Aufgabe Vorschlag B - Aufgabe 4 · Abitur Hessen Biologie LK · Schulen für Erwachsene 2022

Material 1

„Stinging trees“: Stechende Bäume

In den Wäldern im Osten Australiens kommen „stinging trees“ vor, die mit den in Europa wachsenden Brennnesseln verwandt sind. Blätter und Stängel des Baums Dendrocnide excelsa sind mit bis zu 7 mm langen, sehr dünnen, mit Flüssigkeit gefüllten Brennhaaren bedeckt, die sich bei Berührung ablösen und die Haut durchdringen. Dadurch wird der Inhalt der Brennhaare in die Haut injiziert. Sogar ein sehr kurzer Kontakt mit einem Blatt löst einen unerträglichen Schmerz aus, dessen Höhepunkt nach 20 bis 30 Minuten erreicht ist und der bis zu vier Stunden andauern kann.

Auf der Suche nach der Ursache für die extremen Schmerzen haben Forscher nun in den Brennhaaren ein kurzes Protein, genannt ExTxA, mit einer Länge von 36 Aminosäuren entdeckt, das bisher nicht bekannt war.

Ausschnitt aus der Aminosäuresequenz von ExTxA

Position ·... · 8 · 9 · 10 ·...

Aminosäure ·... · Phe · Cys · Ser ·...

Material 2

Struktur und Funktion spannungsabhängiger Natrium-Ionenkanäle

Die spannungsabhängigen Natrium-Ionenkanäle von Neuronen werden von Membranproteinen gebildet, die aus ca. 2000 Aminosäuren bestehen. Das Kanalprotein enthält mehrere Bereiche mit zahlreichen positiv geladenen Aminosäure-Seitenketten und besitzt auf der Membraninnenseite eine charakteristische Struktur, die als IFM-Schleife bezeichnet wird.

Modell der Zustände eines spannungsabhängigen Natrium-Ionenkanals während des Ruhe- bzw. Aktionspotenzials

Material 3

Wirkung von ExTxA auf Mäuse

Schmerzhafte Reize in der Haut werden von spezialisierten sensorischen Nervenzellen registriert. Freie Nervenendigungen dieser Neuronen, die sogenannten Nozizeptoren, nehmen mechanische Reize, z. B. durch Stiche, oder chemische Reize auf. Die entstehenden Erregungen werden zunächst zum Zellkörper des sensorischen Neurons in der Nähe des Rückenmarks weitergeleitet. Schließlich gelangen sie über das Rückenmark zum Gehirn, wo die Schmerzempfindung entsteht.

Um zu überprüfen, ob das in den Brennhaaren von Dendrocnide excelsa gefundene Protein ExTxA für die extrem schmerzhafte Wirkung der Pflanzen verantwortlich ist, wurden zunächst die folgenden Experimente durchgeführt:

Lösungen der reinen Substanz ExTxA wurden Mäusen in eine Hinterpfote injiziert. Die jeweils verwendete Dosis war geringer als der Gehalt von ExTxA in einem einzigen Brennhaar der Pflanzen. Die Kontrollgruppe bekam eine Injektion der gleichen Menge physiologischer Kochsalzlösung. Es wurde anschließend eine Stunde lang beobachtet, wie oft die Mäuse in einem Zeitintervall von jeweils 10 Minuten ein Verhalten zeigten, das auf eine Schmerzempfindung in der betroffenen Pfote schließen ließ, z. B. Hochheben der Pfote, Schütteln, Lecken etc. (Abbildung 3.1).

In einem weiteren Experiment wurde ExTxA auf die Haut aufgebracht und anschließend 5 Minuten lang in den Axonen der sensorischen Neuronen die Zahl der Aktionspotenziale gemessen (Abbildung 3.2).

Material 4

Wirkung von ExTxA auf spannungsabhängige Natrium-Ionenkanäle

Für die Schmerzleitung verantwortliche sensorische Neuronen von Mäusen wurden isoliert und in einer Nährlösung kultiviert. Mit Hilfe einer speziellen Untersuchungstechnik wurde an diesen Zellen die Reaktion der Natrium-Ionenkanäle auf eine Potenzialänderung gemessen. Ausgehend von –80 mV wurde das Membranpotenzial ab dem Zeitpunkt 0 für den gesamten Messzeitraum dauerhaft auf –10 mV depolarisiert und der Verlauf des dadurch hervorgerufenen Natrium-Ioneneinstroms registriert.

Die Abbildung zeigt den Zeitverlauf des Natrium-Ioneneinstroms bei einem Neuron in einer Lösung, die ExTxA in einer Konzentration von 50 nmol/l enthielt, sowie bei einem Neuron in einer Lösung ohne ExTxA (Kontrolle).

Material 5

Prüfung von Maßnahmen gegen die Wirkung von ExTxA

Eine mögliche Maßnahme gegen die Wirkung von ExTxA könnte der Einsatz der Substanz Tetrodotoxin (TTX) sein.

Beim Menschen wirkt TTX abhängig von der Dosis und kann durch den Verdauungstrakt oder über die Haut aufgenommen werden. TTX ist kein Protein, es hat eine völlig andere Struktur als ExTxA.

Wirkung von TTX auf spannungsabhängige Natrium-Ionenkanäle

4.1

Deuten Sie die Versuchsergebnisse zum Natrium-Ioneneinstrom in Material 4 in Bezug auf die Öffnung und Schließung der Natrium-Ionenkanäle.

4.2

Entwickeln Sie eine Hypothese zur molekularen Wirkung von ExTxA unter Einbeziehung von Material 2. (Material 2 und 4)