Abitur Hessen Biologie 2022 · LK

Spinale Muskelatrophie (SMA)

(Genetik und Gentechnik, Neurobiologie und Verhaltensbiologie)

Die spinale Muskelatrophie (SMA) ist eine vererbbare Krankheit, die zu einem fortschreitenden Abbau der Skelettmuskulatur führt. Die Ursache dieses Muskelabbaus liegt im Absterben der motorischen Nervenzellen, deren Zellkörper sich im Rückenmark („spinal“) befinden.

Je nach SMA-Typ kann die Krankheit mild verlaufen oder aber auch tödlich enden. Bis vor Kurzem erfolgte eine Behandlung überwiegend über Physiotherapie, jetzt gibt es neue Ansätze auf Basis der Gentherapie.

Aufgaben

Genetische Ursachen und Behandlung der Spinalen Muskelatrophie

1

Beschreiben Sie den chemischen und räumlichen Aufbau der DNA.

(8 BE)

Material 1: Genetische Ursachen der Spinalen Muskelatrophie (SMA)

Patientinnen und Patienten, die an SMA leiden, erleben nach und nach den Verlust der Funktion ihrer Skelettmuskulatur. Der Zeitpunkt, ab dem die Krankheit SMA ausbricht, ist unterschiedlich, zumeist beginnt die Krankheit aber schon im Baby- oder Kleinkindalter. Je nach vorher erlernten Bewegungsmustern verlieren die Betroffenen die Fähigkeit zu gehen oder zu sprechen und bei schwerem Verlauf auch zu atmen.

Alle Betroffenen können keine ausreichende Menge eines bestimmten Proteins, des SMN-Proteins, bilden. SMN steht für „survival motor neuron“ und gibt damit sehr gut die Bedeutung des Proteins wieder: Ohne dieses Protein sterben motorische Nervenzellen im Rückenmark, die $\alpha$-Motoneurone, ab.

Die häufigste Ursache einer SMA ist die Deletion von Exon 7 im SMN1 -Gen. Das SMN1 -Gen, welches das aus 294 Aminosäuren bestehende SMN-Protein codiert, liegt auf Chromosom 5. Es enthält insgesamt neun Exons (1, 2a, 2b, 3, 4, 5, 6, 7, 8). Exon 7 umfasst 54 Nukleotide.

2.1

Beschreiben Sie die wesentlichen Vorgänge der Transkription und der Reifung der mRNA bei Eukaryoten. [8 BE]

2.2

Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen der bei SMA-Patienten vorliegenden Mutation und dem Auftreten von SMA (Material 1). [5 BE]

Aufgabe 3

Analysieren Sie die molekulargenetischen Ursachen für die Bildung des instabilen SMN-Proteins aus dem SMN2 -Gen. (Material 2 und Code-Sonne der mRNA) [7 BE]

Material 2: Das SMN2 -Gen als fast identische Genkopie

Neben dem SMN1 -Gen besitzen alle Menschen eine zweite Variante des SMN -Gens auf Chromosom 5, nämlich das SMN2 -Gen. Durch Duplikation kann das SMN2 -Gen in unterschiedlicher Anzahl (eins bis sechs) vorkommen. Bei Personen, die eine Deletion von Exon 7 im SMN1 -Gen besitzen, ist die Existenz des SMN2 -Gens von besonderer Bedeutung.

Beide Varianten, das SMN1 -Gen und das SMN2 -Gen, stimmen zu über 99% überein. Das vom SMN2 -Gen codierte Protein ist jedoch überwiegend instabil und wird rasch abgebaut.

Die Ursache dafür liegt in einer Mutation in Exon 7 des SMN2 -Gens. Exon 7 umfasst die Nukleotidpositionen 868 bis 921. Die Nukleotid-Sequenzen von Exons enthalten neben den Protein-codierenden Informationen gerade zu Beginn der Exonbereiche auch entscheidende Informationen für die Regulation des Spleißvorgangs im Zellkern.

Code-Sonne der mRNA

3.1

Bestimmen Sie anhand von Abbildung 2.1 und der Code-Sonne die Art der Mutation im SMN2 -Gen sowie deren Auswirkung auf die Aminosäuresequenz des Primärprodukts.

3.2

Erläutern Sie, wie diese Mutation trotz gleichbleibender Aminosäure zur Bildung des instabilen SMN-Proteins führt (Auswirkung auf die mRNA-Reifung bzw. das Spleißen).

Spinale Muskelatrophie (SMA)

Vorschlag A – Aufgabe 4 [7 BE]

Materialien zur Aufgabe

Material 1: Genetische Ursachen der Spinalen Muskelatrophie (SMA)

Alle Betroffenen können keine ausreichende Menge eines bestimmten Proteins, des SMN-Proteins, bilden. Ohne dieses Protein sterben motorische Nervenzellen im Rückenmark, die α-Motoneurone, ab. Die häufigste Ursache einer SMA ist die Deletion von Exon 7 im SMN1 -Gen.

Material 2: Das SMN2 -Gen als fast identische Genkopie

Neben dem SMN1 -Gen besitzen alle Menschen eine zweite Variante des SMN -Gens auf Chromosom 5, nämlich das SMN2 -Gen. Durch Duplikation kann das SMN2 -Gen in unterschiedlicher Anzahl (eins bis sechs) vorkommen.

Material 3: Typen der SMA

Bei der molekulargenetischen Untersuchung von zahlreichen an SMA erkrankten Personen wurde ein Zusammenhang zwischen der Anzahl der SMN2 -Genkopien und dem Schweregrad der Erkrankung festgestellt.

