Abitur Hessen Biologie 2021 · LK

Aufgaben

Ökologische und stoffwechselphysiologische Aspekte

1 Geben Sie die Gesamtsummengleichung der Zellatmung sowie Ausgangsstoffe, Energieäquivalente und Produkte der Teilabschnitte an.

[10 BE]

Material 1: Der Europäische Meersenf

Der Europäische Meersenf ( Cakile maritima) ist ein häufiger Vertreter der Pflanzengesellschaften des so genannten Spülsaums an sandigen Meeresküsten Europas, Nordafrikas sowie der Türkei. Durch die winterlichen Sturmfluten wird im Bereich des Spülsaums viel organisches Material pflanzlicher und tierischer Herkunft abgelagert. Der Spülsaum wird häufig durch Meerwasser (Salzgehalt Nordsee und Atlantik: 3,5%; Salzgehalt Mittelmeer: 3,8%; Salzgehalt Ostsee 0,3–1,8%) überflutet, ebenso gelangt regelmäßig salzhaltiges Spritzwasser in diesen Bereich.

Sand ist ein sehr bewegliches Substrat und kann Wasser aufgrund der hohen Durchlässigkeit schlecht speichern, heizt sich aber bei Sonneneinstrahlung enorm auf. Der an der Küste oft starke Wind erhöht nicht nur die Transpiration und Gefahr der Austrocknung, sondern stellt auch eine mechanische Belastung dar. Meersenfpflanzen wachsen ca. 30 cm hoch und bilden häufig Polster. Werden die Pflanzen von Sand überdeckt, wachsen sie schneller. Durch ihre tiefen Pfahlwurzeln befestigen sie die Sanddünen.

Cakile maritima ist eine einjährige Pflanze, jedes Jahr wachsen aus den Samen der letzten Generation neue Pflanzen heran. Die Pflanzen werden durch nektarsaugende Schmetterlinge oder pollenfressende Schwebfliegen bestäubt. Der Meersenf ist eine Futterpflanze für Raupen verschiedener Schmetterlingsarten.

Material 2: Keimungsexperimente mit Samenkörnern des Meersenfs

Tunesische Forscher untersuchten die Bedingungen, unter denen Samenkörner des Meersenfs keimen.

Für das Experiment legten sie Samenkörner in verschlossene Petrischalen, die mit feuchtem Filterpapier mit jeweils unterschiedlichem Salzgehalt ausgelegt waren, und ließen die Samenkörner 9 Tage lang bei 20°C und Dunkelheit keimen. Während dieser 9 Tage wurde für einen jeweils gleichbleibenden Salzgehalt in den Petrischalen gesorgt (Abbildung 2.1).

Samenkörner, die nach den 9 Tagen in Salzlösung nicht gekeimt waren, wurden für weitere 9 Tage in destilliertes Wasser gelegt. Am 9. Tag wurde ausgezählt, wie viele der Samenkörner gekeimt waren (Abbildung 2.2).

2 Stellen Sie die Besonderheiten der abiotischen Faktoren des Biotops Spülsaum für die dort vorkommenden Pflanzen dar. Analysieren Sie die Ergebnisse der Experimente aus Material 2 im Zusammenhang mit Material 1, auch in Bezug zu den Bedingungen an möglichen natürlichen Standorten des Meersenfs. (Material 1 und 2) [13 BE]

a)

b)

c)

Material 3: Meersenf als Nutzpflanze

Die Versalzung von landwirtschaftlich genutzten Böden stellt weltweit ein zunehmendes Problem dar. Bei der künstlichen Bewässerung der Felder in heißen und trockenen Regionen verdunstet das Wasser auf den Feldern, die darin gelösten Salze reichern sich in den oberen Bodenschichten an. Als „versalzen“ wird ein Boden ab einer Konzentration an NaCl von ca. 0,25 % bezeichnet. Die meisten Nutzpflanzen, wie z. B. Getreide, können auf versalzenen Böden nur schlecht oder gar nicht wachsen. Etwa 20 % der landwirtschaftlich genutzten Fläche auf der Erde sind von Versalzung betroffen. Deshalb wird erforscht, ob sich salztolerante Pflanzen, wie z. B. der Europäische Meersenf ( Cakile maritima), als Nutzpflanzen eignen.

