Biochemie und Molekularbiologie I - Exam

Aufgabe 1)

Die Glykolyse ist ein zentraler Prozess des Glucoseabbaus, bei dem ein Glucosemolekül durch eine Reihe von 10 hintereinander geschalteten, enzymkatalysierten Reaktionen in zwei Moleküle Pyruvat umgewandelt wird. Dieser Prozess findet im Cytoplasma statt und erzeugt pro Glucosemolekül 2 ATP und 2 NADH. Die wichtigsten regulatorischen Enzyme der Glykolyse sind Hexokinase, Phosphofructokinase und Pyruvatkinase. Der gesamte Prozess wird durch Moleküle wie ATP, AMP und Fructose-2,6-bisphosphat reguliert. Die Netto-Reaktionsgleichung der Glykolyse lautet:

a)

Beschreibe den Mechanismus der ATP-Bildung in der Glykolyse. Betrachte dabei die beiden Phasen der Glykolyse (die energieinv Equivalent- und die energieaäquivalente Ertrag -Phasen) und skizziere die jeweiligen Schritte, bei denen ATP generiert oder verbraucht wird.

Lösung:

Mechanismus der ATP-Bildung in der GlykolyseDie Glykolyse ist ein vielschichtiger Prozess, welcher aus zwei Phasen besteht: der energieinvestierenden Phase und der energieertragsbringenden Phase. Im Folgenden werden die wichtigsten Schritte dieser beiden Phasen einzeln betrachtet und die ATP-Bildung detailliert beschrieben.

• Energieinvestierende Phase (Phase 1):In dieser ersten Phase wird ATP verbraucht, um die Glucose in eine Form zu überführen, die weiter abgebaut werden kann.
• Schritt 1: Glucose wird zu Glucose-6-phosphat umgewandeltDas Enzym Hexokinase katalysiert die Phosphorylierung von Glucose zu Glucose-6-phosphat, unter Verwendung eines Moleküls ATP.Reaktionsgleichung: Glucose + ATP → Glucose-6-phosphat + ADP
• Schritt 3: Fructose-6-phosphat wird zu Fructose-1,6-bisphosphat umgewandeltDas Enzym Phosphofructokinase katalysiert die Phosphorylierung von Fructose-6-phosphat zu Fructose-1,6-bisphosphat, unter Verwendung eines weiteren Moleküls ATP.Reaktionsgleichung: Fructose-6-phosphat + ATP → Fructose-1,6-bisphosphat + ADP
• Energieertragsbringende Phase (Phase 2):In dieser zweiten Phase wird ATP generiert, indem Zwischensubstrate der Glykolyse weiter abgebaut werden.
• Schritt 7: 1,3-Bisphosphoglycerat wird zu 3-Phosphoglycerat umgewandeltDas Enzym Phosphoglyceratkinase katalysiert den Transfer einer Phosphatgruppe von 1,3-Bisphosphoglycerat auf ADP, wodurch ATP und 3-Phosphoglycerat entstehen.Reaktionsgleichung: 1,3-Bisphosphoglycerat + ADP → 3-Phosphoglycerat + ATP
• Schritt 10: Phosphoenolpyruvat wird zu Pyruvat umgewandeltDas Enzym Pyruvatkinase katalysiert den Transfer einer Phosphatgruppe von Phosphoenolpyruvat auf ADP, wodurch ATP und Pyruvat entstehen.Reaktionsgleichung: Phosphoenolpyruvat + ADP → Pyruvat + ATP

Das Nettoergebnis der Glykolyse hinsichtlich der ATP-Bilanz sieht wie folgt aus:

• Verbrauch von 2 Molekülen ATP in der energieinvestierenden Phase.
• Gewinn von 4 Molekülen ATP in der energieertragsbringenden Phase.

Netto-ATP-Gewinn: 4 ATP (Gewinn) - 2 ATP (Verbrauch) = 2 ATP pro Glucosemolekül.Zusätzlich zur ATP-Bildung werden pro Glucosemolekül 2 NADH generiert, die in der Atmungskette weiter verwertet werden können, um noch mehr ATP zu erzeugen.

b)

Der ATP-Gewinn in der Glykolyse hängt stark von der Regulation der Schlüsselenzyme ab. Erkläre die Rolle der Phosphofructokinase (PFK) in der Regulation der Glykolyse und wie die Aktivität dieses Enzyms durch ATP, AMP und Fructose-2,6-bisphosphat beeinflusst wird. Berechne ferner, wie sich eine Erhöhung der ATP-Konzentration auf die Glykolysegeschwindigkeit auswirkt, basierend auf der Michaelis-Menten-Kinetik.

