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Na+-Kanäle bei elektrischen Fischen Südamerikas 2020 LK

In dieser GK-Aufgabe aus dem Jahre 2020 werden Themen aus der Neurobiologie, der Genetik , der Ökologie und der Evolutionsbiologie verknüpft.

Materialien

  • Den Schülern wird als Material A ein kurzer Informationstext über Messerfische in südamerikanischen Flüssen gezeigt.
    Diese Fische produzieren elektrische Felder, mit deren Hilfe sie Beute, Verstecke, Artgenossen und Feinde lokalisieren können.

  • Das Material B erläutert in einem kurzen Text die Entwicklung des elektrischen Organs, das aus umgewandelten Muskelzellen hervorgeht. Dann wird es evolutionsbiologisch. Bei manchen Messerfischen, den Geist-Messerfischen (siehe Schwanzflossen-Messeraale), werden die Anlagen für das elektrische Organ nämlich während der Embryonalentwicklung wieder zurückgebildet, und es bildet sich ein anderes elektrisches Organ, diesmal nicht aus Muskelzellen, sondern aus umgewandelten Axonen.

    Außerdem wir hier ein DNA-Stammbaum ausgewählter Messerfische gezeigt, aus dem die Verwandtschaft der Geist-Messerfische mit den anderen Messerfischen hervorgeht.

  • In dem Material C geht es um die Natriumionen-Kanäle bei Geist-Messerfischen. Die Natriumkanäle in dem elektrischen Organ sind homolog zu den Natriumkanälen im Axon normaler Nervenzellen. Die aufmerksame Schülerin wird hier schon stutzig: "homolog" = Evolutionsbiologie.

    Im Text wird dargelegt, dass es um spannungsgesteuerte Natriumkanäle des Typs Nav geht sowie um die Gene für das entsprechende Protein, die Nav-Gene. Eines dieser Gene spielt eine besondere Rolle, nämlich das Nav4ab-Gen, von dem man im Internet allerdings nichts findet, weil in der Klausuraufgabe eine völlig abweichende Terminologie verwendet wird. Normale elektrische Fische wie der Getüpfelte Gabelwels oder der Zitteral haben nur ein Exemplar dieses Gens auf dem entsprechenden Chromosom. Geist-Messerfische dagegen haben die Anzahl dieser Gene verdoppelt (Gen-Duplikation), die beiden Gene werden dann als Nav-4ab1 und Nav-4ab2 bezeichnet.

    In einer Graphik sieht man dann vier Fischarten, nämlich den Getüpfelten Gabelwels, den Zitteraal, den Weißstirn-Messerfisch und den Entenschnabel-Messerfisch. Es wird mit Balkendiagrammen gezeigt, wie stark die Transkription der eben erwähnten Gene in den vier Fischarten abläuft.

    Bei den Nicht-Messerfischen (Gabelwels, Zitteraal) wird das Nav-4ab-Gen nur in den Muskeln transkribiert, so gut wie nicht im Rückenmark.
    Bei den beiden Messerfischen werden beide Gene transkribiert. Das Nav-4ab1-Gen sowohl in Muskelzellen wie auch im Rückenmark der Messerfische transkribiert, das Nav-4ab2-Gen dagegen ausschließlich in Muskelzellen.

    Ich sage meinen Schülerinnen immer: "Schaut euch zuerst das Material an, erst dann die Aufgabenstellung". Allein durch die Betrachtung des Materials wird schon klar, dass es hier um Genduplikation geht und dass dadurch ein neues Gen mit neuen Aufgaben entsteht. Das Nav-4ab1-Gen wird nämlich jetzt auch im Rückenmark transkribiert und ermöglicht dadurch wahrscheinlich die Bildung des elektrischen Organs.

  • Da es sich um eine LK-Aufgabe handelt, gibt es natürlich noch ein weiteres Material D. Hier geht es um eine vergleichende Analyse von Nav-Kanälen. Dieser Begriff ist in der Abituraufgabe übrigens nicht korrekt geschrieben, es müsste richtig heißen NaV-Kanäle. Das V steht für "voltage gated", also elektrisch gesteuert.

