5 Aufgaben 20 Eine Dreiergruppe von Basen verschlüsselt eine Aminosäure Es gibt vier verschiedene Basen in der DNA: Adenin (A), Cytosin (C), Guanin (G) und Thymin (T). Diese vier Basen A, C, G und T sollen Informationen für 20 verschiedene Aminosäuren verschlüsseln. Wie kann mit vier Basen eine Verschlüsselung für 20 Aminosäuren erreicht werden? Bei einer 1 :1-Codierung würde jede Base für eine Aminosäure stehen, also A für Aminosäure 1, C für Aminosäure 2, G für Aminosäure 3 und T für Aminosäure 4. So könnten nur 4 unterschiedliche Aminosäuren codiert werden. Mit einer 2 :1-Codierung stehen Basenpaare für Aminosäuren, also AA für Aminosäure 1, AC für Aminosäure 2, AG für Aminosäure 3 usw. Das ergibt 42 Möglichkeiten – immer noch zu wenig für 20 Aminosäuren. Eine 3 :1-Codierung bedeutet, dass AAA für Aminosäure 1 steht, AAC für Aminosäure 2, AAG für Aminosäure 3 etc. Hier ergeben sich 43 Kombinationen, also 64 – mehr als genug für 20 Aminosäuren. Experimente mit RNA haben gezeigt: Es sind tatsächlich Basentripletts, die Aminosäuren codieren. Eine Gruppe aus drei Basen ergibt 64 Kombinationsmöglichkeiten, genug um 20 Aminosäuren zu verschlüsseln Der genetische Code Code und Verschlüsseln … das klingt mehr nach Spionage als nach Biologie. Dennoch passt der Begriff: Ein Code gibt an, wie eine Abfolge von Zeichen eindeutig eine andere Abfolge von Zeichen definiert. Im Falle des genetischen Codes sind es keine Zeichen, sondern Moleküle: Eine Abfolge von Basen definiert eine Abfolge von Aminosäuren. Alle Lebewesen sind in diesen Code eingeweiht: Der genetische Code ist universell. Zur Umsetzung bedarf es bestimmter Bestandteile der Zelle. Jede deiner Zellen ist also eine Decodiermaschine, die die Basensequenz in die Aminosäureabfolge übersetzt. Und ebenso ist jede Bakterienzelle eine solche Maschine, die mit demselben Code arbeitet! Die Übersetzungsvorschrift von mRNA-Tripletts in Aminosäuren wird gerne durch eine Codesonne dargestellt (kAbb. 14). Die Codesonne wird von innen nach außen gelesen. Jeder Buchstabe der drei inneren Ringe steht für eine Base im RNA-Nukleotid, immer drei in einem Strahl bilden ein Codon. Im äußeren Ring stehen die Abkürzungen für die Aminosäuren. So codiert zB das Triplett AUG die Aminosäure Met (Methionin), das Triplett GGG die Aminosäure Gly (Glycin). Zu drei Tripletts (UAA, UAG und UGA) gibt es keine Aminosäuren. Sie werden als Stopp-Codons bezeichnet. Das heißt, diese Tripletts markieren das Ende der Translation. Wie du siehst, werden die meisten Aminosäuren durch mehrere Tripletts verschlüsselt, zB codieren die Codons UUA und UUG für die Aminosäure Leu (Leucin). Der genetische Code ist also redundant1. 1 redundant: redundare (lat.) = mehrfach vorhanden, im Überfluss vorhanden Der genetische Code ist universell und redundant, er kann mittels einer Codesonne dargestellt werden Variabilität, Verwandtschaft, Geschichte und Evolution Die Tatsache, dass die Zellen praktisch aller Lebewesen – von den Bakterien in deinem Darm über die Bäume vor deinem Haus bis zu dir selbst – denselben genetischen Code anwenden, scheint vielleicht verblüffend. Tatsächlich ist dies ein Beweis für die Evolution aller Lebewesen, ausgehend von einem gemeinsamen Vorfahren: Der genetische Code ist so alt wie das Leben selbst, bereits die ersten Zellen auf der Erde verschlüsselten so ihre Proteine. Im Zuge der Entstehung immer komplizierter Lebewesen wurde diese fundamentale Vorschrift stets weitergegeben und steckt heute nahezu unverändert in jeder lebenden Zelle auf der Erde. Bei sehr wenigen Organismen gibt es modifizierte Codes, also Abweichungen vom universellen Code. So gibt es zB bei Mitochondrien, manchen Bakterien und manchen Wimpertierchen geringfügige Abweichungen. U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U