Tiere tanken Sonne - asset.klett.de · 3 Aus einem Tumor von HENRIETTA LACKS entnommene Zellen werden bis zum heutigen Tag in Laboren auf der ganzen Welt für Forschungszwecke genutzt,

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Illustrator: Wolfgang Herzig, EssenFoto: Imago (OceanPhoto), Berlin

1 Beschreiben Sie die Ergebnisse der in Abb. 2 dargestellten Versuchsreihe.

2 Erklären Sie die in der Abbildung dargestellten Befunde. Beziehen Sie sich dabei auch auf den im Text angesprochenen Gewichtsverlust der Tiere.

3 Stellen Sie jeweils eine begründete Hypothese auf, wie sich das Gewicht von Plakobranchus ocellatus und Cyerce antillensis während des Hungerversuches bei unterschiedlicher Beleuchtungsstärke ändern würde.

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Tiere tanken Sonne

Pflanzliche Zellen besitzen Chloroplasten. Der sich in Chloro-plasten befindliche Farbstoff Chlorophyll verleiht ihnen ihre grüne Farbe. Chlorophyll und andere Farbstoffe fangen das Sonnenlicht ein, das für den Aufbau energiereicher, organischer Substanzen in Form von Glucose benötigt wird.

Schlundsackschnecken sind meist nur wenige Millimeter bis Zentimeter lang, haben aber eine sehr auffällige Form und Farbe. Sie leben zwischen Algen und ernähren sich auch von diesen. Der hierbei aufgenommene Farbstoff Chlorophyll ist durch ihre dünne Membran sichtbar und lässt sie grün erscheinen.

Die Schnecke ist damit in ihrem Lebensraum optimal vor Fressfeinden geschützt. Wissenschaftler vermuten, dass die mit der Nahrung aufgenommenen Chloroplasten lange im Körper der Schnecke aktiv sind und daher auch, wie bei Pflanzen, zur Energiegewinnung genutzt werden.

Hungerversuche mit verschiedenen Schnecken In einer Versuchsreihe wurden verschiedene Schlundsackschnecken (Cyerce antillensis, Elysia ornata, Elysia crispata und Plakobranchus ocellatus), die sich von Grünalgen ernähren, und von denen man weiß, dass sie Chloroplasten einlagern können, auf Diät gesetzt. Zu Beginn des Versuches wurden die Schnecken ausgiebig mit Grünalgen gefüttert, anschließend stand ihnen für mehrere Tage kein Futter mehr zur Verfügung. Die Ergebnisse dieser Versuchsreihe sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Aufgrund der fehlenden Möglichkeit zur Nahrungsaufnahme schrumpften die Schnecken mit der Zeit. In der Versuchsreihe mit den vier untersuchten Schlundsackschnecken konnte außerdem gezeigt werden, dass Plakobranchus ocellatus und Elysia crispata am Ende der Hungerphase weniger Gewicht verloren hatten als Cyerce antillensis und Elysia ornata. Je länger eine Fotosyntheseaktivität bei den Tieren nachgewiesen werden konnte, desto geringer war ihr Gewichtsverlust.

1 Schlundsackschnecke (Elysia zuleicae)

Foto

synt

hese

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)

(Hunger-)Zeit in Tagen

0,8

Cyerce antillensis

Elysia ornata

Elysia crispata

Plakobranchus ocellatus0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42

2 Fotosyntheseaktivität während Hungerversuchen bei Schlundsackschnecken

NATURA_LB Fachhochschulreife 049003

1. 1 Cytologie

ARBEITSBLATT Tiere tanken SonneLösungen 1 In Abb. 2 sind die Ergebnisse eines Hungerversuchs mit vier verschiedenen Schlundsack-

schnecken-Arten dargestellt. Auf der x-Achse ist die Anzahl der Hungertage gekennzeich-net, die y-Achse zeigt die gemessene Fotosyntheseaktivität in relativen Werten (rel. W.). Cyerce antillensis hat im Vergleich zu den anderen Arten die geringste Fotosyntheseak-tivität. Ihr Ausgangswert liegt bei einer Fotosyntheseaktivität von 0,2 und sinkt bis zum 8. Tag kontinuierlich auf 0 ab. Die Ausgangs-Fotosynthesewerte von Elysia ornata und Elysia crispata liegen zu Beginn des Hungerversuchs identisch bei 0,7. Beide Kurven sinken linear. Die Fotosyntheseaktivi-tät von Elysia ornata fällt jedoch drastischer ab. Ab dem 16. Tag liegt der Wert bei 0, es ist keine Fotosyntheseaktivität mehr messbar. Die Fotosyntheseaktivität von Elysia crispata sinkt langsamer. Am Ende des Versuchs nach 40 Tagen ist immer noch eine Fotosyntheseaktivität von 0,1 messbar. Die Fotosyntheseaktivität der Schlundsackschnecke Plakobranchus ocellatus sinkt nur sehr gering linear. Ihr Ausgangswert liegt bei einer Fotosyntheserate von ca. 0,75. Nach 42 Tagen ist immer noch eine Fotosyntheseaktivität von 0,7 messbar.

2 Der geringe Ausgangswert der Fotosyntheseaktivität und das vergleichsweise schnelle, drastische Sinken des Wertes lässt vermuten, dass Cyerce antillensis nicht in der Lage ist, die im Körper vorhanden Chloroplasten langfristig zur Energieaufnahme zu nutzen. Die Fotosyntheseaktivität zu Beginn des Hungerversuches zeigt, dass die im Körper befind-lichen Chloroplasten generell aktiv sein können, was zu einer Energiegewinnung führt, jedoch kann Cyerce antillensis die Chloroplasten nicht langfristig im Körper halten. Eine andauernde Aufnahme von Chloroplasten mit der Nahrung ist daher notwendig, um die Fotosyntheseaktivität aufrecht zu erhalten. Aufgrund dieses Sachverhaltes zeigt Cyerce antillensis im Hungerversuch den größten Gewichtsverlust. Die höheren Ausgangswerte der Fotosyntheseaktivität von Elysia ornata und Elysia crispata sprechen für eine bessere Nutzbarkeit der durch die Nahrung aufgenommenen Chloroplasten. Elysia ornata ist im Vergleich zu Cyerce antillensis zumindest kurzfristig in der Lage, Chloroplasten einzulagern. Der etwas geringere Gewichtsverlust spricht eben-falls dafür, dass mithilfe der eingelagerten Chloroplasten Energie gewonnen werden kann. Die Fotosyntheseaktivität bei Elysia crispata sinkt zwar auch kontinuierlich, jedoch ist sie nach 40 Tagen immer noch messbar, ein Teil der Chloroplasten ist auch nach dieser Zeit noch fotosynthetisch aktiv. Nach ungefähr 23 Tagen ist erst ca. die Hälfte der Chloroplas-ten nicht mehr im Organismus vorhanden. Der wiederum geringere Gewichtsverlust im Vergleich zu Elysia ornata und Cyerce antillensis spricht dafür, dass mithilfe der Chloro-plasten Energie gewonnen werden kann, obwohl die Schnecke keine Nahrung in Form von Grünalgen zu sich nimmt. Plakobranchus ocellatus kann mit der Nahrung aufgenommene Chloroplasten langfristig nutzen, wie die nach über 40 Tagen immer noch sehr hohe Fotosyntheseaktivität zeigt. Der Gewichtsverlust ist minimal, was dafür spricht, dass auch ohne Nahrungsaufnahme Energie mithilfe der Chloroplasten gewonnen werden kann. Die Schnecke kann also über einen langen Zeitraum ohne Nahrung auskommen und wie Pflanzen Energie mithilfe des Sonnenlichtes gewinnen.

3 Alle vier Arten nehmen Chloroplasten über die Nahrung auf und speichern diese im Kör-per. Jedoch hat der Hungerversuch gezeigt, dass die Chloroplasten unterschiedlich lang im Körper gehalten werden können. Mögliche begründete Hypothesen: • Eine unterschiedliche Beleuchtungsstärke hat keinen Einfluss auf das Gewicht von Cyerce antillensis, da diese Schneckenart nur eine sehr geringe Fotosyntheseaktivität zeigt, die nach kürzester Zeit (8 Tage) auf 0 absinkt. Der Gewichtsverlust des Tieres ist unabhängig von der Beleuchtungsstärke. • Das Gewicht von Plakobranchus ocellatus kann durch unterschiedliche Beleuchtungs- stärken beeinflusst werden. Findet der Hungerversuch im Dunkeln statt, so zeigt das Tier einen hohen Gewichtsverlust, da keine Energie mithilfe der Chloroplasten gewonnen werden kann. Je mehr Licht zur Verfügung gestellt wird, desto geringer ist der Gewichtsverlust, da die Chloroplasten Licht zur Energiegewinnung benötigen.


Illustrator: Wolfgang Herzig, EssenFoto: Science Photo Library (Paves, Heiti), München

1 Beschreiben Sie die in Abb. 2 dargestellten Ergebnisse von HAYFLICK und MOORHEAD auf Zellebene.

2 Skizzieren Sie die Wachstumskurve einer HeLa-Zelllinie und vergleichen Sie diese mit Abb. 2.

3 Nehmen Sie Stellung zu der in einem Zeitungsartikel veröffentlichten Formulierung „Die unsterbliche HENRIETTA LACKS“.

4 Benennen Sie mögliche Vor- und Nachteile bei der Verwendung einer in-vitro-Zellkultur.

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Zellkulturen

Für die Erforschung von Zellen werden tierische oder pflanz-liche Zellen aus einem Gewebe oder Zellverband entnommen und in ein geeignetes Nährmedium gegeben. Das Nährmedium verfügt über optimale Bedingungen des ausgewählten Zelltyps und gewährleistet, dass die Zellen außerhalb des Organismus (in-vitro) am Leben bleiben und sich vermehren können. Dies wird auch als Zellkultur bezeichnet. Die sich in einer Zellkultur vermehrenden Zellen werden Zelllinie genannt.

Lange Zeit war unklar, wie oft sich Zellen in einer Zellkultur tei-len können. Man ging davon aus, dass dies generell unbegrenzt möglich ist. Gestützt wurde diese Vermutung durch im Jahr 1951 isolierte Zellen aus einem Tumor der Patientin HENRIETTA LACKS. Aus diesen menschlichen Zellen konnte eine Zelllinie etabliert werden, die bis zum heutigen Tag in Laboren auf der ganzen Welt für Forschungszwecke genutzt wird. Die Zelllinie ist unsterblich, die Zellen werden nach HENRIETTA LACKS als HeLa-Zellen bezeichnet.