Die Samen des Meersenfs enthalten ein fettreiches Öl. Ein wesentlicher Anteil der im Öl enthaltenen Fettsäuren ist Erucasäure, die als Grundstoff für verschiedene Produkte der chemischen Industrie begehrt ist.

Tunesische Forscher untersuchten den Ertrag des Meersenfs in Abhängigkeit von der Salzkonzentration. Sie ließen Samenkörner des Meersenfs auf Sand keimen, der mit destilliertem Wasser feucht gehalten wurde. Nach der Keimung wurden die Pflanzen entweder mit Wasser (Kontrolle) oder mit unterschiedlich konzentrierten Salzlösungen (0,29–2,93 % NaCl) gegossen. Ca. 12 Wochen nach der Aussaat waren die Samen der Pflanzen reif und wurden geerntet.

Aufgabe 3: Prüfen Sie die Eignung des Meersenfs als Nutzpflanze auf versalzenen Böden. (Material 3) [10 BE]

Material 4

Stoffwechselvorgänge während der Keimung

Das in den Samenkörnern des Meersenfs und anderer Pflanzen (vgl. Kiefernsame Material 5) enthaltene Fett dient als Reservestoff für die Keimung. Aus dem Fett kann Energie freigesetzt oder es können Glucose und andere Kohlenhydrate hergestellt werden. Das Fett wird zunächst zu Acetyl-CoA abgebaut. Acetyl-CoA fließt dann in den sogenannten Glyoxylatzyklus (siehe Abbildung) ein. In Pflanzen gibt es spezielle Organellen, die Glyoxisomen, die meist nur kurzzeitig, z. B. in der Keimungsphase im Nährgewebe, aktiv sind und dann wieder abgebaut werden. In diesen Organellen läuft der Glyoxylatzyklus ab.

Ausgehend vom Glyoxylatzyklus besteht eine Verbindung zur Gluconeogenese, der unter ATP-Verbrauch stattfindenden Neubildung von Glucose aus organischen Nicht-Kohlenhydratvorstufen. Glucose ist der Ausgangsstoff für die Bildung neuer Pflanzensubstanz im heranwachsenden Keimling. Zucker können vom Nährgewebe in den Keimling transportiert werden, Fette hingegen nicht.

Aufgabe 4

Beschreiben Sie den Glyoxylatzyklus und stellen Sie die Unterschiede zum Citratzyklus dar. (Material 4) [14 BE]

a)

b)

Vorschlag A – Aufgabe 5

Material 4: Stoffwechselvorgänge während der Keimung

Das in den Samenkörnern des Meersenfs und anderer Pflanzen (vgl. Kiefernsame Material 5) enthaltene Fett dient als Reservestoff für die Keimung. Aus dem Fett kann Energie freigesetzt oder es können Glucose und andere Kohlenhydrate hergestellt werden. Das Fett wird zunächst zu Acetyl-CoA abgebaut. Acetyl-CoA fließt dann in den sogenannten Glyoxylatzyklus ein. In Pflanzen gibt es spezielle Organellen, die Glyoxisomen, die meist nur kurzzeitig, z. B. in der Keimungsphase im Nährgewebe, aktiv sind und dann wieder abgebaut werden. In diesen Organellen läuft der Glyoxylatzyklus ab.

Ausgehend vom Glyoxylatzyklus besteht eine Verbindung zur Gluconeogenese, der unter ATP-Verbrauch stattfindenden Neubildung von Glucose aus organischen Nicht-Kohlenhydratvorstufen. Glucose ist der Ausgangsstoff für die Bildung neuer Pflanzensubstanz im heranwachsenden Keimling. Zucker können vom Nährgewebe in den Keimling transportiert werden, Fette hingegen nicht.

Material 5: Regulationsvorgänge während der Keimung

Der Citratzyklus und der Glyoxylatzyklus sind miteinander verbunden. Abhängig davon, welche Produkte benötigt werden, kann im Samenkorn je nach Stoffwechsellage zwischen Citrat- und Glyoxylatzyklus umgeschaltet werden.