Typ · Beginn [Monate] · motorische Entwicklungsschritte · Tod [Jahre]

I · < 6 · niemals freies Sitzen · < 2

II · < 18 · niemals freies Gehen · > 2

III · > 18 · freies Stehen und Gehen · Erwachsenenalter

Aufgabenstellung:

Entwickeln Sie eine Hypothese, die einen Zusammenhang zwischen der Anzahl der SMN2 -Genkopien und dem Auftreten der verschiedenen SMA-Typen herstellt. (Material 1, 2 und 3)

Material 4: Molekulargenetischer Nachweis der SMA

Mittlerweile ist es möglich, die Krankheit durch einen Gentest eindeutig zu diagnostizieren. Dazu reichen schon wenige Blutstropfen des Neugeborenen. Die daraus gewonnene DNA wird mittels PCR-Methode vervielfältigt und anschließend durch Gelelektrophorese analysiert. Die PCR führt zu Genabschnitten, die das Exon 7 einschließen und dann eine Größe von 200 Basenpaaren aufweisen. Bei Personen, die eine Deletion von Exon 7 im SMN1 -Gen aufweisen, wird dieser Genabschnitt nicht vervielfältigt.

Eine Schwierigkeit im Fall der SMA-Diagnose liegt darin, dass das SMN2 -Gen exakt die gleiche Länge wie das intakte SMN1 -Gen besitzt. Durch die Mutation im SMN2 -Gen ergibt sich jedoch eine weitere Schnittstelle für ein Restriktionsenzym.

Bei der molekulargenetischen Untersuchung auf SMA bei vier verschiedenen Personen, die nicht aus einer Familie stammen, konnte durch ein spezielles Verfahren, bei dem auch das oben genannte Restriktionsenzym verwendet wurde, die jeweilige Menge der untersuchten DNA-Fragmente ermittelt werden. Nur Person 3 zeigt phänotypisch die Symptome der SMA.

5.1

Beschreiben Sie das Prinzip der Gelelektrophorese.

5.2

Analysieren Sie das Ergebnis der molekulargenetischen Untersuchung von vier Personen im Zusammenhang mit dem Auftreten von SMA (Material 1, 2 und 4).

5.3

Leiten Sie aus den Ergebnissen den Vererbungsmodus der SMA her.

Aufgabe 6

[12 BE]

Erklären Sie anhand von Material 5 die Wirkungsweise der beiden gentherapeutischen Behandlungsmethoden von SMA. (Material 1, 2 und 5)

Material 5: Gentherapien bei SMA

Um ein Fortschreiten der potenziell tödlichen Krankheit aufzuhalten bzw. eine Verbesserung bereits bestehender Symptome zu erzielen, sind in den letzten Jahren Medikamente entwickelt worden, die auf gentherapeutischer Basis wirken. Zwei sowohl in den USA als auch in Europa zugelassene Gentherapeutika basieren auf unterschiedlichen Konzepten. Derzeit gibt es intensive Forschungen dazu, das Grundkonzept beider Methoden auch auf andere genetisch bedingte Erkrankungen zu übertragen.

A Gen-Therapie mit Antisense-Oligonukleotiden (ASO)

ASO sind künstlich hergestellte, kurze, einzelsträngige DNA- oder RNA-Abschnitte. Der Wirkstoff Nusinersen ist ein ASO mit einer Länge von 18 RNA-Nukleotiden, der an einen Proteinanteil gekoppelt ist.

Mehrere Studien beweisen die Wirksamkeit des ASO Nusinersen sowohl bei Kleinkindern als auch bei Erwachsenen. 40% der Patienten zeigten nach 14-monatiger Behandlung klinisch bedeutsame Verbesserungen ihrer Motorik. Schwerwiegende Nebenwirkungen wurden nicht beobachtet.

Die Verabreichung des Wirkstoffs erfolgt durch Injektion direkt in den Rückenmarkskanal zu den Zellkörpern der $\alpha$-Motoneurone. Die Behandlung muss lebenslang alle vier Monate wiederholt werden und verursacht Kosten von ca. 300 000 € jährlich.

B Gen-Therapie mit Zolgensma®

Seit 1. Juli 2020 ist der Wirkstoff Onasemnogen-Abeparvovec (Zolgensma®) in Deutschland für die Behandlung von Babys und Kleinkindern erhältlich. Es konnte gezeigt werden, dass Zolgensma® die Notwendigkeit einer künstlichen Beatmung bei Babys mit SMA verringert. 20 der 22 Babys, denen Zolgensma® in einer Studie verabreicht wurde, waren nach 14 Monaten ohne permanentes Beatmungsgerät noch am Leben. Ohne Behandlung überlebt normalerweise nur ein Viertel der Patientinnen und Patienten ohne Beatmungsgerät. Das Gentherapeutikum zeigte weiterhin eine schnelle Verbesserung der motorischen Funktionen sowie die Möglichkeit, ohne Unterstützung sitzen (bei 50% der Patienten), krabbeln oder gehen zu können. Derartige motorische Fähigkeiten wurden bislang bei unbehandelten SMA-Typ-I-Patienten (schwerster Krankheitsverlauf) nie erreicht.

Der Wirkstoff besteht im Wesentlichen aus einem intakten SMN1 -Gen und verwendet ein nicht vermehrungsfähiges Adeno-assoziiertes Virus (AAV) als Vektor. Der Wirkstoff kann intravenös verabreicht werden. Eine einmalige Behandlung reicht für eine lebenslange Wirkung.

Zolgensma® gilt als teuerstes Medikament der Welt, mit etwa zwei Millionen Euro für eine einmalige Dosis. Der Hersteller des Medikaments begründet den Preis des Medikaments mit den enormen Entwicklungskosten.

Hinweis: Die cDNA (circuläre DNA) verbleibt dauerhaft im Zellkern und wird nicht in die DNA der Zielzelle integriert.

A

B

Aufgabe 7

Diskutieren Sie den Einsatz beider Gentherapeutika, auch unter Berücksichtigung von Material 6. (Material 1, 3, 5 und 6) [8 BE]

Material 6: Zugang aller Menschen zu unverzichtbaren Medikamenten

„Gesundes Leben für alle“ ist eines der Ziele für nachhaltige Entwicklung, die die Vereinten Nationen 2016 formuliert haben. Dieses schließt ein, den Zugang aller Menschen zu unentbehrlichen Arzneimitteln sicherzustellen.