Knapp 10 Jahre später, im Jahr 1961, veröffentlichten die beiden Wissenschaftler LEONARD HAYFLICK und PAUL SIDNEY MOORHEAD, dass Zellen bis zu ihren Tod 50 ±10 Verdopplungen durchlaufen. Sie ermittelten hierfür die tatsächliche Anzahl von Zellgenerationen verschiedener menschlicher Zellen bis hin zu ihrem Tod und stell-ten dies grafisch dar. Ihre Erkenntnis ist heute als Hayflick-Grenze bekannt.

1 Lichtmikroskopische Aufnahme von HeLa-Zellen

2 Hayflick-Grenze

rela

tive

Zel

lzah

l pro

Kul

tur

10 2 3

Phase I

Monate

Phase II

Phase III

4 5 6 7 8 9 10 11 12

NATURA_LB Fachhochschulreife 049003 Illustrator: Wolfgang Herzig, Essen

1. 1 Catologie

ARBEITSBLATT ZellkulturenLösungen 1 Die Phase I stellt den Beginn der Zelllinie dar. Es werden einzelne Zellen aus eine

Gewebe entnommen und in ein geeignetes Nährmedium überführt. Dies ist die erste Generation, die sich jedoch zu diesem Zeitpunkt noch nicht verdoppelt hat. Deshalb ist keine Wachstumsrate am Koordinatensystem ablesbar. Unter optimalen Bedingungen verdoppeln sich die Zellen nach und nach, die Zahl der Zellen steigt an. Nicht alle Zellen verdoppeln sich zu einem identischen Zeitpunkt, weshalb die Kurve kontinuierlich an-steigt. Dies ist die Phase II in der Abb. 1. Ab einem gewissen Punkt verdoppeln sich die vorhandenen Zellen nicht weiter. Die Zellzahl steigt daher nicht weiter an sondern fällt nach und nach wieder bis auf 0 ab. Mit Beginn der Phase III haben die Zellen ihre maximale Anzahl an Verdopplungen von ca. 50 erreicht und sterben nach und nach ab.

2 Wachstumskurve mit identischem Anfang (Phase I und Hälfte Phase II): Phase I und Beginn der Phase II ist bei beiden Zelllinien identisch. Die HeLa-Zelllinie hat aufgrund ihrer Unsterblichkeit jedoch keine begrenzte Anzahl an möglichen Zellverdopp-lungen und kann sich unbegrenzt weiter teilen. Die Phase III und sogenannte Hayflick-Grenze gibt es somit nicht.

3 Aus einem Tumor von HENRIETTA LACKS entnommene Zellen werden bis zum heutigen Tag in Laboren auf der ganzen Welt für Forschungszwecke genutzt, da es sich hierbei um eine potenziell unsterbliche Zelllinie handelt. Man kann also davon sprechen, dass die HeLa-Zelllinie unsterblich ist, da sich die Zellen unendlich oft verdoppeln können. HENRIETTA LACKS, die Spenderin, ist jedoch selber nicht unsterblich. Genaugenommen handelt es sich bei den entnommenen Zellen nur bedingt um ursprüngliche Zellen des menschlichen Organismus. Diese besitzen im Regelfall eine Hayflick-Grenze. Die dem Tumor entnommenen Zellen besitzen diese ursprüngliche Eigenschaft aber nicht.

4 s. Tabelle

Vorteile Nachteile

Gleiche Rahmenbedingungen für alle Expe-rimente können gewährleistet werden.

Die Zelllinie entstammt von einem einzelnen Orga-nismus, wodurch Ergebnisse nicht von vorne herein für alle Individuen der Art verallgemeinert werden können.

Einfache Möglichkeit außerhalb eines Organismus physiologische Prozesse analy-sieren zu können, ohne die Komplexität des Organismus einbeziehen zu müssen.

In-vitro werden zwar viele physiologische Prozesse innerhalb der Zelle und des Zellverbandes aufrecht erhalten, komplexere Interaktionen mit umliegenden Geweben bzw. anderen Bereichen des Organismus können aber nicht betrachtet werden.

Die genaue Analyse der begrenzten Teilungsfähigkeit vieler Zelllinien lässt Rückschlüsse hinsichtlich eines Alterungs-prozesses zu.

Begrenze Teilungsfähigkeit vieler Zelllinien, begrenzt den Zeitraum der experimentellen Phase.

1 HeLa Zellwachstum

rela

tive

Zel

lzah

l pro

Kul

tur

10 2 3

Phase I

Monate

Phase II

∞

4 5 6 7 8 9 10 11 12


Illustratoren: Wolfgang Herzig, Essen Stefan Leuchtenberg, Augsburg

1 Beschreiben Sie anhand von Abb. 2, welche Aufgaben die Kernlamina übernimmt.

2 Erklären Sie mithilfe von Abb. 1 und 2, welche Folgen defekte Lamin A-Proteine für den Zellkern haben.

3 Analysieren Sie den Einfluss von Remodelin auf den Zellkern.

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Zellkerne außer Form

Das Hutchinson-Gilford-Progerie-Syndrom (HGPS) ist eine Krankheit, bei der kranke Kinder im Vergleich zu gesunden fünf- bis zehnmal schneller altern und schon im Kindesalter an Haarausfall, Wachstumsstörungen, Knochenschwund sowie Herz- und Kreislauf-Erkrankungen, wie Arteriosklerose (Arterienverkalkung) leiden. Die Ursache hierfür ist eine kleine Veränderung auf dem Gen, das die Information für einen der Hauptbestandteile der Kernlamina beinhaltet, dem sogenannten Lamin A-Protein. Die Folgen sind unter anderem defekte Lamin A-Proteine, die in die Kernlamina eingebaut werden und so deren Stabilität herabsetzen.

1 Normaler Zellkern (links), Patient mit HGPS (rechts)

2 Aufgaben der Kernlamina

3 Die Wirkung von Remodelin

4 Zellkernmembran

Kernpore

Nucleolus

Chromosom

CytoplasmaCytoskelett

Proteinkomplex LINC äußere

Zellkernmembran

innereZellkernmembran

Kernlamina mit Lamin-A

Chromosom in Formvon Chromatinfäden

Protein

Kernhülle

verf

orm

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ellk

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(in

%)

0

20

40

60

80

gesunde Person

ohne Gabe von Remodelinmit Gabe von Remodelin

Patient 1 Patient 2

HGPS-Patient

Remodelin ohne Remodelin normaler Zellkern

Lamin

Wissenschaftler haben ein Enzym namens Remodelin entdeckt, das in ersten Versuchen vielversprechenden Einfluss auf defor-mierte Zellkerne zeigte. In Abb. 3 und 4 sind einige der Versuchsergebnisse dargestellt.

10 μm


1. 1 Cytologie

ARBEITSBLATT Zellkerne außer FormLösungen 1 Es gibt Proteine in der Kernlamina, die Chromosomen an sich binden können. Die Kern-

lamina ist zusätzlich über den Proteinkomplex LINC mit dem Cytoskelett im Cytoplasma verbunden.

2 In Abb. 1 ist deutlich zu erkennen, dass der Zellkern mit defekten Lamin A-Proteinen seine ursprüngliche rundliche Form verloren hat. Stattdessen sind unförmige Ausbuchtungen erkennbar. Abb. 1 lässt darauf schließen, dass die in Abb. 2 sichtbare Verbindung der Kernlamina mit dem Cytoskelett über den Proteinkomplex LINC überhaupt nicht mehr oder nur teilweise vorhanden ist, wenn Lamin A defekt ist. Auch an den Strukturen im Zellkerninneren gibt es wahrscheinlich Unterschiede, da die Kernlamina auch mit den Chromosomen in Verbindung steht. Im Zellkern des HGPS-Patienten sind zusätzliche Strukturen im oberen Bereich des Zellkerns sichtbar. Dies könnte dafür sprechen, dass auch die anderen in Aufgabe 1 beschriebenen Funktionen der Kernlamina teilweise eingeschränkt sind, wobei eine genauere Zuordnung anhand des gegebenen Materials nicht möglich ist.

3 Abb. 3 zeigt den Einfluss von Remodelin auf die Anzahl an verformten Zellkernen in Prozent bei gesunden Zellen und zwei Patienten mit HGPS. Gesunde Zellen haben von vornherein nur einen geringen Prozentsatz (ca. 5 %) an verformten Zellkernen. Die Zu- gabe von Remodelin bewirkt eine leichte Verbesserung des Wertes auf ca. 4 %. Patient 1 hat etwa 62 % verformte Zellkerne. Dieser Wert wird durch die Zugabe von Remodelin auf ca. 38 % herabgesetzt. Auch bei Patient 2 wirkt sich das Remodelin positiv auf die Anzahl der verformten Zellkerne aus. Die ursprünglich 78 % verformte Zellkerne konn-ten auf etwa 50 % herabgesetzt werden. Remodelin reduziert also das Auftreten von verformten Zellkernen. In Abb. 4 ist das Vorkommen von Lamin A im Normalzustand und unter Zugabe von Remodelin dargestellt. Der normale Zellkern zeigt eine rundliche Form. Der Zellkern eines HGPS-Patienten besitzt im Gegensatz dazu keine klare rundli-che Form sondern hat unregelmäßige Ausbuchtungen. Nach der Zugabe von Remodelin nimmt der Zellkern des HGPS-Patienten ebenfalls eine rundliche, typische Form an, die sich nicht vom normalen Zellkern unterscheidet. Die Versuche zeigen deutlich, dass das Enzym Remodelin die verformte Zellkernstruktur aufgrund des defekten Lamin A positiv beeinflussen kann und bei einem gewissen Teil an Zellkernen die typische Zellkernform wiederherstellen kann.


Illustrator: Wolfgang Herzig, Essen

Mitotische Katastrophen

Die Zelle besitzt Mechanismen, die Schäden, z. B. an der DNA, erkennen. Oftmals führt das Erkennen von Feh-lern dazu, dass der Zellzyklus gestoppt wird, um diese zu beheben. Hierbei kann es passieren, dass die Zelle den Zellzyklus in der G2-Phase trotz unvollständiger Reparaturmaßnahmen nicht länger anhalten kann. Eine mitotische Katastrophe, die meist zum Zelltod führt, bahnt sich an.

