Home > Biologie > Genetik > Abituraufgaben

Temperatursensitive Mutationen

tRNA-Methyltransferase

Im Biologie-Unterricht wurden verschiedene Typen von Mutationen besprochen. Es gibt Genommutationen wie die Trisomie 21, Chromosomen-Mutationen und Gen-Mutationen. Die GK-Abituraufgabe von 2016 (NRW, BI GK HT 2) beschäftigt sich mit Genmutationen, also Mutationen, die nur ein einzelnes Gen betreffen (siehe auch: "Unterteilung der Mutationen nach ihren Ursachen"). Im Zentrum der Abituraufgabe steht eine temperatursensitive Mutation, nämlich eine Mutation des trmD-Gens.

trmD-Gen

Das trmD-Gen codiert das Enzym tRNA-Methyltransferase. Methyltransferasen sind Enzyme, die ihre Substrate methylieren, also eine CH3-Gruppe anheften. Die tRNA-Methyltransferase überträgt nun eine Methylgruppe auf eine bestimmte tRNA, und zwar auf die tRNA mit dem Anticodon GGG. Schaut man in der Codesonne nach und sucht das Codon CCC, so stellt man fest, dass es sich um die tRNA für die Aminosäure Prolin handelt. Die tRNA-Methyltransferase heftet eine Methylgruppe an die dritte G-Base des Anticodons GGG.

Arbeitsweise der tRNA-Methyltransferase

Wirkung der tRNA-Methyltransferase

Bei der temperatursensitiven Mutation dieses Enzyms funktioniert das Übertragen der Methylgruppe nur bei niedrigen (permissiven) Temperaturen, bei höheren (restriktiven) Temperaturen wird keine Methylgruppe auf die dritte Base des Anticodons übertragen.

Welche Folgen hat es für die Translation, wenn bei höheren Temperaturen keine Methylgruppe übertragen wird?

Die methylierte Pro-tRNA setzt sich an das Codon CCC der mRNA und überträgt ein Prolin auf die wachsende Peptidkette. Die nicht-methylierte Pro-tRNA setzt sich ebenfalls auf die mRNA. Folgt nun auf das CCC-Triplett ein weiteres C, so interpretiert die tRNA jetzt diese vier C-Basen als ein Codon. Dadurch verschiebt sich das Leseraster der mRNA. Hier ein Beispiel aus der Abitur-Aufgabe:

5'… GCA GCA CAU CCC CCU UUC GCC … 3'

Hier sehen wir einen Ausschnitt aus einer mRNA. Bei der ungestörten Translation unter Mitwirkung der methylierten Pro-tRNA würde dieser Abschnitt jetzt in folgende Aminosäure-Sequenz übersetzt:

... Ala - Ala - His - Pro - Pro - Phe - Ala ...

Die nicht-methylierte Pro-tRNA sieht aber die vier aufeinanderfolgenden C-Basen als ein Codon an, daher müsste man jetzt die mRNA etwas anders aufschreiben:

5'… GCA GCA CAU CCCC CUU UCG CC … 3'

Die mRNA selbst hat sich nicht verändert, nur die Interpretation der mRNA durch die Ribosomen. Die Folge ist eine völlig andere Aminosäure-Sequenz:

... Ala - Ala - His - Pro - Leu - Ser - Pro ...

Lactose-Verwertung bei E. coli

Escherichia coli - Bakterien können sich bekanntlich auch von Lactose ernähren, einem Disaccharid, das aus Glucose und Galactose besteht. Im Unterricht haben wir das lac-Operon ausführlich behandelt, als Beispiel für eine einfache Genregulation nach dem Repressor-Mechanismus (Jacob-Monod-Mechanismus).

Der oben gezeigte mRNA-Ausschnitt

5'… GCA GCA CAU CCC CCU UUC GCC … 3'

ist in Wirklichkeit ein Ausschnitt aus der lacZ-mRNA von E. coli. In der Abituraufgabe von 2016 sollten sich die Schüler mit den Auswirkungen einer temperatursensitiven Mutation auf die Translation dieses Gens beschäftigen. Dass bei höheren Temperaturen (über 40 ºC) ein völlig anderes Protein entsteht, haben wir bereits eben gesehen. Dies hat natürlich Auswirkungen auf das Überleben des Bakteriums. Lactose kann dann nicht mehr verwertet werden, und wenn sonst keine Kohlenhydrate zur Verfügung stehen, kommt das Wachstum der Bakterienkolonien zum Erliegen.

Die Materialien / die Aufgaben

Material A / 1. Teilaufgabe

Den S. wird eine schematische Abbildung der Proteinsynthese mit Transkription und Translation gezeigt. In der ersten Teilaufgabe sollen die S. die Abbildung kurz beschriften und dann detailliert (!) den Ablauf der Translation bei Prokaryoten beschreiben.

Material B / 2. Teilaufgabe

Dieses Material besteht aus einem längeren Fachtext, in dem temperatursensitive Mutationen erläutert werden. Vor allem das trmD-Gen und die tRNA-Methyltransferase werden erklärt. Eine Abbildung ähnlich wie die Abbildung 1 auf dieser Seite wird den S. vorgelegt.

Material C / 2. Teilaufgabe

Hier wird etwas über die Lactose-Verwertung durch E. coli gesprochen und den S. wird ein Ausschnitt aus dem nicht-codogenen Strang des E. coli lacZ-Gens gezeigt, der ja in seiner Basensequenz der mRNA entspricht, wenn man alle T-Basen durch U-Basen ersetzt.

In der zweiten Teilaufgabe sollen die S. die Aminosäure-Sequenzen angeben, die sich aus dem DNA-Ausschnitt ergeben, einmal für niedrige Temperaturen, einmal für höhere Temperaturen. Die Lösung dieser Aufgabe haben wir bereits kennengelernt (siehe oben auf dieser Seite). Außerdem sollten die S. "mögliche Auswirkungen für das Wachstum von E. coli" erläutern.

Material D / 3. Teilaufgabe

In diesem Abschnitt wird den S. eine Graphik gezeigt, in der man sieht, dass die Aktivität des Enzyms tRNA-Methyltransferase bei einer Temperatur von 43 ºC von 100% im Laufe von 10 Stunden auf nur noch 30% und im Laufe von 25 Stunden auf nur noch 5% absinkt.

In einer zweiten Graphik sehen die S., dass sich die E. coli - Bakterien bei 43 ºC noch ca. 10 Stunden vermehren, dann kommt das Populationswachstum aber zu einem Stillstand und die Anzahl der Bakterien fällt zwischen 10 und 25 Stunden auf 1/100 des Maximalwertes ab.

Ein weiterer Versuch wird nur verbal erläutert, nicht graphisch dargestellt.

Die dritte Teilaufgabe besteht im Wesentlichen darin, dass die S. all die im Material D aufgezeigten Versuchsergebnisse interpretieren sollen.

Konkreter darf ich leider hier nicht werden, einmal, um kein Copyright zu verletzen, und zum andern, um mir nicht selbst eine potenzielle Klausuraufgabe zu "verbrennen". Sinn dieser Seite ist es ja auch nicht, den Schülern fertige Lösungen an die Hand zu geben, sondern die Schüler darauf vorzubereiten, was sie im Zentralabitur NRW im Fach Biologie so alles erwartet.