Unentbehrliche Arzneimittel sind nach der Definition der Weltgesundheitsorganisation (WHO) solche Arzneimittel, die benötigt werden, um die dringlichsten Bedürfnisse der Bevölkerung zur medizinischen Versorgung zu befriedigen. Sie sollen in einem Gesundheitssystem in adäquater Menge, richtiger Dosierungsform, guter Qualität und zu einem für den Patienten erschwinglichen Preis verfügbar sein. Dazu gehören neben Schmerzmitteln auch Wirkstoffe gegen die häufigsten Infektionskrankheiten, z. B. Antibiotika. Weiterhin sterben jährlich schätzungsweise 1,5 Millionen Kinder unter fünf Jahren weltweit an Krankheiten wie Masern, Diphtherie, Keuchhusten, Kinderlähmung und an weiteren der häufigsten Infektionskrankheiten, vor denen sie durch verfügbare Impfungen geschützt gewesen wären. Eine Dosis eines Kombinations-Impfstoffes, der vor fünf Infektionskrankheiten schützt, kostet beispielsweise weniger als 70 Cent. Dennoch hat gemäß einer Veröffentlichung der Weltbank ein Drittel der Weltbevölkerung keinen effektiven Zugang zu unentbehrlichen Arzneimitteln.

8 Skizzieren Sie den Aufbau eines Wirbeltierneurons und nennen Sie die Funktion von sechs Strukturen dieser Zelle. [9 BE]

a)

b)

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]

Material 1 (Auszug)

Patientinnen und Patienten, die an SMA leiden, erleben nach und nach den Verlust der Funktion ihrer Skelettmuskulatur... Alle Betroffenen können keine ausreichende Menge eines bestimmten Proteins, des SMN-Proteins, bilden. SMN steht für „survival motor neuron“ und gibt damit sehr gut die Bedeutung des Proteins wieder: Ohne dieses Protein sterben motorische Nervenzellen im Rückenmark, die α-Motoneurone, ab.

Material 7 (Auszug)

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.

10 Erklären Sie die Bedeutung des SMN-Proteins für die normale Muskelfunktion auf molekularbiologischer Ebene. (Material 1, 7 und 8)

[10 BE]

Genetik pflanzlicher Neurotoxine

Fassen Sie die wesentlichen Schritte des Wegs vom Gen zum Protein bei Eukarioten in Stichworten zusammen. Geben Sie für die Aminosäuren 8 bis 10 von ExTxA eine mögliche Basensequenz der mRNA und des codogenen Strangs der DNA an, jeweils mit Angabe der Richtung. (Material 1 und Code-Sonne der mRNA) [11 BE]

Material 1 (Auszug)

Forscher haben 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 ·...

Code-Sonne der mRNA

1.

2.

3.

Wirkungsweise pflanzlicher Neurotoxine

2

Zeichnen Sie ein beschriftetes Diagramm, das den Verlauf eines Aktionspotenzials zeigt, und beschreiben Sie die zugrunde liegenden Vorgänge an der Axonmembran. Erläutern Sie die in der Abbildung in Material 2 dargestellten Zustände eines spannungsabhängigen Natrium-Ionenkanals im Zusammenhang mit den Vorgängen während des Ruhe- bzw. Aktionspotenzials. (Material 2) [21 BE]

Material 2: Struktur und Funktion spannungsabhängiger Natrium-Ionenkanäle

Die spannungsabhängigen Natrium-Ionenkanäle aller 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.

Material 1 (Auszug)

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. Die Brennhaare können mehrere Monate in der Haut verbleiben. Deshalb kehrt der Schmerz zurück, sobald man auf die Haut drückt.

Die Brennhaare von Dendrocnide excelsa enthalten zahlreiche Substanzen, die in europäischen und asiatischen Brennnesseln ebenfalls vorkommen. Die extremen Schmerzen lassen sich aber dadurch nicht erklären. Forscher haben nun in den Brennhaaren ein kurzes Protein, genannt ExTxA, mit einer Länge von 36 Aminosäuren entdeckt, das bisher nicht bekannt war.

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. Stiche, oder chemische Reize auf. Die entstehenden Erregungen werden zunächst zum Zellkörper des sensorischen Neurons weitergeleitet, der sich in der Nähe des Rückenmarks befindet. 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 in verschiedenen Konzentrationen wurden Mäusen in eine Hinterpfote injiziert. Die verwendeten Substanzmengen waren geringer als der Gehalt der jeweiligen Stoffe 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).

3 Werten Sie die in Material 3 dargestellten Versuchsergebnisse im Zusammenhang miteinander aus. (Material 1 und 3) [7 BE]

Aufgabe 4

Deuten Sie die Versuchsergebnisse zum Natrium-Ioneneinstrom in Material 4 und entwickeln Sie eine Hypothese zur molekularen Wirkung von ExTxA im Zusammenhang mit Material 2. (Material 2 und 4) [14 BE]

Material 2: Struktur und Funktion spannungsabhängiger Natrium-Ionenkanäle

Die spannungsabhängigen Natrium-Ionenkanäle aller 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.

Material 4: Wirkung von ExTxA auf spannungsabhängige Natrium-Ionenkanäle

Für die Schmerzleitung verantwortliche sensorische Neuronen von Mäusen wurden isoliert und in einer Nährlösung kultiviert. Mithilfe einer speziellen Untersuchungstechnik wurde an diesen Zellen die Reaktion der Natrium-Ionenkanäle auf eine Potenzialänderung gemessen. Ausgehend von $-80\text{ mV}$ wurde das Membranpotenzial ab dem Zeitpunkt $0$ für den gesamten Messzeitraum auf $-10\text{ mV}$ 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 $50\text{ nmol/l}$ enthielt, sowie bei einem Neuron in einer Lösung ohne ExTxA (Kontrolle).

a)

b)

Material 5

Prüfung von Maßnahmen gegen die Wirkung von ExTxA

Als mögliche Maßnahmen gegen die Wirkung von ExTxA wurden ausführliches Waschen und die Substanz Tetrodotoxin (TTX) getestet.

