DNA-Aufbau, Mutationen und Zellkern-Versuche

Teil 1: Aufgaben zu Bild 1 (DNA & Multiple Choice)

1. a) Bau der DNA

In der Abbildung ist ein Ausschnitt der DNA zu sehen. Geben Sie für die Strukturen 1–6 die Fachbegriffe an und erläutern Sie den Aufbau der DNA.

• 1: Phosphatgruppe

• 2: Desoxyribose (Zucker)

• 3: Adenin (A) (oder Thymin / komplementäre Base)

• 4: Thymin (T) (oder Adenin / komplementäre Base)

• 5: Wasserstoffbrückenbindung

• 6: Nukleotid (bestehend aus Phosphat, Zucker und Base)

Erläuterung des Aufbaus: Die DNA besteht aus zwei Einzelsträngen, die schraubig gewunden eine Doppelhelix bilden. Jeder Strang setzt sich aus vielen aneinandergereihten Nukleotiden zusammen. Ein Nukleotid besteht aus einer Phosphatgruppe, dem Zucker Desoxyribose und einer von vier stickstoffhaltigen Basen (Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin). Die beiden Stränge verlaufen antiparallel (gegenläufig). Im Inneren sind die Stränge über komplementäre Basenpaare (Adenin bindet an Thymin über 2 Wasserstoffbrücken; Guanin bindet an Cytosin über 3 Wasserstoffbrücken) nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip verbunden.

1. b) Multiple Choice

Kreuzen Sie die richtigen Aussagen an.

1. Zu den Bausteinen der DNA gehören:

   • [x] Phosphorsäure (Phosphatgruppe)

   • [ ] Ribose (Falsch, das ist in der RNA)

   • [ ] Glucose

   • [x] Adenin

   • [ ] Serin (Falsch, das ist eine Aminosäure)

   • [x] Guanin

2. Die Kettenglieder der DNA werden bezeichnet als:

   • [ ] Aminosäuren

   • [ ] Monosaccharide

   • [x] Nukleotide

   • [ ] Nukleosomen

3. Die Regeln des Biochemikers CHARGAFF besagen:

   • [ ] $A + T = C + G$

   • [x] $C = G$ (und $A = T$, die Menge an A gleicht T und G gleicht C)

   • [ ] $A + G = C + T$

   • [ ] $A = C$

4. Nach dem Modell von WATSON und CRICK:

   • [x] besteht die DNA aus einer Doppelhelix.

   • [x] verlaufen die beiden Stränge der DNA antiparallel.

   • [ ] ist Adenin immer mit Guanin gepaart (Falsch, A paart mit T)

   • [x] werden Adenin und Thymin als komplementär bezeichnet.

   • [x] gibt es zwischen Adenin und Thymin zwei Wasserstoffbrückenbindungen (zwischen Guanin und Cytosin drei).

   • [x] ist die genetische Information in der Basensequenz kodiert.

Teil 2: Aufgaben zu Bild 3 (Mutationen)

2. a), b), c) Auswertung der DNA-Sequenzen

(Hinweis: Als Vorlage dient die normale DNA-Sequenz aus den Materialien: TAC TTT AAG AGC)

• Normale DNA-Sequenz:

  • DNA: TAC TTT AAG AGC

  • mRNA (Codons): AUG AAA UUC UCG

  • Aminosäuren: Met - Lys - Phe - Ser (überprüft via Codesonne)

• a) Mutation: TAC ATT AAG AGC

  • DNA: TAC ATT AAG AGC

  • mRNA: AUG UAA UUC UCG

  • AS-Sequenz: Met - Stopp - Phe - Ser

  • Mutationstyp & Folge: Durch den Austausch von Thymin (T) gegen Adenin (A) im ersten Triplett entsteht in der mRNA ein Stopp-Codon (UAA). Die Translation wird vorzeitig abgebrochen.

  • 👉 Nonsense-Mutation (führt zu einem funktionslosen, verkürzten Protein).

• b) Mutation: TAC TGT AAG AGC

  • DNA: TAC TGT AAG AGC

  • mRNA: AUG ACA UUC UCG

  • AS-Sequenz: Met - Thr - Phe - Ser

  • Mutationstyp & Folge: Im ersten Triplett wurde Thymin (T) durch Guanin (G) ausgetauscht. Dadurch wird nun eine andere Aminosäure (Threonin statt Lysin) eingebaut.

  • 👉 Missense-Mutation (kann die Funktion des Proteins verändern).

• c) Mutation: TAC TTC AAG AGC

  • DNA: TAC TTC AAG AGC

  • mRNA: AUG AAG UUC UCG

  • AS-Sequenz: Met - Lys - Phe - Ser

  • Mutationstyp & Folge: Im ersten Triplett wurde Thymin (T) durch Cytosin (C) ausgetauscht. Das neue mRNA-Codon (AAG) codiert jedoch für genau dieselbe Aminosäure wie das Ursprungscodon (AAA → Lysin).

  • 👉 Stumme Mutation (hat keine Auswirkungen auf das Protein, da die Aminosäuresequenz unverändert bleibt).

2. c) Schwerwiegendere Folgen

• Entscheidung: Die Mutation unter a) hat deutlich schwerwiegendere Folgen als die Mutationen b) und c).

• Begründung: Mutation a) ist eine Nonsense-Mutation, bei der ein Stopp-Codon erzeugt wird, was zum sofortigen Abbruch der Proteinsynthese führt. Das entstehende Protein ist unvollständig und meist völlig funktionslos. Mutation b) (Missense) tauscht nur eine Aminosäure aus (wobei das Protein evtl. noch arbeitet), und Mutation c) ist eine stumme Mutation, bei der sich gar nichts am Protein ändert.

Teil 3: Aufgaben zu Bild 2 (Versuche mit dem Zellkern / Acetabularia)

3. a) Beschreibung der Versuche

• Oberer Versuch: Eine Schirmalge (Acetabularia) wird in drei Teile geschnitten (Schirm, Stiel, Wurzel). Der Schirm und der Stiel sterben nach kurzer Zeit ab, da sie keinen Zellkern besitzen. Die Wurzelregion mit dem Zellkern regeneriert sich jedoch vollständig zu einer neuen, funktionierenden Alge.

• Unterer Versuch: Bei zwei verschiedenen Arten (A. crenulata und A. mediterranea) wird der Zellkern aus der Wurzel der einen Art in den Stiel der anderen Art übertragen bzw. Wurzeln mit Zellkernen werden vereinigt. Das Ergebnis zeigt, dass der Schirm immer die Form ausbildet, die durch die genetische Information des eingepflanzten Zellkerns bestimmt wird.

3. b) Erklärung und Bedeutung des Zellkerns

• Erklärung: Der Zellkern steuert alle Stoffwechselprozesse und die Entwicklung der Zelle, da er die gesamte Erbinformation (DNA) enthält.

• Bedeutung: Ohne Zellkern (wie im Stiel oder Schirm allein) kann die Zelle keine lebenswichtigen Proteine mehr herstellen, weil die Bauanleitung (DNA) fehlt und sie sich nicht langfristig erhalten oder regenerieren kann. Der Zellkern ist somit der Träger der Erbanlagen und steuert die artspezifische Merkmalsausprägung (wie hier die Schirmform).