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Aufgabe 2

Aufgaben
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Auf Flavour-Tripping-Partys wird mit Miraculin-Tabletten die Geschmacksempfindung gezielt verändert. Wird eine solche Tablette gelutscht, so empfindet man für kurze Zeit Saures als süß. Miraculin ist ein Protein, das aus der Frucht der in Westafrika heimischen Wunderbeere (Synsepalum dulcificum) gewonnen wird. Dort wird die Beere schon lange genutzt, um den Geschmack saurer Speisen zu versüßen.
1
Miraculin liegt in einer für Proteine typischen dreidimensionalen Struktur vor. Benenne die verschiedenen Strukturebenen eines Proteins und nenne die Bindungen bzw. Kräfte, die diese jeweils stabilisieren.
(3P)
Im Normalfall entsteht der Sinneseindruck süß im Gehirn als Folge der Bindung eines Geschmacksstoffes an den Rezeptor einer Geschmackssinneszelle für Süß.
2
Beschreibe mithilfe der Abbildung 1, wie in einer Geschmackssinneszelle für Süß die Signaltransduktion von der Bindung eines Geschmacksstoffes an den Rezeptor bis zur Erregung der nachgeschalteten Nervenzelle erfolgt.
Aufgabe 2
Abb. 1: Signaltransduktion in einer Geschmackssinneszelle für Süß.
Aufgabe 2
Abb. 1: Signaltransduktion in einer Geschmackssinneszelle für Süß.
(4P)
Der Geschmacksrezeptor für Süß (Abbildung 2) ist ein Membranprotein, das nicht sehr selektiv ist. Daher kann die Geschmacksempfindung süß durch verschiedene Zucker, aber auch durch künstliche Süßstoffe (z. B. Aspartam) und Aminosäuren (z. B. D-Tryptophan) ausgelöst werden.
Bei Zellen, die in einer Zellkultur gezüchtet werden und die den Geschmacksrezeptor für Süß besitzen, kann man die Aktivierung dieser Geschmacksrezeptoren über eine Messung der intrazellulären Calciumionenkonzentration nachweisen und damit Rückschlüsse auf die Süßkraft eines Stoffes ziehen. In Abbildung 3 ist das Ergebnis einer solchen Messung bei Aktivierung der Rezeptoren mit den Geschmacksstoffen Aspartam und D Tryptophan dargestellt.
Aufgabe 2
Abb. 3: Intrazelluläre Calciumionenkonzentration in Abhängigkeit von der Aspartam- und D-Tryptophan-Konzentration.
Aufgabe 2
Abb. 3: Intrazelluläre Calciumionenkonzentration in Abhängigkeit von der Aspartam- und D-Tryptophan-Konzentration.
3
Interpretiere die Messergebnisse in Abbildung 3 im Hinblick auf die Süßkraft der getesteten Geschmacksstoffe. Gib mithilfe von Abbildung 2 eine mögliche Erklärung für die unterschiedlichen Messergebnisse.
(4P)
Aufgabe 2
Abb. 4: Intrazelluläre Calciumionenkonzentration bei miraculingabe in Abhängigkeit vom pH-Wert.
Aufgabe 2
Abb. 4: Intrazelluläre Calciumionenkonzentration bei miraculingabe in Abhängigkeit vom pH-Wert.
(5P)
Miraculin könnte als kalorienarmer, für Diabetiker geeigneter Süßstoff genutzt werden. Man versucht deshalb Miraculin mithilfe von E. coli Bakterien gentechnisch zu erzeugen. Dazu werden rekombinante Plasmide hergestellt, die das Miraculin-Gen enthalten.
5
Beschreibe, wie rekombinante Plasmide hergestellt werden können, wenn Miraculin Gene und Plasmide bereits vervielfältigt vorliegen.
Beschreibe, wie das rekombinante Plasmid aufgebaut sein muss, um damit eine Selektion der rekombinanten Bakterien zu ermöglichen. Erläuter ein entsprechendes Selektionsverfahren.
(4P)

(20P)
Bildnachweise [nach oben]
[1]
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2.1
Die Operatoren nenne und benenne fordern von dir, dass du die Strukturebenen und deren grundlegende Eigenschaften, sowie die daran beteiligten Kräfte und Bindungen anführst. Dabei ist es nicht nötig tiefer gehende Erklärungen zu geben. Es reicht, wenn du z.B. angibst, welche Strukturen du bei welcher Strukturebene beobachten kannst und durch welche Kräfte diese entstehen.
Ein Protein ist ein Makromolekül, das aus vielen einzelnen Bausteinen, den Aminosäuren, besteht. Eine Aminosäure kennzeichnet sich durch eine Carboxylgruppe (-COOH), eine Aminogruppe (-NH2), ein Wasserstoffatom (-H) und einen Rest (-R), der die Aminosäure benennt. Diese 4 Substituenten sind alle an ein zentrales Kohlenstoffatom (C) gebunden. Die Reste können unterschiedliche chemische Eigenschaften besitzen: Es gibt hydrophile und hydrophobe, geladene und ungeladene, aromatische und aliphatische sowie schwefelhaltige und schwefelfreie Seitenketten.
