Erläutere den Aufbau und die Synthese von Ribosomen bei Eukaryoten anhand von Material 1.

Fasse die jeweiligen Versuchsbedingungen zur Untersuchung von Redundanzen in Material 2 zusammen und werte die Versuchsergebnisse hinsichtlich der Wirkung der genetischen Redundanz bei E. coli aus (M 2).

Stelle jeweils eine Hypothese für die Vermehrungsrate der Bakterien bei Versuchsansatz A und B auf, wenn eine geringe Nährstoffverfügbarkeit vorliegt (M 2).

Erläutere die unterschiedliche Verteilung der genetischen Redundanz des AMY2B-Gens bei Hunden in verschiedenen Gebieten der Erde anhand der synthetischen Evolutionstheorie (M 3).

Erläutere den Aufbau und die Synthese von Ribosomen bei Eukaryoten anhand von Material 1.

Aufbau:

• Ribosomen bestehen aus kleiner und großer Untereinheit.

• Untereinheiten bestehen jeweils aus r-Proteinen und rRNA.

rRNA-Synthese im Nucleolus und Nucleus:

• rRNA-1-Gen wird im Nucleolus und rRNA-2-Gen wird im Nucleus auf der Basis der jeweiligen DNA transkribiert.

• RNA-Polymerase liest die Gene ab, synthetisiert prä-rRNA.

• Prä-rRNA durchläuft Prozessierung, enzymatisches Herausschneiden von Nukleotid-Sequenzen aus prä-rRNA.

• Teil 1 direkt im Nucleolus synthetisiert, Teil 2 im Nucleus synthetisiert und dann in den Nucleolus transportiert.

r-Protein-Synthese im Nucleus:

• r-Protein-Gen wird durch RNA-Polymerase im Nucleus transkribiert → Entstehung der prä-mRNA.

• Prä-mRNA durchläuft Prozessierung, enzymatisches Herausschneiden von Nukleotid-Sequenzen aus der prä-mRNA.

• Transport von mRNA ins Cytoplasma → Translation mithilfe von Ribosomen und tRNA.

• r-Proteine werden in den Nucleolus transportiert → rRNA und Proteine werden zu großer und kleiner ribosomaler Untereinheit zusammengebaut.

• Zusammengebaute ribosomale Untereinheiten werden ins Cytoplasma transportiert → Zusammensetzung der Untereinheiten zu funktionsfähigem Ribosom.

Fasse die jeweiligen Versuchsbedingungen zur Untersuchung von Redundanzen in Material 2 zusammen und werte die Versuchsergebnisse hinsichtlich der Wirkung der genetischen Redundanz bei E. coli aus (M 2).

Zusammenfassen:

Versuchsbedingungen A:

• Versuchsobjekt E. coli, Variante 1, hohe genetische Redundanzen bei t-RNA-Gen 7x und Gen zur Bildung von Ribosomen 6x

• Hohe Nährstoffverfügbarkeit für die Bakterien

Versuchsbedingungen B:

• Versuchsobjekt E. coli, Variante 2

• Geringere genetische Redundanzen bei t-RNA-Gen 3x und Gen zur Bildung von Ribosomen 2x

• Hohe Nährstoffverfügbarkeit für die Bakterien

Auswerten:

Beschreiben:

Versuchsergebnisse A:

• Synthese vieler Ribosomen und t-RNA-Moleküle durch hohe Anzahl von Genkopien → Translation und Synthese vieler Proteine für Zellteilung

• Proteine für Vermehrung nötig → deutliche Zunahme der Bakterienanzahl: exemplarisch: 1 Bakterium vermehrt sich zu 10 Bakterien

Versuchsergebnisse B:

• Synthese weniger Ribosomen und t-RNA-Moleküle durch geringere Anzahl von Genkopien → auch weniger Translationsprozesse und Synthese geringer Proteinmenge für Zellteilung

• Proteine für Vermehrung nötig → geringere Zunahme der Bakterienanzahl: exemplarisch: 1 Bakterium vermehrt sich zu 4 Bakterien

Schlussfolgern:

• Bei hoher Nährstoffverfügbarkeit: ausreichende Deckung der energetischen Kosten für Proteinbiosynthese → Abhängigkeit der Vermehrungsrate der Bakterien von Anzahl der Genkopien für Ribosomen und t-RNA

Stelle jeweils eine Hypothese für die Vermehrungsrate der Bakterien bei Versuchsansatz A und B auf, wenn eine geringe Nährstoffverfügbarkeit vorliegt (M 2).

Mögliche Hypothesen:

Versuchsansatz A:

• Aufgrund vieler Genkopien hohe Energiekosten für die Synthese von Ribosomen und t-RNA-Molekülen → bei geringem Nährstoffangebot: geringe Energieverfügbarkeit für andere Stoffwechselprozesse / Vermehrung → geringere Bakterienanzahl

Versuchsansatz B:

• Geringere Anzahl von Genkopien → geringere Energiekosten für die Synthese von Ribosomen und t-RNA-Molekülen → trotz geringem Nährstoffangebot Deckung der Energiekosten → ähnliche Vermehrungsrate wie bei hohem Nährstoffangebot

Weitere logisch erstellte Hypothesen sind möglich und als gleichwertig anzuerkennen.

Erläutere die unterschiedliche Verteilung der genetischen Redundanz des AMY2B-Gens bei Hunden in verschiedenen Gebieten der Erde anhand der synthetischen Evolutionstheorie (M 3).

• Bei Vorliegen von Redundanz des AMY2B-Gens erhöhte Amylaseproduktion und somit bessere Stärkeverdauung

• Vorliegen von hoher genetischer Redundanz in Regionen mit Ackerbau in der frühen Menschheitsgeschichte

• Vorliegen von geringer genetischer Redundanz in Regionen ohne Ackerbau in der frühen Menschheitsgeschichte

• Vermehrtes Auftreten stärkehaltiger Nahrung für Haustiere in Regionen mit früh einsetzendem Ackerbau

• Selektionsvorteil bei Hunden durch zufällig auftretende Vervielfältigung des AMY2B-Gens:

  • erhöhte Amylaseproduktion

  • bessere Stärkeverdauung

  • erhöhte reproduktive Fitness bei Hunden mit vielen Genkopien

• Vermehrtes Einbringen der genetischen Redundanz in den Genpool der nächsten Generation