    In einer Abbildung wird ein solcher NaV-Kanal näher vorgestellt. Die Inaktivierung des Kanals wird genauer beschrieben: Ein kugelförmiger Teil des Proteins hängt "lose" herum, bei der Inaktivierung aber verschließt dieser Teil den Kanal von innen. Dazu koppelt der kugelförmige Teil des Proteins mit einem sogenannten D4-Linkerbereich in der Innenwand des Kanals. Eine Tabelle zeigt dann Aminosäuresequenzen des D4-Bereichs von vier Lebewesen: Mensch, Zitteraal, Weißstirn-Messerfisch und Entenschnabel-Messerfisch. Vom Weißstirn-Messerfisch sind die Sequenzen des Nav-4ab1- und des Nav-4ab2-Proteins zu sehen. Durch graue Hervorhebungen sind bestimmte Aminosäuren gekennzeichnet.

    Auffallend an den Sequenzen ist, dass sie bei Mensch, Zitteraal und dem Nav-4ab2-Protein des Weißstirn-Messerfisches völlig gleich sind. Die Sequenzen beim Nav-4ab1-Protein des Weißstirn-Messerfisches sowie beim Nav-4ab1-Protein des Entenschnabel-Messerfisches weichen aber stark davon ab, die Abweichungen wiederum sind aber gleich, d.h. Nav-4ab1 beider Messerfische hat fast die gleiche Aminosäuresequenz.

    In der Abbildung 4 ist der Na+-Strom durch die Nav-Kanäle gezeigt. Beim menschlichen Nav-Kanal findet man 10 ms nach der Öffnung kaum noch einen Ionenfluss (4 relative Einheiten von ursprünglich 25), nach 20 ms fließt hier gar kein Strom mehr. Wenn man aber die Aminosäuren des D4-Bereichs gegen die entsprechenden Aminosäuren des Weißstirn-Messerfischs austauscht, dann zeigt der Natriumkanal ein abweichendes Verhalten. Auch 20 ms nach der Aktivierung des Kanals kann man einen Natriumionen-Strom von ca. 5 relativen Einheiten messen. Der Natriumkanal wird also nie ganz geschlossen, wie es normalerweise der Fall ist.

Teilaufgabe 1

  • Hier sollen die Schüler(innen) die in Material A dargestellten Angepasstheiten der Messerfische an ihren Lebensraum erklären, und zwar unter ökologischen und evolutionsbiologischen Aspekten
    Im zweiten Teil der Aufgabe sollen die Schüler(innen) ein molekulares Verfahren darstellen, mit dem man DNA- oder Proteinstammbäume erstellen kann.
    Schließlich soll im dritten Teil der molekulare Stammbaum aus Material B analysiert werden.
Lösungshinweise
  • Werden demnächst erstellt; ich muss die Aufgabe erst im eigenen Unterricht behandeln.

Teilaufgabe 2

  • Hier geht es um die Abbildung in Material C (relative Transkription der Nav-Gene). Die in dem Material dargestellten Ergebnisse sollen zusammengefasst und in Hinblick auf den Aufbau des elektrischen Organs bei Geist-Messerfischen gedeutet werden.
Lösungshinweise
  • Werden demnächst erstellt...

Teilaufgabe 3

  • Zunächst soll der Ablauf eines normalen Aktionspotenzials kurz erklärt werden.
    Dann soll die Tabelle mit den Aminosäuresequenzen in Material D ausgewertet werden. Mögliche Auswirkungen der Mutationen auf den Phänotyp sollen erklärt werden.
    Außerdem sollen die in Abbildung 4 (Material D) gezeigten Ergebnisse beschrieben und erläutert werden.
Lösungshinweise
  • Werden demnächst erstellt...

Teilaufgabe 4

  • Die Schüler(innen) sollen eine Hypothese entwickeln zur Bedeutung der Genduplikation der Nav-Gene für die Evolution der Messerfische.
Lösungshinweise
  • Werden demnächst erstellt...

Fazit

Eine sehr komplexe und nicht ganz leichte Aufgabe für den Leistungskurs, die Erkenntnisse der Neurobiologie, der Ökologie (wenig), der Genetik sowie der Evolutionsbiologie zusammenfasst.