Einzelne Aminosäuren werden über Peptidbindungen miteinander verknüpft. Dabei bildet sich unter Wasserabspaltung (H2O) eine Bindung zwischen der Aminogruppe und der Carboxylgruppe (-CO-NH-).
Ein Protein liegt in einer speziell gefalteten, dreidimensionalen Struktur vor. Wenn du dir überlegst, welche Strukturebenen ein Protein hat, dann kannst du diesen Faltungsprozess nachvollziehen. Du beginnst mit dem grundlegenden Bauplan eines Proteins. Anschließend überlegst du dir, welche Interaktionen zwischen den Teilen eines Proteins entstehen, die jede Aminosäure besitzt, also das Peptidrückgrat. Danach danach versuchst du nachzuvollziehen, welche Interaktionen zwischen den Seitenketten der Aminosäuren eines Proteins entstehen können und was das für die Struktur des Proteins bedeutet. Im letzten Schritt kannst du dir überlegen, was passieren würde, wenn du nicht nur ein Protein sondern mehrere hast, die miteinander agieren.
2.2
Der Operator beschreiben fordert von dir, dass du mit dem vorgegebenen Material der Abbildung 1, die Singaltransduktion für einen süßen Geschmacksreiz schlüssig und zusammhängend angibst. Es ist wiederum keine tiefergehende Erklärung gefordert, wie z.B. das Binden eines Rezeptors zu einer Veränderung in der Zelle führt. Du sollst lediglich angeben, was bei den einzelnen Schritten passiert.
Bei einer Signaltransduktion erreicht ein Signal von außen die Zelle und wird über Rezeptoren, die außen an der Zelle sitzen, in das innere der Zelle weitergegeben. Dabei übt das Binden des Rezeptors eine Veränderung in der Zelle aus. Es können z.B. Enzyme aktiviert oder andere Signalmoleküle freigesetzt werden. Diese üben wiederum einen Einfluss in der Zelle aus und führen die Signalkaskade fort, bis das Signal schließlich von der Zelle an die Nervenzelle weitergegeben wird. Dabei muss das Signal erneut die Zellmembran überwinden.
Beim Lösen der Aufgabe ist es wichtig, dass du dir die eingezeichneten Bestandteile der Signaltransduktion anschaust und überlegst, wie diese Bestandteile auf das nächste Glied der Kettenreaktion wirken. Starte bei dem Binden des Geschmacksstoffs an den Rezeptor und folge den Pfeilen bis du die Nervenzelle erreichst.
2.3
Der Operator interpretieren verlangt von dir, dass du mithilfe der Abbildung 3 sagst, welcher der beiden angegebenen Süßstoffe der stärkere Süßstoff ist und deine Aussage mit der Abbildung belegst. Anschließend sollst du mithilfe von Abbildung 2 mögliche Erklärungen angeben, wieso dein Schluss richtig sein könnte.
Betrachte bei dieser Aufgabe zuerst die beiden Graphen und überlege dir, worin sich die beiden Stoffe unterscheiden und welche Schlussfolgerung das für die Süßkraft des Stoffes zulässt. Sieh dir anschließend Abbildung 2 an und überlege dir, wie der abgebildete Rezeptor und die Darstellungen der Moleküle deine Vermutung unterstützen würden. Beachte dabei besonders die Struktur des Rezeptors und der Süßstoffe und überlege dir, wie sie aussehen würden, wenn sie jeweils an den Rezeptor binden würden.
2.4
Bei dieser Aufgabe sollst du zuerst die Grafik beschreiben. Dabei sollst du darauf eingehen, was in der Grafik dargestellt wird und welche Beobachtungen du machst. Anschließend sollst du eine mögliche Ursache angeben, weshalb die Kombination aus einer sauren Zitrone und dem Miraculin einen süßen Geschmackseindruck hervorruft. Zuletzt sollst du noch eine Erklärung liefern, wie ein niedriger pH-Wert eine Wirkung auf auf molekularer Ebene auf Miraculin haben kann.
Bei der Beschreibung der Grafik ist es wichtig anzugeben, was in der Grafik aufgetragen ist und wie die Kurve verläuft. Eventuell kann es auch hilfreich sein ein paar markante Punkte anzugeben.
Wenn du einen Grund für den süßen Geschmackseindruck des Miraculins mit der sauren Zitrone suchst, dann überlege dir, welchen Einfluss die Zitrone auf die Umgebung des Miraculins im Mund ausüben kann und wie eventuell die vorher beschriebene Grafik damit zusammenhängt.
Eine Säure zeichnet sich durch ihr hohes Bestreben aus, ein Proton (H+) abzugeben, welches an weniger saure Moleküle binden kann. Überlege dir, was dies für Auswirkungen auf das Molekül haben kann. Dabei solltest du deine Ergebnisse aus Aufgabe 2.1 zu den Strukturebenen und den beteiligten Kräften und Bindungen eines Proteins mit einbeziehen.
