Praktikum, Biologie für Mediziner - Exam

Aufgabe 1)

Beschreibe die biochemischen und strukturellen Merkmale und die Funktionen der verschiedenen Zellorganellen, auf die sich die zelluläre Homöostase und Stoffwechselaktivität stützt.

b)

Untersuche die Funktion des Endoplasmatischen Retikulums (ER) und beschreibe den Unterschied zwischen glattem und rauem ER. Erkläre anschließend, wie das ER mit dem Golgi-Apparat interagiert, um Proteine zu modifizieren und zu sortieren.

Lösung:

Die Funktion des Endoplasmatischen Retikulums (ER)

• Struktur und Funktion des ER:
• Das Endoplasmatische Retikulum ist ein Netzwerk aus Membranröhren und -säcken, das sich durch das gesamte Zytoplasma erstreckt.
• Es gibt zwei Haupttypen des ER: das glatte ER und das raue ER.
• Glattes ER:
• Fehlen von Ribosomen auf der Oberfläche.
• Hauptaufgaben: Lipidsynthese, Kohlenhydratstoffwechsel, Entgiftung von Drogen und Giften, sowie Calcium-Ionen-Speicherung.
• Raues ER:
• Mit Ribosomen besetzt, die auf der Zytoplasma-Seite der Membran befestigt sind.
• Hauptaufgaben: Synthese von Membranproteinen und sekretorischen Proteinen.
• Die neu synthetisierten Proteine werden in das Lumen des rauen ER transportiert, wo sie gefaltet und modifiziert werden.
• Interaktion mit dem Golgi-Apparat:
• Proteine, die im rauen ER synthetisiert wurden, werden in Vesikel verpackt und zum Golgi-Apparat transportiert.
• Der Golgi-Apparat besteht aus einer Reihe von Membransäcken, die als Zisternen bezeichnet werden.
• Im Golgi-Apparat werden die Proteine weiter modifiziert, z.B. durch Glykosylierung (Anhängen von Zuckergruppen).
• Nach der Modifizierung werden die Proteine sortiert und in Vesikel verpackt, die sie zu ihrem Bestimmungsort transportieren, z.B. zu Lysosomen, zur Zellmembran oder zur Sekretion aus der Zelle.

Aufgabe 2)

Zellzyklus und Zellteilung: Der Zellzyklus umfasst die Abfolge von Wachstums- und Teilungsprozessen einer Zelle. Die Zellteilung ist der Prozess, bei dem sich eine Zelle in zwei Tochterzellen teilt.

• Zellzyklusphasen: G1, S, G2, M
• Mitose: Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase
• Zytokinese: Teilung des Zellplasmas
• Meiose: zwei Teilungen, genetische Vielfalt
• Wichtige Kontrollpunkte: G1/S und G2/M

a)

Beschreibe die Phasen des Zellzyklus (G1, S, G2, M) und erläutere die Hauptprozesse, die in jeder Phase stattfinden. Gehe besonders auf die DNA-Replikation und die Bedeutung der Kontrollpunkte G1/S und G2/M ein.

Lösung:

Zellzyklusphasen und Hauptprozesse:

