Abitur NRW Biologie 2021 · GK · Haupttermin · Weiterbildungskolleg (Kolleg)

Material A: Rotfeuerfische im Westatlantik

Rotfeuerfische stammen ursprünglich aus dem Indopazifik, der aus dem Indischen Ozean und dem zentralen Pazifik besteht. Die beiden Rotfeuerfisch-Arten Pterois miles und Pterois volitans wurden wahrscheinlich unabsichtlich durch den Menschen von dort in den Westatlantik eingeführt.

Rotfeuerfische leben in Korallenriffen. P. miles und P. volitans sehen nahezu identisch aus und sind durch ihre Form und Farbe den Korallen im Riff ähnlich. Dort lauern sie ihrer Beute wie kleinen Fischen und Krebstieren auf. Feinde haben sie im Atlantik nur wenige. Die Weibchen der Rotfeuerfische legen im Jahr bis zu zwei Millionen Eier. Die Rotfeuerfischjungen schlüpfen etwa 36 Stunden nach dem Ablaichen und leben frei schwebend in oberflächennahen Wasserschichten. Oftmals werden sie durch Strömungen weit von ihrem Laichort fortgetragen.

Die Populationsentwicklung der Rotfeuerfische wurde im Westatlantik zwischen 2004 und 2010 an mehreren ausgewählten Riffabschnitten im Rahmen von Tauchgängen untersucht (Abbildung 1). Aufgrund ihrer Ähnlichkeit konnte man nicht zwischen den beiden Rotfeuerfischarten unterscheiden.

Zusätzlich wurde die Veränderung der Biomasse von Fischarten, die entweder zum Beutespektrum der Rotfeuerfische oder zu den Nahrungskonkurrenten zählen, erfasst (Abbildung 2). Magenuntersuchungen der Rotfeuerfische ergaben, dass ihre Nahrung zu 90 % aus kleinen Rifffischen vieler verschiedener Arten besteht.

Material B: Genetischer Fingerabdruck der Rotfeuerfischarten

Lange Zeit war unklar, zu welchen Arten die gesichteten Rotfeuerfische im Westatlantik gehören, weil die morphologische Unterscheidung schwierig ist. Im Jahr 2017 wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem man genetische Fingerabdrücke beider Arten erstellen kann. Dazu wird das 1160 bp lange mitochondriale cytb -Gen der Rotfeuerfische mittels PCR vervielfältigt. Ausschnitte aus der Sequenz des cytb -PCR-Produkts von P. volitans und P. miles sind in Tabelle 1 dargestellt. Das cytb -PCR-Produkt wird anschließend mit dem Restriktionsenzym EcoRV behandelt. EcoRV hat die Erkennungssequenz 5'-GATATC-3'. Nach der Behandlung mit dem Restriktionsenzym wurden die PCR-Produkte mittels Gelelektrophorese analysiert (Abbildung 3). Neben Vertretern von P. miles und P. volitans aus dem Westatlantik wurden auch Individuen von P. miles aus dem Indopazifik untersucht.

Material C: Ausbreitung der Rotfeuerfische

Es wird vermutet, dass die Ausbreitung von Pterois volitans und Pterois miles im Westatlantik auf eine einmalige Einführung von wenigen Tieren beider Arten durch den Menschen zurückzuführen ist. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurde eine mitochondriale DNA-Sequenz mit einer Größe von 680 Basenpaaren von im Westatlantik gefangenen Rotfeuerfischen beider Arten mit denen von Rotfeuerfischen aus dem ursprünglichen Lebensraum der jeweiligen Art verglichen (Tabelle 2).

1. Fassen Sie die Ergebnisse der Untersuchungen aus den Abbildungen 1 und 2 zusammen (Material A). Erklären Sie, was dichteabhängige und dichteunabhängige Faktoren sind, und analysieren Sie anschließend die Entwicklung der Rotfeuerfisch-Populationen an westatlantischen Riffen, die Abbildung 1 zeigt (Material A). Begründen Sie, warum die Rotfeuerfischarten als invasive Arten gelten (Material A).