2.5
Hier wird von dir gefordert, dass du zuerst einen Vorgang beschreibst, mit dem rekombinante Plasmide hergestellt werden können. Dabei sollst du davon ausgehen, dass das Gen und passende Plasmide bereits vorhanden sind. Gehe dabei auch auf besondere Anforderungen ein, die das Plasmid oder das Gen erfüllen müssen, damit der Vorgang funktioniert. Anschließend sollst du eine Möglichkeit beschreiben, wie du rekombinante Plasmide in rekombinanten Bakterien von Bakterien unterscheiden kannst, die kein Plasmid aufgenommen haben oder die ein nicht rekombinantes Plasmid aufgenommen haben. Dabei sollst du weitere Voraussetzungen nennen, die das Plasmid erfüllen muss und den Vorgang anschaulich beschreiben.
Plasmide sind ringförmige DNA-Stücke, die häufig in Bakterien vorkommen. Sie enthalten verschiedene Gene und werden häufig in der Gentechnik als Medium verwendet. Dabei werden Zielgene in das Plasmid integriert und anschließend in die Zellen gebracht. Danach werden die transformierten Zellen von den nicht transformierten Zellen durch Selektionsverfahren getrennt. Dabei werden zusätzlich Gene in das Plasmid integriert, die dem Bakterium Eigenschaften verleihen, die es normalerweise nicht besitzt.
Bei dieser Aufgabe musst du dir zuerst überlegen, welche Schritte du unternehmen musst, um dein Zielgen in das Plasmid zu insertieren. Anschließend musst du dir überlegen, welche Eigenschaften das Selektionsgen dem Bakterium verleiht, damit du die transformierten Bakterien möglichst einfach von den nicht transformierten Bakterien unterscheiden kannst.
Außerdem solltest du überlegen, was bei der Herstellung rekombinanter Plasmide für Probleme auftreten können und wie diese dein Bakterium anschließend beeinflussen können. Eventuell wird ein weiterer Selektionsmarker benötigt, der die möglichen Fälle voneinander unterscheidet.
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2.1
Tipp
Die Operatoren nenne und benenne fordern von dir, dass du die Strukturebenen und deren grundlegende Eigenschaften, sowie die daran beteiligten Kräfte und Bindungen anführst. Dabei ist es nicht nötig tiefer gehende Erklärungen zu geben. Es reicht, wenn du z.B. angibst, welche Strukturen du bei welcher Strukturebene beobachten kannst und durch welche Kräfte diese entstehen.
Ein Protein ist ein Makromolekül, das aus vielen einzelnen Bausteinen, den Aminosäuren, besteht. Eine Aminosäure kennzeichnet sich durch eine Carboxylgruppe (-COOH), eine Aminogruppe (-NH2), ein Wasserstoffatom (-H) und einen Rest (-R), der die Aminosäure benennt. Diese 4 Substituenten sind alle an ein zentrales Kohlenstoffatom (C) gebunden. Die Reste können unterschiedliche chemische Eigenschaften besitzen: Es gibt hydrophile und hydrophobe, geladene und ungeladene, aromatische und aliphatische sowie schwefelhaltige und schwefelfreie Seitenketten.
Einzelne Aminosäuren werden über Peptidbindungen miteinander verknüpft. Dabei bildet sich unter Wasserabspaltung (H2O) eine Bindung zwischen der Aminogruppe und der Carboxylgruppe (-CO-NH-).
Ein Protein liegt in einer speziell gefalteten, dreidimensionalen Struktur vor. Wenn du dir überlegst, welche Strukturebenen ein Protein hat, dann kannst du diesen Faltungsprozess nachvollziehen. Du beginnst mit dem grundlegenden Bauplan eines Proteins. Anschließend überlegst du dir, welche Interaktionen zwischen den Teilen eines Proteins entstehen, die jede Aminosäure besitzt, also das Peptidrückgrat. Danach danach versuchst du nachzuvollziehen, welche Interaktionen zwischen den Seitenketten der Aminosäuren eines Proteins entstehen können und was das für die Struktur des Proteins bedeutet. Im letzten Schritt kannst du dir überlegen, was passieren würde, wenn du nicht nur ein Protein sondern mehrere hast, die miteinander agieren.
Tipp
Die Operatoren nenne und benenne fordern von dir, dass du die Strukturebenen und deren grundlegende Eigenschaften, sowie die daran beteiligten Kräfte und Bindungen anführst. Dabei ist es nicht nötig tiefer gehende Erklärungen zu geben. Es reicht, wenn du z.B. angibst, welche Strukturen du bei welcher Strukturebene beobachten kannst und durch welche Kräfte diese entstehen.
