Abitur Hessen Biologie 2022 · LK · Schulen für Erwachsene

Genetische Ursachen und Behandlung der SMA

1

Beschreiben Sie den molekularen 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 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 des SMN1 -Gens. 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 des SMN1 -Gens umfasst 54 Nukleotide.

Material 2

Das SMN2 -Gen als fast identische Genkopie

Neben dem SMN1 -Gen besitzen alle Menschen auf Chromosom 5 eine zweite Variante, das SMN2 -Gen. Dieses Gen kann durch Duplikation des entsprechenden Chromosomenabschnitts individuell in unterschiedlicher Anzahl (eins bis sechs) vorkommen. Bei Personen, die eine Deletion von Exon 7 im SMN1 -Gen besitzen, ist die Existenz eines oder mehrerer SMN2 -Gene 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.

Material 3

Typen der SMA

In Europa werden jedes Jahr ungefähr 550–600 Säuglinge mit SMA geboren. Der Verlauf der Erkrankung ist dabei sehr variabel. Abhängig vom Beginn der Erkrankung, von den erreichten motorischen Entwicklungsschritten und von der Schwere des Verlaufes werden drei SMA-Typen unterschieden, die in der folgenden Tabelle aufgeführt sind. Unbehandelt führt die schwerste Form bei 90% der Fälle bis zum Alter von zwei Jahren zum Tod oder zur Notwendigkeit einer ständigen Beatmung.

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.

Kriterien für die Einteilung der SMA

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

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]

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 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 des SMN1 -Gens. 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 des SMN1 -Gens umfasst 54 Nukleotide.

Material 2

Das SMN2 -Gen als fast identische Genkopie

Neben dem SMN1 -Gen besitzen alle Menschen auf Chromosom 5 eine zweite Variante, das SMN2 -Gen. Dieses Gen kann durch Duplikation des entsprechenden Chromosomenabschnitts individuell in unterschiedlicher Anzahl (eins bis sechs) vorkommen. Bei Personen, die eine Deletion von Exon 7 im SMN1 -Gen besitzen, ist die Existenz eines oder mehrerer SMN2 -Gene 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.

Material 3

Typen der SMA

In Europa werden jedes Jahr ungefähr 550–600 Säuglinge mit SMA geboren. Der Verlauf der Erkrankung ist dabei sehr variabel. Abhängig vom Beginn der Erkrankung, von den erreichten motorischen Entwicklungsschritten und von der Schwere des Verlaufes werden drei SMA-Typen unterschieden, die in der folgenden Tabelle aufgeführt sind. Unbehandelt führt die schwerste Form bei 90% der Fälle bis zum Alter von zwei Jahren zum Tod oder zur Notwendigkeit einer ständigen Beatmung.

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.

Kriterien für die Einteilung der SMA

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

3 Analysieren Sie die molekulargenetischen Ursachen für die Bildung des instabilen SMN-Proteins aus dem SMN2 -Gen. (Material 2)

[7 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 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 des SMN1 -Gens. 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 des SMN1 -Gens umfasst 54 Nukleotide.

Material 2

Das SMN2 -Gen als fast identische Genkopie

Neben dem SMN1 -Gen besitzen alle Menschen auf Chromosom 5 eine zweite Variante, das SMN2 -Gen. Dieses Gen kann durch Duplikation des entsprechenden Chromosomenabschnitts individuell in unterschiedlicher Anzahl (eins bis sechs) vorkommen. Bei Personen, die eine Deletion von Exon 7 im SMN1 -Gen besitzen, ist die Existenz eines oder mehrerer SMN2 -Gene 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.

Material 3

Typen der SMA

In Europa werden jedes Jahr ungefähr 550–600 Säuglinge mit SMA geboren. Der Verlauf der Erkrankung ist dabei sehr variabel. Abhängig vom Beginn der Erkrankung, von den erreichten motorischen Entwicklungsschritten und von der Schwere des Verlaufes werden drei SMA-Typen unterschieden, die in der folgenden Tabelle aufgeführt sind. Unbehandelt führt die schwerste Form bei 90% der Fälle bis zum Alter von zwei Jahren zum Tod oder zur Notwendigkeit einer ständigen Beatmung.

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.

Kriterien für die Einteilung der SMA

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

4 Leiten Sie einen Zusammenhang zwischen der Anzahl der SMN2 -Genkopien und dem Auftreten der verschiedenen Typen von SMA her. (Material 1, 2 und 3)

[7 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 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 des SMN1 -Gens. 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 des SMN1 -Gens umfasst 54 Nukleotide.