[21 Punkte]

a)

b)

c)

d)

Material A: Rotfeuerfische im Westatlantik

Rotfeuerfische stammen ursprünglich aus dem Indopazifik, der aus dem Indischen Ozean und dem zentralen Pazifik besteht. Die beiden Rotfeuerfisch-Arten Pterois miles und Pterois volitans wurden wahrscheinlich unabsichtlich durch den Menschen von dort in den Westatlantik eingeführt.

Rotfeuerfische leben in Korallenriffen. P. miles und P. volitans sehen nahezu identisch aus und sind durch ihre Form und Farbe den Korallen im Riff ähnlich. Dort lauern sie ihrer Beute wie kleinen Fischen und Krebstieren auf. Feinde haben sie im Atlantik nur wenige. Die Weibchen der Rotfeuerfische legen im Jahr bis zu zwei Millionen Eier. Die Rotfeuerfischjungen schlüpfen etwa 36 Stunden nach dem Ablaichen und leben frei schwebend in oberflächennahen Wasserschichten. Oftmals werden sie durch Strömungen weit von ihrem Laichort fortgetragen.

Die Populationsentwicklung der Rotfeuerfische wurde im Westatlantik zwischen 2004 und 2010 an mehreren ausgewählten Riffabschnitten im Rahmen von Tauchgängen untersucht (Abbildung 1). Aufgrund ihrer Ähnlichkeit konnte man nicht zwischen den beiden Rotfeuerfischarten unterscheiden.

Zusätzlich wurde die Veränderung der Biomasse von Fischarten, die entweder zum Beutespektrum der Rotfeuerfische oder zu den Nahrungskonkurrenten zählen, erfasst (Abbildung 2). Magenuntersuchungen der Rotfeuerfische ergaben, dass ihre Nahrung zu 90 % aus kleinen Rifffischen vieler verschiedener Arten besteht.

Material B: Genetischer Fingerabdruck der Rotfeuerfischarten

Lange Zeit war unklar, zu welchen Arten die gesichteten Rotfeuerfische im Westatlantik gehören, weil die morphologische Unterscheidung schwierig ist. Im Jahr 2017 wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem man genetische Fingerabdrücke beider Arten erstellen kann. Dazu wird das 1160 bp lange mitochondriale cytb -Gen der Rotfeuerfische mittels PCR vervielfältigt. Ausschnitte aus der Sequenz des cytb -PCR-Produkts von P. volitans und P. miles sind in Tabelle 1 dargestellt. Das cytb -PCR-Produkt wird anschließend mit dem Restriktionsenzym EcoRV behandelt. EcoRV hat die Erkennungssequenz 5'-GATATC-3'. Nach der Behandlung mit dem Restriktionsenzym wurden die PCR-Produkte mittels Gelelektrophorese analysiert (Abbildung 3). Neben Vertretern von P. miles und P. volitans aus dem Westatlantik wurden auch Individuen von P. miles aus dem Indopazifik untersucht.

Material C: Ausbreitung der Rotfeuerfische

Es wird vermutet, dass die Ausbreitung von Pterois volitans und Pterois miles im Westatlantik auf eine einmalige Einführung von wenigen Tieren beider Arten durch den Menschen zurückzuführen ist. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurde eine mitochondriale DNA-Sequenz mit einer Größe von 680 Basenpaaren von im Westatlantik gefangenen Rotfeuerfischen beider Arten mit denen von Rotfeuerfischen aus dem ursprünglichen Lebensraum der jeweiligen Art verglichen (Tabelle 2).

Aufgabenstellung 2

[21 Punkte]

Erklären Sie, nach welchem Grundprinzip eine DNA-Gelelektrophorese funktioniert. Zeichnen Sie in die abgebildeten Sequenzausschnitte (Tabelle 1, Material B) die Erkennungssequenzen von EcoRV ein. Erklären Sie die Bandenmuster, die in Abbildung 3 (Material B) zu sehen sind, und beurteilen Sie, inwiefern sich mit dem gezeigten Verfahren die hier genannten Rotfeuerfische eindeutig nachweisen lassen (Material B).

2.1

2.2

Geben Sie an, in welchen der drei Sequenzen aus Tabelle 1 die EcoRV-Erkennungssequenz enthalten ist und an welchen Stellen jeweils geschnitten wird bzw. welche Größe die entstehenden Fragmente haben.