Ein Protein ist ein Makromolekül, das aus vielen einzelnen Bausteinen, den Aminosäuren, besteht. Eine Aminosäure kennzeichnet sich durch eine Carboxylgruppe (-COOH), eine Aminogruppe (-NH2), ein Wasserstoffatom (-H) und einen Rest (-R), der die Aminosäure benennt. Diese 4 Substituenten sind alle an ein zentrales Kohlenstoffatom (C) gebunden. Die Reste können unterschiedliche chemische Eigenschaften besitzen: Es gibt hydrophile und hydrophobe, geladene und ungeladene, aromatische und aliphatische sowie schwefelhaltige und schwefelfreie Seitenketten.
Einzelne Aminosäuren werden über Peptidbindungen miteinander verknüpft. Dabei bildet sich unter Wasserabspaltung (H2O) eine Bindung zwischen der Aminogruppe und der Carboxylgruppe (-CO-NH-).
Ein Protein liegt in einer speziell gefalteten, dreidimensionalen Struktur vor. Wenn du dir überlegst, welche Strukturebenen ein Protein hat, dann kannst du diesen Faltungsprozess nachvollziehen. Du beginnst mit dem grundlegenden Bauplan eines Proteins. Anschließend überlegst du dir, welche Interaktionen zwischen den Teilen eines Proteins entstehen, die jede Aminosäure besitzt, also das Peptidrückgrat. Danach danach versuchst du nachzuvollziehen, welche Interaktionen zwischen den Seitenketten der Aminosäuren eines Proteins entstehen können und was das für die Struktur des Proteins bedeutet. Im letzten Schritt kannst du dir überlegen, was passieren würde, wenn du nicht nur ein Protein sondern mehrere hast, die miteinander agieren.
$\blacktriangleright$  Benennung der Strukturebenen eines Proteins, sowie der stabilisierenden Bindungen und Kräfte
Die einfachste Struktur eines Proteins bildet die Primärstruktur. Die Primärstruktur eines Proteins gibt die Reihenfolge der Aminosäuren, aus denen das Protein besteht, an. Einzelne Aminosäuren sind über Peptidbindungen (-CO-NH-) miteinander verbunden. Diese entstehen durch eine Kondensationsreaktion zwischen der Aminogruppe (-NH2) einer Aminosäure und der Carboxylgruppe (-COOH) einer anderen Aminosäure.
Durch die Interaktionen entlang des Peptidrückgrats entstehen einzelne dreidimensionale Strukturen, die Sekundärstrukturen. Diese Interaktionen entstehen über Wasserstoffbrückenbindungen entlang des Rückgrats. Dabei gibt es vorallem zwei stabile Strukturen, die gebildet werden:
  • Die $\boldsymbol{\alpha}$-Helix ist eine gedrehte, korkenzieherartige Struktur, bei der Aminosäuren, die wenige Aminosäuren voneinander entfernt liegen, miteinander interagieren.
  • Das $\boldsymbol{\beta}$-Faltblatt ist eine Struktur aus zick-zack-artigen Aminosäureketten, die nebeneinander liegen und über Wasserstoffbrücken zusammenhalten.
Neben diesen Hauptstrukturen gibt es noch Haarnadelschleifen, also scharfe Kurven in der Aminosäurekette und Random Coils, die keine eindeutige Struktur aufweisen.
Durch die Interaktion zwischen den unterschiedlichen Resten der Aminosäuren entsteht die fertige, dreidimensionale Struktur des Proteins, die Tertiärstruktur. Aminosäuren haben Reste, die sich in ihren chemischen Eigenschaften stark unterscheiden können: Es gibt geladene, ungeladene, hydrophile und hydrophobe Reste. Dabei kann es zu folgenden Kräften und Bindungen kommen, die die Tertiärstruktur stabilisieren:
  • Hydrophobe Seitenketten ziehen sich über Van-der-Waals-Kräfte an.
  • Hydrophile Seitenketten halten über polare Wechselwirkungen, wie z.B. Wasserstoffbrücken zusammen.
  • Geladene Seitenketten können über Ionenbindungen interagieren. Dabei ziehen sich positive und negative Ladungen an.
  • Die Aminosäure Cystein besitzt eine Thiolgruppe (-SH), mit der sie kovalente Bindungen in Form einer Disulfidbrücke eingehen kann.
In manchen Fällen besitzt ein Protein noch eine Quartärstruktur. Damit bezeichnet man eine Zusammenlagerung einzelner Proteine zu einem Proteinkomplex. Die Interaktion zwischen mehreren Proteinen kann durch verschiedene Kräfte entstehen. Entweder durch Interaktionen zwischen den Seitenketten der Proteine, wie es bei der Tertiärstruktur schon der Fall war, oder durch zusätzliche Liganden, wie z.B. Metall-Ionen.
2.2
Tipp
Der Operator beschreiben fordert von dir, dass du mit dem vorgegebenen Material der Abbildung 1, die Singaltransduktion für einen süßen Geschmacksreiz schlüssig und zusammhängend angibst. Es ist wiederum keine tiefergehende Erklärung gefordert, wie z.B. das Binden eines Rezeptors zu einer Veränderung in der Zelle führt. Du sollst lediglich angeben, was bei den einzelnen Schritten passiert.