• G1-Phase (Gap 1):In der G1-Phase wächst die Zelle und bereitet sich auf die DNA-Replikation vor. Es findet eine intensive Biosynthese statt, wo Proteine und Organellen produziert werden. Der G1/S-Kontrollpunkt prüft, ob die Zelle groß genug ist und ob die Umweltbedingungen günstig sind, um in die S-Phase überzugehen.
• S-Phase (Synthese):Während der S-Phase wird die DNA repliziert. Dies ist ein entscheidender Prozess, bei dem das genetische Material der Zelle verdoppelt wird, um sicherzustellen, dass jede Tochterzelle eine vollständige Kopie des Genoms erhält. Nach der Replikation besteht jedes Chromosom aus zwei Schwesterchromatiden.
• G2-Phase (Gap 2):In der G2-Phase wächst die Zelle weiter und bereitet sich auf die Mitose vor. Es werden weitere Proteine produziert und die Zelle überprüft, ob die DNA korrekt repliziert wurde. Der G2/M-Kontrollpunkt stellt sicher, dass die Zelle bereit ist, die Mitose zu beginnen und dass keine DNA-Schäden vorliegen.
• M-Phase (Mitose):Die M-Phase umfasst die Mitose und die Zytokinese. Die Mitose ist in vier Unterphasen unterteilt:
  • Prophase: Die Chromosomen kondensieren und der Spindelapparat beginnt sich zu bilden.
  • Metaphase: Die Chromosomen ordnen sich in der Äquatorialebene der Zelle an.
  • Anaphase: Die Schwesterchromatiden werden getrennt und zu den entgegengesetzten Polen der Zelle gezogen.
  • Telophase: Die Chromosomen dekondensieren und Kernhüllen bilden sich um die beiden neuen Kerne.
  Die Zytokinese folgt der Mitose und teilt das Zellplasma, wodurch zwei Tochterzellen entstehen.

Kontrollpunkte:

• G1/S-Kontrollpunkt: Dieser Kontrollpunkt entscheidet, ob die Zelle in die S-Phase eintritt, basierend auf Zellgröße, Nährstoffverfügbarkeit und intakter DNA.
• G2/M-Kontrollpunkt: Dieser Kontrollpunkt überprüft, ob die DNA vollständig und fehlerfrei repliziert wurde, bevor die Zelle die Mitose beginnt, um sicherzustellen, dass die Teilung korrekt abläuft.

b)

Erkläre die Mitose und beschreibe detailliert die einzelnen Phasen (Prophase, Metaphase, Anaphase, Telophase). Wie unterscheiden sich diese Phasen hinsichtlich der Organisation und Verteilung des genetischen Materials?

Lösung:

Mitose und ihre Phasen:Die Mitose ist der Prozess der Zellteilung, bei dem das genetische Material exakt auf zwei Tochterzellen verteilt wird. Sie wird in vier Hauptphasen unterteilt: Prophase, Metaphase, Anaphase und Telophase. Jede Phase hat spezifische Merkmale und Funktionen in Bezug auf die Organisation und Verteilung des genetischen Materials.

• Prophase: In der Prophase kondensiert das Chromatin zu sichtbaren Chromosomen, die aus zwei Schwesterchromatiden bestehen und am Zentromer verbunden sind. Der Nukleolus verschwindet und die Kernhülle beginnt sich aufzulösen. Der Spindelapparat, bestehend aus Mikrotubuli, bildet sich und die Zentrosomen bewegen sich zu den entgegengesetzten Polen der Zelle.
• Metaphase: Während der Metaphase ordnen sich die Chromosomen in der Mitte der Zelle an, entlang der sogenannten Metaphaseplatte. Die Mikrotubuli des Spindelapparats heften sich an die Zentromere der Chromosomen, wodurch eine präzise Trennung der Schwesterchromatiden vorbereitet wird. Diese Phase gewährleistet, dass jede Tochterzelle die gleiche Anzahl von Chromosomen erhält.
• Anaphase: In der Anaphase werden die Schwesterchromatiden getrennt und zu den entgegengesetzten Polen der Zelle gezogen. Dies geschieht durch die Verkürzung der Spindelfasern, die an den Zentromeren der Chromatiden befestigt sind. Diese Trennung stellt sicher, dass jede der beiden zukünftigen Tochterzellen eine vollständige Kopie des genetischen Materials erhält.
• Telophase: In der Telophase dekondensieren die Chromosomen wieder zu weniger kompaktem Chromatin. Um die beiden Gruppen von Chromosomen an den Zellpolen bildet sich eine neue Kernhülle, wodurch zwei separate Zellkerne entstehen. Der Nukleolus erscheint erneut und der Spindelapparat löst sich auf. Diese Phase bereitet die Zelle auf die abschließende Teilung des Zellplasmas vor.

