Mutationen: Diese Mutationen verschieben das Leseraster der mRNA und führen zu einer komplett falschen Aminosäuresequenz nach der Mutation, was meist schwerwiegende funktionelle Folgen für das Protein hat.
• Mutationen in Introns:
  • Spleißstellen-Mutationen: Änderungen in den Spleißstellen können das korrekte Entfernen der Introns beeinträchtigen und zu abnormalen mRNA-Transkripten führen, die falsche oder fehlerhafte Proteine erzeugen.
  • Regulatorische Mutationen: Mutationen in regulatorischen Elementen innerhalb der Introns können die Transkriptionseffizienz, die mRNA-Stabilität oder das alternative Spleißen beeinflussen, was zu veränderter Genexpression und Proteinproduktion führt.

d)

(d) Betrachte eine hypothetische Mutationsstelle in einem Gen, die zur Einführung eines vorzeitigen Stoppcodons führt. Berechne die Auswirkungen auf das resultierende Protein, wenn das Gen ursprünglich für ein Protein mit 300 Aminosäuren kodiert und die Mutation nach der 150. Aminosäure auftritt. Was sind mögliche Folgen dieser Mutation auf molekularer und funktioneller Ebene?

Lösung:

(d) Hypothetische Mutationsstelle und ihre Auswirkungen:

Einführung eines vorzeitigen Stoppcodons:

Angenommen, eine Mutation in einem Gen führt zur Einführung eines vorzeitigen Stoppcodons nach der 150. Aminosäure. Dieses vorzeitige Stoppcodon bewirkt, dass der Translationprozess abbricht, wodurch das resultierende Protein statt der normalen 300 Aminosäuren nur 150 Aminosäuren in seiner Sequenz besitzt.

Berechnung der Auswirkungen:

• Ursprüngliche Länge des Proteins: 300 Aminosäuren
• Länge des Proteins nach der Mutation: 150 Aminosäuren
• Verlust: 300 - 150 = 150 Aminosäuren

Molekulare Folgen:

• Verkürztes Protein: Das entstehende Protein ist nur halb so lang wie das ursprüngliche Protein. Eine Verkürzung kann zur Bildung eines funktionslosen Proteins führen.
• Verlust wichtiger Domänen: Das vorzeitige Stoppcodon wird wahrscheinlich wichtige funktionelle Domänen entfernen, die für die Aktivität und Stabilität des Proteins notwendig sind.
• Non-Sense Mediated Decay (NMD): Das mRNA-Transkript mit dem vorzeitigen Stoppcodon könnte durch zelluläre Qualitätskontrollmechanismen, wie NMD, erkannt und abgebaut werden. Darunter würde die Synthese des Proteins komplett verhindert.

Funktionelle Folgen:

• Funktionaler Verlust: Die Mutation kann zu einem Verlust der Proteinaktivität führen, da das verkürzte Protein seine normale Funktion nicht ausüben kann.
• Störung zellulärer Prozesse: Bei Proteinen mit essentiellen Funktionen könnte der Verlust oder die Fehlfunktion des Proteins schwerwiegende Auswirkungen auf die Zelle oder den Organismus haben. Dies könnte beispielsweise zu Krankheiten oder genetischen Störungen führen.
• Dominant-negative Effekte: Wenn das mutierte Protein in der Lage ist, mit anderen Proteinen zu interagieren, aber nicht richtig funktioniert, könnte es auch das normale (wildtyp) Protein stören. Dies kann zu einer verschlechterten Funktion oder Dysfunktion führen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Einführung eines vorzeitigen Stoppcodons durch eine Mutation schwerwiegende molekulare und funktionelle Konsequenzen auf das resultierende Protein und den Organismus haben kann.

Aufgabe 4)

Beschreibe den Ablauf und die Regulierung des Zellzyklus. Berücksichtige dabei insbesondere die verschiedenen Phasen des Zellzyklus sowie ihre charakteristischen Merkmale und wichtigsten Regulatoren.

a)

Beschreibe die vier Hauptphasen des Zellzyklus und die jeweiligen biologischen Prozesse, die in jeder Phase stattfinden.