Bei einer Signaltransduktion erreicht ein Signal von außen die Zelle und wird über Rezeptoren, die außen an der Zelle sitzen, in das innere der Zelle weitergegeben. Dabei übt das Binden des Rezeptors eine Veränderung in der Zelle aus. Es können z.B. Enzyme aktiviert oder andere Signalmoleküle freigesetzt werden. Diese üben wiederum einen Einfluss in der Zelle aus und führen die Signalkaskade fort, bis das Signal schließlich von der Zelle an die Nervenzelle weitergegeben wird. Dabei muss das Signal erneut die Zellmembran überwinden.
Beim Lösen der Aufgabe ist es wichtig, dass du dir die eingezeichneten Bestandteile der Signaltransduktion anschaust und überlegst, wie diese Bestandteile auf das nächste Glied der Kettenreaktion wirken. Starte bei dem Binden des Geschmacksstoffs an den Rezeptor und folge den Pfeilen bis du die Nervenzelle erreichst.
Tipp
Der Operator beschreiben fordert von dir, dass du mit dem vorgegebenen Material der Abbildung 1, die Singaltransduktion für einen süßen Geschmacksreiz schlüssig und zusammhängend angibst. Es ist wiederum keine tiefergehende Erklärung gefordert, wie z.B. das Binden eines Rezeptors zu einer Veränderung in der Zelle führt. Du sollst lediglich angeben, was bei den einzelnen Schritten passiert.
Bei einer Signaltransduktion erreicht ein Signal von außen die Zelle und wird über Rezeptoren, die außen an der Zelle sitzen, in das innere der Zelle weitergegeben. Dabei übt das Binden des Rezeptors eine Veränderung in der Zelle aus. Es können z.B. Enzyme aktiviert oder andere Signalmoleküle freigesetzt werden. Diese üben wiederum einen Einfluss in der Zelle aus und führen die Signalkaskade fort, bis das Signal schließlich von der Zelle an die Nervenzelle weitergegeben wird. Dabei muss das Signal erneut die Zellmembran überwinden.
Beim Lösen der Aufgabe ist es wichtig, dass du dir die eingezeichneten Bestandteile der Signaltransduktion anschaust und überlegst, wie diese Bestandteile auf das nächste Glied der Kettenreaktion wirken. Starte bei dem Binden des Geschmacksstoffs an den Rezeptor und folge den Pfeilen bis du die Nervenzelle erreichst.
$\blacktriangleright$  Beschreibung der Signaltransduktion anhand der Abbildung
Die Signaltransduktion beginnt, wenn ein Geschmacksstoff an den Rezeptor bindet. Dieser Rezeptor ist ein G-Proteingekoppelter Rezeptor, der nach dem Binden des Geschmacksstoffs das G-Protein aktiviert.
Dieses aktiviert das Enzym Phospholipase C. Die aktivierte Phospholipase setzt daraufhin das Molekül PIP2 in TP3 um.
Dieses bindet an Calciumionenkanäle am endoplasmatischen Retikulum der Zelle und öffnet diese. Dadurch fließen die darin liegenden Calcium-Ionen in das Cytoplasma und sorgen dafür, dass Vesikel, die Transmitter-Moleküle enthalten, an die Zellmembran wandern, mit ihr verschmelzen und die darin befindlichen Transmitter in den Intermembranraum freisetzen.
Diese Transmitter-Moleküle binden an Rezeptoren an der Nervenzelle und lösen einen Reiz aus, der das Signal ans Gehirn weiterleitet.
2.3
Tipp
Der Operator interpretieren verlangt von dir, dass du mithilfe der Abbildung 3 sagst, welcher der beiden angegebenen Süßstoffe der stärkere Süßstoff ist und deine Aussage mit der Abbildung belegst. Anschließend sollst du mithilfe von Abbildung 2 mögliche Erklärungen angeben, wieso dein Schluss richtig sein könnte.
Betrachte bei dieser Aufgabe zuerst die beiden Graphen und überlege dir, worin sich die beiden Stoffe unterscheiden und welche Schlussfolgerung das für die Süßkraft des Stoffes zulässt. Sieh dir anschließend Abbildung 2 an und überlege dir, wie der abgebildete Rezeptor und die Darstellungen der Moleküle deine Vermutung unterstützen würden. Beachte dabei besonders die Struktur des Rezeptors und der Süßstoffe und überlege dir, wie sie aussehen würden, wenn sie jeweils an den Rezeptor binden würden.
Tipp
Der Operator interpretieren verlangt von dir, dass du mithilfe der Abbildung 3 sagst, welcher der beiden angegebenen Süßstoffe der stärkere Süßstoff ist und deine Aussage mit der Abbildung belegst. Anschließend sollst du mithilfe von Abbildung 2 mögliche Erklärungen angeben, wieso dein Schluss richtig sein könnte.
