Teil A
Die Leber ist das zentrale Stoffwechselorgan und die größte Drüse der Wirbeltiere. Zu ihren Aufgaben zählen die Produktion lebenswichtiger Proteine, die Verwertung von Nahrungsbestandteilen sowie der Abbau von Stoffwechselprodukten, Medikamenten und Giftstoffen.
Das Lebergewebe besteht hauptsächlich aus stoffwechselaktiven Leberzellen, die u. a. für die Produktion von Gallensaft verantwortlich sind.
Schematische Darstellung von Lebergewebe (Ausschnitt)
Benenne die gekennzeichneten Zellbestandteile 1 bis 9.
Begründe das gehäufte Auftreten der Zellbestandteile 1 und 7 in Leberzellen.
Die im Blut befindlichen Gallensalze werden in die Leberzellen aufgenommen und von dort in die Gallenkanälchen transportiert.
Vereinfachte Darstellung von Transportprozessen an Leberzellen
Erläutere die Transportprozesse an den Membranproteinen I und II zur Anreicherung von Gallensalzen in Leberzellen.
Erkläre den hohen Wassergehalt des Gallensaftes.
In Leberzellen findet man u. a. die Enzyme Katalase und Alpha-1-Antitrypsin (AAT).
Das bei Stoffwechselvorgängen entstehende Zellgift Wasserstoffperoxid wird durch das Enzym Katalase abgebaut.
Untersuche experimentell die Aktivität von Katalase in
a) rohem, unbehandeltem Lebergewebe,
b) rohem Lebergewebe unter Einwirkung einer Kupfersulfat-Lösung (10 Tropfen, 5 min Einwirkzeit),
c) vorab abgekochtem Lebergewebe.
Fordere alle benötigten Materialien schriftlich an. Führe die Versuche a – c durch und fertige ein Protokoll an.
Hinweise: Dir wird rohes und abgekochtes Lebergewebe bereitgestellt.
AAT gelangt aus der Leber über die Blutbahn ins Lungengewebe und hemmt dort Enzyme, die u. a. Strukturproteine der Lungenbläschen abbauen.
Begründe die verminderte Leistungsfähigkeit von Personen mit anhaltendem AAT-Mangel.
Vom AAT-Mangel Betroffene zählen zur Personengruppe, denen Impfungen gegen Grippeviren empfohlen werden.
Vergleiche aktive und passive Immunisierung anhand von vier Kriterien.
Ordne die Grippeimpfung einer Immunisierungsart zu.
Als Morbus WILSON bezeichnet man eine erblich bedingte Störung des Kupferstoffwechsels der Leberzellen.
Stammbaum einer von Morbus WILSON betroffenen Familie
Begründe den zugrundeliegenden Erbgang.
Nenne die möglichen Genotypen der Personen 3, 4 und 5.
Ermittle mithilfe eines Kreuzungsschemas die Wahrscheinlichkeit, mit der ein drittes Kind der Personen 3 und 4 von Morbus WILSON betroffen sein wird.
Isolierte Mitochondrien wurden mit Brenztraubensäure (Pyruvat), ADP und Pi kultiviert. Unter anaeroben (t0 – t₁) und aeroben (t1 – t3) Bedingungen sowie nach Zugabe des Antibiotikums Oligomycin (t2) wurden der ATP-Gehalt sowie der pH-Wert von Matrix und Intermembranraum der Mitochondrien ermittelt.
Messergebnisse:
a – pH-Wert Matrix
b – pH-Wert Intermembranraum
c – ATP-Gehalt
Schematische Darstellung zur Elektronentransportkette in den Mitochondrien von Leberzellen
Hinweis: Je niedriger der pH-Wert, desto höher ist die H+-Konzentration.
Interpretiere die Messergebnisse bis zur Zugabe von Oligomycin unter Einbeziehung der schematischen Darstellung zur Elektronentransportkette in den Mitochondrien von Leberzellen.
Formuliere eine begründete Vermutung zur Wirkungsweise von Oligomycin auf Mitochondrien.
Ciguatoxine werden von bestimmten Geißelalgen gebildet und reichern sich in der Leber tropischer Speisefische an. Bei Menschen verursachen die Toxine eine Krankheit, die Ciguatera genannt wird. Die Giftstoffe wirken vor allem an Axonmembranen.
Na+-Einstrom an einer Axonmembran während einer Depolarisation
Formuliere eine begründete Vermutung zur Wirkungsweise von Ciguatoxinen.