U G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G G A A A A A C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C A A A A A A A A A A A A A A A A Gly Phe Leu Leu Ser Ser Tyr Cys Trp Pro His Gln Arg Arg Ile Met Thr Asn Lys Val Ala Asp Glu Stopp Stopp Start Stopp 3’ 3' 3' 3' 5' Abb.14: Die Codesonne. Dieses Schema zeigt die Übersetzungsvorschrift von mRNA-Codons in Aminosäuren, AGC für Ser (Serin). Methionin markiert in den meisten Fällen den Beginn einer Aminosäurekette (Startcodon). Zu drei Stopp-Codons gibt es keine Aminosäure, sie markieren das Ende der Translation. 1 W Suche in der Codesonne die Codons für Leucin (Leu). 2 W Benenne die Aminosäure, die nur durch ein Codon codiert ist. Basiskonzepte Sonderseiten „Blick in die Forschung“ Auf diesen Seiten werfen wir einen Blick in die aktuelle Forschung. Welche Fragen stellen sich Wissenschafterinnen und Wissenschafter? Wie versuchen sie Antworten zu finden? „Methoden in der Praxis“ Auf diesen Seiten lernst du wichtige Methoden kennen, die in der Wissenschaft oder in der Medizin angewendet werden. Es werden spannende Beispiele vorgestellt, wie die eben gelernte Therorie in der Praxis angewendet werden kann. Aufgaben 36 Methoden in der Praxis Gel-Elektrophorese Die Zelle enthält eine Vielfalt von Proteinen und Nukleinsäuren Jedes Protein ist eine lange Kette aus Aminosäuren, die – je nach Aminosäurenabfolge – eine bestimmte Faltung einnehmen, woraus sich Form und Funktion des Proteins ergeben. Natürliche Proteine setzen sich aus 20 verschiedenen Aminosäuren zusammen, und die Länge der Aminosäurekette variiert von ca. 100 bis zu einigen Tausend Aminosäuren – entsprechend groß ist die Vielfalt der Proteine. Ebenso gibt es unzählige verschiedene Nukleinsäuren – zwar sind DNA und RNA strukturell und funktionell bei weitem nicht so vielfältig wie Proteine, aber dennoch unterscheiden sich DNA- und RNA-Moleküle, v.a. in ihrer Länge. Wie lassen sich verschiedene Proteine oder Nukleinsäuren voneinander trennen? In der Molekularbiologie ist es oft wichtig, ein Protein oder ein bestimmtes Stück DNA in Reinform vorliegen zu haben, etwa für die Untersuchung der Molekülstruktur. Molekularbiologinnen und -biologen nutzen zur Trennung von Protein- oder Nukleinsäuregemischen die Methode der Gel-Elektrophorese1. In Abbildung 34 siehst du eine Gel-Ektrophorese-Apparatur. Das Protein- oder Nukleinsäuregemisch wird angefärbt und in kleine Gruben im Gel2 eingefüllt. Dann wird eine schwache Gleichspannung über zwei Elektroden angelegt. Man macht sich hier die Tatsache zu Nutze, dass Proteine ebenso wie Nukleinsäuren nicht in neutralem Zustand vorliegen, sondern negativ geladen sind. Sie werden also von der Anode angezogen und wandern entsprechend schnell durch das Gel. Entscheidend ist hier die Molekülgröße: Kleine Moleküle wandern schneller (da sie weniger Widerstand durch das Gel erfahren). Nach Abschalten der Spannung wird das Gel entnommen. Die Laufstrecke der Proben wird mit Laufstrecken von bekannten Molekülen (so genannten Molekulargewichtstandards) verglichen. So kann die Molekülgröße bestimmt werden. 1 Gel-Elektrophorese: pherein (griech.) = tragen 2 Gel: Verschiedene Gele können als Trägermedium genutzt werden. Am häufigsten kommen Agarose-Gele (Agar) oder Polyacrylamid-Gele zum Einsatz. Kathode Steg Kammer aus Plastik Anode Proteinbanden Glasplatten Gel Gel Puffer Puffer Gemisch aus zwei Proteinen ein Protein A B C B A C Kleine Proteine wandern schneller durch das Gel als große (so wie ein Hase schneller durch das Unterholz kommt als ein Hirsch). Die Probe wird mit einer Pipette aufgetragen. Die Proteine wurden zuvor entfaltet und negativ geladen. Abb. 34: Gel-Elektrophorese. Mit dieser Methode können Moleküle nach ihrer Größe getrennt werden. Die abgebildete Apparatur wird zur Trennung von Proteinen verwendet, für Nukleinsäuren kommen horizontale Apparaturen zur Anwendung (kAbb. 35). Abb.35: Gel-Elektrophorese-Apparat zur Trennung von DNA-Proben. 