Wissenschaftler haben herausgefunden, dass neben Schäden an der DNA auch der Abbau von Proteinen des Centrosoms zu einer mitotischen Katastrophe führen kann. Die Folge fehlender centrosomaler Proteine ist eine von der Norm abweichende Gestalt des Spindelapparats. Um Proteine identifizieren zu können, deren Ausfall eine mitotische Katastrophe auslösen kann, wurden diese in einem ersten Experiment während der Interphase und der Metaphase (M-Phase) der Mitose markiert.

a) Aurora A b) TACC3 c) PCM-1

1 Vorkommen centrosomaler Proteine während der Interphase und M-Phase der Mitose

Im weiteren Verlauf der Versuchsreihe wurde der Einfluss der ausgewählten centrosomalen Proteine auf das Aussehen des Spindelapparates analysiert. Dafür wurde eine festgelegte Anzahl von Zellen experimentell verändert. Ihnen fehlte entweder das Protein Aurora A, TAAC3 oder PCM-1. Außerdem wurde nach 48 Stunden ermittelt, in welchem Stadium des Zellzyklus sich die Zellen befinden. Die Zellen haben unter den angege-benen Bedingungen den Zellzyklus nach 48 Stunden einmal durchlaufen und befinden sich größtenteils in der G1-Phase (s. Kontrollgruppe, der keine Proteine entfernt wurden).

a) Kontrolle b) Aurora A c) TACC3 d) PCM-1

2 Auswirkung fehlender centrosomaler Proteine auf den Spindelapparat und den Zellzyklus

1 Beschreiben Sie das Vorkommen der drei centrosomalen Proteine Aurora A, TACC3 und PCM-1 während der Interphase und der M-Phase.

2 Erläutern Sie, welchen Einfluss das Ausschalten der Proteine jeweils auf das Aussehen des Spindel- apparats und den Zellzyklus hat.

3 Formulieren Sie jeweils eine begründete Hypothese, inwiefern die im Material dargestellten Versuchs-ergebnisse (Aurora A, TACC3 und PCM-1) Hinweise auf einen möglichen Zelltod liefern.

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Interphase M-Phase

Aurora A TACC3

Interphase M-Phase Interphase M-Phase

PCM-1

An

zah

l der

Zel

len

Cytokinese

G1

G2/MS

An

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Zel

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Cytokinese

G1

G2/MS

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Cytokinese

G1

G2/MS

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Cytokinese

G1

G2/MS


1. 1 Cytologie

ARBEITSBLATT Mitotische KatastrophenLösungen 1 Aurora A ist während der Interphase kaum am Centrosom sichtbar. Nur an einer Stelle ist

das Protein vorhanden. In der M-Phase ist Aurora aber deutlich nachweisbar. Es befindet sich an beiden Centrosomen der Spindelpole und an dem davon ausgehenden oberen Abschnitt der Mikrotubuli des Spindelapparats. Das Protein TACC3 ist während der Interphase gleichmäßig in der ganzen Zelle verteilt. Es ist keine Anordnung in Richtung der Centrosomen zu erkennen. Erst in der M-Phase befindet sich TACC3 an den Centrosomen und den gesamten Mikrotubuli des Spindel-apparats. PCM-1 befindet sich während der Interphase an den Centrosomen und im Bereich um die Centrosomen herum. In der M-Phase ist PCM-1 in den Zwischenräumen zu erkennen. Es befindet sich weder an den Mikrotubuli des Spindelapparats noch an den Centrosomen.

2 Der Kontrollversuch zeigt einen optimal ausgebildeten Spindelapparat. Nach 48 Stunden befindet sich der überwiegende Teil der Zellen in der G1-Phase, was der Norm entspricht. Einige wenige Zellen wurden in der G2/M-Phase gestoppt, da es immer zu unvorherseh-baren Fehlern kommen kann, die den Zellzyklus anhalten. Wird Aurora A ausgeschaltet, sind lediglich ungeordnete Strukturen erkennbar, es hat sich kein erkennbarer Spindelapparat ausgebildet. Da sich das Protein Aurora A in der M-Phase vorrangig an den Centrosomen, von denen die Ausbildung des Spindelapparats initiiert wird, und dem oberen Bereich der Mikrotubuli befindet, liegt die Vermutung nahe, dass der Prozess der Ausbildung frühzeitig chaotisch abläuft, da der Beginn der Mikrotubuli-Ausbildung gestört wird. Die Folge ist, dass keine Mitose stattfinden kann, da die fehlerhaft ausgebildeten Mikrotubuli ihrer Aufgabe, die Chromosomen auf die Tochterzellen zu verteilen, nicht nachkommen können. 48 Stunden nach dem Abschalten von Aurora A befindet sich deshalb ein Großteil der Zellen in der G2/M-Phase, was dafür spricht, dass viele Zellen aufgrund der detektierten Fehler den Zellzyklus spätestens in der M-Phase gestoppt wurden. Ohne TACC3 zeigt der Spindelapparat eine veränderte Polarität. Anstatt zwei Centroso-men an den Spindelpolen, gibt es drei Centrosomen die Mikrotubuli ausbilden. Die Folge ist, dass alle drei Centrosomen Chromosomen zu sich ziehen, was eine Fehlverteilung der Chromsomen auf die Tochterzellen nach sich zieht. Ein Teil der Zellen wird daher schon während der G2/M-Phase gestoppt. Der Großteil der Zellen wird jedoch in der G1-Phase angehalten. Da sich jedoch auch die Zelle der Kontrollgruppe nach 48 Stunden in der G1-Phase befinden, kann keine konkrete Differenzierung des Ergebnisses vorgenommen werden. Vermutlich detektiert erst der Kontrollpunkt in der G1-Phase die Fehlverteilung (nicht am G2- oder M-Kontrollpunkt), da sich alle für die Mitose benötigten Komponen-ten gebildet haben und die Mitose an sich erst einmal ablaufen konnte. Das ausgeschaltete PCM-1 hat keine Auswirkungen auf den Ablauf der Mitose. Der Spin- delapparat wird wie bei den nicht manipulierten Zellen ausgebildet und die Mitose fin-det statt. Die meisten Zellen befinden sich nach 48 Stunden regulär in der G1-Phase. Wie auch in der Kontrollgruppe wird ein geringer Anteil an Zellen aufgrund zufällig auftreten-der Defekte in der G2/M-Phase gestoppt.

3 Vermutlich wird bei Zellen ohne Aurora A zeitnah der Zelltod eingeleitet. Das Protein entfaltet seine Wirkung direkt zu Beginn der Mitose, durch sein Fehlen kann sich kein Spindelapparat ausbilden, weshalb die Zelle schon am Kontrollpunkt zwischen Meta- und Anaphase gestoppt wird. Ohne TACC3 kann sich ein Spindelapparat ausbilden, der jedoch eine andere Polarität aufweist. Die einzelnen Schritte der Mitose können erst einmal ablaufen, sodass am Kontrollpunkt nach der Metaphase nur ein Teil der Zellen gestoppt wird. Die anschließen-de Kontrolle vor Beginn der S-Phase, erkennt aber die meist fehlerhafte Chromosomen-verteilung, was zur Einleitung des Zelltods führt. Jedoch ist die Zelltod-Rate geringer, weil die Möglichkeit besteht, dass Chromosomen richtig auf die Tochterzellen verteilt werden. Das ist bei Aurora A ausgeschlossen. Das fehlende PCM-1 führt zu keiner erhöhten Zelltod-Rate und die Ergebnisse sind iden-tisch mit der Kontrollgruppe. Viele Zellen verlieren nach der Mitose ihre Teilungsfähigkeit und verharren in der G1-Phase. Die Experimente haben keine Auffälligkeiten hinsichtlich einer möglichen mitotischen Katastrophe gezeigt.



1 Beschreiben Sie den Ablauf der Versuchsreihe in Abb. 1.

2 Formulieren Sie eine Fragestellung, die mithilfe des Versuches beantwortet werden könnte.

3 Analysieren Sie die Versuchsergebnisse der Abb. 2 — 4.

4 Beurteilen Sie, ob man bei Chlamydomonas reinhardtii-Zellhaufen von vielzelligen Einzellern sprechen kann.

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Vielzellige Einzeller

Die Entwicklung von einzelligen Organismen zu Vielzellern brachte viele Vorteile mit sich, z. B. die Möglichkeit größere Organismen mit gesteigerter Komplexität hervorzubringen. Die Frage nach dem „Wie“ beschäftigt Wissenschaftler aber noch immer. Ein erster Schritt hin zum Vielzeller ist das Bilden eines Zellhaufens, der von einer Hülle (extrazelluläre Matrix) umschlossen ist. Wissenschaftler wollen diesen evolutionären Schritt hin zu komplexeren Lebensformen im Labor simulieren. Die einzellige Grünalge Chlamydomonas reinhardtii wird hierfür einer Stress-Situation ausgesetzt. Ziel ist es herauszufinden, inwieweit sie aufgrund der verän-derten Lebensbedingungen ihren Lebenszyklus anpasst und Zellhaufen bildet.

Reagenzglas

C. reinhardtiiin 5 ml Medium

Versuchsreihe 1(Kontrolle)



Versuchsreihe 2

Inkubations-schüttler

alle 3 — 4 Tage(~ 5 — 6 Zellzyklen)

ein/aus

Rotationen pro Minute

Pipettierhilfe

bewegen der Lösung durch4 x pumpen mit Pipettierhilfe

wirdentsorgt

bewegen der Lösung durch4 x pumpen mit Pipettierhilfe

10 Sekundenbei 500 rpm zentrifugiert

wirdentsorgt

Pipettierhilfe

100 μl 100 μl

1 Ablauf Stress-Versuch (73 Durchläufe)

4 Überlebende Tochterzellen

3 Überlebenswahrscheinlichkeit im Medium

2 Entwicklungszyklus (nach 73 Durchläufen)

Wah

rsch

einl

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eit

zu ü

berl

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1,00

0,75

0,25

00 20 40 60 80 100

0,50

Anzahl an Zellen

Entnahme von 100 μl Bodensatz

ca. 72 — 96 h

0 — 24 h24 — 72 h

Transferin frisches

Medium (O h)

über

lebe

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terz

elle

n

60

45

15

01 2 4 8 16 32

30

Größe des Zellhaufens bei Vermehrung

Die Analyse der Versuchsreihe 2 zeigte, dass das zentrifugierte Medium im Vergleich zum Kontrollversuch eine größere Zahl an Zellhaufen hervorbringt. Aus dieser Versuchsreihe ergaben sich weitere Erkenntnisse, die in den Abbildungen 2 — 4 dargestellt sind.