Auch die Samen der Gelbkiefer ( Pinus ponderosa) enthalten hauptsächlich Fette und in geringen Mengen auch Kohlenhydrate (Zucker bzw. Stärke) als Reservestoffe. Im Nährgewebe von jeweils 10 Samenkörnern wurden während der Keimung die Massen der Reservestoffe sowie die Menge der Isocitrat-Lyase (IL) gemessen.

Aufgabe 5: Deuten Sie die experimentellen Ergebnisse in Material 5. (Material 4 und 5) [16 BE]

Vorschlag A – Aufgabe 6

Material 6: Regulation der Aktivität der Schlüsselenzyme während der Keimung

Die Regulation der Aktivität der Enzyme Isocitrat-Dehydrogenase (IDH) und Isocitrat-Lyase (IL) ermöglicht eine schnelle Umschaltung zwischen Citrat- und Glyoxylatzyklus. Die Aktivität der Enzyme hängt von ATP ab: ATP-Mangel wirkt sich förderlich auf die IDH aus und hemmt gleichzeitig die IL. Ist ausreichend ATP vorhanden, wird die IDH inaktiviert und die IL stimuliert.

Aufgabe 6: Erklären Sie die Bedeutung der in Material 6 beschriebenen Regulation der Aktivitäten der Enzyme IDH und IL während der Keimung. (Material 4, 5 und 6) [8 BE]

Aufgaben

Genetische Aspekte

7 Beschreiben Sie den Ablauf der Translation.

[9 BE]

Geben Sie für den dargestellten Ausschnitt der mRNA der Isocitrat-Lyase die Sequenz des codogenen und des nicht-codogenen Strangs der entsprechenden DNA und die Aminosäuresequenz des Proteins an. (Material 7) [6 BE]

Material 7 (Ausschnitt)

Abbildung 7.1: Ausschnitt aus der IL-mRNA

5′... UUG GCU UAU GUG... 3′

1.

3′...... 5′

2.

5′...... 3′

3.

Material 7

Regulation der Expression des Isocitrat-Lyase-Gens

Auch die Samen der Sonnenblume ( Helianthus annuus) enthalten Öl als Reservestoff. Forscher konnten zeigen, dass während der Keimung von Sonnenblumensamen nicht nur die Enzymaktivität der Isocitrat-Lyase (IL) reguliert wird, sondern auch eine Regulation der Expression des IL-Gens erfolgt. Dazu bestimmten sie den Anteil der IL-mRNA an der gesamten RNA im Nährgewebe der keimenden Samen.

9

Zeigen Sie anhand des in Abbildung 7.3 dargestellten Versuchsergebnisses, dass bei keimenden Sonnenblumensamen die Expression des IL-Gens reguliert wird. (Material 4 und 7)

[6 BE]

Material 4

Stoffwechselvorgänge während der Keimung

Das in den Samenkörnern des Meersorfs und anderer Pflanzen (vgl. Kiefernsame Material 5) enthaltene Fett dient als Reservestoff für die Keimung. Aus dem Fett kann Energie freigesetzt oder es können Glucose und andere Kohlenhydrate hergestellt werden. Das Fett wird zunächst zu Acetyl-CoA abgebaut. Acetyl-CoA fließt dann in den sogenannten Glyoxylatzyklus (siehe Abbildung) ein. In Pflanzen gibt es spezielle Organellen, die Glyoxisomen, die meist nur kurzzeitig, z. B. in der Keimungsphase im Nährgewebe, aktiv sind und dann wieder abgebaut werden. In diesen Organellen läuft der Glyoxylatzyklus ab.

Ausgehend vom Glyoxylatzyklus besteht eine Verbindung zur Gluconeogenese, der unter ATP-Verbrauch stattfindenden Neubildung von Glucose aus organischen Nicht-Kohlenhydratvorstufen. Glucose ist der Ausgangsstoff für die Bildung neuer Pflanzensubstanz im heranwachsenden Keimling. Zucker können vom Nährgewebe in den Keimling transportiert werden, Fette hingegen nicht.

Material 8

Regulation der Expression des Isocitrat-Lyase-Gens durch Acetat

Der Glyoxylat-Zyklus ermöglicht es Algen, auch Acetat als Kohlenstoffquelle zur Gluconeogenese zu nutzen. Sie können Acetat in die Zellen aufnehmen, wo sie es zunächst in Acetyl-CoA umwandeln. In einem Experiment mit der Grünalge Chlorella fusca ließ man die Algen im Licht wachsen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt gab man zur Algenkultur Acetat hinzu und bestimmte anschließend die Menge der Isocitrat-Lyase (IL).