1 W/E Die Gel-Elektrophorese nutzt die Tatsache, dass Proteine und Nukleinsäuren nicht in neutraler Form vorliegen, sondern negative Ladungen tragen. Dies kommt daher, dass bei beiden Molekülen funktionelle Gruppen vorliegen, die in wässriger Lösung H+ abspalten können. Betrachte die Strukturen von DNA und Aminosäuren und finde die funktionellen Gruppen, an denen die Abspaltung erfolgt. Besprich deine Ergebnisse im Klassenverband. Aufgaben 37 Grundlagen der Genetik Blick in die Forschung Der zelluläre Reparatur-Notdienst Irren ist menschlich… Wir alle machen Fehler. Auch auf molekularer Ebene kommt es ständig zu spontanen Schäden. In einer menschlichen Zelle sind es ca. 10 000 am Tag. Diese entstehen durch „molekulares Versagen“, also zB Fehler bei der Replikation der DNA, aber auch durch Einflüsse von außen, wie durch Gifte (etwa aus Zigarettenrauch) oder UV-Strahlung. Die Biochemikerin Dea Slade von der Universität Wien erforscht mit ihrem Team, wie die Zelle diese Schäden repariert. Diesen Reparaturmechanismen verdankst du dein Leben, denn ohne sie würden an allen Stellen deines Körpers laufend schadhafte Zellen entstehen, von denen viele zu Krebszellen werden. Die Erforschung des zellulären Reparatur-Notdiensts ist also auch eine Suche nach neuen, effektiven Krebstherapien1. Slade und ihr Team untersuchen DNA-Doppelstrangbrüche: Mit einem UV-Laser wird die DNA durchschnitten, ohne die Zelle zu töten. Dann lässt sich beobachten, welche Prozesse in Gang gesetzt werden, um den Schaden zu reparieren. Generell sind diese Abläufe sehr komplex: Viele verschiedene Troubleshooter-Proteine arbeiten an der Reparatur. Die Schwierigkeit ist die Beobachtung dieser molekularen Vorgänge. Beobachtung von Proteinen in Echtzeit Mit herkömmlichen Methoden lässt sich nicht detektieren, was nach dem Durchtrennen der DNA in der Zelle passiert. Folglich musste das Team um Slade gemeinsam mit Expertinnen und Experten aus dem Feld Bio-Optics vom Vienna Biocenter eine eigene Mikroskopie-Technik entwickeln, um die Proteine in Echtzeit zu beobachten. Die FLIM-FRET-Technik (Fluorescence Lifetime Imaging-Fluorescence Resonance Energy Transfer, kAbb. 36) ist eine weltweit einzigartige Technik, mit der nun das Zusammenspiel zweier Proteine in der Zelle beobachtet werden kann. Dazu werden die potenziellen Bindungspartner mit unterschiedlichen Fluorophoren2 markiert. Das Besondere ist, dass das Emissionsspektrum des einen Bindungspartners mit dem Anregungsspektrum des anderen übereinstimmt. Wenn also beide Moleküle in Kontakt kommen, kann die Anregung des ersten Moleküls zur Anregung des zweiten führen. Anders gesagt: Wenn man nur das erste Molekül anregt, dann aber das zweite Molekül fluoresziert, weiß man, dass die Wechselwirkung erfolgt. Besonders bemerkenswert ist, dass es bereits einige Medikamente am Markt gibt, die auf Erkenntnissen dieser sehr neuen Technik beruhen, zB bei Eierstock- und Brustkrebs (PARP-Behandlung3). Die Therapie hat aber noch etliche Nebenwirkungen, was damit zu tun hat, dass noch nicht genau bekannt ist, was die Proteine genau tun. Dea Slade und ihr Team wollen das Wissen in diesem Bereich erweitern, um diese und zukünftige Therapien effektiver zu gestalten. Ihr Projekt ist also ein Teil der Suche der Menschheit nach einem Heilmittel gegen Krebs – welcher immerhin für ca. ein Viertel aller Todesfälle in Österreich verantwortlich ist. 1 Krebs: In Österreich ist Krebs die zweithäufigste Todesursache (nach Herz-Kreislauf-Erkrankungen), siehe dazu auch S. 60 ff. 2 Fluorophor: fluoreszierende Stoffe, die bei Anregung durch bestimmte Lichtwellenlängen ihrerseits charakteristische Wellenlängen abgeben 3 PARP-Behandlung: benannt nach dem Enzym Poly(ADP-Ribose) Polymerase, das am Prozess der DNA-Reparatur beteiligt ist Abb.36: Die FLIM-FRET-Technik. Oben: Das Bild zeigt nur einen Teil der komplexen Apparatur: mit Linsen und Blenden wird ein UV-Laser gesteuert. Unten: Die Forscherinnen Dea Slade und Tanja Kaufmann analysieren ein Protein. 