Aufgabe 2 - DNA, Proteinbiosynthese und Mutationen · Abitur NRW Biologie LK · Nachtermin 2023

Material A: Vererbung der erythropoetischen Protoporphyrie

Die erythropoetische Protoporphyrie (EPP) ist eine seltene, angeborene Erkrankung, bei der schon wenige Minuten in der Sonne ausreichen, um Schmerzen an allen unbedeckten Hautstellen bei betroffenen Personen auszulösen. In der Regel vergehen Tage, bis die Schmerzen nachlassen. Da das sichtbare Licht Verursacher der Symptome ist, helfen Sonnencreme und andere Maßnahmen zum Schutz vor UV-Strahlung nicht. Abbildung 1 zeigt den Stammbaum einer von EPP betroffenen Familie.

Bei EPP kommt es zu einer Störung der Biosynthese von Häm, dem eisenhaltigen Bestandteil des roten Blutfarbstoffs Hämoglobin (Abbildung 2). Eine Anreicherung von Vorläuferstoffen des Hämoglobins verursacht bei Belichtung tief in der Haut liegende Verbrennungssymptome und Schäden an den Blutgefäßen, was die Schmerzen zur Folge hat. Die Konzentration von Protoporphyrin in den roten Blutzellen wurde bei einigen Personen der betroffenen Familie ermittelt (Tabelle 1).

Tabelle 1 Konzentration von Protoporphyrin im Blut von Personen der von EPP betroffenen Familie. Der Normalwert liegt unter $2{,}00\text{ }\mu\text{mol}/\mu\text{l}$. · Protoporphyrin-Konzentration

Person 4 · $23{,}64\text{ }\mu\text{mol}/\mu\text{l}$

Person 7 · $24{,}50\text{ }\mu\text{mol}/\mu\text{l}$

Person 10 · $1{,}16\text{ }\mu\text{mol}/\mu\text{l}$

Material B: Genetische Ursachen der EPP

Das FECH -Gen codiert ein Enzym, dessen Funktion für die Häm-Synthese wichtig ist und bei Fehlfunktion zu EPP führt. Das FECH -Gen umfasst 11 Exons und codiert für insgesamt 423 Aminosäuren. Um die genetische Ursache in einer betroffenen Familie zu ermitteln, wurde eine PCR mit anschließender Sequenzierung des Gens sowohl von nicht betroffenen als auch betroffenen Familienmitgliedern durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.

Material C: Schmerztherapie bei EPP

EPP ist häufig von starken Schmerzen begleitet. Die den Schmerz auslösenden Reize werden über Schmerzsinneszellen, die Nozizeptoren, in Erregung umgewandelt und weitergeleitet. Im Rückenmark erfolgt die Verschaltung auf Folgeneuronen, welche die Signale an das Gehirn weiterleiten, wo die Schmerzempfindung entsteht.

Eine Möglichkeit der Therapie starker Schmerzen ist die Behandlung mit Morphin, das unter anderem auch an den in Abbildung 3 dargestellten Synapsen wirkt. Morphin kann mithilfe von Tabletten verabreicht werden. Das Abhängigkeitspotenzial von Morphin ist hoch, da die Wirkung bei andauernder Anwendung nachlässt und dann die Dosis erhöht werden muss. Bei einer erhöhten Dosis von Morphin wird das Atemzentrum gelähmt. Diese Nebenwirkung wird durch die gleichzeitige Gabe eines anderen Wirkstoffs wie Naloxon verhindert.

Eine Alternative stellt der Wirkstoff Ziconotid dar, der unter anderem die spannungsabhängigen Calciumionen-Kanäle der in Abbildung 3 dargestellten Synapsen blockiert. Ziconotid hilft auch Patienten, bei denen Morphin nicht mehr höher dosiert werden darf. Der Wirkstoff kann über einen längeren Zeitraum eingesetzt werden, da fast keine Gewöhnung erfolgt. Ziconotid muss direkt ins Rückenmark injiziert werden. Nebenwirkungen von Ziconotid sind vorwiegend zentralnervöser Art, dazu gehören Atemnot, Schwindel, Verwirrung, Halluzinationen oder zunehmende Vergesslichkeit.

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Aufgabe 2 (Teilaufgabe 3, Teil): Ermitteln Sie die Aminosäuresequenzen der in Tabelle 2 aufgeführten Abschnitte des FECH -Gens (Materialien B und D). Geben Sie an, um welchen Mutationstyp es sich handelt, und leiten Sie daraus mögliche Auswirkungen der Mutation ab (Materialien A und B).

a)

b)

c)