Material 2

Das SMN2 -Gen als fast identische Genkopie

Neben dem SMN1 -Gen besitzen alle Menschen auf Chromosom 5 eine zweite Variante, das SMN2 -Gen. Dieses Gen kann durch Duplikation des entsprechenden Chromosomenabschnitts individuell in unterschiedlicher Anzahl (eins bis sechs) vorkommen. Bei Personen, die eine Deletion von Exon 7 im SMN1 -Gen besitzen, ist die Existenz eines oder mehrerer SMN2 -Gene 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.

Material 3

Typen der SMA

In Europa werden jedes Jahr ungefähr 550–600 Säuglinge mit SMA geboren. Der Verlauf der Erkrankung ist dabei sehr variabel. Abhängig vom Beginn der Erkrankung, von den erreichten motorischen Entwicklungsschritten und von der Schwere des Verlaufes werden drei SMA-Typen unterschieden, die in der folgenden Tabelle aufgeführt sind. Unbehandelt führt die schwerste Form bei 90% der Fälle bis zum Alter von zwei Jahren zum Tod oder zur Notwendigkeit einer ständigen Beatmung.

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.

Kriterien für die Einteilung der SMA

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

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 drei verschiedenen Personen, die nicht aus einer Familie stammen, konnte durch ein spezielles Verfahren auch die jeweilige Menge der untersuchten DNA-Fragmente ermittelt werden. Nur Person 3 zeigt phänotypisch die Symptome der SMA.

Aufgabe 5

[16 BE] Beschreiben Sie das Prinzip der Gelelektrophorese.

Analysieren Sie das Ergebnis der molekulargenetischen Untersuchung von drei Personen auf SMA in Bezug auf das Auftreten von SMA und leiten Sie den Erbgang der SMA her.

(Material 1, 2 und 4)

5.1

5.2

5.3

6 Erklären Sie jeweils die Wirkungsweise der beiden gentherapeutischen Behandlungsmethoden von SMA. (Material 5) [12 BE]

A

B

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, wie z. B. Antibiotika. Weltweit sterben jährlich schätzungsweise 1,5 Millionen Kinder unter fünf Jahren an Krankheiten wie Masern, Diphtherie, Keuchhusten, Kinderlähmung und 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.

7

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

(9 BE)

Thema und Aufgabenstellung – Vorschlag A

Neurophysiologische Ursachen der Spinalen Muskelatrophie

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

[9 BE]

Material 7

Entwicklung von Axonen unter dem Einfluss des SMN-Proteins

An der Universität Würzburg untersuchte eine Forscherin die Rolle des SMN-Proteins für das Axonwachstum. Hierbei ging es zum einen um das Längenwachstum von Axonen und zum anderen um die Fläche der Wachstumskegel von $\alpha$-Motoneuronen. Wachstumskegel sind die Endpunkte der Axone, an denen zunächst das Längenwachstum stattfindet und die später als präsynaptische Bereiche die Verbindung zum Zielgewebe herstellen. Um den bei SMA-Patienten vom Typ I vorherrschenden Bedingungen möglichst nahe zu kommen, wurden alle Versuche an $\alpha$-Motoneuronen des Rückenmarks von Mäusen durchgeführt, bei denen homozygot das SMN1 -Gen ausgeschaltet war ($\text{SMN1}^{-/-}$teilten. Diese wurden Neuronen von homozygoten Mäusen mit unverändertem SMN1 -Gen ($\text{SMN1}^{+/+}$) 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 Mikrofilamente, sind in Nervenzellen überwiegend aus dem Strukturprotein $\beta$-Aktin aufgebaut. Diese Mikrofilamente sind beteiligt am Auswachsen und Verzweigen der Axone und an der Bildung und Aufrechterhaltung der Synapsen. Weiterhin sind sie wichtig bei der Transmitterfreisetzung.

Das Vorkommen von $\beta$-Aktin-Protein in $\alpha$-Motoneuronen wurde an Mäusen mit den Genotypen ($\text{SMN1}^{+/+}$) und ($\text{SMN1}^{-/-}$) (siehe Material 7) untersucht.