1. 1 Cytologie

ARBEITSBLATT Vielzellige EinzellerLösungen 1 Versuchsreihe 1 (Kontrolle):

Zu Beginn des Versuches befinden sich einzellige Grünalgen (C. reinhardtii) in einem Medium (5 ml). Dieses Medium wird in einem Inkubationsschüttler bei einer Temperatur von 25 °C und 123 rpm (Rotationen pro Minute) aufbewahrt. Alle 3 — 4 Tage, nachdem sich ca. 5 — 6 Zellzyklen vollzogen haben, wird das Medium „bearbeitet“. Mithilfe einer Pipettierhilfe wird das Medium durch 4-maliges Pumpen durchmischt, der entstandene Bodensatz löst sich dadurch. Anschließend werden 100 μl des Mediums entnommen und in ein neues Medium gegeben. Der Rest wird verworfen. Der Ablauf beginnt von vorne. Versuchsreihe 2: Der Ablauf der Versuchsreihe 2 ist bis zum Durchmischen der Lösung identisch. Anschlie-ßend wird das Reagenzglas für 10 Sekunden bei 500 rpm zentrifugiert. Das Medium wird bis auf die letzten 100 μl des Bodens entsorgt. Die entnommenen 100 μl werden in ein neues Medium gegeben und der Ablauf beginnt von vorne.

2 Führt der Stressfaktor Zentrifugieren dazu, dass sich vermehrt Zellhaufen bilden, da einzelne Zellen aufgrund der schnellen Rotationsbewegungen eine geringere Überle-benschance haben? Hat das Zentrifugieren einen Einfluss auf die Erscheinungsform der Grünalge?

3 Nachdem 100 μl Bodensatz in ein neues Medium überführt wurden, verlassen viele Zellen innerhalb der ersten 24 Stunden einen bestehenden Zellverband und bewegen sich aktiv fort. Aus einer abgewanderten Zelle entstehen nach 24 — 72 Stunden neue Zellhaufen. In Abb. 2 ist zu erkennen, dass der Zellverband von einer gallertartigen Hülle umgeben ist und nicht von einer Zellwand der Mutterzelle. Die Abb. 3 verdeutlicht, dass die Wahrscheinlichkeit, unter Stress zu überleben, stark ansteigt, je mehr Zellen sich im Verband befinden. Ab einer Anzahl von ca. 70 Einzellern liegt die Überlebensrate bei 100 %. Das Bilden eines Zellhaufens stellt in dieser Situation für den einzelnen Organismus einen klaren Vorteil dar. Einzeller, die nicht Teil eines Zell-haufens sind, haben nur eine Überlebenschance von etwa 10 %. In der Abb. 4 ist die Zahl der überlebenden Tochterzellen bei der Vermehrung in Relation zur Anzahl der Zellen im Zellhaufen dargestellt. Je mehr Zellen Teil des Zellhaufens sind, desto weniger Tochterzellen überleben. Die Grafik verdeutlicht, dass die Einzeller reproduktiv erfolgreicher sind, je kleiner die Gruppe ist. Der Erfolg ist am größten, wenn die Orga-nismen in ihrer Ursprungsform als reine Einzeller auftreten. Schon eine Ansammlung von zwei Zellen führt zu einer halbierten Überlebenschance der Tochterzellen. Dieses Ergebnis erklärt, warum sich einzelne Zellen nach dem Übergang in ein neues Medium von dem Zellhaufen lösen, um neue Zellhaufen zu bilden. Die Abb. 3 und 4 verdeutlichen, dass die äußeren Umstände ausschlaggebend für die Zellen sind. Unter schwierigen Bedingungen, wie z. B. Zentrifugieren, ist eine Anordnung im Zellverband mit mindestens 70 Zellen optimal. Dies wirkt sich jedoch aufgrund von limitierten Ressourcen negativ auf die Anzahl der Tochterzellen aus. Unter optimalen Bedingungen trifft man daher die Zellen eher einzeln an, da hier die größte Überlebens-chance für die Tochterzellen besteht.

4 Einzeller haben die Eigenschaft, dass alle Lebensvorgänge von einer einzigen Zelle ausgeführt werden. Vielzeller besitzen im Gegensatz dazu mehrere angepasste Zelltypen mit unterschiedlichen Aufgaben. Geht man von dieser grundlegenden Kategorisierung aus, dann sind die beobachteten Zellhaufen immer noch als Einzeller einzuschätzen. Es gibt keine differenzierten Zelltypen und die einzelnen Zellen sind in der Lage, sich vom Zellverband zu lösen, um Tochterzellen zu bilden. Trotzdem ist es möglich, dass es sich bei dem beobachteten Phänomen um einen ersten Schritt hin zur Vielzelligkeit handelt. Die extrazelluläre Matrix ermöglicht einen Stoffaustausch zwischen den einzelnen Individuen. Außerdem ergeben sich große Vorteile in Phasen ungünstiger Umweltbedingungen. Dies könnte den Weg von einer dauerhaften Allianz zu einem vielzelligen Organismus ebnen.



1 Benennen Sie mithilfe des Texts die Herausforderungen, die mit dem steigenden Fleischkonsum ver-bunden sind.

2 Beschreiben Sie das Vorgehen zur Herstellung einer Wurst aus in-vitro-Fleisch mithilfe von Abb. 1.

3 Stellen Sie eine Hypothese auf, warum für die Herstellung von in-vitro-Fleisch multipotente Körper-stammzellen und keine embryonalen Stammzellen verwendet werden.

4 Erörtern Sie, inwiefern sich in-vitro-Fleisch als alternative Fleischquelle durchsetzen kann und über-legen Sie sich einen weitere alternativen Lösungsansatz, dem steigenden Fleischkonsum gerecht zu werden.

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Steaks aus der Petrischale

Viele Menschen essen gerne Fleisch und konsumieren regelmäßig Fleischprodukte. Die immer weiter stei-gende Weltbevölkerung und der wachsende Wohlstand einzelner Bevölkerungsgruppen führen zu einer vermehrten Nachfrage nach Fleisch. Studien haben ergeben, dass der Fleischkonsum pro Einwohner und Jahr in Indien zwar lediglich 3 kg beträgt. In China aber konsumiert jeder Einwohner im Durchschnitt 60 kg Fleisch im Jahr. Der Fleischkonsum in Deutschland liegt bei 87 kg je Einwohner im Jahr und zu den Spitzenreitern gehören die USA, mit einem Pro-Kopf-Verbrauch von 126 kg Fleisch im Jahr. Die Tendenz ist steigend, wodurch mehr Ressourcen, wie Weideflächen, benötigt werden. Die Folge sind Umweltschäden, wie abgeholzte Re-genwälder und Gülle im Grundwasser.

Schon 1930 schrieb WINSTON CHURCHILL (britischer Premierminister, 1874 — 1965) in einem Buch: „In 50 Jahren werden wir der Unsinnigkeit entkommen, ein ganzes Hühnchen zu züchten, nur um eine Brust oder einen Flügel zu essen, indem wir diese Teile separat in einem geeigneten Medium heranzüchten.“ Laut einer Studie der Universität Oxford benötigt die Produktion von Kunstfleisch 96 % weniger Wasser und zwischen 35 — 60 % weniger Energie im Vergleich zu echtem Fleisch. Zusätzlich werden bis zu 95 % weniger Treibhausgase freige-setzt.

Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten daran, den steigenden Bedarf an Fleisch zu decken, ohne dabei weiter dem Klima zu schaden. Sie versuchen daher Fleisch außerhalb des Organismus (in-vitro), im Labor herzustellen.

1

multipotente Körperstammzelle

Zermahlenund Hinzufügenvon Gewürzen

in Formpressen

Muskelgewebe

2 33 4

5 6 7 8

Gerüst

Elektrizität undGewichtstraining

Wachstums-faktor

1 Fleisch aus dem Labor


1. 1 Cytologie

ARBEITSBLATT Steaks aus der PetrischaleLösungen 1 • Mehr Nutzfläche muss bereitgestellt werden, z. B. durch Abholzung der Regenwälder.

• Je mehr Tiere, desto mehr Gülle, die in das Grundwasser gelangen kann.• Je mehr Tiere, desto mehr Ressourcen (z. B. Wasser), die benötigt werden.• Jedes produzierte Kilogramm Fleisch setzt Treibhausgase frei.

2 Dem Schwein wird ein Stück Muskelgewebe entnommen, aus diesem werden multipotente Körperstammzellen gewonnen. Diese werden in ein Medium überführt und mit Wachstumsfaktoren angereichert. Anschließend werden die Zellen auf ein Gerüst angeordnet, auf dem sich dann Muskelfasern ausbilden können. Die entstandenen Mus-kelfasern werden nun mithilfe von Elektrizität und Gewichten mechanisch gereizt. Dabei wachsen die Zellen. Die so hergestellten Muskelfasern werden nun wie richtige Fleisch-stückchen zerkleinert, mit Gewürzen verfeinert und zu Wurst verarbeitet.

3 Multipotente Körperstammzellen können aus einem lebenden Organismus relativ einfach gewonnen werden, indem ein Stück des entsprechenden Gewebes entnommen wird. Der Vorteil ist, dass multipotente Stammzellen schon differenziert sind und dem-entsprechend nur Zelltypen eines Gewebes, in diesem Fall des gewünschten Muskel- gewebes, hervorbringen können. Im Gegensatz dazu können pluripotente embryonale Stammzellen noch alle Zelltypen eines Lebewesens hervorbringen. Embryonale Stammzellen sind also schwieriger zu gewinnen und bergen weniger Erfolgschancen.

