Aufgabe Vorschlag B - Aufgabe 2 (2.2 - 2.5) · Abitur Hessen Biologietechnik LK 2022

2.2 Zeigen Sie anhand von Material 4 das Zustandekommen der Krankheit Xeroderma pigmentosum (XP) auf.

Lösung: Durch UV-Strahlung im Sonnenlicht bilden sich in der DNA von Hautzellen Thymin-Dimere, die die DNA-Polymerase stören und zu Fehlpaarungen führen. In Abb. 4.1 sterben Zellen von XP-Patienten bereits bei geringer Dosis ($0-1\text{ J/m}^2$) ab; bei $2\text{ J/m}^2$ überleben nur noch $3\,\%$, während gesunde Zellen eine Überlebensrate von fast $100\,\%$ zeigen (die $3\,\%$-Marke wird erst bei ca. $20\text{ J/m}^2$ erreicht). In Abb. 4.2 sinkt der Anteil verbleibender Thymin-Dimere bei Gesunden nach 15 h auf ca. $15\,\%$, bei XP-Patienten bleibt er bei ca. $80\,\%$. XP-Patienten können Thymin-Dimere also nicht oder nur sehr langsam reparieren, was zur Anhäufung von Mutationen und Tumorentstehung führt.

2.3 Erklären Sie den Mechanismus der Nukleotid-Exzisionsreparatur (Material 5).

Lösung: Schritt a: XPC erkennt das Thymin-Dimer und bindet daran. Schritt b: TFIIH-Komplex (mit Helikasen XPB und XPD) bindet an XPC. Schritt c: XPA bindet in 5'-Richtung von XPC; DNA öffnet sich blasenartig; RPA bindet an den komplementären Einzelstrang. Schritt d: Endonukleasen XPG und XPF schneiden den beschädigten Einzelstrang an definierten Stellen; XPC verlässt den Komplex. Schritt e: Der beschädigte Strangbereich wird zusammen mit TFIIH, XPG/XPF und XPA entfernt; RPA stabilisiert die Lücke. Schritt f: RPA löst sich; DNA-Polymerase synthetisiert den fehlenden Strangbereich komplementär neu. Schritt g: DNA-Ligase schließt die verbleibende Phosphodiester-Lücke.

2.4 Ermitteln Sie die Mutationen und die jeweiligen Aminosäuresequenzen für die Fälle 1-3 (Material 6) und leiten Sie die zu erwartenden Auswirkungen auf Proteinebene ab.

Lösung: Fall 1: Punktmutation (C zu A in DNA bzw. G zu U in mRNA an Codon 108). UGU (Cys) wird zu UUU (Phe). Da Cys inmitten des Proteins (Pos. 108 von 274) liegt, können fehlende Disulfid- oder Wasserstoffbrücken die Tertiärstruktur und Funktion beeinträchtigen. Fall 2: Punktmutation (A zu T in DNA bzw. U zu A in mRNA an Codon 116). UAU (Tyr) wird zu UAA (Stopp-Codon). Nonsense-Mutation führt zum Abbruch nach 115 AS; die restlichen 158 AS fehlen, das Protein ist funktionslos oder stark eingeschränkt. Fall 3: Insertion von zwei AA im DNA-Bereich 261/262 führt zu vier zusätzlichen U (UUUU) in der mRNA und Rasterverschiebung. - Sequenz gesund: Thr-Cys-Thr-Met-Cys-Gly-His-Glu-Leu-Thr-Tyr-Glu-Lys-Met-Stopp - Sequenz XP-Patient: Ile-Leu-Leu-Tyr-Tyr-Val-Trp-Pro-Stopp Die letzten 14 Aminosäuren sind verändert und das Protein ist um 6 Aminosäuren verkürzt. Da die ersten 260 Aminosäuren intakt sind, bleibt das Protein wahrscheinlich partiell funktionstüchtig.

2.5 Erklären Sie diesen Sachverhalt (schwere Verläufe in Fällen 1 und 2 vs. milder Verlauf in Fall 3).

Lösung: In den Fällen 1 und 2 ist die Tertiärstruktur bzw. die Integrität des XPA-Proteins so gravierend zerstört (Aminosäureaustausch in der Bindungsdomäne bei Fall 1 bzw. Fehlen von mehr als der Hälfte des Proteins bei Fall 2), dass keine Bindung an DNA oder TFIIH mehr erfolgen kann und die Reparatur komplett ausfällt (schwerer Verlauf). In Fall 3 sind lediglich die C-terminalen 14 Aminosäuren verändert/verkürzt, die offenbar außerhalb der essenziellen Bindungsdomänen liegen. Die Hauptstruktur bleibt intakt, sodass eine Restaktivität für die DNA-Reparatur erhalten bleibt (milder Verlauf).