Abbildung 8.1: Verteilung von $\beta$-Aktin-Protein in $\alpha$-Motoneuronen

· SMN1 +/+ · SMN1 −/−

Zellkörper · ++ · ++

Axon · +++ · +

Wachstumskegel · ++++ · −

Hinweis

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

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 aus der Familie der Ribonukleoproteine (RNP), das $\beta$-Aktin-mRNA binden und transportieren kann. Auch die Verteilung des RNP-Transportproteins in Motoneuronen wurde in Abhängigkeit vom Genotyp untersucht.

Abbildung 8.2: Verteilung des RNP-Transportproteins in $\alpha$-Motoneuronen

· SMN1 +/+ · SMN1 −/−

Zellkörper · ++ · ++

Axon · ++ · +

Wachstumskegel · ++++ · −

Hinweis

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

Das folgende Funktionsmodell zeigt die mögliche Interaktion der beteiligten Stoffe beim Transport der $\beta$-Aktin-mRNA, dargestellt an einem Abschnitt eines Axons.

Abbildung 8.3: Funktionsmodell des SMN-RNP-mRNA-Komplexes

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) [9 BE]

a)

b)

Material 7

Entwicklung von Axonen unter dem Einfluss des SMN-Proteins

An der Universität Würzburg untersuchte eine Forscherin die Rolle des SMN-Proteins für das Axonwachstum. Hierbei ging es zum einen um das Längenwachstum von Axonen und zum anderen um die Fläche der Wachstumskegel von $\alpha$-Motoneuronen. Wachstumskegel sind die Endpunkte der Axone, an denen zunächst das Längenwachstum stattfindet und die später als präsynaptische Bereiche die Verbindung zum Zielgewebe herstellen. Um den bei SMA-Patienten vom Typ I vorherrschenden Bedingungen möglichst nahe zu kommen, wurden alle Versuche an $\alpha$-Motoneuronen des Rückenmarks von Mäusen durchgeführt, bei denen homozygot das SMN1 -Gen ausgeschaltet war ($\text{SMN1}^{-/-}$teilten. Diese wurden Neuronen von homozygoten Mäusen mit unverändertem SMN1 -Gen ($\text{SMN1}^{+/+}$) 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 Mikrofilamente, sind in Nervenzellen überwiegend aus dem Strukturprotein $\beta$-Aktin aufgebaut. Diese Mikrofilamente sind beteiligt am Auswachsen und Verzweigen der Axone und an der Bildung und Aufrechterhaltung der Synapsen. Weiterhin sind sie wichtig bei der Transmitterfreisetzung.

Das Vorkommen von $\beta$-Aktin-Protein in $\alpha$-Motoneuronen wurde an Mäusen mit den Genotypen ($\text{SMN1}^{+/+}$) und ($\text{SMN1}^{-/-}$) (siehe Material 7) untersucht.

Abbildung 8.1: Verteilung von $\beta$-Aktin-Protein in $\alpha$-Motoneuronen

· SMN1 +/+ · SMN1 −/−

Zellkörper · ++ · ++

Axon · +++ · +

Wachstumskegel · ++++ · −

Hinweis

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

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 aus der Familie der Ribonukleoproteine (RNP), das $\beta$-Aktin-mRNA binden und transportieren kann. Auch die Verteilung des RNP-Transportproteins in Motoneuronen wurde in Abhängigkeit vom Genotyp untersucht.

Abbildung 8.2: Verteilung des RNP-Transportproteins in $\alpha$-Motoneuronen

· SMN1 +/+ · SMN1 −/−

Zellkörper · ++ · ++

Axon · ++ · +

Wachstumskegel · ++++ · −

Hinweis

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

Das folgende Funktionsmodell zeigt die mögliche Interaktion der beteiligten Stoffe beim Transport der $\beta$-Aktin-mRNA, dargestellt an einem Abschnitt eines Axons.

Abbildung 8.3: Funktionsmodell des SMN-RNP-mRNA-Komplexes

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

(10 BE)

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

Genetische Aspekte

1 Fassen Sie die wesentlichen Schritte des Wegs vom Gen zum Protein bei Eukaryoten stichpunktartig zusammen. [8 BE]

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) [4 BE]

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

Neurophysiologische Aspekte

2 Zeichnen Sie ein beschriftetes Diagramm, das den Verlauf eines Aktionspotenzials zeigt, und beschreiben Sie die zugrunde liegenden Vorgänge an der Axonmembran, die zu diesem Spannungsverlauf führen.

