Aufgabe Vorschlag C - Aufgabe 1 (1.1 - 1.3.1) · Abitur Hessen Biologietechnik LK 2022
Thema: DNA, Replikation und Proteinbiosynthese · Aus der Prüfung LK (2022)
Aufgabenstellung
Die moderne Biochemie stellt eine Vielzahl von aussagekräftigen Methoden zur Untersuchung von Nukleinsäuren zur Verfügung. Die Entwicklung automatisierter Techniken, die eine zuverlässige Identifizierung, rasche Vervielfältigung und nahezu beliebige Umstrukturierung von Nukleinsäuren erlauben, führt zur Erweiterung und Verfeinerung des molekulargenetischen Methodenspektrums und hat die Forschung im biomedizinischen Bereich von Grund auf erneuert.
Material 1
DNA-Replikation
„Die DNA erfüllt zwei wesentliche Funktionen. Die Verdopplung der genetischen Information vor jeder Zellteilung wird durch die konservative Replikation erfüllt: Eine Helikase trennt die DNA-Doppelstränge über eine Strecke von 20 Basenpaaren. An die freien Basen eines der beiden Stränge lagern sich kompensatorische Nukleotide an, die durch DNA-Ligase zu einem DNA-Strang verknüpft werden. Der neu synthetisierte DNA-Strang wird durch DNA-Replikase zu einem Doppelstrang ergänzt.“
geändert nach: https://docplayer.org/34554581-Aufgabe-1-bakterien-als-untersuchungsgegenstand.html (abgerufen am 13.07.2021).
Material 2
DNA-Sequenz
5′ -ACTGACGGATCCCTTGGTCCA- 3′
Material 3
Restriktionskartierung
Material 4
Sequenzierung
Hinweis: Die grau gedruckten Buchstaben entsprechen dem in Abbildung 4.2 dargestellten Molekül, die schwarz gedruckten Buchstaben dem in Abbildung 4.3.
geändert nach: https://asset.klett.de/assets/4223651b/DNA-Sequenzanalyse.pdf (abgerufen am 13.07.2021).
Hinweis: Es gibt vier verschiedene Didesoxynukleotide, die jeweils mit unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen markiert werden.
Aufgabe 1
Die moderne Biochemie stellt eine Vielzahl von aussagekräftigen Methoden zur Untersuchung von Nukleinsäuren zur Verfügung. Die Entwicklung automatisierter Techniken, die eine zuverlässige Identifizierung, rasche Vervielfältigung und nahezu beliebige Umstrukturierung von Nukleinsäuren erlauben, führt zur Erweiterung und Verfeinerung des molekulargenetischen Methodenspektrums und hat die Forschung im biomedizinischen Bereich von Grund auf erneuert.
1.1
Erläutern Sie den Aufbau und die Struktur eines DNA-Moleküls. [10 BE]
1.2
In Material 1 wird die DNA-Replikation von Eukaryoten beschrieben. Formulieren Sie zu den nichtzutreffenden Textpassagen die korrekten Aussagen und listen Sie in einer Tabelle alle an der Replikation beteiligten Enzyme jeweils mit ihrer Funktion auf. [10 BE]
1.3.1
Mithilfe molekulargenetischer Techniken soll eine Restriktionskarte von einem 12 Kilobasen (kb)-Fragment einer bakteriellen DNA erstellt werden. Zunächst wurde das Fragment mit einer Polymerase-Kettenreaktion (Polymerase Chain Reaction; PCR) vervielfacht und anschließend mit den Restriktionsenzymen Hind III und BamH I geschnitten. Mit einer Agarosegelelektrophorese wurden die Fragmente vereinzelt.
Vergleichen Sie tabellarisch die in vivo DNA-Replikation mit einer PCR. [8 BE]
Lösung
Nach den offiziellen Korrekturhinweisen
1.1 Erläutern Sie den Aufbau und die Struktur eines DNA-Moleküls. [10 BE]
Lösung: Grundbausteine der DNA sind die Nukleotide, bestehend aus Desoxyribose, Phosphatgruppe und einer organischen Base (Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin). Sie bilden antiparallele Polynukleotidstränge (5'→3' und 3'→5'), die komplementär über Wasserstoffbrücken (A-T mit 2, G-C mit 3) zu einer rechtsgängigen Doppelhelix verknüpft sind.
1.2 Korrektur der fehlerhaften Textpassagen zur Replikation aus Material 1 [4 BE]
Lösung: - Replikation erfolgt semikonservativ (nicht konservativ). - Helikase trennt die DNA-Doppelstränge über die gesamte Länge (nicht nur über 20 Basenpaare). - An beide Einzelstränge lagern sich komplementäre Nukleotide an, die durch DNA-Polymerase verknüpft werden. - Da dieser Vorgang an beiden Einzelsträngen gleichzeitig abläuft, wird kein weiteres Enzym für die Ergänzung zum Doppelstrang benötigt (keine 'DNA-Replikase').
1.2 Tabelle aller an der Replikation beteiligten Enzyme mit ihrer Funktion [6 BE]
Lösung: Topoisomerase: entwindet die Doppelhelix. Helikase: trennt die Doppelhelix durch Lösen der Wasserstoffbrücken. RNA-Primase: synthetisiert RNA-Primer. DNA-Polymerase: fügt am 3'-Ende komplementäre Nukleotide an. RNase: entfernt RNA-Primer. DNA-Ligase: verknüpft die Okazaki-Fragmente durch Esterbindungen.
1.3.1 Vergleichen Sie tabellarisch die in vivo DNA-Replikation mit einer PCR. [8 BE]
Lösung: Gemeinsamkeit: Verdopplung eines DNA-Moleküls durch Auftrennung in Einzelstränge unter Verwendung von Primern und Polymerase. Unterschiede: - Vorgang: Replikation = natürlich, in vivo, gesamtes Genom verdoppelt; PCR = künstlich, in vitro, gezielte Vervielfältigung bestimmter Fragmente. - Strangtrennung: Replikation = Helikase; PCR = thermische Denaturierung bei 95 °C. - Primer: Replikation = RNA-Primer (durch Primase gebildet, später entfernt); PCR = DNA-Primer (synthetisch zugegeben, verbleiben im Produkt). - Synthese: Replikation = Leitstrang kontinuierlich, Folgestrang diskontinuierlich (Okazaki-Fragmente + Ligase); PCR = beide Stränge kontinuierlich (keine Ligase nötig). - Polymerase: Replikation = zelluläre DNA-Polymerasen; PCR = hitzestabile Taq-Polymerase.
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