Biologie I/B: Klassische und molekulare Genetik, molekulare Grundlagen der Entwicklung Theoretische Übungen SS 2016

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1 Biologie I/B: Klassische und molekulare Genetik, molekulare Grundlagen der Entwicklung Theoretische Übungen SS 2016 Fragen für die Übungsstunde 4 ( ) Regulation der Transkription II, Translation und ihre Regulation 1. Kreuzen Sie die richtige Fortsetzung der Aussage an: Aussage Wenn ein regulatorisches Protein von der DNA gelöst werden muss, damit das abhängige Gen transkribiert werden kann,... Wenn ein regulatorisches Protein die Polymerase bei der Bindung an einen Promotor unterstützt oder die Transkription stimuliert,... handelt es sich um eine positive Kontrolle negative Kontrolle ist das Protein ein Aktivator ein Repressor 2. Eine Reihe von Genen, deren Transkription von einem einzelnen Promotor ausgehend erfolgt, nennt man a) Repressor b) Promotor c) Operon d) Transkriptom e) Oppressor Erklären Sie auch die ausgeschlossenen Begriffe! 1

2 3. Welche Aussagen zu den grundlegenden Eigenschaften eines prokaryotischen Operons sind richtig? a) Ein Operon besteht in der Regel aus mehreren Genen, die zwischen einem Promotor und einem Terminator angeordnet sind. b) Die einzelnen Genen eines Operons sind in der Regel unter autonomer Transkriptions-Kontrolle. c) Den einzelnen Gene eines Operons sind identische Promotoren vorgeschaltet. d) Die Transkription der einzelnen Gene eines Operons wird gemeinsam reguliert. e) Ein Operon enthält ausschließlich Gene, die für Proteine kodieren, die eine Rolle bei der Stresstoleranz spielen. f) In einem Operon sind oft Gene zusammengefasst, die für gemeinsam an einem Stoffwechselweg beteiligte Enzyme kodieren. g) Die Gene eines Operons werden in eine polycistronische mrna transkribiert. Multiple Choice Fragen Wichtig: bitte begründen Sie in jedem Fall Ihre Antworten! 4. Der lac-repressor bindet an a) Allolaktose und DNA b) RNA-Polymerase c) RNA-Polymerase und DNA d) -Galaktosidase, Permease und Transacetylase e) Promotor und Laktose 5. RNA-Polymerase bindet an a) das Repressor-Gen b) den Promotor c) den Operator d) das Permease-Gen e) Laktose 6. Die -Galaktosidase katalysiert folgende Umsetzung: a) Glukose in Galaktose b) Galaktose in Laktose c) Galaktose in Glukose und Laktose d) Laktose in Galaktose und Glukose e) Laktose in zwei Glukose-Moleküle f) Laktose in Allolactose 2

3 7. Eine Null-Mutation im Repressor (I - ) hat folgende Konsequenz(en) für die Expression des lac-operons: a) keine Transkription des lac-operons b) induzierbare Transkription des lac-operons c) Transkription des lac-operons, aber keine Translation d) keine Translation e) konstitutive Transkription des lac-operons 8. Eine Promotor-Mutation (P -, Deletion) hat folgende Konsequenz(en) für die Expression des lac-operons: a) keine Transkription des lac-operons b) induzierbare Transkription des lac-operons c) Transkription des lac-operons, aber keine Translation d) keine Translation e) konstitutive Transkription des lac-operons 9. Die Mutation des Repressors zum Superrepressor (I s ) hat folgende Konsequenz(en) für die Expression des lac-operons: a) keine Transkription des lac-operons b) induzierbare Transkription des lac-operons c) Transkription des lac-operons, aber keine Translation d) keine Translation e) konstitutive Transkription des lac-operons 3

