Aufgabe 2 - Nervenzelle: Membranpotenziale und Er… · Abitur NRW Biologie LK · Nachtermin · Weiterbildungskolleg 2022

Material A: Das Jervell-und-Lange-Nielsen-Syndrom

Das Jervell-und-Lange-Nielsen-Syndrom (JLNS) ist eine seltene Erkrankung, die bei Menschen zum plötzlichen Herztod führen kann. Typisch für die Erkrankung sind anfallsweise auftretende Herzrhythmusstörungen, die zum Herzrasen bis hin zur Bewusstlosigkeit führen können. Diese Symptome treten bevorzugt bei körperlicher Belastung oder in Stresssituationen auf. Einige Merkmalsträger haben keine Beschwerden und bleiben ohne Symptome. Bei ihnen wird das JLN-Syndrom nur bei zufälligen EKG-Untersuchungen diagnostiziert.

Material B: Molekulargenetische Ursachen des Jervell-und-Lange-Nielsen-Syndroms

Die SSCP-Analyse ist eine besondere Form der Gelelektrophorese, mit der das Vorhandensein von Mutationen in Genen nachgewiesen werden kann. Zunächst wird der zu untersuchende DNA-Abschnitt mittels PCR vervielfältigt. Die DNA wird denaturiert, sodass die komplementären DNA-Doppelstränge in Einzelstränge getrennt werden. Dies geschieht in einer Lösung, welche die Wiederherstellung der doppelsträngigen DNA verhindert. Die beiden Einzelstränge falten sich dann je nach Basensequenz zu einer räumlichen Struktur, die später die Wanderungsgeschwindigkeit des jeweiligen Einzelstrangs im Gel bestimmt. Bereits der Austausch einer einzigen Base kann eine deutliche Änderung der Wanderungsgeschwindigkeit eines Einzelstrangs im Gel bewirken. Während der Gelelektrophorese werden alle Einzelstränge einer Probe, also sowohl codogene als auch nicht-codogene Einzelstränge beider Allele, in einer Spur aufgetrennt.

Bei einer vom Jervell-und-Lange-Nielsen-Syndrom betroffenen Familie wurde eine SSCP-Untersuchung eines Genabschnitts des KCNQ1 -Gens durchgeführt (Abbildung 2). Dieses Gen codiert für ein 676 Aminosäuren langes Kaliumionen-Kanalprotein, das besonders häufig in Herzmuskelzellen exprimiert wird. Es ist an der Ausbildung des für Herzmuskelzellen typischen kardialen Aktionspotentials beteiligt. Im Anschluss an die SSCP-Analyse wurden die Genabschnitte sequenziert (Tabelle 1).

Material C: Auswirkungen der Mutation

Um die Auswirkungen der in Tabelle 1 dargestellten Mutation auf die Funktionsfähigkeit des Kaliumionen-Kanals zu überprüfen, wurden das Normal-Allel und das mutierte Allel des KCNQ1 -Gens jeweils in tierischen Zellen exprimiert. Nach künstlicher Reizung durch Anlegen verschiedener Spannungen wurde die Stärke des jeweiligen Kaliumionen-Stroms gemessen (Abbildung 3).

Abbildung 3 Relativer Kaliumionen-Strom bei Reizung mit unterschiedlicher Spannung

Material D: Das kardiale Aktionspotential

Jeder reguläre Herzschlag wird ausgelöst von einem spontanen elektrischen Impuls, der von einer Gruppe von spezialisierten Zellen im Herzen ausgeht. Von dort breitet sich das kardiale Aktionspotential (Abbildung 4A) sehr schnell über alle Herzmuskelzellen aus. Die einzelnen Herzmuskelzellen besitzen in ihrem Inneren Proteine, die sich nach Auslösung des Aktionspotentials zusammenziehen und dadurch jeweils einen kleinen Beitrag zur Kontraktion des gesamten Herzmuskels leisten.

An der Ausbildung des kardialen Aktionspotentials sind verschiedene Ionenkanäle beteiligt (Abbildung 4B). Diese werden von unterschiedlichen Genen codiert. Das KCNQ1 -Gen codiert für einen der fünf beteiligten Kaliumionen-Kanäle, den $\text{K}_\text{v}7.1$-Kanal.

Abbildung 4 Das kardiale Aktionspotential.

A Verlauf des Aktionspotentials bei einer Herzmuskelzelle;

B Spannungsänderungen während des kardialen Aktionspotentials, aufgeschlüsselt nach den beteiligten Ionenkanälen. Die y-Achse gibt die aus dem jeweiligen Ionenfluss folgende relative Spannungsänderung in Millivolt pro Sekunde an.

Material E: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

3.

Beschreiben Sie die Ergebnisse der Versuche, die in Material C dargestellt sind. Erklären Sie, wie sich die Mutation des KCNQ1 -Gens auf die Funktionsweise des Kaliumionen-Kanals auswirkt (Materialien B und C). [10 Punkte]

4.

Beschreiben Sie, wie ein kardiales Aktionspotential verläuft (Abbildung 4A), und erklären Sie diesen Verlauf anhand von Abbildung 4B (Material D). Erklären Sie, wie sich die Mutation des KCNQ1 -Gens auf den Verlauf des kardialen Aktionspotentials auswirkt (Materialien B bis D). Entwickeln Sie eine Hypothese, die die Symptome des Jervell-und-Lange-Nielsen-Syndroms unter Belastung erklärt (Materialien A, C und D). [20 Punkte]