Aufgabe 2 - Synapse und Neurobiologie · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg 2021

Material A: Die Vererbung der familiären hemiplegischen Migräne (FHM)

Migräne zählt zu den häufigsten neurologischen Erkrankungen. Kennzeichen von Migräne sind wiederkehrende anfallsartige Kopfschmerzen, die von zusätzlichen Symptomen wie Übelkeit, Erbrechen und Lichtempfindlichkeit begleitet sein können.

Man unterscheidet zwischen Migräne ohne Aura und Migräne mit Aura. Als Aura bezeichnet man hauptsächlich visuelle Störungen wie Verlust des räumlichen Sehens, Verzerrungen von Formen und Farben oder andere sensorische Wahrnehmungsstörungen. Mithilfe von bildgebenden Verfahren kann man bei diesen Patienten beobachten, wie sich die Aura über bestimmte Bereiche des Großhirns langsam als Depolarisationswelle ausbreitet. Eine Aura tritt bei etwa 20 % der Migränepatienten auf und kündigt Stunden zuvor einen Migräneanfall an.

Die äußerst selten auftretende familiäre hemiplegische Migräne (FHM) ist bisher die einzige Migräneform, die sich auf eine genetische Ursache zurückführen lässt. Sie zeichnet sich durch lange, mehrstündige Auren und zusätzliche motorische Störungen während des Migräneanfalls aus, die sich in einer halbseitigen Lähmung äußern. Von einer betroffenen Familie wurde ein Stammbaum erstellt (Abbildung 1).

Material B: Molekulargenetische Analyse der FHM

Die FHM wird anhand der ursächlichen Mutationen in mehrere Unterformen eingeteilt. Mutationen im Gen CACNA1A führen zur FHM des Typs 1. Das CACNA1A -Gen codiert den an der Präsynapse vorkommenden spannungsgesteuerten Calciumionen-Kanal Cav2.1.

Von den Mitgliedern der von FHM betroffenen Familie, deren Stammbaum in Abbildung 1 dargestellt ist, wurden DNA-Proben entnommen. Mittels PCR wurde dann ein Bereich des CACNA1A -Gens vervielfältigt und anschließend sequenziert (Tabelle 1).

Tabelle 1: Ausschnitt aus der Nukleotidsequenz des CACNA1A -Gens einer gesunden Person im Vergleich zu einer an FHM erkrankten Person.

Dargestellt ist jeweils der nicht-codogene DNA-Strang.

5' → · Triplett-Nummer · → 3'

663 · 664 · 665 · 666 · 667 · 668 · 669 · 670

Normalallel · CAG · ATC · CTG · ACG · GGC · GAA · GAA · GAC

Mutiertes Allel · CAG · ATC · CTG · ATG · GGC · GAA · GAA · GAC

Material C: Erregungsweiterleitung an glutamatergen Synapsen im Großhirn

Die während einer Aura zu beobachtende Depolarisationswelle bei FHM-Patienten betrifft vor allem Nervenzellen im Großhirn, die durch den erregend wirkenden Neurotransmitter Glutamat gesteuert werden. Die Synapsen dieser Zellen werden glutamaterg genannt. Die Aminosäure Glutamat ist in allen proteinhaltigen Nahrungsmitteln enthalten und wird in Fertiggerichten, Soßen oder Marinaden als Geschmacksverstärker zugesetzt. Migränepatienten wird häufig angeraten, die Glutamataufnahme durch die Nahrung zu reduzieren.

In den Zellmembranen dieser Synapsen findet sich der spannungsgesteuerte Calciumionen-Kanal Cav2.1, der vom CACNA1A -Gen codiert wird. Um zu klären, welche Auswirkungen eine CACNA1A -Mutation auf die Erregungsweiterleitung hat, wurde künstlich eine Mutation im Gen erzeugt. Sowohl das unveränderte Wildtyp-Allel als auch das mutierte Allel des Cav2.1-Ionenkanals wurden im Labor in menschliche Zelllinien eingebracht und dort exprimiert. Die so veränderten Zellen wurden durch Anlegen einer Reizspannung mit unterschiedlichen Stärken gereizt. Der daraus resultierende Ionenstrom durch den Cav2.1-Ionenkanal wurde jeweils gemessen. Aus allen Messungen berechnete man die Offenwahrscheinlichkeit eines Calciumionen-Kanals in Prozent bei unterschiedlicher Reizung (Abbildung 2).

Die Offenwahrscheinlichkeit eines Kanals bezeichnet den Anteil der Zeit, in der der Kanal geöffnet ist und den Durchtritt von Ionen ermöglicht. Eine Offenwahrscheinlichkeit von 100 % bedeutet somit, dass der Kanal während des gesamten Messzeitraums geöffnet ist.

Material D: Codesonne und Tabelle zum genetischen Code

Teilaufgabe 3: Synapse, Neurophysiologie und Bewertung

a)

Beschreiben Sie, wie eine Erregung an einer erregenden chemischen Synapse weitergeleitet wird. [7 Punkte]

b)

Fassen Sie die Ergebnisse zusammen, die Abbildung 2 zeigt (Material C). [7 Punkte]

c)

Erläutern Sie, welche Folgen die Mutation im CACNA1A -Gen auf neurophysiologischer Ebene haben kann (Materialien A und C). [9 Punkte]

d)

Nehmen Sie Stellung zur Empfehlung, bei Migräneanfällen weniger Glutamat über die Nahrung aufzunehmen (Materialien A und C). [5 Punkte]