2.3

2.4

Material A: Rotfeuerfische im Westatlantik

Rotfeuerfische stammen ursprünglich aus dem Indopazifik, der aus dem Indischen Ozean und dem zentralen Pazifik besteht. Die beiden Rotfeuerfisch-Arten Pterois miles und Pterois volitans wurden wahrscheinlich unabsichtlich durch den Menschen von dort in den Westatlantik eingeführt.

Rotfeuerfische leben in Korallenriffen. P. miles und P. volitans sehen nahezu identisch aus und sind durch ihre Form und Farbe den Korallen im Riff ähnlich. Dort lauern sie ihrer Beute wie kleinen Fischen und Krebstieren auf. Feinde haben sie im Atlantik nur wenige. Die Weibchen der Rotfeuerfische legen im Jahr bis zu zwei Millionen Eier. Die Rotfeuerfischjungen schlüpfen etwa 36 Stunden nach dem Ablaichen und leben frei schwebend in oberflächennahen Wasserschichten. Oftmals werden sie durch Strömungen weit von ihrem Laichort fortgetragen.

Die Populationsentwicklung der Rotfeuerfische wurde im Westatlantik zwischen 2004 und 2010 an mehreren ausgewählten Riffabschnitten im Rahmen von Tauchgängen untersucht (Abbildung 1). Aufgrund ihrer Ähnlichkeit konnte man nicht zwischen den beiden Rotfeuerfischarten unterscheiden.

Zusätzlich wurde die Veränderung der Biomasse von Fischarten, die entweder zum Beutespektrum der Rotfeuerfische oder zu den Nahrungskonkurrenten zählen, erfasst (Abbildung 2). Magenuntersuchungen der Rotfeuerfische ergaben, dass ihre Nahrung zu 90 % aus kleinen Rifffischen vieler verschiedener Arten besteht.

Material B: Genetischer Fingerabdruck der Rotfeuerfischarten

Lange Zeit war unklar, zu welchen Arten die gesichteten Rotfeuerfische im Westatlantik gehören, weil die morphologische Unterscheidung schwierig ist. Im Jahr 2017 wurde ein Verfahren entwickelt, mit dem man genetische Fingerabdrücke beider Arten erstellen kann. Dazu wird das 1160 bp lange mitochondriale cytb -Gen der Rotfeuerfische mittels PCR vervielfältigt. Ausschnitte aus der Sequenz des cytb -PCR-Produkts von P. volitans und P. miles sind in Tabelle 1 dargestellt. Das cytb -PCR-Produkt wird anschließend mit dem Restriktionsenzym EcoRV behandelt. EcoRV hat die Erkennungssequenz 5'-GATATC-3'. Nach der Behandlung mit dem Restriktionsenzym wurden die PCR-Produkte mittels Gelelektrophorese analysiert (Abbildung 3). Neben Vertretern von P. miles und P. volitans aus dem Westatlantik wurden auch Individuen von P. miles aus dem Indopazifik untersucht.

Material C: Ausbreitung der Rotfeuerfische

Es wird vermutet, dass die Ausbreitung von Pterois volitans und Pterois miles im Westatlantik auf eine einmalige Einführung von wenigen Tieren beider Arten durch den Menschen zurückzuführen ist. Zur Überprüfung dieser Hypothese wurde eine mitochondriale DNA-Sequenz mit einer Größe von 680 Basenpaaren von im Westatlantik gefangenen Rotfeuerfischen beider Arten mit denen von Rotfeuerfischen aus dem ursprünglichen Lebensraum der jeweiligen Art verglichen (Tabelle 2).

3. Erklären Sie, was man unter dem Begriff Gendrift versteht, und prüfen Sie anhand von Tabelle 2, ob die in Material C formulierte Hypothese zur Einschleppung der Rotfeuerfischarten in den Westatlantik zutrifft. (12 Punkte)

a)

b)

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

Thema: Familiäre hemiplegische Migräne (FHM)

1.

Ermitteln Sie anhand von Material A den Erbgang der familiären hemiplegischen Migräne (FHM), indem Sie die übrigen Erbgänge mit Begründung ausschließen. [7 Punkte]

Geben Sie anhand von Material A die Genotypen der Personen 2, 4, 5, 14, 15 und 21 an. Nutzen Sie dabei A für das dominante und a für das rezessive Allel. [3 Punkte]

2.