Ordnen Sie die in der Abbildung in Material 2 dargestellten Zustände A–C eines spannungsabhängigen Natrium-Ionenkanals begründet Phasen von Ruhe- und Aktionspotenzial zu. (Material 2)

[19 BE]

a)

b)

c)

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

3 Fassen Sie die in Material 3 dargestellten Versuchsergebnisse zusammen und stellen Sie einen Zusammenhang zwischen diesen dar. (Material 3) [7 BE]

ng des Zusammenhangs (Abbildung 3.1 und 3.2):

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)

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

5

Leiten Sie die Folgen einer Vergiftung mit Tetrodotoxin (TTX) aufgrund der in Material 5 dargestellten Wirkung her. (Material 5)

[6 BE]

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

6 Prüfen Sie die Eignung von Tetrodotoxin (TTX) zur Therapie der Symptome nach Kontakt mit Blättern von Dendrocnide excelsa auch unter dem Gesichtspunkt der Art der Verabreichung. (Material 1, 3, 4 und 5) [9 BE]

Anpassungen von Pflanzen an biotische Ökofaktoren

7 Benennen Sie die in der Abbildung in Material 6 mit Ziffern bezeichneten Strukturen des Laubblatts und geben Sie jeweils eine Funktion jeder Struktur an. (Material 6) [9 BE]

Material 6: Aufbau eines Laubblatts (Schema)

Ziffer

Struktur

Funktion

①

②

③

④

⑤

⑥

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 die europäische Art und bei Berührung ebenso einen brennenden Juckreiz hervorrufen.

Forscherinnen der Universität Nara verglichen Brennnesseln aus dem Nara-Park, wo eine extrem dichte Population von Pflanzen fressenden Sika-Hirschen existiert, mit Brennnesseln aus verschiedenen Gebieten ohne Sika-Hirsche. Andere Pflanzenfresser kommen hier ebenfalls nur in geringer Zahl vor.

Die Biologinnen führten einen Verpflanzungsversuch durch: Im April des ersten Jahres wurden junge Pflanzen aus dem Nara-Park ( NP) sowie aus einem anderen Gebiet ohne Sika-Hirsche ( K) ausgegraben und auf Versuchsflächen im Nara-Park ausgepflanzt, zu denen die Sika-Hirsche Zutritt hatten. Sie beobachteten über mehrere Monate, wie viele der Pflanzen Bissspuren der Sika-Hirsche zeigten und wie viele bis zum nächsten Frühjahr überlebten (Abbildung 7.1).

Außerdem untersuchten die Forscherinnen die Dichte der Brennhaare auf den Blättern von Brennnesseln im Nara-Park ( NP) und an mehreren Standorten ohne Sika-Hirsche ( K) im Herbst (Abbildung 7.2).

An den untersuchten Standorten wurden im Herbst auch Samen der Brennnesseln gesammelt. Im nächsten Frühjahr wurden die Samen dann 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).

Hinweis: Die im Gewächshaus verwendete Düngerlösung für die Pflanzen enthielt eine höhere Konzentration an Mineralstoffen als der Boden an den ursprünglichen Standorten, so dass insgesamt eine höhere Anzahl an Brennhaaren zu erwarten ist.

8. Deuten Sie die in Material 7 dargestellten Versuchsergebnisse auch im Hinblick auf evolutionäre Prozesse. (Material 7) [12 BE]

Anpassungen von Pflanzen an biotische Ökofaktoren

Material 8: Eigenschaften von japanischen Brennnesseln in Gewächshauskultur

In einem anderen Versuch wurden im April 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. Die Ausbildung der Brennhaare und die Herstellung der darin enthaltenen Substanzen kostet die Pflanzen Energie.

Die Ergebnisse der Messungen sind in den folgenden Diagrammen dargestellt:

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]

Material 1

Der Kaffeebaum

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 klimatischen Bedingungen blüht der Kaffeebaum einmal oder mehrmals im Jahr. Die Reifung der Früchte dauert ca. sieben bis neun 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 mit 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 die Kaffeekirsche an, bohren Gänge und legen dort ihre Eier ab. Innerhalb von etwa vier Wochen vollziehen diese ihre Entwicklung bis zum erwachsenen Käfer. Durch die schnelle Entwicklung können mehrere Generationen von Kaffeekirschenkäfern in einem Jahr 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.

Aufgabe 1 – Ökologische Aspekte

Geben Sie die Definitionen für die Begriffe &bdquo;abiotische Faktoren“, &bdquo;biotische Faktoren“ und &bdquo;ökologische Nische“ an.

