Aufgabe Vorschlag B - Aufgabe 7 · Abitur Hessen Biologie LK 2021

Aufgabe 7 [17 BE]

Erläutern Sie die Funktionsweise der in Material 4 dargestellten Glutamat führenden Synapse sowie die Folgen der beiden Mutationsformen im FMR1 -Gen für die Funktion dieser Synapse. Deuten Sie die bei Fragilem-X-Syndrom auftretenden Symptome unter neurophysiologischen Gesichtspunkten. (Material 3, 4 und 5)

Material 3: Fragiles-X-Syndrom ohne fragiles X-Chromosom (Fall 2)

Bei einigen wenigen von mehreren tausend untersuchten Patienten/-innen, die die typischen Symptome des Fragilen-X-Syndroms, wie Intelligenzminderung und Entwicklungsverzögerung, zeigen, lässt sich keine Vermehrung der CGG-Repeats nachweisen. Wohl aber zeigten diese Personen Veränderungen im FMR1-Protein (FMRP, Abb. 3.3). Diese Entdeckung lieferte neue Ansatzpunkte hinsichtlich der Aufklärung der zellulären Funktionen des FMR1-Proteins. Das FMRP bindet an mRNA und reguliert auf diese Weise insbesondere in Nervenzellen die Translation von Proteinen, die eine wichtige Rolle für die natürliche Funktion der Nervenzellen spielen. FMRP verfügt über drei stabil gefaltete Bereiche (KH1, KH2 und RGG), die an mRNA binden können. Zudem verfügt FMRP über ein sogenanntes nukleäres Lokalisationssignal (NLS) und ein nukleäres Exportsignal (NES) für den Transport in den und aus dem Zellkern.

Abbildung 3.1: Ausschnitt aus dem nicht-codogenen Strang des FMR1 -Gens einer gesunden Person und eines Patienten mit Fragilem-X-Syndrom

Aminosäureposition · · 302 · 303 · 304 · 305 · 306

Gesunde Person: · 5'… · AAG · CTG · ATT · CAG · GAG · …3'

Patient: · 5'… · AAG · CTG · AAT · CAG · GAG · …3'

Abbildung 3.3: Schematische Darstellung von FMRP

Material 4: Symptome des Fragilen-X-Syndroms auf neuronaler Ebene

Während unserer Entwicklung verbinden sich Milliarden von Nervenzellen zu funktionalen Netzwerken, die es dem menschlichen Gehirn erlauben verschiedene Aufgaben zu bewältigen. Jede Nervenzelle bildet dabei Synapsen aus, die heranreifen, bis sie ihre volle Funktionsfähigkeit erreichen. Beim Fragilen-X-Syndrom zeigen sich vor allem Defizite auf kognitiver Ebene. Betroffene Kinder neigen neben einer Intelligenzminderung zu Aufmerksamkeitsdefiziten, hyperaktivem Verhalten sowie einer vermehrten Gedächtnisauslöschung.

Ende der 1990er Jahre entdeckten Forscher, dass besondere Glutamatrezeptoren, die mGluR5-Rezeptoren, in solchen Gehirnbereichen zu finden sind, die bei der Regulation von Emotionen, Motivation und Gedächtnisbildung eine Rolle spielen. Diese Glutamat führenden Synapsen wirken hier zusammen mit AMPA-Rezeptoren, die Liganden-gesteuerte Ionenkanäle bilden und eine schnelle exzitatorische Erregungsübertragung ermöglichen.

Im Tierexperiment mit Modellorganismen, den sogenannten FMR1-Knockout-Mäusen, bei denen das FMR1 -Gen entfernt wurde, konnte eine erhöhte Wirkung von Glutamat an Nervenzellen in einer für das Lernen und Erinnern sehr wichtigen Hirnregion, dem Hippocampus, festgestellt werden. Die Zusammenhänge zeigt die folgende Abbildung.

Abbildung 4.1: Schema der Funktion des FMRP an einer Glutamat führenden Synapse

Material 5: Neuronale Plastizität – funktionelle Plastizität

Neuronale Plastizität ist die Fähigkeit des Gehirns, sich in Abhängigkeit seiner Nutzung zu verändern und damit seine Struktur und Organisation veränderten biologischen Anforderungen anzupassen. Dabei bedeutet funktionelle Plastizität, dass sich die Stärke der synaptischen Übertragung aktivitätsabhängig ändert. Die zunehmende Stimulation afferenter Fasern führt zu lang anhaltenden Veränderungen der synaptischen Übertragung im Sinne einer Langzeitpotenzierung („long-term potentiation“, LTP). Für die Auslösung dieser Verstärkung spielen an vielen Synapsen die Bildung und Aktivität der AMPA-Rezeptoren eine Rolle. Eine verringerte Stimulation hingegen führt zu einer Langzeitdepression („long-term depression“, LTD), bei der die Übertragungseffizienz vermindert wird. Bei allen diesen Prozessen ist an der Postsynapse insbesondere der Botenstoff Glutamat von entscheidender Bedeutung. Langzeitpotenzierung und Langzeitdepression spielen somit eine wesentliche Rolle bei Lernen und Gedächtnisbildung im Hippocampus.

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