Betrachte bei dieser Aufgabe zuerst die beiden Graphen und überlege dir, worin sich die beiden Stoffe unterscheiden und welche Schlussfolgerung das für die Süßkraft des Stoffes zulässt. Sieh dir anschließend Abbildung 2 an und überlege dir, wie der abgebildete Rezeptor und die Darstellungen der Moleküle deine Vermutung unterstützen würden. Beachte dabei besonders die Struktur des Rezeptors und der Süßstoffe und überlege dir, wie sie aussehen würden, wenn sie jeweils an den Rezeptor binden würden.
$\blacktriangleright$  Interpretation der Messergebnisse und Formulierung möglicher Erklärungen mithilfe von Abbildung 2
In Abbildung 3 ist in einem Diagram die Konzentration des süßen Geschmacksstoffes gegen die intrazelluläre Calcium-Ionen-Konzentration aufgetragen. In der Grafik sind zwei Graphen eingezeichnet für D-Tryptophan und Aspartam. Beide Graphen beginnen niedrig und steigen langsam bis sie nach einem starken Anstieg in ein flaches Plateu, bei ungefähr 100 relativen Einheiten der Calcium-Ionen-Konzentration, übergehen. Der Graph für D-Tryptophan ist im Vergleich zum Graphen von Aspartam nach rechts verschoben und steigt nicht so schnell an wie dieser.
Vergleicht man die Süßkraft der beiden Stoffe, dann lässt sich daraus schließen, dass Aspartam der süßere Stoff ist, da seine Wirkung bereits bei geringeren Konzentrationen des Süßstoffes beginnt, stärker ansteigt und früher 100 relative Einheiten der Calcium-Ionen-Konzentration erreicht.
Betrachtet man die Darstellung des Rezeptors und der beiden Moleküle in Abbildung 2, dann findet man eine mögliche Erklärung dafür in der Struktur der Moleküle. Der Rezeptor weist zwei deutliche Bindungsstellen für Signalmoleküle auf. Eine davon ist rund und die andere besitzt eine dreieckige Einbuchtung. Die Darstellung von Aspartam ist nun die einer Kugel, an der ein kleineres Dreieck befestigt ist. Es ist erkennbar, dass das Molekül optimal in die beiden Bindestellen des Rezeptors passt. D-Tryptophan wird als Ellipse dargestellt und scheint nur in die runde Bindestelle des Rezeptors zu passen.
Anhand dieser Darstellung kann man vermuten, dass Aspartam besser an den Rezeptor bindet als D-Tryptophan und deshalb eine stärkere Reaktion hervorruft. Dadurch würde die Signaltransduktion bei D-Tryptophan schlechter beginnen und es würden demnach weniger Calcium-Ionen freigesetzt werden.
2.4
Tipp
Bei dieser Aufgabe sollst du zuerst die Grafik beschreiben. Dabei sollst du darauf eingehen, was in der Grafik dargestellt wird und welche Beobachtungen du machst. Anschließend sollst du eine mögliche Ursache angeben, weshalb die Kombination aus einer sauren Zitrone und dem Miraculin einen süßen Geschmackseindruck hervorruft. Zuletzt sollst du noch eine Erklärung liefern, wie ein niedriger pH-Wert eine Wirkung auf auf molekularer Ebene auf Miraculin haben kann.
Bei der Beschreibung der Grafik ist es wichtig anzugeben, was in der Grafik aufgetragen ist und wie die Kurve verläuft. Eventuell kann es auch hilfreich sein ein paar markante Punkte anzugeben.
Wenn du einen Grund für den süßen Geschmackseindruck des Miraculins mit der sauren Zitrone suchst, dann überlege dir, welchen Einfluss die Zitrone auf die Umgebung des Miraculins im Mund ausüben kann und wie eventuell die vorher beschriebene Grafik damit zusammenhängt.
Eine Säure zeichnet sich durch ihr hohes Bestreben aus, ein Proton (H+) abzugeben, welches an weniger saure Moleküle binden kann. Überlege dir, was dies für Auswirkungen auf das Molekül haben kann. Dabei solltest du deine Ergebnisse aus Aufgabe 2.1 zu den Strukturebenen und den beteiligten Kräften und Bindungen eines Proteins mit einbeziehen.
Tipp
Bei dieser Aufgabe sollst du zuerst die Grafik beschreiben. Dabei sollst du darauf eingehen, was in der Grafik dargestellt wird und welche Beobachtungen du machst. Anschließend sollst du eine mögliche Ursache angeben, weshalb die Kombination aus einer sauren Zitrone und dem Miraculin einen süßen Geschmackseindruck hervorruft. Zuletzt sollst du noch eine Erklärung liefern, wie ein niedriger pH-Wert eine Wirkung auf auf molekularer Ebene auf Miraculin haben kann.
Bei der Beschreibung der Grafik ist es wichtig anzugeben, was in der Grafik aufgetragen ist und wie die Kurve verläuft. Eventuell kann es auch hilfreich sein ein paar markante Punkte anzugeben.
Wenn du einen Grund für den süßen Geschmackseindruck des Miraculins mit der sauren Zitrone suchst, dann überlege dir, welchen Einfluss die Zitrone auf die Umgebung des Miraculins im Mund ausüben kann und wie eventuell die vorher beschriebene Grafik damit zusammenhängt.
