Freie Hansestadt Bremen Die Senatorin für Kinder und Bildung Abitur 2018 - Grundkurs Biologie Schulnr.: Kursbezeichnung: Name: Aufgabe 1 Themenbereiche: Gene Aminosäuren Von den bisher über 260 bekannten Aminosäuren spielen nur 20 eine Rolle bei der Proteinbiosynthese. Über Peptidbindungen werden ein- zelne Aminosäuren miteinander verknüpft. Ihre Reihenfolge bestimmt die Struktur und letztlich die Funktion der Proteine. Veränderungen in der Abfolge können zu Krankheiten oder Fehlfunktionen führen. Ein Organismus kann nicht alle Aminosäuren selbst herstellen. Diese so genannten essenziellen Aminosäuren müssen mit der Nahrung aufgenommen werden, da sie lebenswichtig sind. Die Abbildung wurde aus datenschutzrechtli- chen Gründen entfernt. Sie ist in der angege- benen Quelle zu finden. a) Leiten Sie zunächst mit Hilfe von Abbildung 2 die Art der Vererbung der Sichelzellanämie ab (Material 1 und 2). Geben Sie dann die Genotypen der Personen 1 bis 4 begründet an. Werten Sie dazu das Er- gebnis der Gelelektrophorese aus (Material 1 und 2). [14 BWE] b) Ermitteln Sie zunächst für die Personen A und B jeweils alle möglichen Basensequenzen des Tripletts 6 auf dem codogenen Strang ihres β-Globin Gens (Material 1 und 3). Leiten Sie dann mit Hilfe der ermittelten Basensequenzen die molekulargenetische Ursache der Sichelzellanämie bei Person B ab (Material 1 und 3). [10 BWE] c) Erläutern Sie zunächst die Regulation der Lysin-Synthese bei C. glutamicum auf der Gen- Ebene sowie auf der Enzym-Ebene (Material 4 und 5). Erläutern Sie anschließend je einen Vorteil der Regulation auf Gen-Ebene sowie auf Enzym- Ebene für C. glutamicum (Material 4 und 5). [16 BWE] Hinweis: Alle in den Aufgabenstellungen bzw. in den Materialien verwendeten Abkürzungen dürfen im Lösungstext verwendet werden. Quellen: Abituraufgaben Biologie: BW, 2014, Aufgabe 2; Übungsaufgabe Biologie: BW, o.J., Aufgabe 2. www.spektrum.de; https://upload.wikimedia.org; www.biokurs.de BIO-GK-H Aufgabe 1 Seite 1 von 3

Freie Hansestadt Bremen Die Senatorin für Kinder und Bildung Abitur 2018 - Grundkurs Biologie Schulnr.: Kursbezeichnung: Name: Material 1 Bereits der Einbau einer einzigen anderen Aminosäure kann massive Auswirkungen auf die Funktionsfähigkeit eines Proteins haben. Dies ist zum Beispiel bei der Sichelzellanämie der Fall. Bei Menschen mit dieser Erbkrankheit ist das Protein Hä- moglobin verändert. Es befindet sich in den roten Blutkör- perchen (Erythrozyten) und bindet dort den Sauerstoff. Hä- Photo: 1 Abb. Mit Sichelzellen moglobin besteht aus vier Globin-Proteinen – je zwei α- und Erythozyt 2. Abb. Mit nomalem Erythorzyt zwei β-Globine. Eine Punktmutation im β-Globin Gen führt dazu, dass die Die Abbildung wurde aus daten- Erythrozyten der Betroffenen eine sichelähnliche Form (sie- schutzrechtlichen Gründen ent- he Abbildung 1) annehmen. Das Bindevermögen für Sauer- fernt. stoff ist stark herabgesetzt und kann zu Organversagen durch mangelnde Sauerstoffversorgung bei homozygot Be- Abb. 1: Erythrozyten troffenen führen. Material 2 In der Familie eines Paares (Personen 1 und 2) ist die Sichelzellanämie bereits aufgetreten. In einer humangenetischen Beratungsstelle werden die Eltern und ihre zwei leiblichen Kinder (Personen 3 und 4) untersucht. Aus Blutproben aller Familienmitglieder wird dazu zunächst die DNA gewonnen, daraus das β-Globin Gen isoliert und anschließend vervielfältigt. Danach wer- den die Proben mit gentechnischen Methoden so behan- delt, dass unterschiedlich lange DNA-Stücke entstehen. Liegt die Mutation im β-Globin Gen vor (siehe Material 1), ist das entstandene DNA-Stück länger als ohne diese Mu- tation. Mit den so behandelten DNA-Proben wird anschließend eine Gelelektrophorese durchgeführt, deren Ergebnis in Abbildung 2 dargestellt ist. Die Abbildung wurde aus daten- schutzrechtlichen Gründen entfernt. Abb. 2: Stammbaum und Ergebnis der Gelelektrophorese Hinweis: Spontanmutationen sollen ausgeschlossen sein. Material 3 Die Abbildung wurde aus datenschutzrecht- Um die molekularen Ursachen der Sichelzell- lichen Gründen entfernt. anämie (siehe Material 1) zu erforschen, wurden die Aminosäuresequenzen des β-Globins von Abb. 3: Code-Sonne Betroffenen mit denen von nicht an der Sichel- zellanämie erkrankten Personen verglichen. Person A ist nicht an der Sichelzellanämie erkrankt. Bei ihr befindet sich an Position 6 der Aminosäurekette des β-Globins die Aminosäure Glutaminsäure (Glu). Person B ist an der Sichelzellanämie erkrankt. Bei ihr wurde an Position 6 der Aminosäurekette des β-Globins die Aminosäure Valin (Val) gefunden. Material 4 Die Abbildung wurde aus datenschutz- Lysin ist eine essenzielle Aminosäure, die von einigen rechtlichen Gründen entfernt. Säugetieren nicht selbst hergestellt werden kann, son- BIO-GK-H Aufgabe 1 Seite 2 von 3

Freie Hansestadt Bremen Die Senatorin für Kinder und Bildung Abitur 2018 - Grundkurs Biologie Schulnr.: Kursbezeichnung: Name: dern mit der Nahrung aufgenommen werden muss. Eini- Abb. 4: Lysin-Syntheseweg bei ge Bakterien und Pflanzen sind jedoch in der Lage Lysin C. glutamicum (schematisch) selbst zu synthetisieren. Daher werden heutzutage zum Beispiel mit Hilfe des Bakteriums Corynebacterium glu- tamicum (C. glutamicum) jährlich über 600 000 Tonnen Lysin produziert, die zum Beispiel der Tiernahrung bei- gefügt werden, um so das Wachstum der Tiere zu stei- gern. Die Lysin-Synthese mit Hilfe der Enzyme E1 bis E3 bei C. glutamicum ist in Abbildung 4 dargestellt. Material 5 Die Lysin-Synthese (siehe Material 4) beim Bakterium C. glutamicum kann reguliert werden. Eine hohe Lysin-Konzentration wirkt hemmend auf die Lysin-Synthese. Diese Hemmung wird aufgeho- ben, wenn das Bakterium die Aminosäure Lysin zum Beispiel bei der Proteinbiosynthese ver- braucht. Die Regulation kann bei C. glutamicum auf zwei Ebenen stattfinden (siehe Abbildung 5). Die Abbildung wurde aus datenschutzrechtlichen Gründen entfernt. Abb. 5: Regulation der Lysin-Synthese auf verschiedenen Ebenen (schematisch) BIO-GK-H Aufgabe 1 Seite 3 von 3