Nennen Sie jeweils zwei Beispiele für abiotische und biotische Faktoren.

Material 1

Der Kaffeebaum

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 klimatischen Bedingungen blüht der Kaffeebaum einmal oder mehrmals im Jahr. Die Reifung der Früchte dauert ca. sieben bis neun 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 mit 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 die Kaffeekirsche an, bohren Gänge und legen dort ihre Eier ab. Innerhalb von etwa vier Wochen vollziehen diese ihre Entwicklung bis zum erwachsenen Käfer. Durch die schnelle Entwicklung können mehrere Generationen von Kaffeekirschenkäfern in einem Jahr 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.

Ordnen Sie Kaffeebaum, Wespe und Käfer jeweils einer Trophiestufe begründet zu. (Material 1 und 2) [3 BE]

a)

b)

c)

Material 1

Der Kaffeebaum

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 klimatischen Bedingungen blüht der Kaffeebaum einmal oder mehrmals im Jahr. Die Reifung der Früchte dauert ca. sieben bis neun 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 mit 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 die Kaffeekirsche an, bohren Gänge und legen dort ihre Eier ab. Innerhalb von etwa vier Wochen vollziehen diese ihre Entwicklung bis zum erwachsenen Käfer. Durch die schnelle Entwicklung können mehrere Generationen von Kaffeekirschenkäfern in einem Jahr 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.

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.

Koffeingehalte verschiedener Quellen

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 Antibiotika haltiger 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

2 Formulieren Sie eine Fragestellung zu der in Material 3 dargestellten Versuchsreihe und deuten Sie die Versuchsergebnisse. (Material 1, 2 und 3)

[10 BE]

Material 1

Der Kaffeebaum

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 klimatischen Bedingungen blüht der Kaffeebaum einmal oder mehrmals im Jahr. Die Reifung der Früchte dauert ca. sieben bis neun 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 mit 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 die Kaffeekirsche an, bohren Gänge und legen dort ihre Eier ab. Innerhalb von etwa vier Wochen vollziehen diese ihre Entwicklung bis zum erwachsenen Käfer. Durch die schnelle Entwicklung können mehrere Generationen von Kaffeekirschenkäfern in einem Jahr 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.

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 nicht nur sehr giftig für die Käfer, sie wirken auch 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:

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

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.

3 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]

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.

Aufgabe 4 – Translation

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.

Aufgabe 4 – Operonmodell

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

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 mit Hilfe 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.

Aufgabe 5

a)

Stellen Sie die Regulation des alx -Operons eines Pseudomonas fulva -Bakteriums dar.

b)

Begründen Sie die Tatsache, dass ein Bakterienstamm mit fehlendem cafR -Gen keine Koffein abbauenden Enzyme bildet, wenn kein Koffein vorhanden ist. [16 BE]

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 mit Hilfe 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.

Aufgabe 6

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) [8 BE]

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 Adenosinrezeptor-Typen. 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.

8

Zeigen Sie, dass Adenosin eine Acetylcholin führende Synapse vor Übererregung schützt. (Material 8)

[8 BE]

Material 9

Wirkung von Adenosin, Adrenalin und Koffein auf die Herzschlagfrequenz

Sowohl Adenosin als auch Adrenalin beeinflussen die Schlagfrequenz des Herzens. Die Regulation geschieht über einen sekundären Botenstoff, das cAMP. Im Herzen bewirkt ein erhöhter cAMP-Gehalt eine Erhöhung der Herzschlagfrequenz.

Koffein greift in dieses System ein und hat somit auch einen Einfluss auf die cAMP-Konzentration. Die Zusammenhänge sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

9

Erklären Sie die Wirkung von Adenosin, Adrenalin und Koffein auf die Herzschlagfrequenz. (Material 9) [10 BE]

Material 10

Koffeintablette versus Espresso

Koffeinhaltige Getränke sind dafür bekannt, dass man länger aufmerksam und wach bleibt. Neben Kaffee und anderen koffeinhaltigen Getränken werden immer häufiger Koffeintabletten eingenommen. Forscher untersuchten die Wirkung neu entwickelter Koffeintabletten. Durch die Einnahme solcher Tabletten könnten vielleicht durch Müdigkeit bedingte Unfälle bei der Arbeit oder im Verkehr reduziert werden.

10

Erläutern Sie die Vorteile von Koffeintabletten gegenüber koffeinhaltigen Getränken wie Espresso. (Material 10) [5 BE]