TTX ist eines der stärksten bekannten Gifte. Es kommt u. a. in Kugelfischen, wie z. B. dem in Japan als Delikatesse geltenden Fugu, vor. Beim Menschen bewirkt TTX abhängig von der Dosis Wahrnehmungs- und Koordinationsstörungen sowie Lähmungserscheinungen. Bereits eine Dosis von 0,5 bis 1 mg führt zum Tod durch Atemlähmung. TTX kann durch den Verdauungstrakt, über die Haut oder die Lunge aufgenommen werden. TTX ist kein Protein, es hat eine völlig andere Struktur als ExTxA.

Um die Wirkung der möglichen Gegenmaßnahmen zu prüfen, wurde der Natrium-Ioneneinstrom an sensorischen Neuronen der Schmerzbahn in weiteren Experimenten mit der in Material 4 beschriebenen Versuchstechnik untersucht. Ausgehend von einem Membranpotenzial von −80 mV wurde die Membran für 100 ms auf −10 mV depolarisiert. Dieses Vorgehen wurde alle 30 s wiederholt. Der Verlauf des dadurch hervorgerufenen Natrium-Ioneneinstroms wurde gemessen. Abbildung 5.1 zeigt jeweils den Natrium-Ioneneinstrom 40 ms nach dem Beginn der Depolarisation.

Die Neuronen wurden zunächst in einer Lösung ohne ExTxA untersucht. Nach einigen Minuten wurde ExTxA (Konzentration 1 µmol/l) hinzugegeben. In regelmäßigen Zeitabständen wurde frische Lösung ohne ExTxA hinzugegeben (= „waschen“).

Nach 70 Einzelmessungen wurde zu den Neuronen eine Lösung mit TTX (Konzentration 1 µmol/l) hinzugegeben.

Abbildung 5.2 zeigt ein Modell der Wirkung von TTX auf spannungsabhängige Natrium-Ionenkanäle.

5 Deuten Sie die in Abbildung 5.1 dargestellten Versuchsergebnisse im Zusammenhang mit Abbildung 5.2. (Material 4 und 5) [6 BE]

Wirkungsweise pflanzlicher Neurotoxine

6

Diskutieren Sie die Eignung von Tetrodotoxin (TTX) zur Therapie der Symptome nach Kontakt mit Blättern von Dendrocnide excelsa. (Material 1, 3, 4 und 5) [8 BE]

7 Benennen Sie die in der Abbildung in Material 6 mit Ziffern bezeichneten Strukturen des Laubblatts und geben Sie für jede nummerierte Struktur eine Funktion an. (Material 6) (9 BE)

Ziffer · Struktur · Funktion

①

②

③

④

⑤

⑥

Anpassungen von Pflanzen an biotische Ökofaktoren

8 Deuten Sie die in Material 7 dargestellten Versuchsergebnisse. (Material 7)

[12 BE]

Material 7: Ökologie von japanischen Brennnesseln

In Japan wächst eine Brennnesselart ( Urtica thunbergiana), die der europäischen Brennnessel sehr ähnelt. Die japanischen Brennnesseln sind mehrjährige Pflanzen, die bis zu 80 cm hoch werden können. Sie blühen zwischen Juli und September, die Samen reifen zwischen August und Oktober. Auf Blättern und Stängeln der Pflanzen sind etwa 1 mm lange Brennhaare zu finden, die die gleichen Inhaltsstoffe enthalten wie bei der europäischen Art und bei Berührung dieselbe Wirkung, einen brennenden Juckreiz, hervorrufen.

An der Universität Nara wurden Brennnessel-Populationen an verschiedenen Standorten untersucht. Im Nara-Park in der Nähe der Stadt wurde im 8. Jahrhundert ein Tempelbezirk angelegt. Seitdem existiert dort eine extrem dichte Population von Sika-Hirschen, die als heilige Tiere verehrt werden. Die Biologinnen und Biologen verglichen Brennnesseln aus diesem Park mit Brennnesseln aus verschiedenen Gebieten ohne Sika-Hirsche. Andere Pflanzenfresser kommen in diesen Gebieten nur in geringer Zahl vor.

Das Team führte einen Verpflanzungsversuch durch: Im April wurden junge Pflanzen aus dem Nara-Park (NP) sowie aus einem anderen Gebiet als Kontrolle (K), wo es keine Sika-Hirsche gibt, ausgegraben und auf Versuchsflächen im Nara-Park ausgepflanzt, zu denen die Sika-Hirsche Zutritt hatten. Die Forschenden beobachteten über mehrere Monate, wie viele der Pflanzen Bissspuren der Hirsche zeigten und wie viele bis zum nächsten Frühjahr überlebten (Abbildung 7.1).

Außerdem wurde die Dichte der Brennhaare auf den Blättern von Brennnesseln im Nara-Park (NP) und an mehreren Standorten ohne Sika-Hirsche als Kontrolle (K) im Herbst bestimmt (Abbildung 7.2). An den untersuchten Standorten wurden Samen der Brennnesseln gesammelt. Im nächsten Frühjahr wurden die Samen im Gewächshaus ausgesät. Die entstandenen Pflanzen wurden bis zum Herbst kultiviert und dann wiederum die Dichte der Brennhaare auf den Blättern bestimmt (Abbildung 7.3). Die im Gewächshaus verwendete Düngerlösung für die Pflanzen enthielt eine höhere Konzentration an Mineralstoffen als der Boden an den ursprünglichen Standorten.