Zusammenfassung der Phasen und Unterschiede:

• In der Prophase findet die Kondensation der Chromosomen und die Bildung des Spindelapparats statt, während der Kern sich auflöst.
• In der Metaphase werden die Chromosomen mitten in der Zelle angeordnet, bereit zur Trennung.
• In der Anaphase werden die Schwesterchromatiden zu den entgegengesetzten Polen gezogen.
• In der Telophase werden neue Zellkerne gebildet und die Chromosomen dekondensieren.

Jede dieser Phasen organisiert das genetische Material auf spezifische Weise, um eine genaue Verteilung an die Tochterzellen zu gewährleisten.

c)

Vergleiche die Mitose mit der Meiose. Diskutiere die Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen diesen beiden Arten der Zellteilung. Beschreibe zusätzlich, wie die Meiose zur genetischen Vielfalt beiträgt. Berechne, wie viele unterschiedliche Kombinationen von Chromosomen in den Tochterzellen entstehen können, wenn der diploide Chromosomensatz einer Zelle 2n = 6 beträgt.

Lösung:

Vergleich von Mitose und Meiose:

• Gemeinsamkeiten:
  • Beide Prozesse führen zur Verteilung von genetischem Material auf Tochterzellen.
  • Sowohl Mitose als auch Meiose beinhalten Phasen der Chromosomenkondensation, Spindelbildung und Zellteilung.
  • Die grundlegenden Abläufe der Chromosomenseparation und Zellteilung sind in beiden Prozessen ähnlich.
• Unterschiede:
  • Mitose:
    • Führt zu zwei genetisch identischen Tochterzellen.
    • Umfasst eine einzige Teilung.
    • Wird für das Wachstum, die Reparatur und die ungeschlechtliche Fortpflanzung verwendet.
    • Die Chromosomenzahl bleibt konstant (diploid).
  • Meiose:
    • Führt zu vier genetisch unterschiedlichen Tochterzellen.
    • Umfasst zwei aufeinanderfolgende Teilungen: Meiose I und Meiose II.
    • Wird für die sexuelle Fortpflanzung verwendet.
    • Die Chromosomenzahl wird halbiert (haploid).
    • Trägt zur genetischen Vielfalt durch Rekombination und unabhängige Verteilung der Chromosomen bei.

Meiose und genetische Vielfalt:Die Meiose trägt zur genetischen Vielfalt auf zwei Arten bei:

• Crossing-over (Rekombination): Während der Prophase I der Meiose I tauschen homologe Chromosomen Abschnitte aus, was zu einer neuen Kombination von Allelen auf jedem Chromosom führt.
• Unabhängige Verteilung der Chromosomen: Während der Metaphase I der Meiose I werden die homologen Chromosomenpaare zufällig auf die Tochterzellen verteilt, was zu einer Vielzahl möglicher Chromosomenkombinationen führt.

Kombinationen von Chromosomen in Tochterzellen:Wenn der diploide Chromosomensatz einer Zelle 2n = 6 beträgt (das heißt, n = 3), können die möglichen Kombinationen der Chromosomen in den Tochterzellen durch die Formel \textit{2\textsuperscript{n}} berechnet werden.Für n = 3: \textit{2\textsuperscript{3} = 8}Es gibt also 8 verschiedene Kombinationen von Chromosomen, die in den Tochterzellen entstehen können.

Aufgabe 3)

• Signalübermittlung zwischen Zellen ist entscheidend für die Koordination von Zellfunktionen und -reaktionen. Diese Signale können chemischer Natur sein, wie Hormone und Neurotransmitter, oder physikalischer Natur, wie Licht und Temperatur.
• Rezeptoren, die diese Signale empfangen, können entweder membranständig (z.B. G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) und Rezeptor-Tyrosin-Kinasen (RTKs)) oder intrazellulär (z.B. Nuklearrezeptoren) sein.
• Zu den Signalketten gehören Signalwege wie der der GPCRs, die G-Proteine aktivieren und zur Bildung von Second Messengers wie cAMP führen, sowie der RTKs, die Dimerisierung und Autophosphorylierung verursachen und Signalkaskaden wie den RAS/MAPK-Weg aktivieren.
• Zentrale Second Messengers sind cAMP, Ca²⁺ und IP₃, die jeweils durch spezifische Signale aktiviert werden.
• Transkriptionsfaktoren werden durch Signale aktiviert oder deaktiviert, was zu Änderungen in der Genexpression führt. Diese Prozesse sind wichtig für Zellwachstum, Differenzierung, Apoptose und Immunantworten.