10

Entwickeln Sie eine Modellvorstellung zur Regulation der Expression des IL-Gens, die zur Erklärung des in Material 8 dargestellten Versuchsergebnisses geeignet ist. (Material 4 und 8) [8 BE]

Fragiles-X-Syndrom

(Genetik und Gentechnik, Neurobiologie und Verhaltensbiologie)

Das Fragile-X-Syndrom, welches eine der häufigsten Ursachen für eine genetisch bedingte Intelligenzminderung ist, wurde 1943 erstmalig von den Ärzten J.P. Martin und J. Bell beschrieben. Als Hauptsymptom gilt eine kognitive Beeinträchtigung, die sehr variabel ist und von einer minimalen Ausprägung bis hin zu einem niedrigen Intelligenzquotienten (IQ) mit ausgeprägter Entwicklungsverzögerung reicht.

1.

Beschreiben Sie die wesentlichen Vorgänge der Transkription und der Reifung der mRNA bei Eukaryoten.

Fragiles-X-Syndrom

(Genetik und Gentechnik, Neurobiologie und Verhaltensbiologie)

Das Fragile-X-Syndrom, welches eine der häufigsten Ursachen für eine genetisch bedingte Intelligenzminderung ist, wurde 1943 erstmalig von den Ärzten J.P. Martin und J. Bell beschrieben. Als Hauptsymptom gilt eine kognitive Beeinträchtigung, die sehr variabel ist und von einer minimalen Ausprägung bis hin zu einem niedrigen Intelligenzquotienten (IQ) mit ausgeprägter Entwicklungsverzögerung reicht.

1.

Beschreiben Sie den Einfluss der DNA-Methylierung auf die Proteinbiosynthese.

Material 1: Chromosomen bei Fragilem-X-Syndrom (Fall 1)

Chromosomenuntersuchungen zeigen bei Patienten mit Fragilem-X-Syndrom ein X-Chromosom, das am Ende des längeren Arms eine fragil (brüchig) erscheinende Region aufweist. Die betroffene Region beinhaltet das Gen FMR1, das für das FMR1-Protein (FMRP) codiert. Die Funktionsfähigkeit dieses Proteins spielt eine wichtige Rolle bei der Ausprägung des Fragilen-X-Syndroms.

Material 2: Vererbung des Fragilen-X-Syndroms (Fall 1)

Der Erbgang des Fragilen-X-Syndroms zeigt einige Besonderheiten, da es sowohl gesunde männliche als auch gesunde weibliche Überträger/-innen gibt (siehe Abbildung 2.1).

In nahezu allen Fällen wird die Krankheit durch eine Vervielfältigung von CGG-Repeats (CGG-Wiederholungen) im FMR1 -Gen hervorgerufen. Auf dem X-Chromosom nicht betroffener Personen befindet sich ein Abschnitt im FMR1 -Gen, in dem sich das Basentriplett CGG 5- bis 58-mal wiederholt, in den meisten Fällen 29- oder 30-mal. Die Überträger/-innen besitzen entweder ein verändertes, prämutiertes Gen (59–200 CGG-Repeats) oder eine Vollmutation (über 200 CGG-Repeats). Die Vollmutation führt zum Ausbruch der Erkrankung, d.h. zur Ausprägung des Merkmals. In fast allen vollmutierten Allelen sind sämtliche Cytosine des CGG-Repeat-Bereichs sowie angrenzende DNA-Abschnitte bis in den Promotorbereich methyliert.

Aufgabenstellung 2 (13 BE)

1. Genotypenbestimmung: Bestimmen Sie alle möglichen Genotypen der Familienmitglieder 1, 2, 5, 6, 11, 17 und 18 im Stammbaum in Material 2 unter Verwendung der in Abbildung 2.1 angegebenen Allelsymbole ($X_S$, $X_{S^*}$, $X_L$).