4 individuelle Antworten Möglich sind folgende Aspekte: Prinzipiell wird es den meisten im ersten Moment schwer fallen, sich auf das in-vitro-Fleisch einzulassen, da es aus dem Labor kommt und künstlich hergestellt wurde. Viele Menschen sind künstlich hergestellten Lebensmit-teln gegenüber eher negativ eingestellt, da diese keinen guten Ruf haben. Diese erste negative Reaktion kann jedoch mithilfe von Transparenz und Aufklärung schnell geän-dert werden, da es sich hier um eine saubere und tierfreundliche Alternative handelt. Weiterer Lösungsansatz: Eine andere mögliche Fleischquelle stellen Insekten dar. In vielen Kulturen auf der ganzen Erde stehen sie anstelle von Rind und Huhn auf dem Speiseplan.

Zusatzinformation Insekten als Fleisch-AlternativeBei den meisten Europäern ruft der Gedanke an den Verzehr von Insekten wahrscheinlich Ekel hervor. In vielen anderen Ländern der Erde sind sie jedoch Bestandteil des Speiseplans.

Daher versucht die Welternährungsorganisation, auch in Europa für den Verzehr von Insek-ten zu werben. Beispielsweise enthalten 100 g Heuschrecken bei einem deutlich geringeren Fettanteil den gleichen Anteil an Proteinen wie Rinderhackfleisch. Auch in der Herstellung sind sie deutlich klimafreundlicher, da sie im Vergleich zu den klassischen Nutztieren weniger Wasser und Nutzfläche benötigen.Ab 2018 gelten Insekten wie auch exotische Früchte als sogenannte neuartige Lebensmittel (Novel Food), wodurch die Zulassung und Vermarktung in Europa erleichtert wird.

Zahl essbarer Arten

1 - 56 - 10

11 - 2526 - 50

51 - 100101 - 200201 - 300über 300

1 Insektenverzehr weltweit



Die Blut-Hirn-Schranke

Die Blut-Hirn-Schranke ist eine Barriere zwischen Blutkreislauf und Gehirn. Sie schützt das Gehirn u. a. vor im Blut zirkulierenden Krankheitserregern oder Giftstoffen. Über die Blut-Hirn-Schranke werden selektiv für das Gehirn notwendige Nährstoffe zur Verfügung gestellt und Stoffwechselprodukte abtransportiert. Paul Ehrlich (1854 — 1915) war 1885 der erste, der diese Barriere entdeckte. Er färbte das Blut von Versuchstieren mithilfe eines Farbstoffes an und stellte fest, dass das Gehirn nicht angefärbt wurde. In einem Gegenexpe-riment wurde anschließend der gleiche Farbstoff in das Gehirn gebracht, mit dem Ergebnis, dass nur dieses angefärbt war, nicht jedoch das Blut.

Die Blut-Hirn-Schranke sorgt mit ihrer hohen selektiven Permeabilität dafür, dass nur bestimmte Moleküle ins Gehirn gelangen können (Abb. 1). Auswahlkriterien hierbei sind die Fettlöslichkeit, die elektrische Ladung und die Molekülgröße. Eine Herausforderung ist daher der zielgerichtete Transport von Medikamenten, da diese (z. B. aufgrund ihrer Molekülgröße) nur in Ausnahmefällen problemlos die Blut-Hirn-Schranke überwin-den können.

1 Beschreiben Sie den Aufbau der Blut-Hirn-Schranke und benennen Sie die dargestellten Transport-mechanismen der Blut-Hirn-Schranke.

2 Entwickeln Sie Vorschläge, wie sich Wissenschaftler die Eigenschaften der vorhandenen Transport-mechanismen zunutze machen können, um z. B. Medikamente in das Gehirn einzuschleusen.

3 Erklären Sie, warum einzelne Bereiche des Gehirns, wie das sogenannte „Brechzentrum“ in der Medulla oblongata, keine Blut-Hirn-Schranke besitzen.

4 Recherchieren Sie nach weiteren „Barrieren” im menschlichen Organismus.

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Blut

Gehirn

1 2 3

Astrocyt

Endothelzelle

Biomembran

Zufuhrvon

Energie

4 5

1 Die Blut-Hirn-Schranke

NATURA_LB Fachhochschulreife_049003

1. 2 Transportprozesse

ARBEITSBLATT Die Blut-Hirn-SchrankeLösungen 1 Die Blut-Hirn-Schranke ist die Barriere zwischen Blutkreislauf und Gehirn und besteht

aus Endothelzellen. Von links nach rechts gibt es folgende Transportmechanismen durch die Endothelzellen

der Blut-Hirn-Schranke: � einfache Diffusion im Bereich der Endothelzellen � und � erleichterte Diffusion durch Kanäle und Carrier � primär aktiver Transport (als Uniport) � rezeptorvermittelte Endo- und Exocytose durch die Endothelzelle hindurch

2 Mögliche Antworten: • Die einfache Diffusion kann man sich zunutze machen, indem man besonders kleine,

fettlösliche (lipophile) Moleküle konstruiert, die durch die Membran diffundieren können.

• Es können auch vorhandene Transportsysteme genutzt werden, indem die zu verab-reichenden Medikamente so verpackt werden, dass sie vom Transportprotein erkannt und durch die Endothelzellen transportiert werden. Gleiches ist über die rezeptorver-mittelte Endocytose möglich.

• Werden die zu transportierenden Moleküle entsprechend ausgestattet, dass sie wie ein Schlüssel in das Rezeptor-Schloss passen, so kann die Endocytose in Gang gesetzt werden.

• Ein weiterer Ansatzpunkt ist der primär aktive Transport. Vor allem der in Abb. 1 ganz rechts dargestellte Rezeptor hat die Aufgabe, durch die Membran in die Endothelzel-le diffundierte Moleküle, unter Energieaufwand wieder zurück in das Blut zu leiten. Schaltet man diesen Rezeptor aus, können die Moleküle ungehindert die Endothelzel-len in Richtung Gehirn durchwandern.

3 Die Neuronen des Brechzentrums in der Medulla oblongata überprüfen das Blut hinsicht-lich potenzieller toxischer Stoffe, wie z. B. Drogen. Wird ein schädlicher Stoff regist-riert, so wird der Brechreiz ausgelöst. Dadurch wird der potenziell gefährliche Stoff im Optimalfall zügig aus dem Körper entfernt. Würde die Medulla oblongata eine Blut-Hirn-Schranke besitzen, könnten die toxischen Stoffe nicht passieren, das Brechzentrum wäre funktionslos.

4 indiviudelle Antworten


Illustrator: Otto Nehren, Achern

Was ein Enzym so alles kann

Die Menge an Enzymen ist riesig. Dennoch sind allen Enzymen drei Eigenschaften gemeinsam, die stets vom chemischen Aufbau des Enzyms — in der Regel handelt es sich um Proteine — beeinflusst werden. Kommen ausreichend zwischenmolekulare Wechselwirkungen zustande, können Enzyme andere Moleküle auf ver-schiedenste Art und Weise verändern.

1 Beschriften Sie Abbildung 1 A mit den allgemein gültigen Fachbegriffen des katalytischen Zyklus.

2 Ordnen Sie begründet Abbildung 1 A ein Ihnen bekanntes biologisches Prinzip zu, das hier gilt, und nennen Sie noch zwei weitere Bereiche im menschlichen Körper, wo dieses ebenfalls gültig ist.

3 Erläutern Sie anhand der Abbildungen A — C die Eigenschaften von katalytischer Reaktionen.

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1 Eigenschaften katalytischer Reaktionen

A

B

C


ARBEITSBLATT Was ein Enzym so alles kannLösungen 1 von links nach rechts: aktives Zentrum, Enzym, Substrate, Enzym-Substrat-Komplex, wie-

derverwendbares/leeres Enzym, Produkt

2 Es gilt das Schlüssel-Schloss-Prinzip. Das Substrat muss passgenau zum Enzym sein. Wei-tere Beispiele für Substratspezifität: Transmitter, die im synaptischen Spalt auf Rezepto-ren treffen, oder Hormone, die von Rezeptoren angebunden werden.

3 Abb. A: Nur passende Substrate können an das aktive Zentrum angelagert und umge-setzt werden, nicht alle Substrate können von ein und demselben Enzym verändert werden ( Substratspezifität).

Abb. B: Ein Enzym vermag nur eine bestimmte Art von Reaktion zwischen Substraten zu katalysieren ( Wirkungsspezifität).

Abb C: Ähneln sich die Substrate in ihrem Aufbau, können alle vom gleichen Enzym bzgl. einer Reaktion katalysiert werden ( Gruppenspezifität).

Praktische Tipps Für die Besprechung der Ergebnisse des Arbeitsblattes „Was ein Enzym so alles kann“ (s. Lehrerband S. 103) empfiehlt es sich, die Abbildungen als ausgeschnittene Overhead-Folien-Bildchen bereit zu halten. Somit können einzelne Schülerinnen und Schüler diese bei ihrer Präsentation einsetzen.

Zusatzaufgabe Trypsin ist ein Enzym, das hilft, Proteine im Magen abzubauen. In seinem aktiven Zentrum befindet sich eine negative Ladung, die eine ionische Wechselwirkung zu bestimmten Aminosäuren aufbauen lässt. Findet dies statt, wird das Protein angelagert und durch eine Peptidbindungstrennung in zwei bzw. bei mehrmaliger Anbindung aufgrund passender Aminosäuren in mehrere Teile zerlegt.

Begründen Sie, welche der Aminosäuren (Abb. 2) in einem Protein vorliegen müssen, damit es durch Trypsin zerlegt wird und zeichnen Sie die Trennungsstellen in der Aminosäurekette (Abb. 1) ein.

Lösung Für die Ausbildung einer ionischen Wechselwirkung benötigen die Aminosäuren an ihren Seitenketten eine echte positive Ladung. Diese kommt bei Lysin, Histidin und Arginin vor. Die gegebene Aminosäurekette wird in vier Abschnitte zerlegt.