Lösung:

Rolle der Phosphofructokinase (PFK) in der Regulation der GlykolyseDie Phosphofructokinase (PFK) ist ein Hauptregulationsenzym der Glykolyse und katalysiert die Umwandlung von Fructose-6-phosphat in Fructose-1,6-bisphosphat. Dieser Schritt ist der geschwindigkeitsbestimmende und somit kritisch für die Gesamtrate der Glykolyse. Die Aktivität der PFK wird durch verschiedene Moleküle reguliert, darunter ATP, AMP und Fructose-2,6-bisphosphat.

• ATP: ATP ist ein allosterischer Inhibitor der PFK. Hohe ATP-Konzentrationen signalisieren, dass die Zelle ausreichend Energie hat, und binden an eine allosterische Stelle des Enzyms, wodurch dessen Affinität für das Substrat Fructose-6-phosphat verringert wird. Dies verlangsamt die Glykolyse.
• AMP: AMP dient als allosterischer Aktivator der PFK. Niedrige ATP- und hohe AMP-Konzentrationen deuten auf einen Energiemangel hin. AMP bindet an die PFK und erhöht die Affinität des Enzyms für Fructose-6-phosphat, wodurch die Glykolyse beschleunigt wird.
• Fructose-2,6-bisphosphat: Fructose-2,6-bisphosphat ist ein potenter allosterischer Aktivator der PFK. Es verstärkt die Affinität des Enzyms für Fructose-6-phosphat und mindert die hemmende Wirkung von ATP, um sicherzustellen, dass die Glykolyse auch bei moderat hohen ATP-Konzentrationen weiterläuft.

Berechnung des Einflusses einer Erhöhung der ATP-Konzentration auf die GlykolysegeschwindigkeitDie Michaelis-Menten-Kinetik beschreibt die Beziehung zwischen der Reaktionsgeschwindigkeit (v) und der Substratkonzentration ([S]):

v = \frac{{V_{{max}} [S]}}{{K_{{m}} + [S]}}

Mit ATP als nicht-kompetitivem Inhibitor modifizieren wir die Gleichung folgendermaßen:

v = \frac{{V_{{max}} [S]}}{{K_{{m}} (1 + \frac{{[ATP]}}{{K_{{i}}}}) + [S]}}

Hierbei ist:

• v: Reaktionsgeschwindigkeit
• V_{{max}}: maximale Reaktionsgeschwindigkeit
• [S]: Substratkonzentration (Fructose-6-phosphat)
• K_{{m}}: Michaelis-Konstante
• [ATP]: ATP-Konzentration
• K_{{i}}: Inhibitionskonstante für ATP

Durch die Erhöhung der ATP-Konzentration steigt der Term \(\frac{{[ATP]}}{{K_{{i}}}}\), was zu einer erhöhten effektiven Michaelis-Konstante \(K_{{m}}'\) führt.Folglich führt eine Erhöhung der ATP-Konzentration zu einer Verringerung der Enzymaktivität und damit zu einer Reduzierung der Glykolysegeschwindigkeit. Dies ist darauf zurückzuführen, dass PFK weniger effizient darin wird, Fructose-6-phosphat umzusetzen.Fazit:

• ATP hemmt die PFK-Aktivität, was die Glykolyserate verlangsamt.
• AMP und Fructose-2,6-bisphosphat fördern die PFK-Aktivität, was die Glykolyserate erhöht.
• Eine erhöhte ATP-Konzentration führt aufgrund der nicht-kompetitiven Hemmung durch ATP zu einer geringeren Glykolysegeschwindigkeit, wie durch die Michaelis-Menten-Kinetik beschrieben.

Aufgabe 2)

Citratzyklus (Krebs-Zyklus)Der Citratzyklus ist ein zentraler Stoffwechselweg zur oxidativen Decarboxylierung in den Mitochondrien, der Acetyl-CoA in CO₂ und Energie umwandelt.