Person

Genotyp

Person 1 (weiblich, Prämutationsträgerin, 70 Repeats)

Person 2 (männlich, gesund)

Person 5 (männlich, Prämutationsträger, 75 Repeats)

Person 6 (weiblich, gesund)

Person 11 (weiblich, Prämutationsträgerin, 90 Repeats)

Person 17 (weiblich, Merkmalsträgerin, 310-410 Repeats)

Person 18 (männlich, Merkmalsträger, 320-450 Repeats)

2. Analyse des Gendefekts: Analysieren Sie anhand des Stammbaums die Entwicklung des Gendefekts über mehrere Generationen hinweg unter Einbezug von Abbildung 2.2.

3. Hypothese zur Ursache: Entwickeln Sie eine Hypothese zur Ursache der Verlängerung der Repeats.

Aufgabe 3

Beschreiben Sie das Prinzip der Gelelektrophorese. Ordnen Sie die Bandenmuster des molekulargenetischen Nachweises in Abbildung 2.3 exemplarisch jeweils einer Person des Stammbaums (Abbildung 2.1) begründet zu. (Material 2)

a)

b)

Material 3 – Abbildung 3.1 & 3.2

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 3.2: Die Code-Sonne der mRNA

Aufgabe 4: Geben Sie die Aminosäuresequenzen des FMR1-Protein-Ausschnitts einer gesunden Person und des Patienten mit Fragilem-X-Syndrom an. (Material 3) [4 BE]

a)

b)

Aufgabe 5

[11 BE]

Erläutern Sie für beide Formen des Fragilen-X-Syndroms die Auswirkungen der jeweiligen Mutation auf Bildung und Struktur des FMR1-Proteins (FMRP) und leiten Sie daraus einen konkreten Zusammenhang zu der Entstehung des Krankheitsbilds her. (Material 1, 2 und 3)

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.

a)

b)

Neurophysiologische Ursachen des Fragilen-X-Syndroms

6.

Beschreiben Sie zum einen die Erregungsübertragung an einer erregenden, Acetylcholin führenden Synapse und zum anderen die Vorgänge an der postsynaptischen Membran, die zur Entstehung eines IPSP führen.

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.

a)

b)

c)

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.

8

Leiten Sie eine mögliche Wirkungsweise für ein im synaptischen Spalt wirkendes Medikament her, welches die Symptome der Betroffenen mildern könnte. (Material 4) (4 BE)

Material 6

Neuronale Plastizität – strukturelle Plastizität

Auf struktureller Ebene bewirkt Langzeitpotenzierung den Umbau und Aufbau neuer Synapsen. Dabei können sich bereits vorhandene Synapsen aktivitätsabhängig teilen, um eine neue Synapse zu bilden, oder die Bildung ganz neuer synaptischer Kontakte anregen. Umgekehrt führt der gegensteuernde Mechanismus, die Langzeitdepression, dazu, dass nicht oder weniger genutzte Synapsen abgebaut werden und so die Übertragungseffizienz vermindert wird. Ganze Dendriten- oder Axonäste können auf diese Weise neu ausgestreckt oder zurückgezogen werden.

Material 7

Neuronale Morphologie

Bei Personen mit Fragilem-X-Syndrom besitzen die Dendriten der Nervenzellen – speziell deren faden- oder pilzartigen Fortsätze, die Dornen – eine charakteristische Struktur.

Die Struktur der Dornen besitzt eine große Variabilität. Nur an reifen Dornen werden synaptische Kontakte ausgebildet, dies gilt unter anderem auch für die Glutamat führenden Synapsen.

Um die Auswirkungen eines Mangels an FMRP auf die dendritische Struktur zu untersuchen, führten Forscher eine Reihe von Studien durch, bei denen Gehirnzellen sowohl von verstorbenen Patienten mit Fragilem X-Syndrom als auch von FMR1-Knockout-Mäusen verwendet wurden. Bei beiden Untersuchungen wurde jeweils auch eine Kontrollgruppe betrachtet.