Stellen Sie die wichtigsten Schritte der PCR dar und erklären Sie, welche Aufgabe die Primer in diesem Verfahren haben. [10 Punkte]

Ermitteln Sie zu den Nukleotidsequenzen in Tabelle 1 jeweils die passenden Aminosäuresequenzen (Materialien B und D). [3 Punkte]

Ermitteln Sie anhand der Materialien B und D den Mutationstyp. [3 Punkte]

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

Aufgabe 2 (Teil 2): Proteinbiosynthese und Mutation

Ermitteln Sie zu den in Tabelle 1 abgebildeten Nukleotidsequenzen jeweils die entsprechenden Aminosäuresequenzen sowie die Art der Mutation (Materialien B und D).

a)

b)

c)

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]

Material A: Ökologie von Buntbarschen und Synodontis multipunctatus im Tanganjika-See

Der Tanganjika-See ist der zweitgrößte See in Afrika. Er zeichnet sich durch eine große Vielfalt dort lebender Fischarten aus. Ein Großteil der im Tanganjika-See vorkommenden Fischarten sind Buntbarsche, darunter die beiden maulbrütenden Arten Ctenochromis horei sowie Simochromis diagramma. Als Maulbrüter nehmen die Weibchen befruchtete Eier ins Maul auf und brüten diese dort aus. Nach dem Schlüpfen verbleiben die Jungen noch eine Weile im Maul der Mutter und ernähren sich weiterhin vom Nahrungsvorrat des Eis, dem Dottersack.

Der ebenfalls im Tanganjika-See heimische Kuckucks-Fiederbartwels ( Synodontis multipunctatus) ist ein Brutparasit unterschiedlicher maulbrütender Buntbarsch-Arten. S. multipunctatus -Gruppen attackieren die Buntbarsche während des Ablaichens. Währenddessen legen S. multipunctatus -Weibchen ihre eigenen befruchteten Eier in das Gelege der Buntbarsche. Durch die Attacken von S. multipunctatus gestresste Buntbarsch-Weibchen nehmen die „Kuckuckseier“ mit ihrem eigenen Gelege ins Maul und brüten alle Eier gemeinsam aus. Die Jungfische von S. multipunctatus können sich nicht von den Eiern der Buntbarsche ernähren, aber von geschlüpften Buntbarsch-Jungen sowie deren Dottersack. Dabei wird mitunter die gesamte Brut der parasitierten maulbrütenden Buntbarsche vernichtet.

Die Entwicklung von S. multipunctatus und C. horei wurde näher untersucht (Abbildung 1 und Tabelle 1). Die Größe der Embryonen bzw. der Jungfische wurde anhand der Länge der Rückensaite ermittelt, die ein Maß für die Körperlänge darstellt.

Tabelle 1 Vergleich der Entwicklung von S. multipunctatus und C. horei. Alle Zeitangaben beziehen sich auf den Zeitpunkt der Befruchtung. Ereignis · S. multipunctatus · C. horei

Schlüpfen · am 2. Tag · am 5. Tag

Dottersack aufgebraucht · nach dem 5. Tag · nach dem 21. Tag

selbstständige Ernährung · nach dem 5. Tag · nach dem 21. Tag

Entlassung aus dem Maul · nach dem 21. Tag · nach dem 21. Tag

Material B: Experimentelle Untersuchungen des Brutparasitismus

Einige maulbrütende Buntbarsch-Arten zeigen ein Ei-Ablehnungsverhalten. Dies bedeutet, dass sie fremde, aber auch eigene Eier nach der Aufnahme ins Maul wieder ausspucken. Der Brutparasitismus zwischen S. multipunctatus und zwei maulbrütenden Buntbarsch-Arten wurde experimentell untersucht. Die Experimente wurden in Aquarien mit nachgezüchteten Fischen durchgeführt. Untersucht wurden zwei maulbrütende Buntbarsch-Arten, die beide potenzielle Wirte für S. multipunctatus sind. Dabei verwendete man Fische der Art S. diagramma, die in der Natur mit S. multipunctatus gemeinsam im Tanganjika-See vorkommt. Haplochromis aeneocolor, die zweite untersuchte Art, kommt nur in anderen afrikanischen Seen vor, in denen S. multipunctatus nicht vorkommt. In allen Experimenten wurden Weibchen beider Buntbarsch-Arten verwendet, die zu Versuchsbeginn bereits arteigene Eier im Maul bebrüteten.