4 10. Im Folgenden werden verschiedene partiell diploide Bakterien mit verschiedenen Genotypen bezüglich des lac-operons generiert. Bitte ordnen Sie den jeweiligen Genotypen die Phänotypen zu und begründen Sie Ihre Wahl. (Zur Wiederholung: wie generieren Sie partiell diploide Bakterien?) Genotypen: A) I - P + O + Z + / I + P + O + Z - B) I s P + O + Z + / I + P + O + Z - Phänotypen: In partiell diploiden Bakterien finden Sie I. Induzierbare Produktion von Repressor II. Induzierbare Produktion von -Galaktosidase III. Konstitutive Produktion von -Galaktosidase IV. Keine Produktion von -Galaktosidase V. Konstitutive Produktion von Laktose Genotyp: C) I + P + O + Z + Y - / I + P - O + Z + Y - Phänotypen: In partiell diploiden Bakterien finden Sie: I. Induzierbare Produktion von -Galaktosidase II. Induzierbare Produktion von -Galaktosidase und Permease III. Konstitutive Produktion von -Galaktosidase IV. Konstitutive Produktion von -Galaktosidase und Permease V. Weder -Galaktosidase noch Azetylase Produktion 4

5 11. Sie haben partiell diploide E. coli Stämme mit folgenden Genotypen konstruiert. Wo finden Sie mit bzw. ohne Induktor hohe Enzym-Aktivitäten der ß- Galaktosidase und der Permease? Setzen Sie ein + für hohe Enzymaktivität, andernfalls ein -. i + o + z + y + / i + o + z - y - i + o + z + y + / i - o + z - y + i s o + z + y + / i + o + z + y - i + o c z - y + / i + o + z + y - i - o + z + y + / i s o c z - y + ohne Induktor mit Induktor ß-Gal Permease ß-Gal Permease 12. Bakterienzellen nehmen normalerweise die Aminosäure Tryptophan aus ihrer Umgebung auf. Steht kein Tryptophan zur Verfügung, können sie es auch selber aus einfachen Vorstufen synthetisieren. Der Tryptophan-Repressor inhibiert die Transkription des Tryptophan-Operons, auf dem die Gene für die Synthese dieser Aminosäure zusammengefasst liegen. In der Gegenwart von Tryptophan bindet der Repressor an seine Bindestelle im Promotor des Tryptophan-Operons. A) Erklären Sie, warum die Tryptophan-abhängige Bindung des Repressors an den Promotor eine nützliche Eigenschaft ist. B) Was würden Sie für die im Tryptophan-Operon kodierten Enzyme in einer Zelle erwarten, die einen mutanten Repressor trägt, der entweder i) nicht an DNA binden kann oder ii) auch in Abwesenheit von Tryptophan an DNA bindet? C) Was würde in den Fällen i) und ii) passieren, wenn die Zelle zusätzlich normales Tryptophanrepressorprotein von einer zweiten, unmutierten Kopie des Repressor-Gens produzieren würde? 5

6 13. Das folgende Diagramm zeigt die Anordnung der Bindungsstellen für die regulatorischen Proteine CAP und lac-repressor am Promotor/Operator des lac- Operons. CAP-Bindungs- Stelle Promotor Start der RNA-Synthese Operator lacz-gen Je nachdem, welche der beiden Zucker Laktose und Glukose im Kultur-Medium von E. coli vorliegen, gibt es vier mögliche Kombinationen für die Bindung der beiden regulatorischen Proteine. Tragen Sie in der folgenden schematischen Darstellung der vier Kombinationen auf der linken Seite mit + / - ein, welche Zucker im Medium vorhanden sind. Tragen Sie auf der rechten Seite ein, bei welcher Kombination Sie erwarten, dass das Operon transkribiert wird. Welche Zucker sind vorhanden? Bitte kreuzen Sie an: Findet Transkription statt? Bitte kreuzen Sie an: Glukose Laktose ja nein Lac- Repressor CAP Lac- Repressor CAP 6