a)

Erkläre den Mechanismus der Aktivierung und Funktion von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs). Gehe detailliert auf die Struktur der GPCRs, den Ablauf der Signaltransduktion und die Rolle von Second Messengers ein. Verwende mathematische Gleichungen, um die Kinetik der Enzymaktivierung durch GPCRs zu verdeutlichen. Berechne, wie sich die Konzentration von cAMP über die Zeit verändert, wenn die Rate der Adenylylcyclase-Aktivität \textit{R\textsubscript{AC}} = 5 µM/min ist.

Lösung:

Mechanismus der Aktivierung und Funktion von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs)

Struktur der GPCRs

• G-Protein-gekoppelte Rezeptoren (GPCRs) sind eine große Familie von Rezeptoren, die sich in der Zellmembran befinden.
• Sie haben eine charakteristische Struktur mit sieben Transmembrandomänen.
• Die extrazelluläre Domäne bindet an spezifische Liganden (z.B. Hormone, Neurotransmitter), während die intrazelluläre Domäne mit G-Proteinen interagiert.

Ablauf der Signaltransduktion

• Wenn ein Ligand an einen GPCR bindet, ändert sich die Konformation des Rezeptors.
• Dies aktiviert das G-Protein, welches aus drei Untereinheiten besteht (Alpha, Beta, Gamma).
• Die Alpha-Untereinheit tauscht GDP gegen GTP aus und wird dadurch aktiviert.
• Die aktivierte Alpha-Untereinheit und/oder die Beta-Gamma-Komplexe können verschiedene Zielproteine modulieren, wie z.B. Adenylylcyclase.
• Die Adenylylcyclase wandelt ATP in den Second Messenger cAMP um.

Rolle von Second Messengers

• cAMP aktiviert die Protein-Kinase A (PKA), die wiederum verschiedene Proteine durch Phosphorylierung aktiviert oder deaktiviert.
• Andere Second Messenger wie Ca²⁺ und IP₃ können auch aktiviert werden und spielen eine entscheidende Rolle bei der Weiterleitung und Verstärkung des Signals innerhalb der Zelle.

Kinetik der Enzymaktivierung durch GPCRs

• Die Rate der Adenylylcyclase-Aktivität (\textit{R\textsubscript{AC}}) kann verwendet werden, um die Konzentration von cAMP über die Zeit zu berechnen.
• Wenn die Rate der Adenylylcyclase-Aktivität \textit{R\textsubscript{AC}} = 5 µM/min ist, können wir die Veränderung der cAMP-Konzentration (\textit{[cAMP]}) über die Zeit (t) durch folgende Differentialgleichung darstellen:

• Dabei ist \textit{R\textsubscript{AC}} konstant.
• Indem wir diese Gleichung integrieren, erhalten wir die Konzentration von cAMP als Funktion der Zeit:

• Dabei ist \textit{[cAMP]₀} die anfängliche cAMP-Konzentration.
• Falls wir annehmen, dass die anfängliche Konzentration von cAMP zu t = 0 gleich null ist (\textit{[cAMP]₀} = 0), vereinfacht sich die Gleichung zu:

• Daraus kann man sehen, dass die Konzentration von cAMP linear mit der Zeit zunimmt, solange die Rate der Adenylylcyclase-Aktivität konstant bleibt.