Material 8

Eigenschaften von japanischen Brennnesseln in Gewächshauskultur

Im April wurden im mit Sika-Hirschen dicht besiedelten Nara-Park (NP) und an einem Standort ohne Sika-Hirsche (K) Keimlinge von Brennnesseln ausgegraben und im Gewächshaus über zwei Jahre weiter kultiviert. Im Herbst des ersten und des zweiten Jahres wurden die Zahl der Brennhaare pro Blatt und die Höhe der Pflanzen bestimmt. Außerdem wurde der Anteil der Samen an der Gesamtmasse der Pflanzen ermittelt. Zusätzlich wurde im ersten Jahr die Blühdauer protokolliert.

9 Deuten Sie die in Material 8 dargestellten Versuchsergebnisse im Hinblick auf die Fitness der Pflanzen anhand einer Kosten-Nutzen-Analyse. (Material 8) [12 BE]

Koffeinjunkies bei Käfern, Bakterien und Menschen

(Genetik und Gentechnik, ökologische und stoffwechselphysiologische Zusammenhänge, Neurobiologie und Verhaltensbiologie)

Nach einer Legende soll die anregende Wirkung von Kaffeefrüchten äthiopischen Ziegenhirten aufgefallen sein, als ihre Tiere davon fraßen. Der wirksame Inhaltsstoff ist Koffein. In höheren Dosen ist es für viele Lebewesen ein Nervengift, welches manche Pflanzen als Fraßschutz nutzen. Kleine Käfer, die nahezu ihr ganzes Leben in den giftigen Kaffeebohnen verbringen, haben sich mithilfe von Bakterien an diesen Lebensraum angepasst. Menschen nehmen Koffein zu sich, um länger wach zu bleiben – allerdings mit mehr oder weniger gutem Erfolg, wie Untersuchungen zeigten.

Material 1

Der Kaffeestrauch

Ursprünglich im äthiopischen Bergland in Afrika beheimatet, wird heute Kaffee rund um die Äquatorregion angebaut. In Kaffeeplantagen findet sich zu etwa 60% die Art Coffea arabica (Bergkaffee), auf die sich die nachfolgenden Informationen beziehen. C. arabica ist eine anspruchsvolle, bis zu 4 m große Pflanze, die nur in Höhen von 600 bis 2000 m mit hohen Niederschlagsmengen, humusreichen Böden und in einem engen Temperaturbereich von 18 bis 25 °C gedeiht. Je nach Höhe über dem Meeresspiegel, der jährlichen Niederschlagsverteilung und der Temperatur blüht der Kaffeestrauch einmal oder mehrmals im Jahr. Voraussetzung für die Blütenbildung sind ausgiebige Regenfälle. Die Reifung der Früchte dauert ca. 7 bis 9 Monate, die Farbe wechselt mit zunehmendem Reifungsgrad von grün über gelb zu rot. Die reifen Früchte, die man auch Kaffeekirschen nennt, verströmen einen alkoholartigen Geruch. Kaffeekirschen enthalten in der Regel zwei grüne Samen, die wir als Kaffeebohnen bezeichnen. Das Koffein wird in jungen Blättern synthetisiert und während der Reifezeit in die Früchte transportiert. Nicht alle Früchte reifen gleichzeitig, sodass sich die Ernte über zehn bis zwölf Wochen hinzieht.

Material 2

Der Kaffeeschädling Nummer 1

Unter den Kaffeezüchtern ist der noch nicht einmal 2 mm große Kaffeekirschenkäfer ( Hypothenemus hampei) als Schädling gefürchtet. Der jährliche Schaden wird auf 500 Millionen US-Dollar beziffert. Obwohl das giftige Koffein in den Kaffeebohnen als Fraßschutz dienen soll, schafft es der Kaffeekirschenkäfer als einziges Insekt, nahezu seinen kompletten Lebenszyklus versteckt in den Kaffeekirschen zu verbringen und die Kaffeebohnen als Nahrung zu nutzen.

Befruchtete weibliche Käfer fliegen bevorzugt reife Früchte an. An der Spitze der Kaffeekirsche bohrt der Käfer einen Gang, der zu einer der beiden Kaffeebohnen führt. Je nach klimatischen Bedingungen (Luftfeuchtigkeit und Temperatur) und Nährstoffgehalt der Kaffeebohnen können in der Kaffeekirsche mehrere Generationen von Kaffeekirschenkäfern heranwachsen. Frisch geschlüpfte Käfer verpaaren sich noch in der Kaffeekirsche, allerdings sind die kleineren Männchen aufgrund verkümmerter Flügel nicht flugfähig und verlassen die Kaffeekirsche nicht. Auch die Weibchen sind keine guten Flieger und können nur Strecken von bis zu 500 Metern zurücklegen. Zwischen den Reifezeiten der Kaffeebohnen können sie aber mühelos mehrere Monate in den heruntergefallenen Früchten überleben. Der kleine Käfer hat viele Feinde, z. B. steht er auf dem Speisezettel von Ameisen und Vögeln. Winzige Wespen wie die Art Cephalonomia stephanoderis suchen die Bohrgänge von befallenen Kaffeekirschen auf, um dort ebenfalls ihre Eier abzulegen. Die Larven und Puppen der Käfer dienen als Nahrung für die Wespenlarven. In dem feuchten, regenreichen Klima müssen sich die Käfer auch gegen Pilze wie Beauveria bassiana wehren. Wenn Pilzsporen (einzellige Fortpflanzungseinheiten) den Käfer infizieren, bilden sich Pilzgeflechte im Käfer aus. Der Pilz ernährt sich von dem Käfer und führt zu dessen Tod.

1 Geben Sie die Definitionen für die Begriffe „abiotische“ bzw. „biotische Faktoren“ und für „ökologische Nische“ an. Nennen Sie jeweils zwei Beispiele für abiotische und biotische Faktoren.