In einem Versuch wurden Weibchen befruchtete Eier von S. multipunctatus mithilfe einer Pipette ins Maul injiziert (Abbildung 2). Es wurde das Ablehnungsverhalten gegenüber den Eiern von S. multipunctatus innerhalb der ersten 24 Stunden nach der Injektion untersucht.

Außerdem wurde der Bruterfolg von S. multipunctatus untersucht (Abbildung 3). 100 % Bruterfolg bedeuteten, dass mindestens ein S. multipunctatus -Jungfisch pro Wirtsweibchen lebendig aus dem Maul entlassen wurde.

Material C: Evolution der Fiederbartwelse im Tanganjika-See

Im Tanganjika-See leben mindestens neun morphologisch ähnliche Arten der Gattung Synodontis. Neben S. multipunctatus ist auch der Großaugen-Kuckucks-Fiederbartwels S. grandiops im Tanganjika-See heimisch. Um die Verwandtschaftsverhältnisse der Arten aufzuklären, wurden vergleichende DNA-Sequenzanalysen durchgeführt und zur Konstruktion eines phylogenetischen Stammbaums genutzt (Abbildung 4).

1. Fassen Sie die Daten aus Abbildung 1 und Tabelle 1 zusammen und erklären Sie, welche Vorteile Synodontis multipunctatus aus dem Brutverhalten und der Entwicklung von Ctenochromis horei zieht (Material A).

[12 Punkte]

Material A: Ökologie von Buntbarschen und Synodontis multipunctatus im Tanganjika-See

Der Tanganjika-See ist der zweitgrößte See in Afrika. Er zeichnet sich durch eine große Vielfalt dort lebender Fischarten aus. Ein Großteil der im Tanganjika-See vorkommenden Fischarten sind Buntbarsche, darunter die beiden maulbrütenden Arten Ctenochromis horei sowie Simochromis diagramma. Als Maulbrüter nehmen die Weibchen befruchtete Eier ins Maul auf und brüten diese dort aus. Nach dem Schlüpfen verbleiben die Jungen noch eine Weile im Maul der Mutter und ernähren sich weiterhin vom Nahrungsvorrat des Eis, dem Dottersack.

Der ebenfalls im Tanganjika-See heimische Kuckucks-Fiederbartwels ( Synodontis multipunctatus) ist ein Brutparasit unterschiedlicher maulbrütender Buntbarsch-Arten. S. multipunctatus -Gruppen attackieren die Buntbarsche während des Ablaichens. Währenddessen legen S. multipunctatus -Weibchen ihre eigenen befruchteten Eier in das Gelege der Buntbarsche. Durch die Attacken von S. multipunctatus gestresste Buntbarsch-Weibchen nehmen die „Kuckuckseier“ mit ihrem eigenen Gelege ins Maul und brüten alle Eier gemeinsam aus. Die Jungfische von S. multipunctatus können sich nicht von den Eiern der Buntbarsche ernähren, aber von geschlüpften Buntbarsch-Jungen sowie deren Dottersack. Dabei wird mitunter die gesamte Brut der parasitierten maulbrütenden Buntbarsche vernichtet.

Die Entwicklung von S. multipunctatus und C. horei wurde näher untersucht (Abbildung 1 und Tabelle 1). Die Größe der Embryonen bzw. der Jungfische wurde anhand der Länge der Rückensaite ermittelt, die ein Maß für die Körperlänge darstellt.