7 14. Beschriften Sie die Abbildung. Die Nummern 1-3 stehen für die Phasen des abgebildeten Prozesses

8 15. Im Prinzip kann eine eukaryotische Zelle die Expression ihrer Gene an jedem der unten dargestellten Wege von der DNA zum aktiven Protein kontrollieren. Zellkern Cytosol modifiziertes Protein DNA prä-mrna mrna mrna Protein Nukleotide Aminosäuren a) Ordnen Sie die folgenden Kontrollpunkte in dem Schema ein: i) Regulation des mrna-abbaus ii) Regulation der Proteinaktivität iii) Regulation der Proteinstabilität iv) Regulation der RNA-Prozessierung v) Regulation des nukleären Transports und der RNA-Lokalisation vi) Transkriptionsregulation vii) Translationsregulation b) Welche dieser Kontrollen werden sehr wahrscheinlich in Bakterien nicht genutzt? 16. Der Begriff Sekundärstruktur im Zusammenhang mit Proteinen meint: a) die lineare Sequenz der Aminosäuren. b) die dreidimensionale Organisation aller Atome in der Polypeptidkette. c) die Faltung und die intramolekularen Interaktionen der Polypeptidkette. d) die Interaktion zwischen Polypeptidketten, die zusammen ein multimeres Protein bilden. e) die relativen Anteile von geladenen und ungeladenen Aminosäuren in einem Protein. 8

9 17. Nachdem eine Polypeptidkette am Ribosom synthetisiert wurde, a) faltet sie sich immer direkt in ihre funktionelle Struktur. b) interagiert sie normalerweise mit molekularen Chaperonen, die den Faltungsprozess steuern. c) interagiert sie normalerweise mit molekularen Chaperonen, die den Faltungsprozess steuern oder die das Polypeptid in einer Konformation halten, die den Transport in ein anderes Zellkompartiment erlauben. d) verlässt sie den Nukleus, um mit molekularen Chaperonen zu interagieren, die ein Teil der funktionellen Struktur werden, wenn es sich bei dem Protein um ein Enzym handelt. 18. Ordnen Sie die folgenden Funktionen den angegebenen Zellstrukturen zu: A DNA Synthese 1 cytoplasmatische Membran B RNA Synthese 2 raues endoplasmatisches Retikulum C Synthese von cytoplasmatischen Proteinen 3 Polysomen D Abbau von Makromolekülen 4 Golgi Apparat E Endocytose 5 Zellkern F Exocytose 6 Ribosomen G Entstehung der Ribosomen 7 Mitochondrien H Energieversorgung 8 Peroxisomen J Synthese von sekretorischen Proteinen 9 Endosomen K Empfang von Botschaften 10 Lysosomen L Intrazellulärer Transport von Substanzen 11 Cytoskelett 12 Nukleolus 9

10 19. Wie gelangen Proteine mit einem Kernexportsignal in den Kern hinein? 20. Welches Schicksal erwartet ein Protein ohne Signalsequenz? 21. Gesetzt, Sie haben ein Protein, dessen Funktion Sie aufklären wollen, durch das Anfügen von Signalsequenzen verändert. Allerdings haben Sie widersprüchliche Signalsequenzen angefügt. Wo erwarten Sie die folgenden Proteine - und warum? Signal für plus Signal für Lokalisation des Proteins Import ins ER Import ins ER Import in Mitochondrien Import in den Kern Import in den Kern Import in Peroxisomen Retention im ER Export aus dem Kern 22. Eine Zelle kann sich in jedem Fall nur dann teilen, wenn seit der letzten Zellteilung ihr Volumen verdoppelt wurde die Menge an chromosomaler DNA verdoppelt wurde die Menge mitochondrialer DNA verdoppelt wurde die Zellorganellen verdoppelt wurden die Anzahl an Mitochondrien mindestens um ein Drittel zugenommen hat die Anzahl der Ribosomen mindestens um ein Drittel zugenommen hat ja Nein 10