Koffeinjunkies bei Käfern, Bakterien und Menschen

(Genetik und Gentechnik, ökologische und stoffwechselphysiologische Zusammenhänge, Neurobiologie und Verhaltensbiologie)

Nach einer Legende soll die anregende Wirkung von Kaffeefrüchten äthiopischen Ziegenhirten aufgefallen sein, als ihre Tiere davon fraßen. Der wirksame Inhaltsstoff ist Koffein. In höheren Dosen ist es für viele Lebewesen ein Nervengift, welches manche Pflanzen als Fraßschutz nutzen. Kleine Käfer, die nahezu ihr ganzes Leben in den giftigen Kaffeebohnen verbringen, haben sich mithilfe von Bakterien an diesen Lebensraum angepasst. Menschen nehmen Koffein zu sich, um länger wach zu bleiben – allerdings mit mehr oder weniger gutem Erfolg, wie Untersuchungen zeigten.

Material 1

Der Kaffeestrauch

Ursprünglich im äthiopischen Bergland in Afrika beheimatet, wird heute Kaffee rund um die Äquatorregion angebaut. In Kaffeeplantagen findet sich zu etwa 60% die Art Coffea arabica (Bergkaffee), auf die sich die nachfolgenden Informationen beziehen. C. arabica ist eine anspruchsvolle, bis zu 4 m große Pflanze, die nur in Höhen von 600 bis 2000 m mit hohen Niederschlagsmengen, humusreichen Böden und in einem engen Temperaturbereich von 18 bis 25 °C gedeiht. Je nach Höhe über dem Meeresspiegel, der jährlichen Niederschlagsverteilung und der Temperatur blüht der Kaffeestrauch einmal oder mehrmals im Jahr. Voraussetzung für die Blütenbildung sind ausgiebige Regenfälle. Die Reifung der Früchte dauert ca. 7 bis 9 Monate, die Farbe wechselt mit zunehmendem Reifungsgrad von grün über gelb zu rot. Die reifen Früchte, die man auch Kaffeekirschen nennt, verströmen einen alkoholartigen Geruch. Kaffeekirschen enthalten in der Regel zwei grüne Samen, die wir als Kaffeebohnen bezeichnen. Das Koffein wird in jungen Blättern synthetisiert und während der Reifezeit in die Früchte transportiert. Nicht alle Früchte reifen gleichzeitig, sodass sich die Ernte über zehn bis zwölf Wochen hinzieht.

Material 2

Der Kaffeeschädling Nummer 1

Unter den Kaffeezüchtern ist der noch nicht einmal 2 mm große Kaffeekirschenkäfer ( Hypothenemus hampei) als Schädling gefürchtet. Der jährliche Schaden wird auf 500 Millionen US-Dollar beziffert. Obwohl das giftige Koffein in den Kaffeebohnen als Fraßschutz dienen soll, schafft es der Kaffeekirschenkäfer als einziges Insekt, nahezu seinen kompletten Lebenszyklus versteckt in den Kaffeekirschen zu verbringen und die Kaffeebohnen als Nahrung zu nutzen.

Befruchtete weibliche Käfer fliegen bevorzugt reife Früchte an. An der Spitze der Kaffeekirsche bohrt der Käfer einen Gang, der zu einer der beiden Kaffeebohnen führt. Je nach klimatischen Bedingungen (Luftfeuchtigkeit und Temperatur) und Nährstoffgehalt der Kaffeebohnen können in der Kaffeekirsche mehrere Generationen von Kaffeekirschenkäfern heranwachsen. Frisch geschlüpfte Käfer verpaaren sich noch in der Kaffeekirsche, allerdings sind die kleineren Männchen aufgrund verkümmerter Flügel nicht flugfähig und verlassen die Kaffeekirsche nicht. Auch die Weibchen sind keine guten Flieger und können nur Strecken von bis zu 500 Metern zurücklegen. Zwischen den Reifezeiten der Kaffeebohnen können sie aber mühelos mehrere Monate in den heruntergefallenen Früchten überleben. Der kleine Käfer hat viele Feinde, z. B. steht er auf dem Speisezettel von Ameisen und Vögeln. Winzige Wespen wie die Art Cephalonomia stephanoderis suchen die Bohrgänge von befallenen Kaffeekirschen auf, um dort ebenfalls ihre Eier abzulegen. Die Larven und Puppen der Käfer dienen als Nahrung für die Wespenlarven. In dem feuchten, regenreichen Klima müssen sich die Käfer auch gegen Pilze wie Beauveria bassiana wehren. Wenn Pilzsporen (einzellige Fortpflanzungseinheiten) den Käfer infizieren, bilden sich Pilzgeflechte im Käfer aus. Der Pilz ernährt sich von dem Käfer und führt zu dessen Tod.

1 Ordnen Sie Kaffeestrauch, Wespe und Käfer jeweils einer Trophiestufe zu. (Material 1 und 2)

Material 3: Koffeingehalt im Kot des Kaffeekirschenkäfers

Im Darm des Kaffeekirschenkäfers befindet sich eine Vielzahl unterschiedlicher Bakterienarten wie z. B. Pseudomonas fulva. Durch die Verwendung von Antibiotika können diese Darmbakterien im Käfer weitestgehend abgetötet werden, ohne die Käfer selbst zu schädigen. Mit chemischen Methoden ist es möglich, die Menge des Koffeins im Kot der Käfer zu bestimmen.

Bestimmung des Koffeingehaltes

Quelle

Koffeingehalt in mg pro g der jeweiligen Quelle

Kaffeebohne (unbehandelt)

1,8 – 2,2

Kot von Käfern, die mit Kaffeebohnen gefüttert wurden.

nicht nachweisbar

Kot von Käfern, die zuvor vier Wochen mit antibiotikahaltiger Nahrung aus Kaffeebohnen gefüttert wurden.