1. 3 Enzyme

1 Aminosäurekette

2 Liste der Aminosäuren im menschlichen Körper (* essentiell)


H

HN O

OHC

Pro

Asp

Lys

Ser

His

Ala

Arg

Phe

Trp

TrivialnameAbk, Buchstabe

TyrosinTyr, Y

AsparaginsäureAsp, D

LysinLys, K*

CysteinCys, C

GlutaminsäureGlu, E

AsparaginAsn, N

ArgininArg, R (semiessentiell)

HistidinHis, H* (semiessentiell)

GlutaminGln, Q

TryptophanTrp, W*

polar, neutral (ungeladen) polar, basisch (positiv geladen)polar, sauer (negativ geladen)

AlaninAla, A

ProlinPro, P

SerinSer, S

PheylalaninPhe, F


Illustratoren: Wolfgang Herzig, Essen Otto Nehren, Achern

Untersuchungen zur Urease

LIEBIGS Minimumgesetz besagt, dass das Pflanzenwachstum von den Fak-toren begrenzt wird, die am weitesten vom Optimum entfernt sind, um ein Überleben zu sichern. Gerade für höher entwickelte Pflanzen ist dies häufig der Mangel an Stickstoff im Boden, der dort meist in Form von Nitratsalzen vorkommt. Stickstoff wird zum limitierenden Faktor (Abb. 1).

Weltweit wird daher Dünger eingesetzt, der in über 55 % der Fälle Harnstoff als Stickstoffquelle enthält. Zudem tragen Säugetiere, wie z. B. Rinder auf der Weide, durch ihre Ausscheidungen Harnstoff in den Boden ein. Die Samen von Nutzpflanzen enthalten eine große Menge an Ureasen. Dieses Enzym kann das stabile Harnstoffmolekül nach folgender Reaktion umsetzen:

Urease ist das erste Enzym, das in Reinform isoliert und zur Untersuchung seiner genaueren Struktur kristal-lisiert werden konnte. 1946 wurde diese Entdeckung mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt. Aufgrund seiner guten Haltbarkeit bei niedrigeren Temperaturen lässt es sich gut für Versuche einsetzen.

1 Wegen des hohen Harnstoffeinsatzes in der Landwirtschaft ist es für Wissenschaftler interessant zu ermitteln, welcher Zusammenhang zwischen der Enzymaktivität der Urease und der Substratkonzen-tration des Harnstoffes besteht. Sie erhalten den Forschungsauftrag, hierzu eine geeignete Versuchs-reihe zu entwickeln. Wählen Sie dafür aus der folgenden Laborausstattung begründet Materialien aus und beschreiben Sie Ihre Vorgehensweise in Form eines Versuchsprotokolls.

Geräte: Bechergläser, Thermometer, Messgerät zur elektrischen Leitfähigkeit, Reagenzgläser, Stoppuhr, Waage, Mess-zylinder Mörser und Pistill, Tropfpipetten, Trichter, Filterpapier, Spatel, Petrischalen, Tiegelzange, Glasstab, Schutzbrillen, Bunsenbrenner

Chemikalien: Bromthymolblau (Säure-Base-Indikator: gelb (sauer), grün (neutral), blau (basisch)); Kochsalz, Masse an Harn-stoff in Gramm, dest. Wasser, Eiswürfel, Essig, Ureasesuspension

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S P Mg Ca Na Fe K N

1 Gesetz des Minimums von Liebig

2 Reaktion der Urease mit Harnstoff

CO2CO2H2OH2O ++++ 2 NH32 NH3H2NH2N

H2NH2NOOCC

Urease


1. 3 Enzyme

ARBEITSBLATT Untersuchungen zur UreaseLösungen 1 Der Aktivitätsgrad der Urease lässt sich durch den Einsatz des Indikators Bromthymol-

blau messen. Dieser färbt sich in einem sauren Milieu gelb, im neutralen grün und im basischen blau. Das durch die Harnstoffspaltung freigesetzte Ammoniak reagiert mit Wasser zu Ammonium- und Hydroxid-Ionen. Über die Konzentration der Hydroxid-Ionen und damit indirekt der Oxonium-Ionen, lässt sich der pH-Wert der Lösung bestimmen.

Vorschlag zu einem möglichen Versuchsprotokoll Geräte: Schutzbrillen, 7 Bechergläser, Spatel, Glasstab, Waage, Tropfpipette, weißes Blatt

Papier, Stoppuhr Chemikalien: dest. Wasser, Harnstoff (fest), frische Ureasesuspension, Bromthymolblau-

lösung

Durchführung: Füllen Sie die Bechergläser wie in der Tabelle angegeben. Bevor Sie die Urease-Sus-

pension zugeben, jeweils mit dem Glasstab gut umrühren bis der Harnstoff vollständig aufgelöst ist. Messen Sie dann sofort für jedes Becherglas die Zeit bis der Farbumschlag des Indikators eintritt. Schwenken Sie etwa alle 10 Sekunden die Bechergläser, um für eine gute Durchmischung zu sorgen.

Die Lösungen aus den Bechergläsern lassen sich in den Ausguss entsorgen. Hinweis: Alternativ lässt sich auch die elektrische Leitfähigkeit als Anzeiger für die Enzym-aktivität wählen.

Becherglas-Nr. dest. Wasser [ml]

Harnstoff [g]

Urease- Suspension [ml]

gemessene Zeit [s]

1 20 0,02 0,5

2 20 0,04 0,5

3 20 0,08 0,5

4 20 0,16 0,5

5 20 0,32 0,5

6 20 2,00 0,5


Erythrocyten brauchen Glucose

Menschen haben in 1 μl Blut ca. 5 Millionen Rote Blutzellen (Erythrocyten). Diese transportieren den Sauerstoff im Blut zu den verschiedenen Organen. Der Sauerstoff ist an das Hämo-globin gebunden. Erythrocyten haben eine scheibenförmige Gestalt mit einer bikonkaven Einbuchtung in der Mitte. Der Durchmesser beträgt ca. 7 μm (Abb. 1). Ein erwachsener Mensch hat je nach seiner Körpermasse zwischen 24 bis 30 Billionen Erythrocyten. Die Lebensdauer beträgt im Durchschnitt ca. 4 Monate. Gealterte oder fehlerhafte Erythrocyten werden in der Milz abgebaut.

Erythrocyten werden von Stammzellen des roten Knochenmarks gebildet. Diese erste Stufe besitzt einen Zellkern und Organel-len. In der zweiten Stufe werden besonders stark Ribosomen gebildet. Diese sind verantwortlich für die Bildung von Enzymen zur Synthese des Hämoglobins. In der nächsten Stufe ihrer Entwicklung verlieren sie den Zellkern. Die Synthese des Hämoglobins ist danach abgeschlossen und die Ribosomen, das Endoplasmatische Reticulum sowie die Mitochondrien werden abgestoßen. Der fehlende Zellkern ermöglicht eine bessere Verformbarkeit in den engen Kapillaren. Obwohl Erythrocyten beim Energie-stoffwechsel nicht auf die Vorgänge in den Mitochondrien zurückgreifen können, besitzen sie einen eigenen Stoffwechsel (Abb. 1). Sie erhalten ihre Energie aus den Reaktionen der Glykolyse (Abb. 2) und der Milchsäure- gärung (Abb. 3) in Form des ATP. Dieses benö-tigen sie hauptsächlich für die energieabhän-gigen Na+/K+-Ionenpumpen in ihrer Membran. Bei ATP-Mangel können die Ionenpumpen nicht weiterarbeiten. Die entstandene Milchsäure kann in den Erythrocyten nicht weiter verarbeitet werden, da die meisten Stoffwechselwege durch die fehlenden Organellen nicht vorhanden sind. Sie wird daher in das Blut abgegeben und zur Leber transportiert. In der Leber wird die Milch-säure wieder zur Glucose umgebaut und an das Blut abgegeben.

1 Erstellen Sie anhand des Textes ein Schema zu den verschiedenen Schritten der Erythrocytenreifung.

2 Erklären Sie anhand des Textes und der Abbildungen, welche Stoffwech-selschritte bei der ATP-Gewinnung im Erythrocyten ablaufen und wie viel ATP pro Molekül Glucose gebildet wird.

3 Erläutern Sie, weshalb die Milchsäure- gärung für den Stoffwechselweg notwen-dig ist und trotz des vorhandenen Sauer-stoffs der anaerobe Weg der ATP-Bildung genutzt werden muss.

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1 Erythrocyt (Stoffwechsel, schematisch)

2 Glykolyse (schematischer Überblick)

3 Milchsäuregärung (schematisch)

Glucose

Glykolyse

Milchsäuregärung

Brenztraubensäure

Milchsäure

Milchsäure

7 μm

O

OH

O

OH

OHOHHO

CH2OH

OHHO

CH2O

CHO

CHOH

OH2CP P

CH2O

COO–

C O

CH3

COO–

C O

CH3

P

CHO

CHOH

CH2O P

ATP ATP

ATP ATP

ATP

ATP

NADH NADH

ein MolekülGlucose

Fructose-1,6-bisphosphat

zwei MoleküleGlycerinaldehyd-

3-phosphat

zwei MolekülePyruvat

ATP-Einsatz

ATP-Gewinnung

Spaltung desC6-Moleküls

in zweiC3-Moleküle

NAD+NADH + H+

C3H4O33 4 3

Brenztraubensäure

C3H6O33 6 3

Milchsäure


2. 1 Energieversorgung beim Menschen

ARBEITSBLATT Erythrocyten brauchen GlucoseLösungen 1 Diese Stufen können grafisch dargestellt werden.

Stufe 1: Bildung aus Stammzellen des roten Knochenmarks. Vollständige Zellen mit Zell-kern und Organellen.

Stufe 2: Ribosomenbildung sehr intensiv. Ribosomen sind verantwortlich für den Protein-aufbau (Enzyme) für die Hämoglobinsynthese.

Stufe 3: Zelle verliert Zellkern. Weitere Hämoglobinsynthese. Stufe 4: Zelle verliert Organellen. Fertiger Erythrocyt.

2 In den Erythrocyten läuft die Glykolyse und die Reaktion zur Milchsäure im Cytoplasma ab. Hierbei wird Glucose über die Umbildung zur Fructose in zwei C3-Körper gespalten. Für diesen Vorgang werden 2 ATP pro Molekül Glucose benötigt. Diese werden jedoch im letzten Schritt der Glykolyse wieder gebildet. Hierdurch wird kein ATP verbraucht, jedoch auch keines gewonnen. Im Schritt vom Phosphoglycerinaldehyd zur Phosphoglycerinsäu-re wird je C3-Molekül ein Molekül ATP gebildet, pro Glucosemolekül, also 2 ATP. Für die-sen Schritt ist NAD+ notwendig, welches die H+-Ionen aufnimmt und zu NADH + H+ wird. Das Endprodukt der Glykolyse ist die Brenztraubensäure, welche in die Mitochondrien aufgenommen und weiter verarbeitet wird. In der Reaktion von der Brenztraubensäure zur Milchsäure werden H+-Ionen benötigt. Hierbei wird NADH + H+ wieder zu NAD+.

