Aufgabe 1 – Hefe, alkoholische Gärung
Die Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae (Abb. 1) gehört zu den einzelligen Organismen und wird seit mehreren tausend Jahren für die Herstellung von Wein, Bier und Brot genutzt. Dabei setzen zahlreiche Enzyme der Hefezellen Glucose anaerob, d. h. ohne Sauerstoff, durch alkoholische Gärung in Ethanol und Kohlenstoffdioxid um.
1.1
Benenne die mit den Ziffern 1 bis 6 versehenen Strukturen einer Hefezelle (Abb. 1) und begründe jeweils, weshalb Hefezellen keine Bakterienzellen, keine Pflanzenzellen und auch keine Tierzellen sind.
3 VP
Abb. 1: Hefezelle (schematisch)
In einer Versuchsreihe wurde der Einfluss der Temperatur auf die Kohlenstoffdioxid-Produktion bei der alkoholischen Gärung untersucht. Dieser Einfluss geht auf die Temperaturabhängigkeit der daran beteiligten Enzyme der Hefezellen zurück. Abbildung 2 zeigt den Versuchsaufbau zur quantitativen Messung von Kohlenstoffdioxid, Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse der Versuchsreihe.
Abb. 2: Versuchsaufbau zur Messung der Kohlenstoffdioxid-Produktion
| Temperatur [°C] | Kohlenstoffdioxidproduktion [ml] |
|---|---|
| 4 | 0 |
| 20 | 2,2 |
| 40 | 12,6 |
| 60 | 19,6 |
| 80 | 1,2 |
Tab. 1: Kohlenstoffdioxid-Produktion bei unterschiedlichen Temperaturen
2.1
Formuliere die Wortgleichung der alkoholischen Gärung und nenne auf deren Grundlage neben der Kohlenstoffdioxid-Produktion zwei weitere Messgrößen, die einen Rückschluss auf die Enzymaktivität erlauben.
2 VP
2.2
Beschreibe auf Grundlage von Abbildung 2 und Tabelle 1 die Durchführung der Versuchsreihe zur Untersuchung der Temperaturabhängigkeit der Hefeenzyme, um aussagekräftige Ergebnisse zu erhalten.
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2.3
Stelle die in der Versuchsreihe gewonnenen Messergebnisse (Tabelle 1) in einem Diagramm dar und erläutere diese auf molekularer Ebene.
In einer weiteren Untersuchung wurde in drei getrennten Versuchsansätzen die Abbaurate des Einfachzuckers Glucose sowie der Zweifachzucker Maltose und Lactose durch Hefezellen untersucht. Die Ergebnisse sind in Abbildung 3 dargestellt.
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Abb. 3: Kohlenstoffdioxid-Produktion durch Hefezellen bei drei unterschiedlichen Zuckern
3
Gib jeweils eine mögliche Erklärung für die abweichenden Kurvenverläufe von Maltose und Lactose im Vergleich zu Glucose.
Bäckerhefe wird nicht nur zur Lebensmittelherstellung, sondern auch zur Impfstoffproduktion genutzt. Dazu werden die Hefezellen gentechnisch verändert. Ähnlich wie Bakterien enthalten sie neben der chromosomalen DNA auch Kopien eines selbst replizierenden Plasmids. Seit 1986 wird mithilfe der Bäckerhefe ein Impfstoff gegen Hepatitis-B, eine entzündliche Leberkrankheit produziert. Für die Herstellung des Hepatitis-B-Impfstoffs wurde ein Abschnitt des Oberflächenantigens HBsAg, dem Hauptoberflächenprotein des Hepatitis-B-Virus, ausgewählt. Die wichtigste Maßnahme zur Vermeidung einer Infektion besteht in einer vorbeugenden Hepatitis-B-Schutzimpfung. Bereits 1990 gab es Probleme mit der Wirksamkeit der Impfung, da eine Virusmutation mit verändertem HBsAg auftrat.
3 VP
4.1
Fertige eine beschriftete Zeichnung eines rekombinanten Hefeplasmids an, und erläutere davon ausgehend die Gewinnung und die Selektion impfstoffproduzierender Hefezellen.
3 VP
4.2
Erläutere zwei Aspekte, die du für die Herstellung eines neuen Impfstoffes berücksichtigen würdest, um das Risiko eines Wirkungsverlusts gegenüber Virusmutanten zu verringern.
3 VP
20 VP