1,4 – 2,2

Kot von Käfern, die vier Wochen mit Antibiotika behandelt wurden und anschließend 1 Woche Nahrung aus Kaffeebohnen bekamen, die Bakterien der Art Pseudomonas fulva enthielt.

nicht nachweisbar

Entwickeln Sie eine Fragestellung zu der in Material 3 dargestellten Versuchsreihe und deuten Sie die Versuchsergebnisse. (Material 1, 2 und 3) [10 BE]

a)

b)

Material 4: Methoden der Schädlingsbekämpfung gegen den Kaffeekirschenkäfer

In der Mitte des letzten Jahrhunderts wurden Stoffe wie Endosulfan und Chlorpyrifos zur chemischen Schädlingsbekämpfung gegen den Kaffeekirschenkäfer eingesetzt. Diese Stoffe sind jedoch sehr giftig. Sie wirken schädigend auf das menschliche Nervensystem, reichern sich in Nahrungsketten an und werden nur sehr langsam biologisch abgebaut. In den meisten Ländern ist ihre Verwendung mittlerweile verboten. Daher rücken nun umweltverträglichere Methoden in den Fokus. Der mexikanische Forscher Francisco Infante schlägt zur Bekämpfung von Kaffeekirschenkäfern unter anderem vor:

1) In Anbaugebieten, in denen es nur eine Kaffee-Ernte im Jahr gibt, soll nach der Ernte der Boden von heruntergefallenen Früchten gesäubert werden.

2) In Kaffeeplantagen, in denen die Kaffeesträucher mehrmals im Jahr blühen, werden rote Insektenfallen aufgestellt, die mit einem Alkoholmix ausgestattet sind. Die Fallen sind so konstruiert, dass die Insekten wieder daraus entfliehen können, aber dabei mit Pilzsporen von B. bassiana in Kontakt kommen. Sammeln sich in kurzer Zeit sehr viele Tiere in den Lockfallen, so wird zwei bis drei Wochen später zusätzlich noch die Wespe C. stephanoderis in der Kaffeeplantage ausgebracht.

Erklären Sie die beiden in Material 4 dargestellten Vorschläge zur Bekämpfung des Kaffeekirschenkäfers mithilfe von Material 1 und 2. (Material 1, 2 und 4) [10 BE]

a)

b)

Koffeinjunkies bei Käfern, Bakterien und Menschen

(Genetik und Gentechnik, ökologische und stoffwechselphysiologische Zusammenhänge, Neurobiologie und Verhaltensbiologie)

Nach einer Legende soll die anregende Wirkung von Kaffeefrüchten äthiopischen Ziegenhirten aufgefallen sein, als ihre Tiere davon fraßen. Der wirksame Inhaltsstoff ist Koffein. In höheren Dosen ist es für viele Lebewesen ein Nervengift, welches manche Pflanzen als Fraßschutz nutzen. Kleine Käfer, die nahezu ihr ganzes Leben in den giftigen Kaffeebohnen verbringen, haben sich mithilfe von Bakterien an diesen Lebensraum angepasst. Menschen nehmen Koffein zu sich, um länger wach zu bleiben – allerdings mit mehr oder weniger gutem Erfolg, wie Untersuchungen zeigten.

Beschreiben Sie den Ablauf der Translation.

Koffeinjunkies bei Käfern, Bakterien und Menschen

(Genetik und Gentechnik, ökologische und stoffwechselphysiologische Zusammenhänge, Neurobiologie und Verhaltensbiologie)

Nach einer Legende soll die anregende Wirkung von Kaffeefrüchten äthiopischen Ziegenhirten aufgefallen sein, als ihre Tiere davon fraßen. Der wirksame Inhaltsstoff ist Koffein. In höheren Dosen ist es für viele Lebewesen ein Nervengift, welches manche Pflanzen als Fraßschutz nutzen. Kleine Käfer, die nahezu ihr ganzes Leben in den giftigen Kaffeebohnen verbringen, haben sich mithilfe von Bakterien an diesen Lebensraum angepasst. Menschen nehmen Koffein zu sich, um länger wach zu bleiben – allerdings mit mehr oder weniger gutem Erfolg, wie Untersuchungen zeigten.

Geben Sie die Definitionen folgender Begriffe an: Operon, Operator, Promotor.

Genetische und gentechnische Aspekte

Material 5: Manche Bakterien leben von Koffein

Bakterien der Art Pseudomonas fulva können das für viele tierische Lebewesen giftige Koffein unter Energiegewinnung über Xanthin zu Ammoniak und Kohlenstoffdioxid abbauen. Dies geschieht mithilfe von fünf N-Demethylasen (NdmA bis NdmE). Diese Enzyme entfernen Methylgruppen aus dem Substrat. Das Koffein enthält drei Methylgruppen, die in einer bestimmten Reihenfolge abgetrennt werden. Für jeden der drei Reaktionsschritte ist eine bestimmte Kombination der N-Demethylasen erforderlich.

Material 6: Regulation des alx -Operons in Pseudomonas fulva

Für den Abbau des Koffeins zu Xanthin ist im Bakterium P. fulva das alx -Operon verantwortlich. Im Gegensatz zu anderen Operons wie z. B. dem lac -Operon gibt es Besonderheiten. Zudem sind zwei Regulatorproteine involviert.

Hinweis: Das ndmA -Gen befindet sich in einem anderen DNA-Abschnitt, unterliegt aber derselben Regulation wie die anderen ndm -Gene.