9 Fassen Sie die Untersuchungsergebnisse der Studien zur neuronalen Morphologie (Abbildung 7.3 und 7.4) zusammen und analysieren Sie das Untersuchungsergebnis in Abbildung 7.5. Deuten Sie die Ergebnisse hinsichtlich der Gedächtnisleistung. (Material 6 und 7) [17 BE]

Material 1: Bau der Netzhaut

1 Benennen Sie die durch Nummern in Abbildung 1.1 gekennzeichneten Bestandteile der Netzhaut. Fassen Sie die wesentlichen Merkmale der Verteilung der Fotorezeptoren auf der Netzhaut zusammen. (Material 1) [8 BE]

Nr. · Bezeichnung des Bestandteils

1

2

3

4

5

6

7

8

Die Netzhaut des Menschen enthält ca. 6 Millionen Zapfen und 120 Millionen sehr lichtempfindliche Stäbchen. Die zentrale Sehgrube bzw. der sogenannte gelbe Fleck ist der Bereich der Netzhaut, durch den beim Fixieren eines Gegenstandes die Sehachse verläuft. Dies entspricht einem Sehwinkel von 0°. Temporal wird als Bezeichnung für „an der Schläfe gelegen“ verwendet, nasal bedeutet in Richtung der Nase gelegen. Im Regelfall ist eine scharfe Abbildung nur in dem Bereich der zentralen Sehgrube gewährleistet. Hier erfolgt die Verschaltung der Sehzellen mit den Nervenzellen im Gegensatz zu allen anderen Bereichen der Netzhaut 1:1.

Material 2 – Vom Lichtreiz zum Rezeptorpotenzial

2 Beschreiben und erläutern Sie den Vorgang der Signaltransduktion in einem Stäbchen der Netzhaut von der Absorption des Lichtes bis einschließlich der Erregung der Bipolarzellen. (Material 2)

[12 BE]

Aufgabe 3

Beschreiben und erläutern Sie Struktur und Funktion des CNG-Kanals der Zapfen bei normalsichtigen Menschen unter Einbeziehung der Abbildung in Material 5. (Material 2, 3, 4 und 5) [7 BE]

Material 5: Molekulare Ursachen für Achromatopsie

Die Forscher untersuchten die ligandengesteuerten Ionenkanäle des Außensegments der Zapfen bei farbenblinden und bei normalsichtigen Mäusen. Bei diesen zu der Gruppe der CNG-Kanäle (cyclic nucleotid gated channels) gehörenden Ionenkanälen handelt es sich um Kationenkanäle, die ebenfalls für Natriumionen permeabel sind. Sie unterscheiden sich in ihrem Aufbau von den Ionenkanälen der Stäbchen. Untersuchungen ergaben, dass ihre $\alpha$- und $\beta$-Untereinheiten gemeinsam die Struktur des CNG-Ionenkanals bilden.

Aufgabe 4

Erklären Sie am Beispiel des CNG-Kanals den Zusammenhang zwischen der Mutation und der Signalverarbeitung einschließlich der Farbwahrnehmung und der Wahrnehmung von Grautönen bei der in Material 4 beschriebenen Form der Achromatopsie unter Einbeziehung der Abbildung 4.2. (Material 2, 3, 4 und 5) [13 BE]

Material 4 & 5: Membranpotenziale und molekulare Ursache

In Material 5 wird beschrieben: Bei dieser Mutation handelt es sich um einen Aminosäureaustausch in den Polypeptidketten der $\alpha$-Untereinheiten des CNG-Proteins. Die CNG-Kanäle sind hier im Vergleich zu den normalsichtigen Personen empfindlicher für die Bindung von cGMP.

Aufgabe 5

Erklären Sie die bei Achromatopsie zusätzlich auftretenden Symptome der verminderten Sehschärfe und des Nystagmus. (Material 1 und 4)

a)

b)

6 Analysieren Sie den Stammbaum zur Achromatopsie auf mögliche Vererbungsmodi. Ordnen Sie die möglichen Genotypen der Personen 4, 5 und 24 zu und geben Sie die Erläuterungen der von Ihnen verwendeten Symbole an. (Material 6) [8 BE]

a)

b)

c)

Genetische Grundlagen und Gentherapie der Achromatopsie

7

Beschreiben Sie ein Prinzip der Vermehrung eines DNA-Virus. [6 BE]

Material 7

Adeno-assoziierte Viren (AAV) und Helferviren zur gentherapeutischen Behandlung der Achromatopsie

