Aufgabe 2 - DNA, Proteinbiosynthese und Mutationen · Abitur NRW Biologie LK · Nachtermin 2021

Material A: Infrarot-empfindliche Sinnesorgane bei Schlangen

Schlangen sind Jäger, die ihre Beutetiere im Regelfall tagsüber, aber auch nachts aufspüren können. Alle Schlangen sind dabei in der Lage, Duftstoffe durch Züngeln wahrzunehmen. Neben der Wahrnehmung chemischer Reize kann zum Beispiel die Erdnatter ( Pantherophis obsoletus) als tagaktive Schlange zusätzlich visuelle Reize nutzen und so ihre Beutetiere wie etwa Amphibien, Vögel oder Säugetiere identifizieren und lokalisieren. Die Erdnatter besitzt keine Infrarot-empfindlichen Sinnesorgane.

Bei einigen nachtaktiven Schlangen wurden Infrarot-empfindliche Sinnesorgane nachgewiesen, die auf die Wahrnehmung von Infrarot-Strahlung, also Wärmestrahlung, spezialisiert sind. Dazu haben Grubenottern am Vorderkopf ein paariges Grubenorgan. Ein Beispiel dafür ist die Texas-Klapperschlange ( Crotalus atrox), die vorwiegend nachts gleichwarme Tiere wie Kleinsäuger und Vögel durch einen Giftbiss tötet und so erbeutet.

Auch bei Vertretern der Boas und bei Pythonschlangen findet man Sinnesorgane, die empfindlich für Infrarot-Strahlung sind. Dies sind zum Beispiel beim Königspython ( Python regius) an jeder Kopfseite mehrere Labialorgane, die einen anderen morphologischen Aufbau als das Grubenorgan aufweisen. Der Königspython jagt nachts und in der Dämmerung Kleinsäuger und Vögel, die erwürgt und anschließend verschluckt werden.

Material B: Genexpression in Infrarot-empfindlichen Sinneszellen

Temperaturreize werden mithilfe von temperaturempfindlichen Sinneszellen, den Thermorezeptoren, erfasst. Ihre verzweigten Dendriten liegen in der Haut und ebenso in Gruben- oder Labialorgan. Thermorezeptoren enthalten in ihrer Membran verschiedene temperaturempfindliche Ionenkanäle, wie etwa den TRPA1-Ionenkanal oder den TRPV1-Ionenkanal.

Um die zellspezifische Genexpression in den Infrarot-empfindlichen Sinneszellen zu untersuchen, wurden vergleichende RNA-Analysen durchgeführt. Dazu hat man die gesamte mRNA aus unterschiedlichen Sinneszellen-Gruppen der jeweiligen Schlange isoliert (Tabelle 1) und sequenziert. Durch die Sequenzierung der gesamten mRNA konnten verschiedene mRNA-Typen identifiziert werden, unter anderem mRNAs, die temperaturempfindliche Ionenkanäle codieren, wie die TRPA1 -mRNA und die TRPV1 -mRNA.

Das Auszählen der einzelnen mRNAs und die Zuordnung zu mRNA-Typen ermöglichte dann die Bestimmung von spezifischen mRNA-Häufigkeiten. Wird ein mRNA-Typ bei der jeweiligen Schlange in den beiden verglichenen Sinneszellen-Gruppen gleich häufig gefunden, so liegt dessen relative Häufigkeit bei 1. Die relativen Häufigkeiten der TRPA1 -mRNA und der TRPV1 -mRNA zeigt Abbildung 1.

Tabelle 1 Übersicht zu den analysierten Sinneszell-Gruppen Herkunft der analysierten RNA von · Texas-Klapperschlange · Königspython · Erdnatter

aus Sinneszellen… · des Grubenorgans · des Labialorgans · der Kopfhaut

verglichen mit Sinneszellen… · der Rumpfhaut · der Rumpfhaut · der Rumpfhaut

Material C: Analysen von TRPA1-Ionenkanälen

Bei einer Aktivierung temperaturempfindlicher Ionenkanäle kommt es zu einer veränderten Raumstruktur und daher zur Öffnung des jeweiligen Ionenkanals. Dies ermöglicht den Einstrom von Natrium- und Calciumionen in die Dendriten der Sinneszelle. Thermorezeptoren sind primäre Sinneszellen, die ein Axon besitzen. Der Ionenstrom durch TRPA1-Ionenkanäle verschiedener Schlangen wurde in Abhängigkeit von der Temperatur elektrophysiologisch untersucht (Abbildung 2).

Material D: Aminosäuresequenzen von TRPA1-Ionenkanälen

Ein Vergleich der Aminosäuresequenzen von TRPA1-Ionenkanälen mit etwa 1000 Aminosäuren Länge führte zur Identifizierung von Aminosäurebereichen, die einen Einfluss auf die Temperaturempfindlichkeit ausüben können (Tabelle 2). In den in Tabelle 2 dargestellten Bereichen des TRPA1-Ionenkanals ist die Aminosäuresequenz von Haushuhn und vielen anderen Wirbeltieren untereinander vollständig gleich, also im Lauf der Evolution nahezu unverändert geblieben.

Tabelle 2 Ausschnitte aus der Aminosäuresequenz der TRPA1-Ionenkanäle bei ausgewählten Schlangen und dem Haushuhn als Außengruppe. Die Position der betreffenden Aminosäure im TRPA1-Ionenkanal der Texas-Klapperschlange ist durch Zahlen angegeben.

Material E: Verwandtschaftsbeziehungen bei Schlangen

Auf der Basis von Sequenzdaten verschiedener homologer Gene wurde ein phylogenetischer Stammbaum der Schlangen erstellt. Ein Ausschnitt davon ist in Abbildung 3 dargestellt.

Material F: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

3. Ermitteln Sie zu jeder der in Tabelle 2 aufgeführten Aminosäuresequenzen einen möglichen codogenen DNA-Strang und leiten Sie daraus die Mutationstypen ab (Materialien D und F). Entwickeln Sie eine Hypothese zur Evolution der TRPA1-Ionenkanäle bezüglich der Infrarot-Wahrnehmung bei Schlangen mit Labial- oder Grubenorgan (Materialien A bis D). [12 Punkte]

a)

Codogene DNA-Stränge: Geben Sie für jede Art bzw. Gruppe an den betreffenden Positionen einen möglichen codogenen DNA-Strang in $3' \rightarrow 5'$-Richtung an (die Basentriplets jeweils durch Leerzeichen trennen):

b)

Mutationstypen: Welche Mutationstypen liegen auf der Ebene der Basen und der Aminosäuren vor?

c)

Hypothese zur Evolution der TRPA1-Ionenkanäle: Formulieren und begründen Sie eine Hypothese dazu, wie sich die gesteigerte Wärmeempfindlichkeit der TRPA1-Kanäle bei Schlangen mit Gruben- bzw. Labialorganen evolutiv entwickelt hat.