Tabelle 1 Vergleich der Entwicklung von S. multipunctatus und C. horei. Alle Zeitangaben beziehen sich auf den Zeitpunkt der Befruchtung. Ereignis · S. multipunctatus · C. horei

Schlüpfen · am 2. Tag · am 5. Tag

Dottersack aufgebraucht · nach dem 5. Tag · nach dem 21. Tag

selbstständige Ernährung · nach dem 5. Tag · nach dem 21. Tag

Entlassung aus dem Maul · nach dem 21. Tag · nach dem 21. Tag

Material B: Experimentelle Untersuchungen des Brutparasitismus

Einige maulbrütende Buntbarsch-Arten zeigen ein Ei-Ablehnungsverhalten. Dies bedeutet, dass sie fremde, aber auch eigene Eier nach der Aufnahme ins Maul wieder ausspucken. Der Brutparasitismus zwischen S. multipunctatus und zwei maulbrütenden Buntbarsch-Arten wurde experimentell untersucht. Die Experimente wurden in Aquarien mit nachgezüchteten Fischen durchgeführt. Untersucht wurden zwei maulbrütende Buntbarsch-Arten, die beide potenzielle Wirte für S. multipunctatus sind. Dabei verwendete man Fische der Art S. diagramma, die in der Natur mit S. multipunctatus gemeinsam im Tanganjika-See vorkommt. Haplochromis aeneocolor, die zweite untersuchte Art, kommt nur in anderen afrikanischen Seen vor, in denen S. multipunctatus nicht vorkommt. In allen Experimenten wurden Weibchen beider Buntbarsch-Arten verwendet, die zu Versuchsbeginn bereits arteigene Eier im Maul bebrüteten.

In einem Versuch wurden Weibchen befruchtete Eier von S. multipunctatus mithilfe einer Pipette ins Maul injiziert (Abbildung 2). Es wurde das Ablehnungsverhalten gegenüber den Eiern von S. multipunctatus innerhalb der ersten 24 Stunden nach der Injektion untersucht.

Außerdem wurde der Bruterfolg von S. multipunctatus untersucht (Abbildung 3). 100 % Bruterfolg bedeuteten, dass mindestens ein S. multipunctatus -Jungfisch pro Wirtsweibchen lebendig aus dem Maul entlassen wurde.

Material C: Evolution der Fiederbartwelse im Tanganjika-See

Im Tanganjika-See leben mindestens neun morphologisch ähnliche Arten der Gattung Synodontis. Neben S. multipunctatus ist auch der Großaugen-Kuckucks-Fiederbartwels S. grandiops im Tanganjika-See heimisch. Um die Verwandtschaftsverhältnisse der Arten aufzuklären, wurden vergleichende DNA-Sequenzanalysen durchgeführt und zur Konstruktion eines phylogenetischen Stammbaums genutzt (Abbildung 4).

Aufgabe 3 – Teilaufgabe 2

Fassen Sie die Ergebnisse der Versuche zusammen, die in den Abbildungen 2 und 3 gezeigt werden (Material B).

Entwickeln Sie eine Hypothese, die das Ablehnungsverhalten von Simochromis diagramma unter dem Gesichtspunkt der reproduktiven Fitness erklärt (Materialien A und B).

Geben Sie eine Definition für den Begriff Coevolution an.

Prüfen Sie mithilfe der Materialien A und B, inwiefern die Evolution des Brutparasitismus von S. multipunctatus und der mit ihm zusammen lebenden maulbrütenden Buntbarsche als Coevolution anzusehen ist (Materialien A und B).

[26 Punkte]

a)

b)

c)

d)

Material A: Ökologie von Buntbarschen und Synodontis multipunctatus im Tanganjika-See

Der Tanganjika-See ist der zweitgrößte See in Afrika. Er zeichnet sich durch eine große Vielfalt dort lebender Fischarten aus. Ein Großteil der im Tanganjika-See vorkommenden Fischarten sind Buntbarsche, darunter die beiden maulbrütenden Arten Ctenochromis horei sowie Simochromis diagramma. Als Maulbrüter nehmen die Weibchen befruchtete Eier ins Maul auf und brüten diese dort aus. Nach dem Schlüpfen verbleiben die Jungen noch eine Weile im Maul der Mutter und ernähren sich weiterhin vom Nahrungsvorrat des Eis, dem Dottersack.