3 Erythrocyten transportieren Sauerstoff, trotzdem wird ATP über den anaeroben Prozess gebildet. Der Grund liegt darin, dass in den Erythrocyten keine Mitochondrien vorliegen, sondern nur das Zellplasma, in dem die Glykolyse abläuft. Über diesen Vorgang werden 2 Moleküle ATP gebildet. Die Milchsäuregärung ist notwendig, um die Glykolyse weiter-laufen zu lassen. Bei der ATP-Bildung wird NAD+ zu NADH + H+. Wenn alle NAD+-Moleküle verbraucht sind, kann die Glykolyse nicht mehr weiterlaufen, auch wenn genügend Glucose vorhanden ist. Es ist daher notwendig, über die Reaktion zur Milchsäure wieder freies NAD+ zu erhalten.

Zusatzinformation Auf den Seiten zur Energie sind die Grund- lagen für ein Verständnis energetischer Änderungen bei chemischen Reaktionen gelegt worden. Am Beispiel der Glykolyse kann man diese konkretisieren und fes-tigen. Man kann auf gekoppelte Reakti-onen (Abb. 1) oder Energiegehalte von Verbindungen (Abb. 2) eingehen.

ATP kann aus ADP gebildet werden, wenn Reaktionen energiereicherer Verbindun-gen mit diesem Vorgang gekoppelt sind. Die Energie aus der Oxidation einer C-H-Bindung treibt die Bildung von NADH + H+ aus NAD+ und gleichzeitig die Reaktion einer energiereichen Phosphatbindung an (Abb. 1 a). Die Spaltung der energierei-chen Phosphatbindung liefert die Energie für die ATP-Bildung (Abb. 1b).

Anhand des Energiegehalts können Reaktions- mechanismen verständlich gemacht werde (Abb. 2). Die Änderungen der freien Standardenergie (in kJ/mol) bei der Hydrolyse energiereicher Phosphatbin-dungen muss größer sein als die zur Bildung von ATP notwendige Energie. So kann in der Glykolyse die Phosphatgruppe von 1,3-Bisphosphoglycerat auf das ADP übertragen und hierdurch ATP gebildet werden. Die Übertragung einer Phosphatgruppe von einem auf ein anderes Molekül läuft ener-getisch dann ab, wenn die Änderung der freien Energie für die Hydrolyse der Phosphatbindung am ersten Molekül negativer ist als für die Hydrolyse der Phosphatbindung am zweiten Molekül.


1 Gekoppelte Reaktionen (schematische Darstellung)

2 Energiegehalt von Verbindungen

NADH

NAD+

ATP

ADP

OOOOCC

HHOOCC

OO

PP O–

O–

OOOOCC

OHOHOOCC

OO

PP O–

O–

Bildung einerenergiereichenBindung

bei der Oxidationder C–H-Bindunggewonnene Energie

Energie

Phosphoglycerin-aldehyd

a) b)

Phosphoglycerin-säure

Hydrolyse derenergiereichen

Bindung

Phosphoenolpyruvat

zum BeispielGlucose-6-phosphat

zum Beispiel ATP,wenn es zu ADPhydrolysiert wird

1,3-Bisphosphoglycerat

Creatinphosphat(aktiviertes Trägermolekül,das Energie im Muskelspeichert)

–61,9

–17,5

–30,6

ΔG0

der

Hyd

roly

se (k

J/m

ol)–49,0

–43,0


Der Citronensäurezyklus im Mitochondrium

Die molekularen Veränderungen in Stoffwechselwegen werden mithilfe von Tracern untersucht. Als Tracer werden Moleküle von Substanzen bezeichnet, die sich bei molekularen Vorgängen verfolgen lassen. Hierzu verwendet man häufig radioaktiv markierten Kohlenstoff. Kohlenstoffatome kommen in der Natur mit unter-schiedlichen Neutronenzahlen im Atomkern vor (Isotope). Das Isotop mit der Atommasse 14 u hat gegenüber dem Isotop mit der Atommasse 12 u einen instabilen Atomkern, der beim Zerfall Elektronen abstrahlt.


*COOH

•COOH

*CH2

CH2

•COO−HO C

H2O

H2O

*COOH

•COOH

*CH2

CHHO

•COO−HCCO2

•CO2

*COOH

•COOH

*CH2

C O

CH2

*COOH

*CH2

COOH

CH2

*COOH

*CH

COOH

CH

COOH

CHHO

COOH

CH2

•COOH

CO

•COOH

CH2

*COOH

S

*CH2

C O

CoA

CH2

Citronensäure Isocitronensäure

Bernsteinsäure-CoA

BernsteinsäureFumarsäure

Apfelsäure

3

-Ketoglutarsäure

4

6

7

Oxalessigsäure

8

1

2

NADH + H+

NADH + H+

NADH + H+

FADH + H+

NAD+

NAD+

NAD+

FAD+

HS CoA

HS CoA

HS CoA

ATP

ADP

5

aktivierteEssigsäure

S CoA

*C O

*CH3

•C: Kohlenstoffatom aus der aktivierten Essig- säure im zweiten Durchlauf

*C: radioaktiv markiertes Kohlenstoffatom

+ P

1 Darstellung des Citronensäurezyklus mit radioaktiv markierten Kohlenstoffatomen

Mit diesen Tracern konnte nachgewiesen werden, dass bei den Reaktionen der Glucose im Zellplasma, der Glykolyse, kein Kohlenstoffdioxid entsteht. Hierzu verwendete man radioaktiv markierte Glucose oder radioaktiv markierte Zwischenstufen. Die Fragestellung der Wissenschaftler war nun, ob das entstandene Kohlenstoffdioxid aus der aktivierten Essigsäure stammt. Hierzu gab man im Experi-

ment aktivierte Essigsäure mit zwei radioaktiv mar-kierten Kohlenstoffatomen zu den Mitochondrien und untersuchte, ob die Radioaktivität im Kohlen-stoffdioxid oder in den Säuren des Zyklus zu finden ist. Die Messungen ergaben, dass keine radioaktiv markierten Kohlenstoffatome im Kohlenstoffdioxid nachzuweisen waren, während man diese in den verschiedenen Säuren fand (Abb. 1).

1 Beschreiben Sie kurz Abb. 1 unter dem Aspekt der Vorgänge des Glucoseabbaus und des entstehenden Kohlenstoffdioxids anhand der markierten Kohlenstoffatome und der Protonenabgabe.

2 Erläutern Sie in einem kurzen Statement, weshalb Experimente mit radioaktiv markiertem Kohlenstoff für die Erforschung des Citronensäurezyklus notwendig waren.

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ARBEITSBLATT Der Citronensäurezyklus im MitochondriumLösungen 1 Die aktivierte Essigsäure wird mit der Oxalessigsäure zur Citronensäure. Anhand der

radioaktiv markierten Kohlenstoffatome kann man erkennen, dass das Molekül unver-ändert mit dem Citronensäuremolekül verbunden wird. Die Abspaltung des Kohlenstoff-dioxidmoleküls erfolgt an den Kohlenstoffatomen des Citronensäuremoleküls, nicht an dem Teil der Essigsäure. Das Molekül der Oxalessigsäure ist kein Trägermolekül, das erhalten bleibt und immer die aktivierte Essigsäure aufnimmt, sondern wird im folgen-den Durchgang die beiden Kohlenstoffatome in Form des Kohlenstoffdioxids abgeben. (Neben der Abgabe des Kohlenstoffdioxids spielt die Protonenabgabe eine große Rolle.)

2 Die einzelnen Reaktionen bei Stoffwechselwegen, wie dem Citronensäurezyklus kön-nen nicht sichtbar gemacht werden. Sie lassen sich auch schwer als Einzelreaktionen verfolgen. Mit der Markierung einzelner Atome in dem Gesamtmolekül kann gemessen werden, ob die markierten Kohlenstoffatome frei werden oder nicht. Beim Citronensäure- zyklus ist dies interessant, da sowohl die aktivierte Essigsäure als auch die Oxalessigsäure markiert werden kann.

Zusatzinformation TracerIn der Medizin werden Tracer an Patienten verabreicht, um die Verteilung spezifischer Sub-stanzen im Körper zu verfolgen und dadurch Rückschlüsse für Stoffwechselstörungen oder Tumore zu gewinnen. Ein Vorteil liegt darin, dass die Radioaktivität auch in geringen Mengen außerhalb des Körpers gemessen werden kann.Die chemischen Tracer haben die gleichen chemischen Eigen-schaften wie die unmarkierte Substanz und lassen sich mit dieser auch mischen. Als radioaktive Isotope werden in der Biologie 14C, 3H und 32P verwendet. Der Nachweis der radioaktiv markierten Substanzen erfolgt z. B. über die Autoradiographie oder Szintillationsmessungen. Bei größeren Molekülen, z. B. bei Proteinen oder Nucleinsäuren, erfolgt die Markierung auch mithilfe fluoreszierender Farbstoffmoleküle, welche mit der zu untersuchenden Substanz verbunden werden. Die fluoreszie-renden Verbindungen können mit UV-Licht sichtbar gemacht werden. Zur Aufklärung von Stoffwechselreaktionen, wie dem Citronensäurezyklus oder der Vorgänge bei der Fotosynthese, müssen die markierten Substanzen in den Stoffkreislauf der Lebewesen, deren Zellen oder Organellen eingeschleust werden. Bei Pflanzen kann die Substanz in den Stängel injiziert werden oder die Pflanze mit der Wur-zel in die markierte Lösung gestellt werden. Häufig werden jedoch Experimente direkt an den Zellen oder Organellen durchgeführt. Hierzu gibt man diese in ein Medium, welches die markierten Substanzen beinhaltet. Nach den Reaktionen in den Zellen werden die verschie-denen Substanzen der Stoffwechselwege sauber getrennt und jeweils auf die Markierung untersucht.