Eine Säure zeichnet sich durch ihr hohes Bestreben aus, ein Proton (H+) abzugeben, welches an weniger saure Moleküle binden kann. Überlege dir, was dies für Auswirkungen auf das Molekül haben kann. Dabei solltest du deine Ergebnisse aus Aufgabe 2.1 zu den Strukturebenen und den beteiligten Kräften und Bindungen eines Proteins mit einbeziehen.
$\blacktriangleright$  Beschreibung der Grafik, Begründung des Geschmackseindrucks durch Miraculin und Angabe einer möglichen Erklärung
In der Grafik wird der pH-Wert gegen die Calcium-Ionen-Konzentration in der Zelle aufgetragen, wenn Miraculin hinzugegeben wurde. Der Graph zeigt, dass die höchste gemessene Konzentration bei einem pH-Wert von etwas weniger als 5,0 auftrat. Die Konzentration fällt, je weiter man sich dem Neutralpunkt nähert und ab einem pH-Wert von ca. 6,9 ist quasi keine Calcium-Ionen-Konzentration in der Zelle mehr zu messen.
Eine Zitrone enthält saure Moleküle, die den pH-Wert senken. Neutrale Lösungen haben einen pH-Wert von 7,0. Je saurer die Lösung wird, desto niedriger wird der pH-Wert. Die sauren Moleküle der Zitrone verschieben also den pH-Wert in einen niedrigeren Bereich. Ohne die Zitrone liegt der pH-Wert im Mund im neutralen Bereich, weshalb man beim Lutschen der Miraculin-Tablette allein keinen süßen Geschmack wahrnimmt. Ist der pH-Wert im Mund durch die Zitrone sauer, dann löst Miraculin ein Signal am Rezeptor für süße Geschmacksstoffe aus, weshalb man einen süßen Geschmack wahrnimmt.
Ein Grund für die pH-abhängige Wirkung des Miraculins könnte eine Konformationsänderung des Proteins durch die sauren Bedingungen sein. Durch den niedrigen pH-Wert werden Seitenketten des Proteins protoniert. Dies kann zur Folge haben, dass vorher negativ geladene Gruppen nun neutral geladen sind oder vorher neutral geladene Seitenketten eine positive Ladung aufweisen. Dadurch können alte Interaktionen zwischen den Seitenketten des Moleküls aufgebrochen werden oder neue entstehen. Dies kann eine Änderung der Struktur des Moleküls auslösen, wodurch es besser an den Rezeptor binden kann und somit eine Reaktion auslöst.
2.5
Tipp
Hier wird von dir gefordert, dass du zuerst einen Vorgang beschreibst, mit dem rekombinante Plasmide hergestellt werden können. Dabei sollst du davon ausgehen, dass das Gen und passende Plasmide bereits vorhanden sind. Gehe dabei auch auf besondere Anforderungen ein, die das Plasmid oder das Gen erfüllen müssen, damit der Vorgang funktioniert. Anschließend sollst du eine Möglichkeit beschreiben, wie du rekombinante Plasmide in rekombinanten Bakterien von Bakterien unterscheiden kannst, die kein Plasmid aufgenommen haben oder die ein nicht rekombinantes Plasmid aufgenommen haben. Dabei sollst du weitere Voraussetzungen nennen, die das Plasmid erfüllen muss und den Vorgang anschaulich beschreiben.
Plasmide sind ringförmige DNA-Stücke, die häufig in Bakterien vorkommen. Sie enthalten verschiedene Gene und werden häufig in der Gentechnik als Medium verwendet. Dabei werden Zielgene in das Plasmid integriert und anschließend in die Zellen gebracht. Danach werden die transformierten Zellen von den nicht transformierten Zellen durch Selektionsverfahren getrennt. Dabei werden zusätzlich Gene in das Plasmid integriert, die dem Bakterium Eigenschaften verleihen, die es normalerweise nicht besitzt.
Bei dieser Aufgabe musst du dir zuerst überlegen, welche Schritte du unternehmen musst, um dein Zielgen in das Plasmid zu insertieren. Anschließend musst du dir überlegen, welche Eigenschaften das Selektionsgen dem Bakterium verleiht, damit du die transformierten Bakterien möglichst einfach von den nicht transformierten Bakterien unterscheiden kannst.
Außerdem solltest du überlegen, was bei der Herstellung rekombinanter Plasmide für Probleme auftreten können und wie diese dein Bakterium anschließend beeinflussen können. Eventuell wird ein weiterer Selektionsmarker benötigt, der die möglichen Fälle voneinander unterscheidet.