Der ebenfalls im Tanganjika-See heimische Kuckucks-Fiederbartwels ( Synodontis multipunctatus) ist ein Brutparasit unterschiedlicher maulbrütender Buntbarsch-Arten. S. multipunctatus -Gruppen attackieren die Buntbarsche während des Ablaichens. Währenddessen legen S. multipunctatus -Weibchen ihre eigenen befruchteten Eier in das Gelege der Buntbarsche. Durch die Attacken von S. multipunctatus gestresste Buntbarsch-Weibchen nehmen die „Kuckuckseier“ mit ihrem eigenen Gelege ins Maul und brüten alle Eier gemeinsam aus. Die Jungfische von S. multipunctatus können sich nicht von den Eiern der Buntbarsche ernähren, aber von geschlüpften Buntbarsch-Jungen sowie deren Dottersack. Dabei wird mitunter die gesamte Brut der parasitierten maulbrütenden Buntbarsche vernichtet.

Die Entwicklung von S. multipunctatus und C. horei wurde näher untersucht (Abbildung 1 und Tabelle 1). Die Größe der Embryonen bzw. der Jungfische wurde anhand der Länge der Rückensaite ermittelt, die ein Maß für die Körperlänge darstellt.

Tabelle 1 Vergleich der Entwicklung von S. multipunctatus und C. horei. Alle Zeitangaben beziehen sich auf den Zeitpunkt der Befruchtung. Ereignis · S. multipunctatus · C. horei

Schlüpfen · am 2. Tag · am 5. Tag

Dottersack aufgebraucht · nach dem 5. Tag · nach dem 21. Tag

selbstständige Ernährung · nach dem 5. Tag · nach dem 21. Tag

Entlassung aus dem Maul · nach dem 21. Tag · nach dem 21. Tag

Material B: Experimentelle Untersuchungen des Brutparasitismus

Einige maulbrütende Buntbarsch-Arten zeigen ein Ei-Ablehnungsverhalten. Dies bedeutet, dass sie fremde, aber auch eigene Eier nach der Aufnahme ins Maul wieder ausspucken. Der Brutparasitismus zwischen S. multipunctatus und zwei maulbrütenden Buntbarsch-Arten wurde experimentell untersucht. Die Experimente wurden in Aquarien mit nachgezüchteten Fischen durchgeführt. Untersucht wurden zwei maulbrütende Buntbarsch-Arten, die beide potenzielle Wirte für S. multipunctatus sind. Dabei verwendete man Fische der Art S. diagramma, die in der Natur mit S. multipunctatus gemeinsam im Tanganjika-See vorkommt. Haplochromis aeneocolor, die zweite untersuchte Art, kommt nur in anderen afrikanischen Seen vor, in denen S. multipunctatus nicht vorkommt. In allen Experimenten wurden Weibchen beider Buntbarsch-Arten verwendet, die zu Versuchsbeginn bereits arteigene Eier im Maul bebrüteten.

In einem Versuch wurden Weibchen befruchtete Eier von S. multipunctatus mithilfe einer Pipette ins Maul injiziert (Abbildung 2). Es wurde das Ablehnungsverhalten gegenüber den Eiern von S. multipunctatus innerhalb der ersten 24 Stunden nach der Injektion untersucht.

Außerdem wurde der Bruterfolg von S. multipunctatus untersucht (Abbildung 3). 100 % Bruterfolg bedeuteten, dass mindestens ein S. multipunctatus -Jungfisch pro Wirtsweibchen lebendig aus dem Maul entlassen wurde.

Material C: Evolution der Fiederbartwelse im Tanganjika-See

Im Tanganjika-See leben mindestens neun morphologisch ähnliche Arten der Gattung Synodontis. Neben S. multipunctatus ist auch der Großaugen-Kuckucks-Fiederbartwels S. grandiops im Tanganjika-See heimisch. Um die Verwandtschaftsverhältnisse der Arten aufzuklären, wurden vergleichende DNA-Sequenzanalysen durchgeführt und zur Konstruktion eines phylogenetischen Stammbaums genutzt (Abbildung 4).

3. Begründen Sie die Eignung von Nukleotidsequenzen zur Analyse von phylogenetischen Verwandtschaftsbeziehungen zwischen Lebewesen und analysieren Sie den Stammbaum der Synodontis -Arten auch unter Berücksichtigung ihres Laichverhaltens (Material C). [16 Punkte]

a)

b)