AutoradiographieDie radioaktive Strahlung ist ionisierend und kann daher Silberverbindungen in einer Fotoschicht anregen (Abb. 2). Dies führt nach der Entwicklung zu einer Schwärzung des Films an der entsprechenden Stelle. Zunächst werden die zu untersuchenden Substanzen mithilfe der Elektropho-rese oder Chromatographie voneinander getrennt. Nach der Trennung wird ein lichtgeschützter Röntgenfilm auf die jeweiligen Gele oder Chromatographieplatten gelegt. Durch die radioaktive Strahlung wird das Filmmaterial an den entsprechenden Stellen geschwärzt. Der Röntgenfilm wird entwickelt und die Schwärzungen den aufgetrennten Zonen zugeordnet.

Radioisotopenmethode — SzintillationsmessungDie Untersuchungen von Substanzen mit radioaktiv markierten Kohlenstoff werden hierzu mit einem flüssigen Leuchtstoff, einem Szintillator, vermischt (Abb. 1). Dieser Leuchtstoff leuchtet auf, wenn er von einem Elektron aus einem radioaktiven Zerfall getroffen wird. Das Aufleuchten wird von einer Fotozelle in einer verdunkelten Messkammer registriert. Aus der Anzahl der Impulse kann man auf die Konzentration der Stoffe schließen.


2 Autoradiographie

1 Szintillationsmethode

Szintillator

14C-Glucose

Elektron

Licht

fotografischer Film

exponieren

Chromatographie mit radioaktiv markierten Banden

entwickeln


Experimente zur ATP-Synthese

Bei der ATP-Synthese geht es nur um die Wasser-stoffatome mit ihren Elektronen. Diese wurden auf NAD+ bzw. FAD geladen. Der Rest des Glucose-moleküls wurde bereits in Form von Kohlenstoff- dioxid ins Blut abgegeben.

An der inneren Mitochondrienmembran laufen nun zwei Schritte zur ATP-Bildung ab: 1. Elektronentransportkette (Atmungskette) zum Aufbau des Protonengradienten. 2. Nutzung des Protonengradienten über die ATP- Synthase zur ATP-Bildung.

Zu Beginn der Atmungskette wird das am NADH + H+ gebundene Wasserstoffatom in ein Elektron und ein Proton getrennt. Der Weitertransport der Elektronen erfolgt über Elektronentransportermo-leküle, die in der Membran eingebettet sind. Durch den Elektronentransport werden die Membranpro-teine mit Energie versorgt, die es ihnen ermöglicht, Protonen von der Innenseite des Mitochondriums (Matrix) in den Intermembranraum zu transportie-ren. Am Ende dieser Kette gelangen die Elektronen auf den eingeatmeten Sauerstoff, der anschließend mit den Protonen zu Wasser reagiert.

Lange Zeit wurde erfolglos nach einem energiereichen Supermolekül gesucht, das in der Elektronentrans-portkette entsteht und anschließend zur ATP-Bildung dient. Der Gedanke des Protonengradienten zur ATP-Bildung wurde dagegen von den meisten Wissenschaftlern nicht ernst genommen. Viele verschiedene Experimente konnten die Bedeutung des Protonengradienten jedoch bestätigen:

Aus Zellen wurden Mitochondrien isoliert und in eine Lösung mit niedriger Protonenkonzentration (pH 8) gegeben. Nach kurzer Zeit werden die Mitochondrien in eine Lösung mit höherer Protonenkonzentration (pH 4) überführt. Die Protonenkonzentration zwischen der Außenmembran und Innenmembran erhöhte sich hierdurch. Die ATP-Synthese konnte gestartet werden.

Weitere Experimente wurden durchgeführt (Abb. 1): Die ATP-Synthase wurde aus Mitochondrien eines Rin-dermuskels isoliert und in einen künstlichen Vesikel aus einer Biomembran eingebaut. Hinzu kam das aus Halobakterien isolierte purpurfarbene Bacteriorhodopsin, ein Protein, das bei Lichteinfall Protonen pumpt. Als zusätzliche Überprüfungsvariante fügten die Wissenschaftler Entkoppler in die Membran ein. Diese Sub-stanzen können Protonen unabhängig von der ATP-Synthase über die Membran schleusen.

1 Beschreiben Sie das Schema der Atmungskette (s. Schülerbuch S. 91, Abb. 3) unter dem Aspekt der Energieumwandlung. Nehmen Sie hierbei Stellung zu der Aussage: Der eingeatmete Sauerstoff wird als Urin oder Schweiß ausgeschieden.

2 Beschreiben Sie die Experimente in Abb. 1.

3 Erläutern Sie, welche Aussage in Bezug auf die Notwendigkeit des Protonengradienten bei der ATP-Synthese gemacht werden konnte. Vergleichen Sie die Experimente mit den Untersuchungen an Mitochondrien in verschiedenen pH-Werten.

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1 Experimente zur Bedeutung des Protonengradienten

ADP + Pi

H+

H+

H+

H+

H+

H+

ATP

H+

H+

Bacterio-rhodopsin

künstlichesVesikel

Licht

c)

Entkoppler

Licht

d)

ATP-Bildung keine ATP-Bildung

Licht

a)

ATP-SynthaseLicht

b)

keine ATP-Bildung keine ATP-Bildung



ARBEITSBLATT Experimente zur ATP-SyntheseLösungen 1 Die Energieumwandlung findet vom Protonengradienten an der Mitochondrienmem-

bran zur ATP-Synthese aus ADP und Pi statt. Die Elektronen aus den aufgenommenen und verarbeiteten Nährstoffen treiben in der Biomembran die Membranproteine an, die Protonen durch die Membran in eine Richtung pumpen und dadurch den Gradienten aufbauen. Der Sauerstoff wird erst in diesem Schritt am Ende der Elektronentransportket-te benötigt. Hier verbindet er sich mit den Elektronen und Protonen zum Wasser. Der eingeatmete Sauerstoff ist daher des H2O-Moleküls. Der als CO2-Molekül ausgeatmete Sauerstoff stammt aus der Glucose. Der eingeatmete Sauerstoff wird daher nicht als Kohlenstoffdioxid, sondern als Wasser im Urin oder Schweiß abgegeben.

2 In Abb. 1 sind vier Experimente dargestellt, denen gemeinsam die künstlich herge-stellten Vesikel sind. Diese wurden aus einer Biomembran hergestellt. Im Versuch a ist eine Protonenpumpe aus einem Bakterium eingebaut. Diese transportiert Protonen bei Lichteinfall durch die Membran. Bei diesem Experiment ist keine ATP-Synthese zu messen. Im Versuch b wurde die ATP-Synthase aus Mitochondrien des Rindermuskels eingebaut. Auch bei diesem Versuch ist keine ATP-Synthese zu messen. In Versuch c wurden sowohl die Protonenpumpe, als auch die ATP-Synthase eingebaut. Bei Belichtung ist eine ATP-Synthese messbar. In Versuch d wurde zusätzlich zu der Protonenpumpe und der ATP-Synthase ein Entkoppler in die Membran eingebaut. Hier ist keine ATP-Synthese messbar. Diese Versuche konnten zeigen, dass sowohl ein Protonengradient und die ATP-Synthase notwendig sind, da in Versuch a und b kein ATP messbar ist. Ebenso zeigt sich im Versuch d beim Einsatz eines Entkopplers, der den Protonengradienten durch die Membran direkt auflöst, dass der Ausgleich des Protonengradienten über ATP-Synthase erfolgen muss. Da keine anderen Mechanismen wie im Mitochondrium (z. B. andere Enzyme) im Ansatz der Versuche vorhanden sind, können sich die Aussagen nur auf die vorgegebenen Einheiten beziehen. In den Versuchen 1 und 2 aus dem Text werden die Messungen an Mitochondrien durchgeführt und der pH-Wert verändert oder gemes-sen. In den Mitochondrien und in der Mitochondrienmembran sind viele verschiedene Strukturen und Enzyme. Da die Gegner der Hypothese zum Protonengradienten von enzymatischen Stoffwechselstrukturen ausgehen, konnten diese an den Mitochondrien nicht ausgeschlossen werden.

Zusatzinformation Ergänzende Materialien zum vertiefenden UnterrichtPETER MITCHELL (1920 — 1992) war der Forscher, der die chemiosmotische Hypothese an der Universität in Edinburgh in den frühen 1960-Jahren aufstellte. Diese war jedoch lange umstritten und wurde von vielen Wissenschaftlern nicht ernst genommen. Der vorgeschla-gene Protonengradient und die Energieumwandlung beim Ausgleich über die Membran waren für einige Wissenschaftler nicht vorstellbar. Die Ehrung durch den Nobelpreis im Jahre 1978 war eine Bestätigung der vielen Ergebnisse, die mittlerweile auch durch viele andere Wissenschaftler gesichert waren. Diese Vorgänge in den Mitochondrien konnten auch in den Chloroplasten gefunden werden.

Gemessen wurde in weiteren Experimenten auch der Zusammenhang der Sauerstoffaufnahme und ATP-Synthese in Mitochondrien (Abb. 1). Bei der Zugabe von Pi (Phosphat) und Substrat zu intak-ten Mitochondrien, verbrauchen diese den vor-handenen Sauerstoff nur dann, wenn genügend ADP vorhanden ist (Versuch a). Durch Zugabe von ADP sinkt der Sauerstoffgehalt deutlich durch die Oxidation der Substrate.

In Versuch b wurde der Entkoppler 2,4-Dinitro-phenol zugegeben. Trotz fehlendem ADP wird der Sauerstoff weiterverwendet. Dies bedeutet, dass die ATP-Synthase trotz der Einschränkung durch das fehlende ADP zu keiner Hemmung führt, da die Protonenkonzentration über die Entkoppler ausgeglichen wird.

Ergänzende LiteraturHorton, Robert H.; Moran, Laurence A.; Scrimgeour, K. Gray; Rawn, David J.; Biochemie 4. Auf-lage; Pearson Studium 2008; Seite 562 ff


1 Sauerstoffaufnahme und ATP-Synthese

a)

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Zeit

Substrat Zugabe von ADP

b)

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Zeit

Substrat Zugabe von 2,4-Dinitrophenol

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