Fazit

• GPCRs sind entscheidend für die Weiterleitung von Signalen über die Zellmembran.
• Sie initiieren die Aktivierung von G-Proteinen, die wiederum Enzyme wie Adenylylcyclase aktivieren und die Produktion von Second Messengers wie cAMP fördern.
• Die Konzentration von cAMP kann durch die Rate der Adenylylcyclase-Aktivität beschrieben und berechnet werden, wie im Beispiel gezeigt.

b)

Beschreibe den RAS/MAPK-Signaleweg, der durch Rezeptor-Tyrosin-Kinasen (RTKs) initiiert wird. Erkläre den Prozess der Dimerisierung und Autophosphorylierung der RTKs und die nachfolgenden Schritte im RAS/MAPK-Weg. Nenne die biologischen Funktionen, die durch diesen Signalkaskademechanismus reguliert werden. Füge eine mathematische Darstellung hinzu, die die Kaskadenampflifikation illustriert und berechne, wie die Aktivität des Endeffektors eine Zunahme um das 10-fache gegenüber dem Ausgangssignal erreicht.

Lösung:

Der RAS/MAPK-Signalweg, initiiert durch Rezeptor-Tyrosin-Kinasen (RTKs)

Mechanismus der Dimerisierung und Autophosphorylierung der RTKs

• Rezeptor-Tyrosin-Kinasen (RTKs) sind membranständige Proteine, die als Reaktion auf die Bindung eines spezifischen Liganden eine Kaskade intrazellulärer Signale initiieren.
• Wenn ein Ligand wie ein Wachstumsfaktor an die extrazelluläre Domäne eines RTKs bindet, wird die Dimerisierung zweier RTK-Moleküle induziert, was die Kinaseaktivität der intrazellulären Domänen aktiviert.
• Die Kinaseaktivitäten der dimerisierten RTKs phosphorylieren Tyrosinreste aufeinander (Autophosphorylierung), wodurch spezifische Tyrosinreste zu Andockstellen für Signalmoleküle werden.

Der RAS/MAPK-Signalweg

• Nach der Autophosphorylierung rekrutieren die phosphorylierten Tyrosinreste Adapterproteine wie Grb2.
• Grb2 bindet an SOS, ein Guanine-Nucleotide-Exchange-Factor (GEF).
• SOS aktiviert das kleine G-Protein RAS durch den Austausch von GDP gegen GTP.
• Aktiviertes RAS (RAS-GTP) aktiviert die Serin/Threoninkinase RAF.
• RAF phosphoryliert und aktiviert MEK (MAPK/ERK Kinase).
• MEK phosphoryliert und aktiviert schließlich ERK (extrazellulär regulierte Kinase).
• Aktiviertes ERK gelangt in den Zellkern und phosphoryliert dort Transkriptionsfaktoren, was zu Änderungen in der Genexpression führt.

Biologische Funktionen, reguliert durch den RAS/MAPK-Signalweg

• Zellproliferation
• Zelldifferenzierung
• Zellüberleben
• Zellmigration

Mathematische Darstellung der Kaskadenamplifikation

• Um die Kaskadenamplifikation mathematisch darzustellen, betrachten wir jede Stufe der Signaltransduktion als eine Verstärkung des Signals um einen Faktor k.
• Wenn jede Stufe eine Verstärkung um den Faktor k bewirkt, und es n Stufen in der Kaskade gibt, kann die Gesamtverstärkung durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

• Gegeben sei eine Kaskade mit n = 3 Stufen (RAF, MEK, ERK) und die Gesamtverstärkung soll um das 10-fache gegenüber dem Ausgangssignal betragen:

• Um den Verstärkungsfaktor k für jede Stufe zu finden, nehmen wir die dritte Wurzel aus 10:

• Daraus folgt, dass jede Stufe in der Kaskade das Signal um einen Faktor von etwa 2.15 verstärken muss, um eine Gesamtverstärkung um das 10-fache zu erreichen.

Fazit

• Der RAS/MAPK-Signalweg ist entscheidend für die Regulation vieler zellulärer Prozesse, einschließlich Proliferation, Differenzierung, Überleben und Migration.
• Der Signalweg beginnt mit der Dimerisierung und Autophosphorylierung von RTKs und führt über eine Kaskade von Proteinkinasen (RAF, MEK, ERK) zur Aktivierung spezifischer Transkriptionsfaktoren.
• Die Kaskadenamplifikation kann mathematisch durch eine exponentielle Funktion beschrieben werden, wobei jede Stufe eine Verstärkung des Signals bewirkt.