• Findet in der mitochondrialen Matrix statt
• Verbraucht Acetyl-CoA, welches aus Pyruvat generiert wird
• Generiert pro Zyklus: 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP, 2 CO₂
• Acetyl-CoA (2C) + Oxaloacetat (4C) = Citrat (6C)
• Wichtige Enzyme: Citrat-Synthase, Aconitase, Isocitrat-Dehydrogenase, α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex, Succinyl-CoA-Synthetase, Succinat-Dehydrogenase, Fumarase, Malat-Dehydrogenase
• Reaktionsgleichungen:
  • Gesamtgleichung:

    Acetyl-CoA + 2 H2O + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi → 2 CO2 + CoA + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP

  • Schritt 1:

    Oxaloacetat + Acetyl-CoA → Citrat + CoA

• Kernprozesse: Citratbildung, Isomerisierung, Oxidative Decarboxylierung, Substratkettenphosphorylierung, Elektronentransport in die Atmungskette

a)

In einem Experiment wurden alle notwendigen Substrate und Cofaktoren in die mitochondriale Matrix gegeben, um den Citratzyklus durchzuführen. Während des Experiments wurde eine erhöhte Menge an CO₂ und NADH nachgewiesen, allerdings war die Menge an FADH₂ geringer als erwartet.

• a) Erläutere, welche spezifische enzymatische Reaktion innerhalb des Citratzyklus für die Generierung von FADH₂ verantwortlich ist. Nenne das relevante Enzym und beschreibe die Reaktion.

Lösung:

Subexercise a)Die spezifische enzymatische Reaktion innerhalb des Citratzyklus, die für die Generierung von FADH₂ verantwortlich ist, ist die Oxidation von Succinat zu Fumarat. Dies geschieht durch das Enzym Succinat-Dehydrogenase. Diese Reaktion läuft wie folgt ab:

• Schritt: Succinat + FAD → Fumarat + FADH₂

In dieser Reaktion wird Succinat oxidiert, wobei zwei Wasserstoffatome vom Succinat auf das Flavinadenin-Dinukleotid (FAD) übertragen werden, wodurch Fumarat und FADH₂ entstehen. Die Succinat-Dehydrogenase ist einzigartig, da sie sowohl Bestandteil des Citratzyklus als auch der Elektronentransportkette ist, wo sie ihre Elektronen weiter an die Ubichinonmoleküle überträgt.

b)

• b) Angenommen, die Aktivität der Succinat-Dehydrogenase ist in dieser experimentellen Bedingung zu niedrig. Wie würde sich das auf den gesamten Citratzyklus auswirken? Diskutiere die Konsequenzen für die Produktion von GTP, NADH und FADH₂.

Lösung:

Subexercise b)Wenn die Aktivität der Succinat-Dehydrogenase in den experimentellen Bedingungen zu niedrig ist, hätte das verschiedene Auswirkungen auf den gesamten Citratzyklus und die damit verbundene Energieproduktion.

• Produktion von FADH₂: Die direkteste Konsequenz wäre eine reduzierte Produktion von FADH₂, da Succinat-Dehydrogenase das Enzym ist, das für die Umwandlung von Succinat zu Fumarat unter Bildung von FADH₂ verantwortlich ist. Weniger aktives Enzym bedeutet also weniger FADH₂.
• Produktion von NADH: Die Aktivität der nachfolgenden Reaktionen im Citratzyklus könnte ebenfalls beeinträchtigt sein. Obwohl die Schritte zur Erzeugung von NADH (durch Isocitrat-Dehydrogenase, α-Ketoglutarat-Dehydrogenase und Malat-Dehydrogenase) nicht direkt von der Succinat-Dehydrogenase abhängen, könnte eine geringere Enzymaktivität den gesamten Zyklus verlangsamen oder stören, was insgesamt zu einer geringeren Produktion von NADH führen könnte.
• Produktion von GTP: Die Bildung von GTP erfolgt durch die Succinyl-CoA-Synthetase, ein Schritt der vorhergehenden Succinat-Dehydrogenase-Reaktion in der Sequenz. Wenn der Zyklus durch eine verringerte Succinat-Dehydrogenase-Aktivität langsamer wird, könnte dies auch die GTP-Produktion senken.