1 W/E Suche im Internet nach der Originalarbeit von Watson und Crick. Vergleiche diese ältere Arbeit mit einer der vielen im Buch angesprochenen neueren Publikationen (zB der ersten Seite der oben zitierten Publikation). Analysiere die Arbeiten (bzw. die erste Seite) hinsichtlich einiger Aspekte, etwa Sprache, Publikationsort, Zitate, Beschreibung der Methodik etc. Literatur Kaufmann, T.; Grishkovskaya, I.; Polyansky, A.A.; Kostrhon, S.; Kukolj, E.; Olek K.M.; Herbert, S.; Beltzung, E.; Mechtler, K.; Peterbauer, T.; Gotzmann, J.; Zhang, L.; Hartl, M.; Zagrovic, B.; Elsayad, K.; Djinovic-Carugo, K.; Slade, D.: A novel non-canonical PIP-box mediates PARG interaction with PCNA. In: Nucleic Acids Res. 2017, Vol. 45, I. 16, p. 9741–9759. Kompetenzorientierung Im Biologieunterricht werden drei Kompetenzbereiche unterschieden. Der Erwerb von Kompetenzen hilft dir nicht nur dabei, biologisches Wissen anzueignen, sondern auch Zusammenhänge zu verstehen und dir eine eigene Meinung zu bilden. Mit jeder Aufgabe in diesem Buch werden Kompetenzen aus diesen Bereichen trainiert. Aus welchem, wird durch die Buchstaben hinter der Aufgabennummer angezeigt. W Fachwissen aneignen und kommunizieren Du trainierst, dir Fachwissen anzueignen. Du lernst biologische Vorgänge zu benennen, zu kommunizieren und in verschiedenen Formen (in Worten, bildlich) zu erklären und darzustellen. E Erkenntnisse gewinnen Du lernst, durch Beobachten selbst Erkenntnisse zu gewinnen und eigene Fragen und Hypothesen zu formulieren. Du übst Untersuchungen und Experimente zu planen, durchzuführen und auszuwerten. Du eignest dir das Analysieren und Interpretieren von Daten und Ergebnissen aus Untersuchungen an. S Standpunkte begründen und reflektiert handeln Du lernst, fachlich Standpunkte zu begründen und die Bedeutung, Chancen und Risiken der erlernten Inhalte für deinen Alltag und die Gesellschaft abzuschätzen. Du trainierst, Schlüsse zu ziehen, Entscheidungen zu treffen und dementsprechend zu handeln. Basiskonzepte sind wichtige Grundprinzipien und Eigenschaften lebendiger Systeme. Du wirst ihnen das ganze Jahr lang bei unterschiedlichen Themen wiederbegegnen. Eine Übersicht über die sieben Basiskonzepte findest du auf den Seiten 6 und 7. So werden die Basiskonzepte im Buch gekennzeichnet: Farbige Markierung im Text Basiskonzept-Symbole und weitere Informationen zum Basiskonzept in der Randspalte Aufgaben 19 Grundlagen der Genetik säuren mit einer bestimmten räumlichen Struktur. Insgesamt gibt es 20 verschiedene Aminosäuren, die in natürlichen Proteinen vorkommen. Die Reihenfolge (Sequenz) bestimmt die spätere Faltung und damit Bau und Funktion des Proteins. Wie schafft es nun die Zelle, die Information der Gene abzulesen und nach dieser Vorlage ein Protein zu bauen? Diese als Genexpression bezeichnete Umsetzung läuft in mehreren Schritten ab (kAbb. 13): Zunächst wird der gewünschte DNA-Abschnitt in mRNA umgeschrieben (messengerRNA; messenger (engl.) = Bote). RNA ist aufgrund ihrer Kürze mobiler als DNA. Das Umschreiben von DNA in RNA wird als Transkription1 bezeichnet und findet bei Eukaryoten im Zellkern statt. tet und zurechtgeschnitten, bevor sie den Kern verlässt (siehe S. 26). Die grundsätzliche Richtung des Informationsflusses ist also von DNA zu RNA zu Proteinen. Dies wird als zentrales Dogma3 der Molekularbiologie bezeichnet. 