Aufgabe 4)

Du arbeitest in einem biochemischen Labor und sollst mit Hilfe eines Spektrophotometers die Konzentration einer Proteinlösung bestimmen. Du verwendest dabei das Lambert-Beer'sche Gesetz, , das wie folgt lautet: \[ A = \text{log}\frac{I_0}{I} = \text{ɛ} \times c \times d \] Ultraviolet-visible spectroscopy (UV/Vis) umfasst den Wellenlängenbereich von 200 bis 800 nm und erfordert oft eine Verdünnung der Probe, um genaue Messungen zu erhalten. Spezielle Absorptionsmaxima lassen sich von den Spektren ablesen und die Daten zur Bestimmung der Konzentrationen von Proteinen und Nukleinsäuren verwenden.

a)

Messung: Du hast eine Proteinlösung, die bei einer spezifischen Wellenlänge von 280 nm gemessen wird. Du erhältst folgende Daten: Anfangsintensität ( \(I_0\) = 500 \text{ units of light}) ; gemessene Intensität der durchtretenden Lichtmenge ( \(I\) = 125 \text{ units of light}) . Berechne die Absorption ( A) . Was sagt Dir das Resultat über die Probe?

Lösung:

Um die Absorption (A) zu berechnen, verwenden wir das Lambert-Beer-Gesetz:

• Formel: \( \ A = \text{log} \left( \frac{I_0}{I} \right) \)

Gegeben:

• Anfangsintensität (~I_0~) = 500 Einheiten Licht
• Gemessene Intensität (~I~) = 125 Einheiten Licht

Setzen wir die gegebenen Werte in die Formel ein:

 \ A = \text{log} \left( \frac{I_0}{I} \right)\  \ A = \text{log} \left( \frac{500}{125} \right) \ \ A = \text{log}(4) \ \ A ≈ 0.602 

Somit beträgt die Absorption (A) ungefähr 0.602.

Was sagt Dir das Resultat über die Probe?

• Dieses Resultat deutet darauf hin, dass die Proteinlösung bei einer Wellenlänge von 280 nm eine signifikante Menge Licht absorbiert. Dies ist typisch für viele Proteine, da sie aromatische Aminosäuren enthalten, die bei dieser Wellenlänge absorbieren.
• Eine Absorption von 0.602 bedeutet zudem, dass die Konzentration des Proteins in der Probe relativ hoch ist, da die Absorption direkt proportional zur Konzentration des absorbierenden Stoffes ist.

b)

Anhand des gegebenen Lamber-Beer'schen Gesetzes Ü hund mit als % . . . Gem Die molare Absorptionskoeffizient des Proteins beträgt 0.05 und Die Schichtdicke d ist 1 cm. Bestimme die Konzentration c der Proteinlösung . } } {

Lösung:

Um die Konzentration (\textbf{c}) der Proteinlösung zu berechnen, verwenden wir das Lambert-Beer-Gesetz:

• Formel: \( A = \text{ɛ} \times c \times d \)

Gegeben:

• Absorption (\textit{A}) = 0.602 (berechnet in der vorherigen Aufgabe)
• Molaren Absorptionskoeffizient (\textit{ɛ}) = 0.05 \( \frac{1}{\text{cm} \times \text{M}} \)
• Schichtdicke (\textit{d}) = 1 cm

Wir formen die Gleichung um, um die Konzentration (\textbf{c}) zu isolieren:

• \[ c = \frac{A}{\text{ɛ} \times d} \]

Setzen wir die gegebenen Werte in die Gleichung ein:

 \[ c = \frac{0.602}{0.05 \times 1} \] \[ c = \frac{0.602}{0.05} \] \[ c = 12.04 \text{M} \] 

Die Konzentration (\textbf{c}) der Proteinlösung beträgt somit 12.04 \text{M}.