Aufgabe 5 [16 BE]

a)

Stellen Sie die Regulation des alx -Operons eines Pseudomonas fulva -Bakteriums dar (sowohl in Abwesenheit als auch in Gegenwart von Koffein). [12 BE]

b)

Entwickeln Sie eine Hypothese, ob ein Bakterienstamm mit fehlendem cafR -Gen Koffein abbauende Enzyme exprimiert, obwohl kein Koffein vorhanden ist. (Material 5 und 6) [4 BE]

Genetische und gentechnische Aspekte

Material 7: Patent für gentechnisch veränderte Bakterien zum Nachweis von Koffein

In einer Patentschrift wirbt ein amerikanischer Wissenschaftler damit, Koffein sicher und in niedriger Konzentration in Haushaltsabwässern nachzuweisen. Dazu verwendet er gentechnisch veränderte E. coli -Bakterien. Diese enthalten ein Gen, das für ein Enzym kodiert, welches eine Farbreaktion auslösen kann. Das Gen ist normalerweise inaktiv. Einer Lösung solcher Bakterien wird eine farblose Substanz zugegeben, die durch das Enzym des Bakteriums bei Anwesenheit von Koffein zu einer farbigen Substanz umgesetzt wird.

Aufgabe 6 [8 BE]

Entwickeln Sie begründet den Aufbau eines DNA-Abschnitts, mit dem man ein Bakterium gentechnisch so verändert, dass man mit ihm Koffein nachweisen kann. (Material 6 und 7)

a)

b)

Neurophysiologische Aspekte

7

Beschreiben Sie die Erregungsübertragung an einer erregenden Acetylcholin führenden Synapse. (8 BE)

Material 8

Adenosin ist ein Schlafsignal

Einen beträchtlichen Teil seines Lebens verbringt der Mensch im Schlaf. Über die Regulation des Schlafs ist noch wenig bekannt. Das Molekül Adenosin spielt dabei offenbar eine wichtige Rolle im Gehirn. Es entsteht dadurch, dass bei hoher neuronaler Aktivität in den sogenannten Astrozyten vermehrt ATP über ADP und AMP zu Adenosin abgebaut wird. Astrozyten sind Zellen, die die Synapsen im Gehirn ummanteln und die Neuronen bei der Energieversorgung unterstützen. Das Adenosin kann über einen Transporter die Astrozyten verlassen. Bei längeren Wachzeiten steigt extrazellulär der Gehalt an Adenosin auf mehr als das Zehnfache an, was zu einem zunehmenden Schlafbedürfnis führt. In den Schlafphasen wird das Adenosin wieder von den Astrozyten aufgenommen und zu ATP resynthetisiert, wodurch der Adenosinspiegel außerhalb der Zellen fällt. Adenosin wirkt im Körper über verschiedene Adenosinrezeptortypen. Das Schlafbedürfnis scheint vor allem über den A1-Adenosinrezeptor (A1-AR) gesteuert zu werden, der im Gehirn weit verbreitet ist. Dabei übt offenbar das Adenosin eine Schutzfunktion aus, um Nervenzellen vor Übererregung zu bewahren.

Aufgabe 8: Zeigen Sie, dass Adenosin eine Acetylcholin führende Synapse vor Übererregung schützt. (Material 8) [8 BE]

a)

b)

Material 9

Koffeintablette versus Espresso

Koffeinhaltige Getränke sind dafür bekannt, dass man länger aufmerksam und wach bleibt. Dieses Phänomen liegt in der chemischen Struktur des Koffeinmoleküls begründet, welche der des körpereigenen Adenosins ähnelt. Dadurch kann das Koffein Adenosinrezeptoren blockieren und das Müdigkeitssignal des Adenosins unterdrücken. Koffein kann auch zu unerwünschten Effekten wie gesteigertem Harndrang, Herzrasen und Nervosität führen.

Neben Kaffee und anderen koffeinhaltigen Getränken werden immer häufiger Koffeintabletten eingenommen. Forscher untersuchten neu entwickelte Koffeintabletten. Durch die Einnahme solcher Tabletten könnten vielleicht durch Müdigkeit bedingte Unfälle bei der Arbeit oder im Verkehr reduziert werden.

9

Beschreiben Sie die Vorteile von Koffeintabletten gegenüber koffeinhaltigen Getränken wie Espresso. (Material 9)

Material 10: Im Schlaflabor

Experimente haben gezeigt, dass die Zahl der in der Zellmembran eingebauten, verfügbaren A1-Adenosinrezeptoren (A1-AR) im Gehirn mit der Dauer der Wachphase zunimmt. Vermutlich ist eine hohe Zahl an A1-AR in der Zellmembran mit einer geringen Produktion an Adenosin gekoppelt. Allerdings nimmt die Zahl an A1-AR individuell sehr unterschiedlich stark zu.

Eine Forschergruppe aus Deutschland untersuchte den Zusammenhang von A1-Adenosinrezeptoren (A1-AR) im Gehirn und der Fehleranfälligkeit bei länger andauerndem Schlafmangel. So wurden in einem Experiment zwei Gruppen von Personen in Bezug auf die Leistungsfähigkeit bei Schlafentzug miteinander verglichen: Bei der einen Gruppe nahm die Zahl an verfügbaren A1-AR im Gehirn während der Wachphase deutlich zu, bei einer zweiten Gruppe war dies nicht der Fall. Die Versuchspersonen mussten 52 Stunden wach bleiben, bevor sie dann 14 Stunden schlafen durften. Koffeinhaltige Getränke waren verboten. In der Wachphase wurden in regelmäßigen Abständen Tests zur Leistungsfähigkeit durchgeführt.

Zur Beurteilung von Schläfrigkeit und Müdigkeit wurde u. a. der Leistungstest „Psychomotor Vigilance Task“ (PVT) eingesetzt. Die Versuchsperson muss dabei beim Aufblinken einer LED auf eine Taste drücken. Reagiert die Versuchsperson zu langsam (Reaktionszeit größer als eine halbe Sekunde), wird dies als Fehler notiert. Ein Test besteht aus 30 LED-Aktionen.

10 Deuten Sie die Versuchsergebnisse und entscheiden Sie, ob Koffein für alle Menschen ein Mittel ist, um die Fehlerhäufigkeit bei Übermüdung zu verringern. (Material 8, 9 und 10) [10 BE]