Zusammengefasst würde die geringe Aktivität der Succinat-Dehydrogenase zu einer verminderten Produktion von FADH₂ führen und könnte sekundär auch die Produktion von NADH und GTP beeinflussen, da der gesamte Zyklus weniger effizient abläuft. Diese Verringerung würde wiederum die Menge der zur Verfügung stehenden Elektronen für die Elektronentransportkette reduzieren, was die ATP-Ausbeute der Zelle senken könnte.

c)

• c) Berechne, wie viele ATP-Moleküle theoretisch aus einem vollständigen Durchgang des Citratzyklus generiert werden können, wenn man die Umwandlung von NADH und FADH₂ in ATP durch die Atmungskette berücksichtigt. (Hinweis: Angenommene P/O-Quotienten: NADH: 2,5 ATP, FADH₂: 1,5 ATP)

Lösung:

Subexercise c)Um die theoretische Anzahl der ATP-Moleküle aus einem vollständigen Durchgang des Citratzyklus zu berechnen, müssen wir die Ausbeute an NADH, FADH₂ und GTP berücksichtigen und die Umwandlung in ATP durch die Atmungskette einbeziehen.Der Citratzyklus generiert pro Zyklus:

• 3 NADH
• 1 FADH₂
• 1 GTP (dies kann direkt als ATP angesehen werden)

Anhand der gegebenen P/O-Quotienten:

• 1 NADH → 2,5 ATP
• 1 FADH₂ → 1,5 ATP

Daraus ergibt sich:

• 3 NADH × 2,5 ATP/NADH = 7,5 ATP
• 1 FADH₂ × 1,5 ATP/FADH₂ = 1,5 ATP
• 1 GTP = 1 ATP

Die Gesamtmenge an ATP, die aus einem vollständigen Durchgang des Citratzyklus generiert wird, ist:

• 7,5 ATP (aus NADH)
• 1,5 ATP (aus FADH₂)
• 1 ATP (aus GTP)

Dies führt zu einer theoretischen Gesamt-ATP-Ausbeute von:7,5 + 1,5 + 1 = 10 ATP pro vollständigen Durchgang des Citratzyklus.

Aufgabe 3)

Die β-Oxidation von Fettsäuren ist ein schrittweiser Abbauprozess von Fettsäuren in den Mitochondrien zur Energiegewinnung. Dieser Prozess läuft in vier wiederholenden Schritten ab: Oxidation, Hydratation, erneute Oxidation und Thiolyse. Das Produkt jeder Runde ist 1 Acetyl-CoA sowie die reduzierten Coenzyme NADH und FADH2. Die Fettsäure wird dabei zunächst wie folgt aktiviert: \text{Aktivierung von Fettsäuren: }\text{Fettsäure} + CoA + ATP \rightarrow \text{Acyl-CoA} + AMP + PP_i. Der Zyklus wird durch die Säure-CoA-Dehydrogenase gestartet (Oxidation). Ein zentraler Regulationspunkt ist die Verfügbarkeit von Carnitin, welches den Fettsäuretransport in die Mitochondrien ermöglicht. Die Endprodukte dieses Prozesses sind Acetyl-CoA, das in den Citratzyklus eintritt, NADH und FADH2, die in die Elektronentransportkette übergehen. Bei der β-Oxidation von ungeradzahligen Fettsäuren ist das Endprodukt Propionyl-CoA, welches weiter zu Succinyl-CoA umgewandelt wird.

a)

Erkläre die vier Schritte der β-Oxidation und beschreibe die jeweiligen Zwischenprodukte und Enzyme, die in jedem Schritt beteiligt sind.

Lösung:

Die vier Schritte der β-Oxidation:

• 1. Oxidation In diesem ersten Schritt wird die Fettsäure durch die Acyl-CoA-Dehydrogenase oxidiert. Dabei wird FADH₂ gebildet. Das Ergebnis ist eine trans-Δ²-Enoyl-CoA-Verbindung. Zwischenprodukt: trans-Δ²-Enoyl-CoA Enzym: Acyl-CoA-Dehydrogenase
• 2. Hydratation Die trans-Δ²-Enoyl-CoA wird durch die Enoyl-CoA-Hydratase hydriert. Dies führt zur Bildung von L-β-Hydroxyacyl-CoA. Zwischenprodukt: L-β-Hydroxyacyl-CoA Enzym: Enoyl-CoA-Hydratase
• 3. Erneute Oxidation Das L-β-Hydroxyacyl-CoA wird dann durch die β-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase erneut oxidiert. Dabei wird NADH gebildet und das Produkt ist β-Ketoacyl-CoA. Zwischenprodukt: β-Ketoacyl-CoA Enzym: β-Hydroxyacyl-CoA-Dehydrogenase
• 4. Thiolyse Abschließend wird β-Ketoacyl-CoA durch die β-Ketothiolase gespalten. Das Resultat ist die Freisetzung eines Acetyl-CoA und eines verkürzten Acyl-CoA-Moleküls, welches erneut in den Zyklus eintreten kann. Zwischenprodukte: Acetyl-CoA und verkürztes Acyl-CoA Enzym: β-Ketothiolase

b)

Berechne die gesamte ATP-Ausbeute aus der vollständigen β-Oxidation einer Palmitinsäure (C16-Fettsäure), unter Berücksichtigung der energetischen Erträge aus NADH, FADH2 und Acetyl-CoA, sowie der Kosten der initialen Fettsäureaktivierung.

Lösung:

Berechnung der gesamten ATP-Ausbeute aus der vollständigen β-Oxidation von Palmitinsäure (C₁₆-Fettsäure):

• Palmitinsäure (C₁₆H₃₂O₂) wird in Acyl-CoA umgewandelt, wobei 2 ATP verbraucht werden: -2 ATP.
• Bei jeder Runde der β-Oxidation entstehen 1 Acetyl-CoA, 1 NADH und 1 FADH₂. Da Palmitinsäure eine C₁₆-Kette hat, wird sie in 7 Runden β-Oxidation gespalten, wobei 8 Acetyl-CoA entstehen.

• Pro Runde β-Oxidation:
  • 1 NADH = 2,5 ATP Gesamt (7 Runden): 7 × 2,5 = 17,5 ATP
  • 1 FADH₂ = 1,5 ATP Gesamt (7 Runden): 7 × 1,5 = 10,5 ATP
  • 1 Acetyl-CoA pro Runde und ein zusätzliches am Ende: 8 × 10 = 80 ATP Gesamt: 8 × 10 (aus dem Citratzyklus) = 80 ATP

Gesamte ATP-Ausbeute:

• NADH: 17,5 ATP
• FADH₂: 10,5 ATP
• Acetyl-CoA: 80 ATP
• Abzüglich der initialen ATP-Kosten: -2 ATP
• Gesamt: 17,5 + 10,5 + 80 - 2 = 106 ATP

c)

Beschreibe den Reglationsmechanismus der β-Oxidation in Bezug auf die Verfügbarkeit von Carnitin und den Transport von Fettsäuren in die Mitochondrien. Wie wirkt sich eine eingeschränkte Verfügbarkeit von Carnitin auf die β-Oxidation aus?

Lösung:

Regulationsmechanismus der β-Oxidation in Bezug auf die Verfügbarkeit von Carnitin:

• Transport von Fettsäuren in die Mitochondrien Für die β-Oxidation von Fettsäuren müssen diese in die Mitochondrien transportiert werden. Langkettige Fettsäuren benötigen dazu einen speziellen Transportmechanismus, der durch das Carnitin-Shuttle-System vermittelt wird.
• Carnitin-Shuttle-System
  • Fettsäuren werden zuerst im Cytosol zu Acyl-CoA aktiviert.
  • Anschließend wird das Acyl-CoA durch das Enzym Carnitin-Acyltransferase I (CAT I) auf Carnitin übertragen, wodurch Acyl-Carnitin gebildet wird.
  • Acyl-Carnitin wird dann über die innere Mitochondrienmembran transportiert.
  • In der Mitochondrienmatrix wird Acyl-Carnitin durch das Enzym Carnitin-Acyltransferase II (CAT II) wieder in Acyl-CoA und freies Carnitin gespalten.
• Regulation durch Carnitin Der Transportmechanismus ist abhängig von Carnitin. Eine ausreichende Verfügbarkeit von Carnitin ist notwendig, um sicherzustellen, dass langkettige Fettsäuren effizient in die Mitochondrien transportiert werden und dort β-oxidiert werden können.
• Auswirkungen einer eingeschränkten Verfügbarkeit von Carnitin
  • Fehlendes Carnitin oder eine unzureichende Verfügbarkeit führt zu einem verminderten Transport von langkettigen Fettsäuren in die Mitochondrien.
  • Dies resultiert in einer verringerten β-Oxidation und damit einer verminderten Energieproduktion aus Fettsäuren.
  • Die Fettsäuren können sich im Cytosol anhäufen, was zu einer Lipidüberladung in den Zellen führen kann.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass Carnitin eine zentrale Rolle beim Transport von Fettsäuren in die Mitochondrien spielt, und eine eingeschränkte Verfügbarkeit dieses Moleküls die Effizienz der β-Oxidation erheblich beeinträchtigen kann.

