Aufgabe Vorschlag A - Aufgabe 1 (1.1, 1.2) · Abitur Hessen Biologietechnik LK 2022
Thema: Molekularbiologische Analyseverfahren · Aus der Prüfung LK (2022)
Aufgabenstellung
Die Entdeckung des „Denisova-Menschen“ und sein Erbe im heutigen Menschen, Diabetes mellitus Syndrom
Verwandtschaftsbeziehungen können mittels DNA-Sequenzierung und dem Vergleich mit bereits entschlüsseltem Erbmaterial bewertet werden. Je ähnlicher molekulare Strukturen von Lebewesen sind, desto enger sind diese miteinander verwandt. Das Genom des modernen Menschen wurde in jüngster Zeit mit dem des kürzlich entdeckten „Denisova-Menschen“ verglichen. DNA-Analysen ergaben, dass Spuren dieses Frühmenschen noch heute im Erbgut des modernen Menschen zu finden sind. So entdeckte man zum Beispiel bei den Tibetern eine einzigartige Variante des Gens „Endothelial PAS 1“ ( EPAS 1). Diese als EPAS 1a bezeichnete Variante wurde in keiner weiteren Gruppe des modernen Menschen gefunden, wohl aber im Erbgut des urzeitlichen Denisova-Menschen.
Das Gen EPAS 1 besitzen alle modernen Menschen. Es führt zu der so genannten „Höhenanpassung“. Bei einem Aufenthalt in großen Höhen reagiert der menschliche Körper mit einer Steigerung der Erythrozytenbildung bis zu etwa 20%. Bei den Tibetern, die die Gen-Variante EPAS 1a besitzen, tritt diese Anpassung nicht auf. Sie besitzen eine ähnlich hohe Erythrozytenzahl wie in Tiefebenen lebende Menschen. Die Anzahl an Erythrozyten ist ein Maß für den Sauerstoffgehalt im Blut, da dieser, an die Erythrozyten gebunden, im Blut transportiert wird. Endgültig ist noch nicht geklärt, wieso die Tibeter einen Vorteil durch das EPAS 1a -Gen haben. Man vermutet aber, dass die Affinität des Sauerstoffs zum Edukt bei Stoffwechselschritten erhöht ist. Stoffwechselschritte, an denen Sauerstoff beteiligt ist, können so verstärkt ablaufen.
geändert nach: http://www.genderwoche.de/de/45-epas1 (abgerufen am 01.05.2019)
Material 1: Textbausteine
Durchführen einer Gelelektrophorese und Bestrahlung mit Laser · Denaturierung der DNA in Einzelstränge · Mischen mit Primern, DNA-Polymerase, dNTPs und fluoreszenzmarkierten ddNTPs
Einbau der ddNTPs führt zum Kettenabbruch · Bestimmung der Gesamtsequenz der DNA durch Computerprogramm · Gemisch aus unterschiedlich langen DNA-Fragmenten
Synthese eines komplementären DNA-Strangs
Material 2: Höhenanpassung durch das EPAS 1 -Gen
Hinweis: HIF-2α (hypoxia-inducible factor 2-alpha); HIF-2β (hypoxia-inducible factor 2-beta); ARNT-2-Gen (aryl-hydrocarbon receptor nuclear translocator 2); normoxische Bedingungen = ausreichende und somit normale Versorgung mit Sauerstoff.
Die Genprodukte der aktivierten Gene beeinflussen die Erythrozyten- und Hämoglobinbildung positiv.
geändert nach: http://www.genderwoche.de/de/45-epas1-das-hochlandgen (abgerufen am 02.04.2019)
Material 3: DNA-Ausschnitte des „normalen“ EPAS 1 -Gens und der Genvariante der Tibeter ( EPAS-1a)
DNA-Ausschnitt aus dem codogenen Strang des „normalen“ EPAS 1 -Gens:
... 3'–GAG TAG CTC GGA GAG CCC CGG AGC TGC AAT–5'...
DNA-Ausschnitt aus dem codogenen Strang des EPAS 1a -Gens:
... 3'–GAG TAG CTC TGA GAG CCC CGG AGC TGC AAT–5'...
Material 4: Codesonne
geändert nach: https://www.abiweb.de/assets/courses/media/screen-shot-2013-01-13-at-09.11.38-print.png (abgerufen am 28.03.2021)
Aufgabe 1
1.1
In Material 1 sind die einzelnen Schritte der DNA-Sequenzierung nach Sanger in Textbausteinen aufgelistet.
Überführen Sie die Textbausteine in ein Fließschema und zeigen Sie die Notwendigkeit der Teilschritte „Durchführung einer Gelelektrophorese“ und „Bestrahlung mit Laser“ für das Sequenzierungsverfahren auf. [10 BE]
1.2
Erläutern Sie das Prinzip und die Handhabung einer Gelelektrophorese. [7 BE]
Lösung
Nach den offiziellen Korrekturhinweisen
1.1 In Material 1 sind die einzelnen Schritte der DNA-Sequenzierung nach Sanger in Textbausteinen aufgelistet. Überführen Sie die Textbausteine in ein Fließschema und zeigen Sie die Notwendigkeit der Teilschritte „Durchführung einer Gelelektrophorese“ und „Bestrahlung mit Laser“ für das Sequenzierungsverfahren auf.
Lösung: Fließschema (Sanger-Methode): 1. Denaturierung der DNA in Einzelstränge 2. Mischen mit Primern, DNA-Polymerase, dNTPs und fluoreszenzmarkierten ddNTPs 3. Synthese eines komplementären DNA-Stranges *(kann auch parallel zu Schritt 4 angeordnet werden)* 4. Einbau der ddNTPs führt zum Kettenabbruch 5. Gemisch aus unterschiedlich langen DNA-Fragmenten 6. Durchführen einer Gelelektrophorese und Bestrahlung mit Laser 7. Bestimmung der Gesamtsequenz der DNA durch Computerprogramm Notwendigkeit der Teilschritte: - „Durchführung einer Gelelektrophorese“: Trennverfahren zur Auftrennung der unterschiedlich langen DNA-Fragmente nach Molekülgröße (aufgrund der negativen Ladung der DNA). - „Bestrahlung mit Laser“: Anregung der fluoreszierenden Farbstoffe der ddNTPs zur Detektion und Sichtbarmachung der Banden für die digitale Sequenzbestimmung.
1.2 Erläutern Sie das Prinzip und die Handhabung einer Gelelektrophorese.
Lösung: Prinzip und Handhabung einer Gelelektrophorese: - Bei der Gelelektrophorese beruht die Stofftrennung auf der unterschiedlich schnellen Wanderung geladener Teilchen in einem Gel. - Das Gel befindet sich zwischen den Elektroden eines Gleichspannungsfelds. - Das zu trennende Gemisch wird in sogenannte Taschen des Gels eingefüllt. - Das Gel wirkt wie ein Sieb, das die Wanderung der Teilchen in einem elektrischen Feld behindert. Je größer die Teilchen, umso stärker werden sie an der Wanderung durch das Gel behindert. - Dies ermöglicht eine Trennung nach der Molekülmasse bzw. Molekülgröße. - Zur Sichtbarmachung der Banden wird ein geeigneter Farbstoff benutzt. - Um die Banden direkt auswerten zu können, lässt man einen Längenstandard mit bekannten Molekülmassen mitlaufen.
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