Aufgabe 3 - Teilaufgabe 3 · Abitur NRW Biologie LK · Nachtermin · Weiterbildungskolleg 2021

Material A: Vererbung der Kongenitalen Stationären Nachtblindheit

Als Kongenitale Stationäre Nachtblindheit (CSNB) wird eine Gruppe von erblich bedingten Netzhauterkrankungen bezeichnet. Betroffene leiden vor allem unter einem verminderten Sehvermögen in der Nacht. Darüber hinaus sind die an CSNB erkrankten Personen häufig extrem lichtempfindlich, weil ihre Netzhaut bei starkem Lichteinfall überreizt wird und die betroffenen Personen sich geblendet fühlen. Weitere Folge der CSNB ist eine geringe Sehschärfe. Abbildung 1 zeigt den Stammbaum einer von CSNB betroffenen Familie.

Material B: Erregungsweiterleitung an Stäbchen und Bipolarzellen

In der Netzhaut sind Stäbchen mit Bipolarzellen über Synapsen verschaltet. Bei Dunkelheit wird von den Stäbchen vermehrt Glutamat in den synaptischen Spalt ausgeschüttet. Glutamat bindet an mGluR6-Rezeptoren, die sich in der postsynaptischen Membran der Bipolarzellen befinden. Beim Glutamatrezeptor mGluR6 handelt es sich um einen G-Protein-gekoppelten Rezeptor. Im Ruhezustand bindet ein G-Protein mit den drei Untereinheiten $\text{G}_\alpha\text{-GDP}$, $\text{G}_\beta$ sowie $\text{G}_\gamma$ an den mGluR6-Rezeptor. Durch Bindung des Glutamats an den mGluR6-Rezeptor wird seine Raumstruktur verändert. Dadurch wird an der $\text{G}_\alpha\text{-Untereinheit}$ GDP gegen GTP ausgetauscht und die Untereinheiten des G-Proteins lösen sich vom mGluR6-Rezeptor. In der postsynaptischen Membran der Bipolarzellen befinden sich TRPM1-Ionenkanäle, die hier den Einstrom von Natriumionen ($\text{Na}^+$) und Calciumionen ($\text{Ca}^{2+}$) regulieren. Durch die reversible Bindung von $\text{G}_\alpha\text{-GTP}$, $\text{G}_\beta$ sowie $\text{G}_\gamma$ wird eine Änderung der Raumstruktur des TRPM1-Kanals ausgelöst und dieser Ionenkanal schließt sich (Abbildung 2).

Die Bipolarzellen stehen in Kontakt mit Amakrinzellen, die über Synapsen mit Ganglienzellen verschaltet sind. Aktionspotentiale werden in den Ganglienzellen gebildet und von dort über den Sehnerv an das Gehirn übermittelt.

Abbildung 2: Schematische Darstellung der molekularen Prozesse an der Synapse zwischen Stäbchen und Bipolarzelle bei Dunkelheit

Material C: Genetische Ursachen der CSNB

Bei Patienten mit erblich bedingter CSNB wurden unterschiedliche Mutationen im Gen für den TRPM1-Ionenkanal nachgewiesen. Das Polypeptid besteht aus 1642 Aminosäuren. Tabelle 1 zeigt Ausschnitte aus der Nukleotidsequenz des TRPM1 -Gens.

Material D: Elektrophysiologische Ursachen der CSNB

Zur Diagnose der CSNB wird die elektrophysiologische Reaktion der Netzhaut auf verschieden starke Lichtreize mithilfe der Elektroretinografie untersucht. Bei diesem Verfahren wird mithilfe von außen am Auge angesetzten Elektroden jeweils die Spannungsänderung der Stäbchen und Bipolarzellen bei Reizung mit unterschiedlichen Lichtstärken aufgezeichnet. Die Messergebnisse werden in Form von Elektroretinogrammen wiedergegeben. Mithilfe dieses Diagnoseverfahrens wurden normalsichtige Wildtyp-Mäuse und gentechnisch veränderte Mäuse mit ausgeschaltetem TRPM1 -Gen, TRPM1 -K. o.-Mäuse, untersucht. Die Ergebnisse der Experimente sind in Abbildung 3 dargestellt. Der grundsätzliche Ablauf der Fototransduktion ist bei Mäusen und Menschen sehr ähnlich.

Material E: Häufigkeit der CSNB

Die CSNB ist eine extrem seltene Erkrankung. Hochrechnungen zufolge ist in der europäischen Bevölkerung von 400000 Menschen nur einer an CSNB erkrankt.

In einer Studie aus dem Jahr 2019 konnte jedoch nachgewiesen werden, dass die CSNB in einigen vorderasiatischen Gemeinschaften dagegen viel häufiger vorkommt. In diesen Gemeinschaften ist von 6210 Personen im Durchschnitt eine an CSNB erkrankt. Genetische Analysen belegen, dass diese Gemeinschaften ehemals von nur 350 Individuen abstammen.

Material A zeigt einen exemplarischen Stammbaum einer Familie aus dieser Gemeinschaft.

Material F: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Ala · Alanin · Leu · Leucin

Arg · Arginin · Lys · Lysin

Asn · Asparagin · Met · Methionin

Asp · Asparaginsäure · Phe · Phenylalanin

Cys · Cystein · Pro · Prolin

Gln · Glutamin · Ser · Serin

Glu · Glutaminsäure · Thr · Threonin

Gly · Glycin · Trp · Tryptophan

His · Histidin · Tyr · Tyrosin

Ile · Isoleucin · Val · Valin

3. Ermitteln Sie, um welche Mutationstypen es sich handelt, und erläutern Sie, wie sich die Mutationen möglicherweise auf den TRPM1-Ionenkanal auswirken (Materialien C und F). Fassen Sie die in Material D dargestellten Ergebnisse zusammen und entwickeln Sie auf der Grundlage der Materialien A bis D eine Hypothese, welche neurophysiologischen Ursachen der CSNB zugrunde liegen.

(23 Punkte)

a)

b)

c)