Aufgabe 3 - DNA, Proteinbiosynthese und Mutationen · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2022

Thema: Schwefelwasserstofftoleranz bei Zahnkärpflingen

Material A: Atlantik-Kärpflinge in schwefelwasserstoffhaltigen Flussabschnitten

Der Atlantik-Kärpfling ( Poecilia mexicana), der zur Familie der Zahnkärpflinge gehört, lebt in küstennahen Flussabschnitten entlang der Atlantikküste von Nordmexiko bis in die nördlichen Gebiete Costa Ricas. Poecilia mexicana ist eine sehr variable Art, sodass sich die einzelnen Populationen in ihren Merkmalen leicht voneinander unterscheiden.

Einige Populationen des Atlantik-Kärpflings können in schwefelwasserstoffhaltigen und sauerstoffarmen Flussabschnitten im Süden Mexikos überleben. Schwefelwasserstoff (H 2 S) ist ein farbloses und wasserlösliches Gas. Es stammt aus vulkanischen Quellen und kann außerdem unter Sauerstoffmangel bei der Zersetzung organischen Materials gebildet werden. Schwefelwasserstoff ist für die meisten Organismen giftig oder sogar tödlich. Atlantik-Kärpflinge, die in schwefelwasserstoffhaltigen Flussabschnitten überlebensfähig sind, geben den Schwefelwasserstoff über ihr Körpergewebe ab. Die Atlantik-Kärpflinge in schwefelwasserstoffhaltigen Flussabschnitten ernähren sich von den Larven einer bestimmten Zuckmückenart, die ebenfalls schwefelwasserstofftolerant ist. Die Angepasstheiten der schwefelwasserstofftoleranten Fische beruhen auf genetischen Veränderungen in den Populationen.

Material B: COX-Aktivität bei Zahnkärpflingen

Schwefelwasserstoff bindet im aktiven Zentrum der Cytochrom-c-Oxidase (COX), einem zentralen Enzym der Zellatmung. Schwefelwasserstoff blockiert die Bindungsstelle des Enzyms für Sauerstoff und vermindert so die Aktivität der Cytochrom-c-Oxidase. Dadurch kommt es zur Hemmung der gesamten Zellatmung, sodass letztlich die ATP-Gewinnung beeinträchtigt wird.

Die COX-Aktivität unterschiedlicher Populationen von Poecilia mexicana aus zwei verschiedenen Flüssen Mexikos, dem Pichucalco (Pich) und dem Puycatengo (Puy) wurde untersucht (Tabelle 1). Diese Flüsse weisen sowohl nicht-schwefelwasserstoffhaltige als auch schwefelwasserstoffhaltige Abschnitte auf. Neben den Atlantik-Kärpflingen kommen in Mexiko auch Schwefel-Kärpflinge ( Poecilia sulphuraria) vor. Diese leben ausschließlich im schwefelwasserstoffhaltigen Quellbereich des Flusses Pichucalco isoliert von den anderen Zahnkärpflingen. Die Population P. mexicana limantouri stammt aus einem 500 Kilometer entfernten, geografisch getrennten Flusslauf.

Tabelle 1: COX-Aktivität bei Populationen von Zahnkärpflingen mit unterschiedlichem Lebensraum H 2 S-Gehalt · Lebensraum · Art

[Population] · relative COX-Aktivität

ohne H 2 S · bei 0,5 µM H 2 S

H 2 S-frei · Flüsse Mittelamerikas · Poecilia mexicana limantouri · 100 % · 52 %

Puycatengo · Poecilia mexicana mexicana

[Puy –H 2 S] · 100 % · 65 %

Pichucalco · Poecilia mexicana mexicana

[Pich –H 2 S] · 100 % · 27 %

H 2 S-haltig · Puycatengo · Poecilia mexicana mexicana

[Puy +H 2 S] · 100 % · 109 %

Pichucalco · Poecilia sulphuraria · 100 % · 108 %

Material C: Molekulare Veränderungen im cox1 -Gen

Die molekularen Veränderungen der Cytochrom-c-Oxidase wurden genauer untersucht. Dabei wurde das cox1 -Gen bei Zahnkärpflingen analysiert, das für die Untereinheit I der Cytochrom-c-Oxidase codiert. Es handelt sich um ein Gen der mitochondrialen DNA.

Material D: Evolution der Zahnkärpflinge

Um die Verwandtschaftsverhältnisse der verschiedenen Populationen schwefelwasserstofftoleranter und nicht-schwefelwasserstofftoleranter Fische der Gattung Poecilia zu untersuchen, wurde ein phylogenetischer Stammbaum berechnet (Abbildung 1). Dazu wurden mitochondriale DNA-Sequenzen der Fische verwendet. Der letzte gemeinsame Vorfahre aller dargestellten Populationen lebte wahrscheinlich in schwefelwasserstoffarmen Gewässern.

Material E: Codesonne und Tabelle zum mitochondrialen genetischen Code

2. Werten Sie Tabelle 1 unter dem Aspekt der Schwefelwasserstofftoleranz der Zahnkärpflinge aus (Material B). Ermitteln Sie mithilfe von Tabelle 2 die Aminosäuresequenz und den Mutationstyp der schwefelwasserstofftoleranten Zahnkärpflinge (Materialien B, C und E). Entwickeln Sie eine Hypothese, die die veränderte COX-Aktivität der schwefelwasserstofftoleranten Populationen erklärt (Materialien B und C). [20 Punkte]

a)

b)

c)