d)

Erkläre den Unterschied im Endprodukt der β-Oxidation bei geradzahligen und ungeradzahligen Fettsäuren. Was passiert mit Propionyl-CoA nach der β-Oxidation und wie wird es weiter verstoffwechselt?

Lösung:

Unterschied im Endprodukt der β-Oxidation bei geradzahligen und ungeradzahligen Fettsäuren:

• Bei der β-Oxidation von geradzahligen Fettsäuren ist das Endprodukt Acetyl-CoA. Jede Runde der β-Oxidation liefert 1 Acetyl-CoA-Molekül, das in den Citratzyklus (Krebszyklus) eintreten kann, wo es weiter für die Energieproduktion genutzt wird.
• Bei der β-Oxidation von ungeradzahligen Fettsäuren entsteht am Ende Propionyl-CoA anstelle des letzten Acetyl-CoA-Moleküls.

Verstoffwechselung von Propionyl-CoA:

• Propionyl-CoA, das aus der β-Oxidation ungeradzahliger Fettsäuren resultiert, wird durch eine Reihe von enzymatischen Schritten in Succinyl-CoA umgewandelt, welches ein Zwischenprodukt des Citratzyklus ist.
• Dieser Umwandlungsprozess findet in folgenden Schritten statt:

1. Carboxylierung: Propionyl-CoA wird durch das Enzym Propionyl-CoA-Carboxylase, unter Verwendung von Biotin und ATP, zu Methylmalonyl-CoA carboxyliert.
2. Isomerisierung: Methylmalonyl-CoA wird durch das Enzym Methylmalonyl-CoA-Epimerase in L-Methylmalonyl-CoA umgewandelt.
3. Umlagerung: L-Methylmalonyl-CoA wird durch das Enzym Methylmalonyl-CoA-Mutase, unter Verwendung von Vitamin B12 (Cobalamin), in Succinyl-CoA umgewandelt.

Wichtige Punkte:

• Succinyl-CoA kann in den Citratzyklus eintreten und dort weiter für die ATP-Produktion genutzt werden.
• Die Umwandlung von Propionyl-CoA zu Succinyl-CoA stellt sicher, dass ungeradzahlige Fettsäuren ebenfalls effizient in Energie umgewandelt werden können.

Zusammengefasst führt die β-Oxidation von geradzahligen Fettsäuren zur Bildung von Acetyl-CoA, während bei ungeradzahligen Fettsäuren Propionyl-CoA entsteht, welches zu Succinyl-CoA umgewandelt wird und somit ebenfalls in den Citratzyklus eingeschleust werden kann.

Aufgabe 4)

Die DNA-Replikation und Transkription sind zentrale Prozesse in der Molekularbiologie, die verschiedene Enzyme und Schritte beinhalten. Die DNA-Replikation findet in der S-Phase des Zellzyklus statt und führt zur Verdopplung der DNA, wobei Enzyme wie Helicase, DNA-Polymerase, Primase und Ligase beteiligt sind. Dieser Prozess ist semikonservativ, das bedeutet, jeder Doppelstrang der neu synthetisierten DNA besteht aus einem alten und einem neuen Strang. Die Transkription beinhaltet die Synthese von mRNA anhand der DNA-Vorlage, angefangen an Promotorregionen bis hin zur Terminatorsequenz. Hierbei spielt die RNA-Polymerase eine zentrale Rolle, die mRNA in 5' zu 3' Richtung synthetisiert. Vor der Translation durchläuft die mRNA eine Prozessierung, die das Anfügen einer 5' Cap, die Polyadenylierung am 3' Ende und das Spleißen umfasst.

a)

Erkläre den Unterschied zwischen der semikonservativen Natur der DNA-Replikation und dem Prinzip der Transkription, indem Du detailliert auf den Ablauf und die beteiligten Enzyme eingehst. Warum ist es für beide Prozesse von Bedeutung, dass diese spezifischen Mechanismen streng reguliert ablaufen?

