Aufgabe HT 3 - 2: DNA, Proteinbiosynthese und Mutationen · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2022

Material A: Ivermectin

Hunde können von Parasiten wie Läusen, Milben oder Zecken befallen werden. Zur Bekämpfung dieser Parasiten wird zum Beispiel Ivermectin eingesetzt. Ivermectin ist ein Neurotoxin, das insbesondere auf Wirbellose tödlich wirkt. Es bindet an Glutamat-gesteuerte Chloridionen-Kanäle in der postsynaptischen Membran und öffnet sie dauerhaft. Glutamat-gesteuerte Chloridionen-Kanäle kommen nur bei Wirbellosen vor.

Auf Wirbeltiere wirkt Ivermectin weniger toxisch und wird daher auch bei Hunden zur Bekämpfung parasitären Befalls angewendet. Es ist ein fettlöslicher Wirkstoff, der durch die Zellmembran diffundiert. Er reichert sich in Leber und Fettgewebe der behandelten Tiere an und wird von dort langsam freigesetzt. Der Wirkstoff zirkuliert dann in geringer Menge im Blut der behandelten Tiere und wird von den Parasiten aufgenommen.

Material B: Überempfindlichkeit gegen Ivermectin

Ivermectin kann bei höheren Konzentrationen auch an GABA-gesteuerte Chloridionen-Kanäle bei Wirbeltieren binden und diese aktivieren. Insbesondere im Zentralnervensystem von Wirbeltieren kann dies zu neurotoxischen Effekten führen.

Bei Collies und anderen Hunderassen wurden nach einer Behandlung mit Ivermectin häufig Symptome wie Bewegungsstörungen, Krämpfe und Benommenheit bis hin zu Komazuständen beobachtet. Da nicht alle Hunde einer Rasse gleichermaßen davon betroffen sind, wurden die individuellen Ursachen für diese Überempfindlichkeit analysiert.

Die Ursache dieser Überempfindlichkeit konnte auf eine Veränderung im MDR1 -Gen zurückgeführt werden. Um Erkenntnisse über die Funktion von MDR1 bei Säugetieren zu gewinnen, wurden Experimente mit Mäusen durchgeführt. Es handelte sich um Wildtyp-Mäuse und gentechnisch veränderte Mäuse, deren MDR1 -Gen ausgeschaltet worden war. Bei beiden Gruppen wurden nach Behandlung mit Ivermectin die Wirkstoff-Konzentrationen in verschiedenen Geweben bestimmt (Tabelle 1).

Das MDR1 -Gen codiert bei Säugetieren das Transportprotein MDR1. Es transportiert unter ATP-Verbrauch körperfremde Stoffe aus den Zellen zurück ins Blut, sodass sie abtransportiert werden können. MDR1 kommt auch in den Zellen der Blutgefäßwände der Blut-Hirn-Schranke vor. Die Blut-Hirn-Schranke lässt selektiv nur bestimmte Stoffe aus dem Blut in das Gehirn und grenzt so das Zentralnervensystem gegen das Blut ab.

Material C: MDR1 -Mutation bei Collies

Genetische Analysen des MDR1 -Gens bei Collies, die gegenüber Ivermectin überempfindlich sind, zeigten die in Tabelle 2 dargestellten Ergebnisse. Das gesamte MDR1-Protein hat eine Länge von 1281 Aminosäuren.

Material D: Nachweis der MDR1 -Allele

Die Ivermectin-Überempfindlichkeit wird autosomal-rezessiv vererbt. Mithilfe der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) wurden DNA-Proben verschiedener Hunde untersucht. Die jeweiligen Primer-Paare sowie die erwartete Größe der vervielfältigten Fragmente sind in Abbildung 1 dargestellt. Die Ergebnisse einer Gelelektrophorese der PCR-Produkte zeigt Abbildung 2.

Material E: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

2. Vergleichen Sie, wie sich Ivermectin auf die einzelnen Gewebe der Mäuse verteilt (Tabelle 1), und leiten Sie daraus die Funktion des MDR1-Proteins bei Säugetieren ab (Materialien A und B). Ermitteln Sie die Aminosäuresequenz der DNA-Sequenzen aus Tabelle 2 und bestimmen Sie den Mutationstyp (Materialien C und E). Erläutern Sie, welche Folgen sich für das MDR1-Protein und für die betroffenen Hunde ergeben (Materialien A bis C). [24 Punkte]

a)

b)

Ermitteln Sie mithilfe von Tabelle 2 und der Codesonne (Material E) die Aminosäuresequenzen ab Triplett 73:

c)