Lösung:

Hauptphasen des Zellzyklus:

• G₁-Phase (Gap 1): Die Zelle wächst und synthetisiert verschiedene Organellen sowie Moleküle, die für die DNA-Replikation notwendig sind. Hierbei prüft die Zelle auch, ob sie bereit ist, in die S-Phase überzugehen. Regulatoren wie Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs) spielen eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle dieser Phase.
• S-Phase (Synthese-Phase): In dieser Phase wird die DNA der Zelle verdoppelt, um zwei identische Kopien bereitzustellen. Dies stellt sicher, dass jede Tochterzelle nach der Mitose die gleiche genetische Information erhält. Wichtige Proteine wie DNA-Polymerasen sind für die Replikation notwendig. Zusätzlich werden Centrosomen dupliziert, um später Spindelfasern für die Zellteilung bereitzustellen.
• G₂-Phase (Gap 2): Die Zelle wächst weiter und bereitet sich auf die Mitose vor. Sie überprüft die Vervollständigung der DNA-Replikation und repariert gegebenenfalls Schäden. Außerdem werden Proteine synthetisiert, die für die Zellteilung notwendig sind. Auch hier sind Cycline und CDKs entscheidende Regulatoren, die den Fortschritt durch die Phase steuern.
• M-Phase (Mitose-Phase): Die Mitose teilt die Verdoppelten Chromosomen in zwei Tochterzellen auf. Sie besteht aus mehreren Unterphasen: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase. Am Ende der Mitose erfolgt die Cytokinese, bei der das Zytoplasma der Zelle geteilt wird, um zwei vollständig getrennte Tochterzellen zu bilden. Enzyme wie Separase und Proteine wie Kohäsin und Kinetochor sind wichtige Komponenten, die den Ablauf der Mitose steuern.

b)

Erkläre, wie Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs) den Zellzyklus regulieren und welche Rolle sie an den verschiedenen Kontrollpunkten spielen.

Lösung:

Regulation des Zellzyklus durch Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs):

• Allgemeine Funktion: Cycline und Cyclin-abhängige Kinasen (CDKs) sind essentielle Regulatoren des Zellzyklus. Cycline sind Proteine, deren Konzentration im Laufe des Zellzyklus variiert. CDKs sind Enzyme, die nur dann aktiv sind, wenn sie an Cycline gebunden sind. Diese Aktivierung ermöglicht die Phosphorylierung von Zielproteinen, die den Fortschritt durch die Zellzyklusphasen steuern.
• G₁-Phase: In der G₁-Phase sind Cyclin D und CDK4/6 aktiv. Diese Kombinationen fördern das Wachstum der Zelle und die Vorbereitung auf die DNA-Replikation. Ein entscheidender Kontrollpunkt ist der G₁/S-Checkpoint, an dem die Zelle überprüft, ob sie bereit ist, in die S-Phase überzugehen. Hier spielt das Retinoblastom-Protein (Rb) eine wichtige Rolle, das durch die Aktivität von Cyclin D/CDK4/6 phosphoryliert wird und die Transkription von S-Phase-Genen freigibt.
• S-Phase: In der Synthese-Phase steigen die Konzentrationen von Cyclin A und CDK2 an. Diese Komplexe unterstützen die DNA-Replikation, indem sie die Aktivität der DNA-Polymerase und anderer Replikationsproteine regulieren. Vor Beginn der S-Phase überprüft die Zelle am G₁/S-Checkpoint nochmals, ob die Bedingungen für die DNA-Replikation geeignet sind.
• G₂-Phase: In der G₂-Phase wird der Cyclin A/CDK1- und Cyclin B/CDK1-Komplex aktiv. Diese Komplexe kontrollieren die Vorbereitung der Zelle auf die Mitose, indem sie die benötigten Proteine für die Zellteilung phosphorylieren. Der G₂/M-Kontrollpunkt stellt sicher, dass die DNA vollständig repliziert und repariert wurde, bevor die Zelle in die Mitose eintritt.
• M-Phase: Während der Mitose sind hauptsächlich Cyclin B und CDK1 (auch bekannt als Mitose-promotor-Faktor, MPF) aktiv. Diese bewirken den Eintritt in die Mitose und die richtige Aufteilung der Chromosomen. Der Metaphase/Anaphase-Checkpoint stellt sicher, dass alle Chromosomen korrekt an der mitotischen Spindel befestigt sind, bevor die Zellteilung fortgesetzt wird.
• Klinische Relevanz: Störungen in der Regulation von Cyclinen und CDKs können zu unkontrolliertem Zellwachstum und Krebs führen. Daher sind CDKs und ihre Regulatoren häufig Ziel von Krebsbehandlungen.

c)

Betrachte eine Zelle mit einer doppelsträngigen DNA-Länge von 6,4 Milliarden Basenpaaren. Wie viele Basenpaare werden während der S-Phase repliziert und erkläre, warum die Korrektheit der Replikation von zentraler Bedeutung ist.

