Aufgabe 3 - Teilaufgabe 2: Proteinbiosynthese und… · Abitur NRW Biologie LK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2022

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. Dort blockiert Schwefelwasserstoff 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 im Labor untersucht (Tabelle 1). Diese Flüsse weisen sowohl nicht-schwefelwasserstoffhaltige als auch schwefelwasserstoffhaltige Abschnitte auf. Die Population P. mexicana limantouri stammt aus einem 500 Kilometer entfernten, geografisch getrennten Flusslauf. 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.

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: Artbildung beim Atlantik-Kärpfling?

Schwefelwasserstofftolerante Atlantik-Kärpflinge unterscheiden sich durch Morphologie und Verhalten von den nicht-schwefelwasserstofftoleranten Populationen. Schwefelwasserstofftolerante P. mexicana besitzen größere Köpfe und eine größere Kiemenfläche. Sie schwimmen sehr oft nah an der Oberfläche der schwefelwasserstoffhaltigen Gewässer. Ihre Pigmentierung ist eher gering, ihnen fehlt auch die typische gelbe Färbung der Schwanzflosse der nicht-schwefelwasserstofftoleranten Populationen.

Die P. mexicana -Weibchen aus nicht-schwefelwasserstoffhaltigen Gewässern bevorzugen Männchen der eigenen Population bei der Partnerwahl, wobei die gelb gefärbte Schwanzflosse eine Signalwirkung ausübt.

Material F: Codesonne und Tabelle zum mitochondrialen genetischen Code

Aufgabe 3 – Teilaufgabe 2

Werten Sie Tabelle 1 hinsichtlich der Toleranz der Zahnkärpflinge gegenüber Schwefelwasserstoff aus (Material B). Ermitteln Sie mithilfe von Tabelle 2 die Aminosäuresequenz und den Mutationstyp bei den toleranten Zahnkärpflingen (Materialien B, C und F). Entwickeln Sie eine Hypothese, die die veränderte COX-Aktivität der schwefelwasserstofftoleranten Populationen erklärt (Materialien B und C).

[20 Punkte]

a)

Auswertung von Tabelle 1: Beschreiben und interpretieren Sie, wie sich Schwefelwasserstoff ($H_2S$) auf die relative COX-Aktivität der einzelnen Zahnkärpfling-Populationen auswirkt, und beziehen Sie dies auf deren Schwefelwasserstofftoleranz.

b)

Ermittlung der Aminosäuresequenzen und Mutationstypen (Tabelle 2 und Material F):

Vergleichen Sie die Tripletts im nicht-codogenen Strang des cox1 -Gens, geben Sie die sich ergebenden Aminosäuren an und bestimmen Sie die vorliegenden Mutationstypen (z. B. stumme Mutationen, Missense-Mutationen).

c)

Hypothesenentwicklung zur COX-Aktivität:

Erklären Sie auf molekularer Ebene (räumliche Struktur des Enzyms, Bindung von $H_2S$ und $O_2$), warum die COX-Aktivität bei den toleranten Fischen durch $H_2S$ nicht gehemmt wird oder sogar geringfügig zunimmt.