Adeno-assoziierte Viren (AAV) werden in der Gentherapie als Vektoren genutzt, um therapeutische Gene in menschliche Zellen zu schleusen. Diese sind so gut geeignet, weil durch dieses Vektorsystem keine Krankheiten ausgelöst werden können. Sie gehören zu den kleinsten bisher bekannten Viren und sind von einem Helfervirus, das dieselbe Zelle befällt, abhängig. Das Helfervirus liefert Proteine, die vom AAV für die Replikation in der Zelle benötigt werden. Bei einer Infektion gelangt in der Regel nur die DNA der AAV in den Zellkern der befallenen Zelle, kann sich dort aber nur mit Hilfe dieses Helfervirus (wie z.B. Adenoviren) sowie Polymerasen dieser befallenen Zellen replizieren. Andernfalls ruht das übertragene AAV-Genom im Zellkern der Wirtszelle, wird jedoch nicht ins Genom der Wirtszelle integriert.

Helferviren gehören zu den DNA-Viren. Die meisten Infektionen verlaufen mild und erfordern keine Therapie oder eine symptomatische Behandlung. Die für die AAV-Replikation erforderlichen Gene dieser Helferviren sind E1A, E1B, E2A, E4 und VA. Die von diesen Viren codierten Proteine entfalten ihre Wirkung auf die AAV-Replikation, indem sie die virale Genexpression regulieren und indem sie die Wirtszelle dazu bringen, in die S-Phase überzugehen.

Material 8

AAV–Genomaufbau

Das AAV-Genom enthält zwei Gene, das Replikations (Rep)-Gen und das Capsid (Cap)-Gen. Das Rep-Gen codiert (u.a. durch alternatives Spleißen) mehrere Proteine, die die Replikation regulieren. Das Cap-Gen codiert Strukturproteine, welche die Hülle des Virus bilden. Diese Hülle ist für die spezifische Bindung an die Oberfläche der Zapfen von zentraler Bedeutung. Es gibt verschiedene Typen von AAV-Viren, die sich u.a. im molekularen Bau der Hülle unterscheiden und entsprechend auf verschiedene Zielzellen spezialisiert sind. Der codierende Bereich wird von zwei nicht-codierenden Sequenzen begrenzt, sogenannten inverted terminal repeats (ITRs). Die ITRs spielen eine entscheidende Rolle bei der Verpackung der AAV-Genome sowie der Replikation.

Material 9

Produktion des viralen Vektors rAAV für eine Genersatztherapie

Bei einer Genersatztherapie wird ein Krankheitszustand dadurch behandelt, dass man einen durch defekte Gene hervorgerufenen Mangel durch das Hinzufügen funktionsfähiger Gene beseitigt. Für die Gentherapie werden rekombinante AAV (rAAV-Vektoren) verwendet, die nicht ins Genom integrieren. Ein anschauliches Beispiel für den Aufbau eines rAAV-Vektorenkonstrukts, welches in der CNGA3-Gentherapie bereits klinisch erfolgreich erprobt worden ist, ist in der Abbildung dargestellt. Dazu werden neukombinierte Vektorsequenzen, sogenannte Expressionskassetten, verwendet, die eine Expression des CNGA3-Gens unter Kontrolle eines Opsin-Promotors (O.p.) ermöglichen. Diese Expressionskassette kann ausschließlich in Zapfen exprimiert werden.

Um AAV gentherapeutisch nutzbar zu machen, müssen große Mengen an rekombinanten Vektoren produziert werden. Für die Produktion von rAAV-Vektoren werden HEK-Zellen verwendet. HEK-Zellen sind embryonale Nierenzellen, die DNA-Teile des menschlichen Adenovirus enthalten. In das Chromosom 19 dieser Zellen werden Gene der Helferviren E1A und E1B gentechnisch eingefügt und diese exprimieren kontinuierlich die entsprechenden Proteine.

Bei der Optimierung der Expressionsstärke von Kanalproteinen ist zu beachten, dass prinzipiell zwei Faktoren miteinander konkurrieren: Eine stabile und effiziente Expression des hinzugefügten Gens ist einerseits eine notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche Therapie, andererseits führt eine zu hohe Anzahl von Kationenkanälen auch zum Zelltod. Nur bei einer bestimmten Menge an CNG-Kanälen ist die Fotorezeptorzelle funktionsfähig. Daher ist bei gentherapeutischen Ansätzen die Menge an Plasmiden entscheidend.