1 Transkription: transcribere (lat.) = abschreiben, umschreiben, schriftlich übertragen 2 Translation: translatio (lat.) = Übertragung, Übersetzung 3 Dogma: (griech.) = Meinung, Lehrsatz; steht für eine feststehende Definition oder grundlegende Aussage Information und Kommunikation Die DNA ist ein biologischer Informationsspeicher, man könnte sie auch als Datenspeicher bezeichnen. Und wie bei jedem Datenspeicher muss die Information auch gelesen und verarbeitet werden können. Dieses Ablesen und Weiterverarbeiten erfolgt in der Proteinsynthese. Translation Transkription Zytoplasma Prozyte: 1-5 µm Euzyte: 5-50 µm DNA mRNA Ribosom Protein mRNA mRNA Ribosom tRNA DNA RNA Protein Prozyte Transkription RNAProzessierung Zellkern Zytoplasma DNA prä-mRNA mRNA tRNA Protein Kernpore Kernhülle Translation Euzyte Abb.13: Genexpression. Das Abschreiben der Gene (Transkription) und Übersetzen in eine Aminosäuresequenz (Translation) erfolgt bei Prokaryoten und Eukaryoten nach dem gleichen Schema. Bei Eukaryoten wird die mRNA im Zellkern noch bearbeitet (prozessiert). 1 W Nachdem du den Text dieser Seite gelesen hast, betrachte die Abbildung 13 zwei Minuten lang und versuche, dir möglichst viele Details zu merken. Schließe dann das Buch und zeichne die Abbildung aus dem Gedächtnis nach. Beschreibe jeden Teilschritt in einem Satz. Vergleiche abschließend deine Skizze mit Abbildung 13. Information und Kommunikation Das zentrale Dogma ist heute noch für die meisten Organismen gültig, es gibt jedoch Ausnahmen (siehe S. 21). In abgewandelter Form kann man das zentrale Dogma der Molekularbiologie so formulieren, dass keinerlei Übertragung von Information vom Protein zu Nukleinsäuren möglich ist. Aufgaben Die Reihenfolge (Sequenz) bestimmt die spätere Faltung und damit Bau und Funktion des Proteins. Wie schafft es nun die Zelle, die Information der Gene abzulesen und nach dieser Vorlage ein Protein zu bauen? Diese als Genexpression bezeichnete Umsetzung läuft in mehreren Schritten ab (kAbb. 13): Zunächst wird der gewünschte DNA-Abschnitt in mRNA umgeschrieben (messengerRNA; messenger (engl.) = Bote). RNA ist aufgrund ihrer Kürze mobiler als DNA. Das Umschreiben von DNA in RNA wird als Transkription1 bezeichnet und findet bei Eukaryoten im Zellkern statt. Die grundsätzlic flusses ist also vo Dies wird als zen biologie bezeich 1 Transkription: tran ben, schriftlich über 2 Translation: transla 3 Dogma: (griech.) = stehende Definition Kommunikation Die DNA ist ein biologischer Informationsspeicher, man könnte sie auch als Datenspeicher bezeichnen. Und wie bei muss die Information auch gelesen und verarbeitet werden können. Dieses Ablesen und Weiterverarbeiten erfolgt in der Proteinsynthese. Translation Transkription Zytoplasma Prozyte: 1-5 µm Euzyte: 5-50 µm DNA mRNA Ribosom Protein mRNA mRNA Riboso tRNA DNA RNA Protein Prozyte D prä Kernhüll Abb.13: Genexpression. Das Abschreiben der Gene (Transkription) und Überse (Translation) erfolgt bei Prokaryoten und Eukaryoten nach dem gleichen Sche im Zellkern noch bearbeitet (prozessiert). 1 W Nachdem du den Text dieser Seite gelesen hast, betrachte die Abbildung 13 zwei Minuten lang und versuche, dir möglichst viele Details zu merken. Schließe dann das Buch und zeichne die Abbildung au schreibe jeden Teilschritt in ei ßend deine Skizze mit Abbildu Information und Kommunikation Das zentrale Dogma ist heute noch für die meisten Organismen gültig, es gibt jedoch Ausnahmen (siehe S. 21). In abgewandelter Form kann man das zentrale Dogma der Molekularbiologie so formulieren, dass keinerlei Übertragung von Information vom Protein zu Nukleinsäuren möglich ist. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
RkJQdWJsaXNoZXIy MTA2NTcyMQ==