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Übungsaufgaben
Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe aus früheren Unterkapiteln und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.
A1
Fachbegriffe des Sequenzvergleichs
AFB IOrdnen Sie jedem Fachbegriff die passende Beschreibung zu.
Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Alignment und Distanzmatrix sind Arbeitsschritte des Sequenzvergleichs, die molekulare Uhr und ihre Eichung machen daraus Zeitangaben. Stumme Mutationen erklären, warum DNA-Vergleiche mehr Unterschiede zeigen als Proteinvergleiche.
Welche Begriffe betreffen das Zählen, welche die Umrechnung in Zeit?
Die Hybridisierung vergleicht ganze Genome, nicht einzelne ausgerichtete Sequenzen.
A2
Insulin von Mensch und Rind
AFB IDie Abbildung zeigt die A-Kette des Hormons Insulin (21 Aminosäuren, Ein-Buchstaben-Code) von Mensch und Rind, bereits ausgerichtet. Geben Sie die Zahl der Positionen an, an denen sich die beiden Ketten unterscheiden.
Rechnen Sie selbst und tragen Sie das Ergebnis ein — Enter prüft direkt. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
Positionen
Die Ketten unterscheiden sich an Position 8 (Mensch T = Threonin, Rind A = Alanin) und an Position 10 (Mensch I = Isoleucin, Rind V = Valin). Alle übrigen 19 Positionen stimmen überein — ein Zeichen für die gemeinsame Abstammung der Insulin-Gene.
Gehen Sie Spalte für Spalte vor und vergleichen Sie jeweils nur die beiden übereinanderstehenden Buchstaben.
Achten Sie besonders auf die Positionen 6 bis 12.
A3
Molekulare Belege
AFB INennen Sie alle Befunde, die als molekulare Homologien für eine gemeinsame Abstammung sprechen.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Universeller Code, austauschbares Cytochrom c und ATP als gemeinsamer Energieträger lassen sich nur durch gemeinsame Vorfahren erklären. Die gleichbleibende Körpertemperatur ist bei Vögeln und Säugern unabhängig entstanden, Hämocyanin und Hämoglobin sind verschiedene Proteine, und die Flossenform ist eine Konvergenz.
Eine molekulare Homologie betrifft Moleküle, die auf ein gemeinsames Vorfahrenmolekül zurückgehen.
Drei Befunde sind richtig; zwei der falschen sind Analogien.
A4
Die Uhr eichen und ablesen
AFB IIIn einem Gen unterscheiden sich Mensch und Pferd an 36 Positionen. Nach Fossilien trennten sich ihre Linien vor etwa 90 Mio. Jahren (Modellwerte). Berechnen Sie die Substitutionsrate je Linie und daraus die Trennungszeiten für zwei weitere Artpaare.
Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
- Substitutionsrate r je Linie in Unterschieden pro Mio. Jahre pro Mio. Jahre
- Trennungszeit Mensch – Rhesusaffe bei 10 Unterschieden Mio. Jahre
- Trennungszeit Mensch – Känguru bei 64 Unterschieden Mio. Jahre
Weil beide Linien sich verändert haben, gilt d = 2·r·t, also r = 36 : (2 · 90 Mio. Jahre) = 0,2 pro Mio. Jahre. Dann t = d : (2r): 10 : 0,4 = 25 Mio. Jahre und 64 : 0,4 = 160 Mio. Jahre. Beide Werte liegen nahe an den Fossilbefunden für die Trennung der Linien von Menschenartigen und Hundsaffen bzw. von Plazenta- und Beuteltieren.
Die 36 Unterschiede haben sich in zwei Linien angesammelt, jede 90 Mio. Jahre lang.
Rechnen Sie mit t = d : (2r).
A5
Vom Gewebe zum Stammbaum
MixAFB IIBeschreiben Sie das Vorgehen bei einem molekularen Verwandtschaftsvergleich, indem Sie die Arbeitsschritte in die richtige Reihenfolge bringen.
Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1DNA aus Gewebeproben der Arten isolieren
2das untersuchte Gen mit der PCR vervielfältigen
3die Basenfolge des Gens sequenzieren
4die Sequenzen ausrichten (Alignment)
5Unterschiede zählen und in eine Distanzmatrix eintragen
6die ähnlichsten Arten schrittweise zu einem Stammbaum zusammenfassen
7mit einer fossil datierten Trennung die Rate eichen und Trennungszeiten abschätzen
Zuerst wird das Gen gewonnen und mit der PCR aus Kapitel 3 vervielfältigt, dann sequenziert. Erst ausgerichtete Sequenzen lassen sich Position für Position vergleichen. Die Distanzmatrix liefert den Stammbaum; Zeitangaben erfordern zusätzlich die Eichung der molekularen Uhr.
Denken Sie an Kapitel 3: Womit vervielfältigt man ein Gen?
Die Eichung steht am Ende, weil man dafür schon Unterschiede kennen muss.
A6
Sichtbar im DNA- oder auch im Proteinvergleich?