Lösung:

Replikation der DNA während der S-Phase:

• Anzahl der Basenpaare: Eine Zelle mit einer doppelsträngigen DNA-Länge von 6,4 Milliarden Basenpaaren muss während der S-Phase ihre gesamte DNA verdoppeln. Das bedeutet, es müssen 6,4 Milliarden Basenpaare repliziert werden.
• Bedeutung der Korrektheit der Replikation: Die Genauigkeit der DNA-Replikation ist von zentraler Bedeutung für die Zellfunktion und -gesundheit. Hier sind einige Gründe:
• Vermeidung von Mutationen: Fehler in der DNA-Replikation können zu Mutationen führen, die die Funktion von Genen beeinträchtigen können. Solche Mutationen können eventuell zu Krankheiten wie Krebs führen.
• Sicherstellung der genetischen Integrität: Jede Tochterzelle muss nach der Zellteilung eine genaue Kopie der DNA erhalten. Nur so kann sichergestellt werden, dass beide Zellen die gleiche genetische Information haben und korrekt funktionieren.
• Schutz vor genetischen Erkrankungen: Fehlerhafte Replikation kann auch zu erblichen genetischen Erkrankungen führen. Korrekte Replikation ist daher essenziell für die Gesundheit der Nachkommen.
• Mechanismen zur Sicherung der Genauigkeit: Um die Korrektheit der Replikation zu gewährleisten, verfügen Zellen über spezialisierte Mechanismen:
• DNA-Polymerase: Dieses Enzym hat eine Proofreading-Funktion, die sicherstellt, dass falsch eingebaute Nukleotide korrigiert werden.
• Mismatch-Reparatursystem: Dieses System erkennt und repariert Basenpaare, die während der Replikation falsch eingebaut wurden.
• Checkpoints im Zellzyklus: Während der S-Phase und G₂-Phase gibt es Kontrollpunkte, die die Integrität der replizierten DNA überprüfen und gegebenenfalls Reparaturmechanismen aktivieren.

d)

Diskutiere, wie Mutationen in Genen, die den Zellzyklus regulieren, zur Entstehung von Krebs führen können. Gehe dabei auf Beispiele spezifischer Gene ein.

Lösung:

Verbindung zwischen Mutationen in Zellzyklus-Genen und Krebsentstehung:

• Allgemeine Erklärung: Krebs entsteht oft durch unkontrolliertes Zellwachstum und -teilung, bedingt durch Mutationen in Genen, die den Zellzyklus regulieren. Solche Mutationen können dazu führen, dass normale Kontrollmechanismen außer Kraft gesetzt werden, was zur Bildung von Tumoren führen kann.
• Beispiele spezifischer Gene:
• TP53 (Tumorsuppressorgen p53): p53 ist ein bedeutendes Tumorsuppressorgen und spielt eine entscheidende Rolle als „Wächter des Genoms“. Es überwacht DNA-Schäden und kann bei Bedarf den Zellzyklus anhalten, um Reparaturmechanismen zu aktivieren oder Apoptose (programmierten Zelltod) auszulösen, wenn der Schaden irreparabel ist. Mutationen in TP53 sind in etwa 50% aller Krebserkrankungen zu finden. Fehlt p53, können Zellen mit DNA-Schäden weiter proliferieren, was zur Tumorentwicklung führt.
• RB1 (Retinoblastom-Gen): Das RB-Protein, das vom RB1-Gen kodiert wird, ist ein weiterer wichtiger Tumorsuppressor. Es reguliert den Übergang von der G₁- in die S-Phase, indem es den E2F-Transkriptionsfaktor hemmt. Mutationen im RB1-Gen führen zu einer unkontrollierten Aktivierung von E2F, was zu einer kontinuierlichen Zellteilung und damit zur Tumorbildung beitragen kann. Mutationen im RB1-Gen sind oft mit Retinoblastomen und anderen Formen von Krebs verbunden.
• CDK4 und CDK6 (Cyclin-abhängige Kinasen): Diese Kinasen spielen eine Schlüsselrolle im Zellzyklus, vor allem beim Übergang von der G₁-Phase zur S-Phase. Mutationen, die zu einer Überaktivierung von CDK4 oder CDK6 führen, können den Zellzyklus beschleunigen und unkontrolliertes Zellwachstum fördern. Hemmstoffe, die gezielt gegen CDK4/6 gerichtet sind, werden zur Behandlung bestimmter Brustkrebserkrankungen eingesetzt.
• MYC (Proto-Onkogen): MYC ist ein Proto-Onkogen, das die Expression von Genen reguliert, die für das Zellwachstum und die Zellteilung notwendig sind. Mutationen oder Überexpression von MYC können zur Onkogenaktivierung führen, was unbegrenztes Zellwachstum und Krebs öffnet. MYC-Überexpression ist mit vielen Krebsarten wie Burkitt-Lymphom und anderen soliden Tumoren assoziiert.
• BRCA1 und BRCA2 (DNA-Reparaturgene): BRCA1 und BRCA2 sind wichtige Gene, die für die Reparatur von Doppelstrangbrüchen in der DNA verantwortlich sind. Mutationen in diesen Genen führen zu einer erhöhten Anfälligkeit für Brust- und Eierstockkrebs, da die Zellen nicht mehr in der Lage sind, DNA-Schäden effizient zu reparieren und somit zu Aberrationen und Tumorentstehung beitragen.