Tipp
Hier wird von dir gefordert, dass du zuerst einen Vorgang beschreibst, mit dem rekombinante Plasmide hergestellt werden können. Dabei sollst du davon ausgehen, dass das Gen und passende Plasmide bereits vorhanden sind. Gehe dabei auch auf besondere Anforderungen ein, die das Plasmid oder das Gen erfüllen müssen, damit der Vorgang funktioniert. Anschließend sollst du eine Möglichkeit beschreiben, wie du rekombinante Plasmide in rekombinanten Bakterien von Bakterien unterscheiden kannst, die kein Plasmid aufgenommen haben oder die ein nicht rekombinantes Plasmid aufgenommen haben. Dabei sollst du weitere Voraussetzungen nennen, die das Plasmid erfüllen muss und den Vorgang anschaulich beschreiben.
Plasmide sind ringförmige DNA-Stücke, die häufig in Bakterien vorkommen. Sie enthalten verschiedene Gene und werden häufig in der Gentechnik als Medium verwendet. Dabei werden Zielgene in das Plasmid integriert und anschließend in die Zellen gebracht. Danach werden die transformierten Zellen von den nicht transformierten Zellen durch Selektionsverfahren getrennt. Dabei werden zusätzlich Gene in das Plasmid integriert, die dem Bakterium Eigenschaften verleihen, die es normalerweise nicht besitzt.
Bei dieser Aufgabe musst du dir zuerst überlegen, welche Schritte du unternehmen musst, um dein Zielgen in das Plasmid zu insertieren. Anschließend musst du dir überlegen, welche Eigenschaften das Selektionsgen dem Bakterium verleiht, damit du die transformierten Bakterien möglichst einfach von den nicht transformierten Bakterien unterscheiden kannst.
Außerdem solltest du überlegen, was bei der Herstellung rekombinanter Plasmide für Probleme auftreten können und wie diese dein Bakterium anschließend beeinflussen können. Eventuell wird ein weiterer Selektionsmarker benötigt, der die möglichen Fälle voneinander unterscheidet.
$\blacktriangleright$  Beschreibung der Herstellung rekombinanter Plasmide und Erläuterung eines Selektrionsverfahrens
Um ein rekombinantes Plasmid herzustellen, werden zuerst das Miraculin-Gen und Plasmide benötigt. Diese sind bereits vorhanden. Damit das Miraculin-Gen in das Plasmid eingebaut werden kann, wird ein passendes Restriktionsenzym benötigt, also ein Enzym das in der Lage ist, DNA an spezifischen Sequenzen zu schneiden. Dieses Enzym benötigt sowohl eine Schnittstelle im Plasmid, als auch Schnittstellen im Miraculin-Gen. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass das Gen nicht durchgeschnitten wird, sondern nur an beiden Enden des Gens eine Schnittstelle entsteht. Es dürfen dadurch ebenfalls keine regulatorischen Regionen des Gens zerstört werden.
Wenn das Gen und das Plasmid mit dem Restriktionsenzym verdaut, also geschnitten wurden, dann muss es zur Ligation des Gens mit dem Plasmid kommen. Die geschnittenen Enden von Gen und Plasmid sind durch den Restriktionsverdau zueinander komplementär und es kann deshalb zur Verbindung zwischen den beiden Molekülen kommen. Das rekombinante Plasmid wurde somit hergestellt.
Es kann jedoch auch dazu kommen, dass sich das Plasmid wieder mit sich selbst verbindet und das Gen somit nicht in der Plasmid-DNA insertiert wird. Um diese falschen Plasmide auszusortieren wird ein entsprechendes Selektionsverhalten benötigt. Es müssen nach der Transformation, also der Aufnahme der Plasmide in die E. coli-Zellen, die Zellen aussortiert werden, die entweder kein Plasmid oder ein Plasmid ohne das gewünschte Gen aufgenommen haben.
Wenn die Zellen ohne Plasmid aussortiert werden sollen, dann empfiehlt es sich ein Plasmid mit Antibiotikaresistenz einzusetzen. Enthält das Plasmid z.B. ein Gen für Ampicilinresistenz, dann ist das transformierte Bakterium in der Lage auf einem Nährboden mit Ampicilin zu wachsen, während nicht transformierte Bakterien sterben.
Um die Bakterien mit rekombinantem Plasmid von denen ohne rekombinantem Plasmid zu unterscheiden, empfiehlt sich ein weiteres Selektionsgen, in dem die Restriktionsstelle liegt. Wenn das Miraculin-Gen insertiert wurde, dann fällt dieser Selektionsmarker aus, während er bei nicht rekombinanten Plasmiden intakt bleibt. Man könnte z.B. das Gen für eine Untereinheit der $\beta$-Galactosidase als Selektionsmarker verwenden. Dieses Enzym ermöglicht es Galactose umzusetzen. Lässt man die Bakterien auf einem speziell präparierten Nährboden mit X-gal wachsen, dann setzen die Bakterien mit der $\beta$-Galactosidase X-gal um und setzen dabei einen blauen Farbstoff frei. Die Bakterienkolonie erscheint blau. Hat ein Bakterium ein rekombinantes Plasmid aufgenommen, dann funktioniert dieses Gen nicht und es wird dementsprechend kein blauer Farbstoff gebildet. Die Kolonien erscheinen weiß.
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