AFB IIBei zwei nah verwandten Arten findet man im selben Gen verschiedene Abweichungen (Codons der mRNA). Ordnen Sie jede Abweichung danach ein, ob sie nur beim DNA-Vergleich oder auch beim Vergleich der Aminosäuresequenz auffällt.
Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken Sie dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1nur im DNA-Vergleich
2auch im Proteinvergleich
Stumme Mutationen in der dritten Codonposition und Veränderungen in Introns ändern die Aminosäuresequenz nicht. Ein Austausch, der zu einer anderen Aminosäure führt, und der Verlust eines ganzen Codons sind auch im Protein sichtbar. Deshalb zeigen DNA-Vergleiche stets mindestens so viele Unterschiede wie Proteinvergleiche.
Übersetzen Sie jedes Codon mit der Code-Sonne aus Kapitel 3.
Introns werden vor der Translation herausgeschnitten.
A7
Cytochrom c auswerten
AFB IICytochrom c besteht beim Menschen aus 104 Aminosäuren. Im Vergleich zum Menschen weichen ab (Lehrbuchwerte): Rhesusaffe 1, Pferd 12, Huhn 13, Thunfisch 21, Seidenspinner 31, Bäckerhefe 44 Positionen. Werten Sie die Angaben aus.
Wählen Sie in jedem Menü den passenden Eintrag. Alle Felder müssen stimmen.
| Frage | Antwort |
|---|---|
| nächster Verwandter des Menschen unter den genannten Arten | |
| Art, deren Linie sich am frühesten von der des Menschen getrennt hat | |
| Anteil übereinstimmender Positionen bei Mensch und Hefe (gerundet) | |
| Wirbeltier, das sich vom Menschen am stärksten unterscheidet |
Die Rangfolge der Unterschiede entspricht der Abstammung: Primaten, dann weitere Säuger, Vögel, Fische, Insekten, Pilze. Mensch und Hefe stimmen noch an 104 − 44 = 60 Positionen überein, das sind 60 : 104 ≈ 58 % — nach über einer Milliarde Jahren getrennter Entwicklung. Der Seidenspinner ist ein Insekt, kein Wirbeltier.
Wenige Unterschiede bedeuten eine späte Trennung.
Für den Anteil: übereinstimmende Positionen durch Gesamtzahl teilen.
A8
Ein Referat über die molekulare Uhr
AFB IIIAus dem Handout eines Referats. Überprüfen Sie die Aussagen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Die Uhr zählt Unterschiede, die sich in beiden Linien angesammelt haben. Ihre Rate ist genspezifisch und wird geeicht. Mehrfachtreffer führen zu einer Sättigung: Die sichtbaren Unterschiede wachsen langsamer als die Zeit.
Rechnen Sie das Beispiel mit t = d : (2r) nach.
Drei Aussagen sind falsch.
A9
Welches Gen für welche Frage?
AFB IIIBeurteilen Sie, wie gut sich das jeweilige Molekül für die Fragestellung eignet.
Wählen Sie für jede Zeile eine Stufe von 1 (ungeeignet) bis 5 (sehr gut geeignet). Mit der Tastatur: Tab zur Zeile, ←/→ zwischen den Stufen, Enter setzt.
1 = ungeeignet5 = sehr gut geeignet
langsam veränderliches Cytochrom c, um die Verwandtschaft von Pflanzen, Pilzen und Tieren zu klären
langsam veränderliches Cytochrom c, um zwei Populationen einer Vogelart zu unterscheiden
schnell veränderlicher, nicht codierender Abschnitt der Mitochondrien-DNA, um Populationen einer Art zu vergleichen
schnell veränderlicher, nicht codierender Abschnitt, um die Trennung von Bakterien und Tieren zu datieren
Gen für ribosomale RNA, das in allen Lebewesen vorkommt, um die großen Gruppen aller Lebewesen zu ordnen
Ein Gen muss so schnell ticken, dass Unterschiede entstanden sind, aber so langsam, dass sich die Positionen noch nicht mehrfach verändert haben. Für uralte Trennungen eignen sich langsame, für junge Trennungen schnelle Abschnitte.
Wie viele Unterschiede erwarten Sie bei einem langsamen Gen nach kurzer Zeit?
Ein schnell veränderlicher Abschnitt ist nach sehr langer Zeit „gesättigt“.
A10
Trickaufgabe: Null Unterschiede
TrickAFB IIIMensch und Schimpanse besitzen ein identisches Cytochrom c — an keiner der 104 Positionen gibt es einen Unterschied. Legen Sie für jede Folgerung fest, ob sie zutrifft.
5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Die Falle: „kein Unterschied“ heißt nicht „keine Trennung“. Ob Unterschiede sichtbar werden, hängt von der Rate des Gens und der Ebene des Vergleichs ab.
Wie viele Unterschiede erwarten Sie bei einer sehr langsamen Uhr nach wenigen Millionen Jahren?
Denken Sie an die Redundanz des genetischen Codes.