Lösung:

Unterschied zwischen der semikonservativen Natur der DNA-Replikation und dem Prinzip der Transkription

• Semikonservative Natur der DNA-Replikation:
• Ablauf: Die DNA-Replikation startet an spezifischen Ursprüngen (Origins of Replication) und breitet sich bidirektional aus. Zu den wichtigsten Schritten gehören:
• 1. **Entspiralisierung der DNA-Doppelhelix:** Die Helicase entwindet die DNA-Doppelhelix, wodurch zwei Einzelstränge entstehen.
• 2. **Synthese von RNA-Primer:** Die Primase synthetisiert kurze RNA-Primer, die als Startpunkt für die DNA-Synthese dienen.
• 3. **Synthese des neuen DNA-Strangs:** Die DNA-Polymerase baut Nukleotide ein und synthetisiert den neuen komplementären Strang in 5' zu 3' Richtung.
• 4. **Entfernung der Primer und Ligation:** Die RNA-Primer werden entfernt, und die Lücken werden durch DNA-Polymerase und die DNA-Ligase gefüllt und verbunden.
• Wichtige Enzyme: Helicase, Primase, DNA-Polymerase, und Ligase.
• Schlüsselmerkmal: Jeder der neu entstandenen Doppelstränge enthält einen alten Strang (Mutterstrang) und einen neu synthetisierten Strang (Tochterstrang). Dies wird als semikonservativ bezeichnet.
• Transkription:
• Ablauf: Die Transkription beginnt an Promotorstellen und endet an Terminatorsequenzen. Die Schritte umfassen:
• 1. **Initiation:** Die RNA-Polymerase bindet an den Promotor und entwindet einen kurzen Abschnitt der DNA.
• 2. **Elongation:** Die RNA-Polymerase bewegt sich entlang der DNA und synthetisiert mRNA in 5' zu 3' Richtung.
• 3. **Termination:** Sobald die RNA-Polymerase auf eine Terminatorsequenz trifft, löst sie sich von der DNA und die neu synthetisierte mRNA wird freigesetzt.
• 4. **mRNA-Prozessierung:** Die eukaryotische mRNA durchläuft zusätzliche Schritte wie das Anfügen einer 5' Cap, Polyadenylierung am 3' Ende und das Spleißen, um unreife mRNA in reife mRNA umzuwandeln, die dann für die Translation verwendet wird.
• Wichtiges Enzym: RNA-Polymerase.
• Schlüsselmerkmal: Die Transkription erstellt eine komplementäre mRNA Kopie eines bestimmten DNA-Abschnitts, die später für die Proteinsynthese verwendet wird.
• Wichtigkeit der Regulierung:
• DNA-Replikation: Eine genaue und fehlerfreie Verdopplung ist entscheidend für die Zellteilung und die Erhaltung der genetischen Information. Fehler in der Replikation können zu Mutationen und Genominstabilität führen, was unter anderem Krebs verursachen kann.
• Transkription: Eine präzise und regulierte Transkription ist wichtig, da sie dafür sorgt, dass die richtigen Proteine zur richtigen Zeit in der richtigen Menge produziert werden. Unregulierte oder fehlerhafte Transkription kann zu Fehlfunktionen der Zelle und Krankheiten führen.

b)

Angenommen, ein Forscher isoliert eine DNA-Sequenz mit der folgenden Basenabfolge auf dem Codierenden Strang: 5'-ATG CGT TAC GGC TTA-3'. Bestimme die entsprechende mRNA-Sequenz, die durch die Transkription dieser DNA-Vorlage erzeugt wird. Verwende dabei die geltenden Basenpaarungsregeln.

