Aufgabe Vorschlag C - Aufgabe 1 (1.3.2 - 1.4) · Abitur Hessen Biologietechnik LK 2022
Thema: Molekularbiologische Analyseverfahren · 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.
1.3.2
Zeichnen Sie in der in Material 2 angegebenen Sequenz die längste palindromische Schnittstelle für ein Restriktionsenzym ein. Begründen Sie Ihre Antwort.
[4 BE]
Sequenz aus Material 2: 5'-ACTGACGGATCCCTGGTCCA-3'
1.3.3
Material 3 zeigt die Restriktionskartierung.
Zeigen Sie die relative Abfolge der einzelnen Fragmente in der Original-DNA und die Schnittstellen auf.
[6 BE]
ut-label exam-mt-16">Erklärung der Ursache des Kettenabbruchs durch ddNTP (chemische Struktur):
= 11, incorrect: totalEarnedPoints < 11 }">
Lösung
Nach den offiziellen Korrekturhinweisen
1.3.2 Zeichnen Sie in der in Material 2 angegebenen Sequenz die längste palindromische Schnittstelle für ein Restriktionsenzym ein.
Lösung: GGATCC
1.3.2 Begründen Sie Ihre Antwort.
Lösung: Diese Sequenz ist mit dem komplementären Strang identisch und vorwärts wie rückwärts gelesen gleich.
1.3.3 Zeigen Sie die relative Abfolge der einzelnen Fragmente in der Original-DNA auf (Reihenfolge der Fragmente im Doppelverdau).
Lösung: 9 kb – 1 kb – 2 kb / 2 kb – 1 kb – 9 kb
1.3.3 Zeigen Sie die relative Abfolge der einzelnen Fragmente in der Original-DNA und die Schnittstellen auf (Begründung/Skizze).
Lösung: Relative Abfolge der Fragmente: 9 kb – 1 kb – 2 kb (bzw. 2 kb – 1 kb – 9 kb). Schnittstelle für BamH I liegt nach 9 kb, die Schnittstelle für Hind III nach weiteren 1 kb (also bei 10 kb vom linken Ende bzw. 2 kb vom rechten Ende).
1.4 Erläutern Sie die Abbildung 4.1, sodass der dargestellte Vorgang (Ziffern 1 bis 8) deutlich wird.
Lösung: Bei dem dargestellten Vorgang handelt es sich um die Kettenabbruchmethode (Sanger-Sequenzierung), die auf der In-vitro-Synthese von DNA in Gegenwart von kettenabbruch-induzierenden Nukleotiden beruht: 1. DNA-Einzelstrang, der sequenziert werden soll. 2. Verwendung eines Gemischs aus vier Desoxynukleosidtriphosphaten (dATP, dCTP, dGTP, dTTP), die von der DNA-Polymerase genutzt werden, um den Gegenstrang zu synthetisieren. 3. Zugabe einer kleinen Menge von vier Didesoxynukleosidtriphosphaten (ddATP, ddCTP, ddGTP, ddTTP), die unterschiedlich farbig markiert sind, damit sie am Ende detektiert werden können. 4. Ein zum Einzelstrang komplementäres kurzes Starter-Oligonukleotid (Primer) geht eine Basenpaarung mit dem zu sequenzierenden Einzelstrang ein und dient der DNA-Polymerase als Startpunkt für die Synthese. 5. Die DNA-Polymerase liest den zu sequenzierenden Strang in 3'-5' Richtung ab und synthetisiert den komplementären Einzelstrang in 5'-3' Richtung. 6. Ein Didesoxynukleosidtriphosphat – hier ddTTP – wird anstelle eines dTTP von der DNA-Polymerase eingebaut. 7. Durch den zufälligen Einbau der ddNTPs entstehen unterschiedlich lange DNA-Fragmente. 8. Mittels eines Fluoreszenz-Detektors kann die Basenabfolge der zu sequenzierenden DNA ermittelt werden.
1.4 Erklären Sie auch die Tatsache, dass der Einsatz von Didesoxynukleotiden (ddNTP) bei der Kettenverlängerung durch die DNA-Polymerase zu Kettenabbrüchen führt.
Lösung: Bei Didesoxynukleosidtriphosphaten (ddNTP) ist an der 3'-Position der Desoxyribose die OH-Gruppe durch eine Wasserstoffgruppe (-H) ersetzt. Durch die fehlende Hydroxylgruppe an der 3'-Position kann die DNA-Polymerase keine Phosphodiesterbindung zu einem weiteren Nukleotid herstellen; es kommt zum Abbruch der Kettenverlängerung.
Foto der gezeichneten Restriktionskarte
Lösung: Skizze einer linearen DNA der Gesamtlänge 12 kb mit zwei Schnittstellen: Entweder von links nach rechts Schnittstelle für BamH I bei 9 kb und für Hind III bei 10 kb (Fragmente 9 kb – 1 kb – 2 kb), oder umgekehrt Hind III bei 2 kb und BamH I bei 3 kb (Fragmente 2 kb – 1 kb – 9 kb).
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