Aufgabe 5 · Abitur NRW Biologie LK · Mitochondrien 2025

Thema: Enzyme, Stofftransport und Zellatmung · Aus der Prüfung LK · Mitochondrien (2025)

Aufgabenstellung

Material 4: Der Stoff Minozyklin und seine Schutzwirkung auf Mitochondrien

In der neueren medizinischen Forschung gibt es verschiedene Hinweise darauf, dass eine Fehlfunktion der Mitochondrien auch bei der Entstehung der Alzheimer-Demenz eine Rolle spielen kann. Diese Krankheit geht u. a. mit einer erhöhten mitochondrialen Calcium-Ionen-Konzentration einher. Eine erhöhte mitochondriale Calcium-Ionen-Konzentration kann zum Öffnen der sogenannten mitochondrialen Permeabilitätstransitionsporen (mPTP) führen. Eine mPTP ist ein Komplex verschiedener Proteine, die in der inneren und äußeren Mitochondrienmembran lokalisiert sind. Die Öffnung der Poren bewirkt einen starken Anstieg der Permeabilität der inneren Mitochondrienmembran für Moleküle und Ionen. Als Folge des daraus resultierenden ATP-Mangels kann es zum Absterben der Zelle kommen. Erkennbar ist eine Öffnung der mPTP an einem Anschwellen der Mitochondrien, der auf dem osmotisch bedingten Einstrom von Wasser beruht.

In einer Studie wurde die Hypothese untersucht, dass der Stoff Minozyklin (MZ), der seit langer Zeit bereits als Antibiotikum eingesetzt wird, die mPTP blockieren kann. Dazu wurden in einer Versuchsreihe isolierte Mitochondrien aus Rattenleberzellen in einem Untersuchungsmedium kultiviert. Verschiedenen Ansätzen, die mit Minozyklin-Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen (200 µmol/L, 100 µmol/L und 50 µmol/L) versetzt waren, wurde zu einem bestimmten Zeitpunkt jeweils die gleiche Menge einer calciumionenhaltigen Lösung zugesetzt. In allen Fällen wurde das Schwellungsverhalten der Mitochondrien über die Messung der Lichtabsorption der Zellkulturen verfolgt, da ein Anschwellen der Mitochondrien zu einer Abnahme der Lichtabsorption führt. Folgende Ergebnisse wurden erhalten (Abb. 2).

5.1

Erklären Sie den ATP-Mangel in der Zelle, der auf der Öffnung der mitochondrialen Permeabilitätstransitionsporen (mPTP) beruht (M 4). [6 BE]

5.2

Beurteilen Sie, ob die dargestellten Ergebnisse der Untersuchung die Untersuchungshypothese stützen (M 4). [6 BE]

Aufgabenstellung: Aufgabe 5 · Abitur NRW Biologie LK · Mitochondrien 2025

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

Erklären Sie den ATP-Mangel in der Zelle, der auf der Öffnung der mitochondrialen Permeabilitätstransitionsporen (mPTP) beruht (M 4).

Lösung: Öffnung der mPTP → gesteigerte Permeabilität der inneren Mitochondrienmembran für Ionen, damit auch für Protonen → Protonengradient an der inneren Mitochondrienmembran wird abgebaut → geringerer Protonentransport durch ATP-Synthase entlang des Protonengradienten möglich → Triebkraft für ATP-Synthese ist eingeschränkt → ATP-Mangel in der Zelle.

Beurteilen Sie, ob die dargestellten Ergebnisse der Untersuchung die Untersuchungshypothese stützen (M 4).

Lösung: Beim Kontrollansatz bewirkt der Zusatz einer calciumionenhaltigen Lösung eine Abnahme der Lichtabsorption, was auf ein Anschwellen der Mitochondrien und damit auf eine Öffnung der mPTP schließen lässt. Eine durch Ca2+\mathrm{Ca^{2+}}-Ionen ausgelöste Abnahme der Lichtabsorption fällt jedoch umso geringer aus, je höher die Konzentration der zugesetzten Minozyklin-Lösung ist (50 μmol/L50\ \mathrm{\mu mol/L} bis 200 μmol/L200\ \mathrm{\mu mol/L}) → Minozyklin verhindert also anscheinend die Ca2+\mathrm{Ca^{2+}}-induzierte Schwellung von Mitochondrien → dies kann auf einer Blockade der Öffnung der mPTP beruhen → Untersuchungshypothese wird gestützt.

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