Lösung:

Ermittlung der mRNA-Sequenz durch Transkription

• Gegebene DNA-Sequenz (codierender Strang):

 5'-ATG CGT TAC GGC TTA-3' 

Konzept: Während der Transkription wird der codierende Strang nicht direkt für die mRNA-Synthese verwendet. Stattdessen wird der komplementäre Strang (auch als Matrizenstrang oder nicht-codierender Strang bezeichnet) als Vorlage genutzt. Die mRNA-Sequenz wird komplementär zu diesem Matrizenstrang sein und die Basenpaarungsregeln (A-U, T-A, C-G, G-C) werden eingehalten.

Schritte zur Bestimmung der mRNA-Sequenz:

• 1. **Bestimmen des Matrizenstrangs:** Der Matrizenstrang ist komplementär zum codierenden Strang:

 3'-TAC GCA ATG CCG AAT-5' 

2. **Synthese der mRNA-Sequenz unter Beachtung der Basenpaarungsregeln: A-U, T-A, C-G, G-C:**

 5'-AUG CGU UAC GGC UUA-3' 

Ergebnis: Die entsprechend transkribierte mRNA-Sequenz lautet:

 5'-AUG CGU UAC GGC UUA-3' 

c)

Betrachte die Enzyme, die an der DNA-Replikation beteiligt sind. Berechne die Anzahl an Nukleotiden, die eine DNA-Polymerase in einer Stunde synthetisieren könnte, falls die Polymerase mit einer Geschwindigkeit von 50 Nukleotiden pro Sekunde arbeitet. Diskutiere, wie Fehler in der DNA-Replikation korrigiert werden können und wie diese Korrekturmechanismen die Integrität des genetischen Materials gewährleisten.

Lösung:

Anzahl der synthetisierten Nukleotide und Korrekturmechanismen bei der DNA-Replikation

• Anzahl der synthetisierten Nukleotide:
• Die Geschwindigkeit der DNA-Polymerase beträgt 50 Nukleotide pro Sekunde.
• Um die Anzahl der Nukleotide zu berechnen, die in einer Stunde synthetisiert werden, verwenden wir die folgenden Berechnungen:
• Berechnung:

 Geschwindigkeit = 50 Nukleotide/Sekunde  1 Minute = 60 Sekunden  1 Stunde = 60 Minuten  -> 1 Stunde = 60 Minuten * 60 Sekunden/Minute = 3600 Sekunden  Anzahl der Nukleotide in 1 Stunde = 50 Nukleotide/Sekunde * 3600 Sekunden = 180.000 Nukleotide 

Die DNA-Polymerase könnte also in einer Stunde 180.000 Nukleotide synthetisieren.

Korrekturmechanismen bei der DNA-Replikation:

• Fehler bei der DNA-Replikation können zu Mutationen führen, daher sind Korrekturmechanismen wichtig, um die Integrität des genetischen Materials zu gewährleisten.
• Fehlerkorrektur durch die DNA-Polymerase:
• 1. **Proofreading-Aktivität:** Die DNA-Polymerase besitzt eine 3' zu 5' Exonuklease-Aktivität, die es ihr ermöglicht, falsch eingesetzte Nukleotide während der Synthese zu erkennen und zu entfernen. Nach dem Entfernen fügt die Polymerase das korrekte Nukleotid ein.
• Mismatch-Reparatur (MMR):
• 2. **Mismatch-Reparatur:** Nachdem die DNA repliziert wurde, durchsuchen MMR-Proteine die DNA nach falsch gepaarten Basen, die von der DNA-Polymerase übersehen wurden. Diese Proteine schneiden den falschen Abschnitt aus und die DNA-Polymerase füllt die Lücke mit den richtigen Nukleotiden auf.
• Nukleotid-Exzisionsreparatur (NER):
• 3. **Nukleotid-Exzisionsreparatur:** Diese Reparaturmechanismen werden aktiviert, wenn größere Schäden, wie durch UV-Licht induzierte Thymindimere, auftreten. Beschädigte DNA-Abschnitte werden ausgeschnitten und durch DNA-Polymerase und Ligase ersetzt.
• Bedeutung der Korrekturmechanismen:
• Durch diese Mechanismen wird die genetische Stabilität aufrechterhalten, was entscheidend für die korrekte Funktion und Gesundheit der Zellen ist. Fehlerhafte DNA kann zu Mutationen führen, die Krankheiten einschließlich Krebs verursachen können.