Aufgabe Vorschlag A - Aufgabe 9 · Abitur Hessen Biologie LK 2022

Thema: Synapse, Hormone und neuronale Plastizität · Aus der Prüfung LK (2022)

Aufgabenstellung

Material 7: Entwicklung von Axonen unter dem Einfluss des SMN-Proteins

Am Institut für Klinische Neurobiologie der Universität Würzburg untersuchte eine Forscherin die Rolle des SMN-Proteins für das Axonwachstum. Um den bei SMA-Patienten vom Typ I vorherrschenden Bedingungen möglichst nahe zu kommen, wurden alle Versuche an α-Motoneuronen des Rückenmarks von Mäusen durchgeführt, bei denen homozygot das SMN1 -Gen ausgeschaltet war (SMN1 −/−) und die im diploiden Chromosomensatz nur zwei Kopien des SMN2 -Gens enthielten. Diese wurden Versuchen an Neuronen von homozygoten Mäusen mit unverändertem SMN1 -Gen (SMN1 +/+) gegenübergestellt.

Material 8: Mikrofilamente, Nervenfunktion und SMN-Protein

Im Inneren jeder Zelle befindet sich das Zytoskelett. Es ist ein aus Proteinen aufgebautes Netzwerk im Zytoplasma jeder Zelle, das aus dünnen, fadenförmigen Zellstrukturen (Filamenten) besteht. Eine Klasse dieser Filamente, die Aktinfilamente, sind in Nervenzellen überwiegend aus dem Protein β-Aktin aufgebaut. Diese Filamente sind beteiligt am Auswachsen und Verzweigen der Axone und an der Bildung und Aufrechterhaltung der Synapsen. Weiterhin sind sie wichtig bei der Transmitterfreisetzung.

Forschungen haben gezeigt, dass α-Motoneurone, die synaptischen Kontakt zu einer Muskelzelle haben, vom Muskel mit sogenannten neurotrophen („den Nerv ernährenden“) Substanzen versorgt werden. Diese Substanzen können den Abbau von Nervenzellen verhindern.

Das Vorkommen von β-Aktin wurde an Mäusen mit den Genotypen (SMN1 +/+) und (SMN1 −/−) (siehe Material 7) untersucht.

Abbildung 8.1: Verteilung von β-Aktin-Protein in α-Motoneuronen

SMN1 +/+

SMN1 −/−

Hinweis

Zellkörper

++

++

Die Anzahl der + symbolisiert die Menge an Protein, − bedeutet, dass kein Protein vorhanden ist.

Axon

+++

+

Wachstumskegel

++++

−

Ein weiterer Forschungsgegenstand ist die Beantwortung der Frage, wie die im Zellkern einer Nervenzelle gebildete mRNA bis zum Zielort der benötigten Proteine, beispielsweise an der motorischen Endplatte, transportiert wird. Forscher identifizierten in diesem Zusammenhang ein spezielles Transportprotein (RNP), das β-Aktin-mRNA binden und transportieren kann. Die Verteilung des RNP-Transportproteins in Motoneuronen wurde in Abhängigkeit vom Genotyp untersucht.

Abbildung 8.2: Verteilung des RNP-Transportproteins in α-Motoneuronen

SMN1 +/+

SMN1 −/−

Hinweis

Zellkörper

++

++

Die Anzahl der + symbolisiert die Menge an Protein, − bedeutet, dass kein Protein vorhanden ist.

Axon

++

+

Wachstumskegel

++++

−

9 Werten Sie die in Material 7 und in den Abbildungen 8.1 und 8.2 dargestellten Untersuchungsergebnisse hinsichtlich des Einflusses des SMN-Proteins aus. (Material 7 und 8) [10 BE]

Aufgabenstellung: Aufgabe Vorschlag A - Aufgabe 9 · Abitur Hessen Biologie LK 2022

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

Auswertung der Untersuchungsergebnisse hinsichtlich des Einflusses des SMN-Proteins: Abbildungen 7.1 und 7.2

Lösung: Das Längenwachstum des Axons der untersuchten Motoneuronen (Abb. 7.1) war bei Mäusen mit homozygot intaktem SMN1-Gen deutlich stärker als das bei Mäusen mit ausgeschaltetem SMN1-Gen. Das SMN-Protein wirkt sich also positiv auf das Längenwachstum eines Axons aus. Noch stärker unterscheidet sich das Flächenwachstum des Wachstumskegels (Abb. 7.2), dem Ort, von dem das Längenwachstum und die Entwicklung der motorischen Endplatte ausgehen. Bei Neuronen, die SMN-Protein bilden können, ist das Flächenwachstum mehr als doppelt so groß wie in Neuronen mit ausgeschaltetem SMN1-Gen.

Auswertung der Untersuchungsergebnisse hinsichtlich des Einflusses des SMN-Proteins: Abbildungen 8.1 und 8.2

Lösung: Das Vorkommen von β-Aktin-Protein in unterschiedlichen Bereichen von Motoneuronen unterscheidet sich je nach Anwesenheit oder Abwesenheit des SMN-Proteins (Abb. 8.1). Im Zellkörper wird bei beiden Neuronentypen zunächst β-Aktin-Protein in gleicher Menge nachgewiesen. Entlang des Axons in Richtung des Wachstumskegels nimmt jedoch die Menge an β-Aktin-Protein in Anwesenheit von SMN-Protein deutlich zu, in Abwesenheit dagegen ab, bzw. ist im Wachstumskegel gar nicht mehr nachzuweisen. Analog verhält es sich mit den Mengen des RNP-Transportproteins (Abb. 8.2).

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