8

Beschreiben und erläutern Sie das Verfahren einer Genersatztherapie von der Herstellung des viralen Vektors bis zur Anwendung am Patienten mit Achromatopsie vom CNGA3-Typ. (Material 7, 8 und 9) [25 BE]

Material 5

Molekulare Ursachen für Achromatopsie

Auf der Suche nach der Ursache der Achromatopsie arbeiteten Wissenschaftler mit Mäusen als Modellorganismen. Sie identifizierten dabei mehrere Mutationen im Bereich von Genen, die Proteine der Signalkaskade bei Zapfen codieren und eine Rolle bei der Farbwahrnehmung spielen. Eine Form von Achromatopsie verursachender Mutationen betrifft das Gen CNGA3. Bei dieser Mutation handelt es sich um einen Aminosäureaustausch in den Polypeptidketten der α-Untereinheiten des CNG-Proteins. Die CNG-Kanäle sind hier im Vergleich zu den normalsichtigen Personen empfindlicher für die Bindung von cGMP.

Die Forscher untersuchten in diesem Zusammenhang auch die ligandengesteuerten Ionenkanäle des Außensegments der Zapfen bei farbenblinden und bei normalsichtigen Mäusen. Bei diesen zu der Gruppe der CNG-Kanäle (cyclic nucleotid gated channels) gehörenden Ionenkanälen handelt es sich um Kationenkanäle, die ebenfalls für Natriumionen permeabel sind. Sie unterscheiden sich in ihrem Aufbau von den Ionenkanälen der Stäbchen. Untersuchungen ergaben, dass ihre α- und β-Untereinheiten gemeinsam die Struktur des CNG-Ionenkanals bilden.

Material 9 (Auszug)

Bei der Optimierung der Expressionsstärke von Kanalproteinen ist zu beachten, dass prinzipiell zwei Faktoren miteinander konkurrieren: Eine stabile und effiziente Expression des hinzugefügten Gens ist einerseits eine notwendige Voraussetzung für eine erfolgreiche Therapie, andererseits führt eine zu hohe Anzahl von Kationenkanälen auch zum Zelltod. Nur bei einer bestimmten Menge an CNG-Kanälen ist die Fotorezeptorzelle funktionsfähig.

Aufgabe 9: Entwickeln Sie auf Grundlage von Material 5 eine Hypothese, die erklärt, dass bei einer Genersatztherapie zur Behandlung der Achromatopsie keine Gefahr des Zelltods besteht. (Material 5 und 9) [8 BE]

Material 10

Anwendung am Patienten

Gifte, hydrophile Stoffe, Mikroorganismen und gentherapeutische Vektoren können nicht aus den Blutgefäßen der Netzhaut in das umliegende Gewebe diffundieren, da die Wände der Blutgefäße eine Diffusionsbarriere bilden. Um ihre Zielzellen z.B. in der Netzhaut erreichen zu können, müssen rAAV-Vektoren daher direkt unter die Netzhaut injiziert werden. Unter Narkose werden den Patienten mit einer ultrafeinen Kapillare rAAV unter die Netzhaut injiziert. Diese Injektion führt zu einer kurzzeitigen Ablösung der Netzhaut (siehe auch Abbildung). Im Normalfall reicht eine einmalige Injektion für eine lebenslange Expression des intakten Gens.

In einer Versuchsreihe an Patienten mit Achromatopsie konnte man nach 8 Wochen Erfolge nachweisen. Diese Patienten waren in der Lage, Farben zu sehen. Standardisierte Augen-Untersuchungen verschiedenster Art werden an diesen Patienten regelmäßig zur Diagnostik eingesetzt und sind in der Regel für den Patienten ohne gesundheitliche Beeinträchtigungen. Dieses Verfahren wird zunächst an einem Auge durchgeführt, erst nach einer erfolgreichen ersten Therapie wird diese auch für das zweite Auge in Erwägung gezogen.

10

Begründen Sie die Aussage: Das Auge ist ein besonders geeignetes Organ für die Erforschung und Kontrolle von Genersatztherapien. (Material 10) [7 BE]