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1: Mitochondrium
2: Kernkörperchen (Nucleolus)
3: Kernhülle / Kernmembran
4: Erbsubstanz (Chromatin/DNA)
5: Zellkern (Nucleus)
6: Ribosom
7: Raues Endoplasmatisches Retikulum (rER)
8: Zellplasma (Cytoplasma)
9: Zellmembran
Begründung des gehäuften Auftretens spezifischer Organellen
Das verstärkte Vorkommen der Mitochondrien (1) und des rauen ER (7) ist eine direkte Folge der hohen physiologischen Auslastung der Leberzelle.
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Mitochondrien (1): Die Leber ist ein energetisches Kraftzentrum. Prozesse wie die Gluconeogenese, der Harnstoffzyklus oder die Entgiftung von Fremdstoffen erfordern eine kontinuierliche und hohe Bereitstellung von chemischer Energie in Form von
Da die Mitochondrien der Ort der Zellatmung sind, ist ihr gehäuftes Auftreten essenziell, um diesen hohen Energiebedarf durch oxidative Phosphorylierung zu decken. -
Raues Endoplasmatisches Retikulum (7): Ein wesentlicher Aufgabenbereich der Leber ist die Synthese von Exportproteinen (z. B. Albumin, Gerinnungsfaktoren) sowie von Enzymen für den eigenen Stoffwechsel. Das raue ER ist aufgrund der angelagerten Ribosomen der Hauptort der Proteinbiosynthese. Die enorme Syntheserate der Leberzellen macht daher ein weit verzweigtes Netz an rauem ER notwendig.
Erläuterung der Transportprozesse an den Membranproteinen I und II
Die Anreicherung von Gallensalzen in den Leberzellen ist ein mehrstufiger Prozess, der auf einer energetischen Kopplung verschiedener Transportproteine beruht. Am Membranprotein I, der 
-Pumpe, findet ein primär aktiver Transport statt. Unter dem Verbrauch von Stoffwechselenergie in Form von 
werden 
-Ionen aktiv aus der Zelle in das Blut befördert, während 
-Ionen in die Zelle gelangen. Durch diesen Vorgang wird ein elektrochemischer -Gradient aufgebaut, bei dem die Konzentration der Natrium-Ionen außerhalb der Zelle deutlich höher ist als im Zytoplasma.
Dieser Gradient fungiert als Triebkraft für das Membranprotein II. Hierbei erfolgt ein passiver Rückstrom der -Ionen entlang ihres Konzentrationsgefälles in die Leberzelle hinein. Dieser energetisch begünstigte Einstrom ist direkt an den Transport von Gallensalzen gekoppelt. Infolge dieses sekundär aktiven Symports können Gallensalze selbst gegen ein bestehendes Konzentrationsgefälle effektiv in der Leberzelle angereichert werden.
Ursachen des hohen Wassergehaltes im Gallensaft
Der hohe Wassergehalt des Gallensaftes in den Gallenkanälchen lässt sich durch das Prinzip der Osmose erklären. Nachdem die Gallensalze in der Zelle angereichert wurden, werden sie über das Membranprotein III aktiv in das Lumen der Gallenkanälchen transportiert. Durch die Akkumulation dieser osmotisch wirksamen Stoffe entsteht in den Gallenkanälchen eine hypertonische Lösung.
Um den Konzentrationsunterschied zwischen dem Blutgefäß, der Leberzelle und dem Gallenkanälchen auszugleichen, kommt es zu einem gerichteten, passiven Wasserstrom. Dabei diffundiert Wasser aufgrund des osmotischen Druckgradienten aus dem Blut durch die Leberzellen hindurch in die Gallenkanälchen. Dieser kontinuierliche Einstrom von Wasser ist die Ursache für den hohen Wassergehalt des Gallensaftes.
Schriftliche Materialanforderung
Für die Durchführung der experimentellen Untersuchungen zur Katalaseaktivität wird die Bereitstellung von frischem, rohem Lebergewebe sowie von vorab abgekochtem Lebergewebe benötigt. An Chemikalien sind eine Wasserstoffperoxid-Lösung 
sowie eine Kupfersulfat-Lösung 
erforderlich. Zur laborpraktischen Umsetzung werden zudem Reagenzgläser mit entsprechendem Ständer, Pinzetten, Skalpelle zur Gewebezerkleinerung, Tropfpipetten und die notwendige Schutzausrüstung, insbesondere Schutzbrillen, angefordert.
Versuchsprotokoll zur Aktivität von Katalase
Die vorliegende Untersuchung befasst sich mit der katalytischen Wirksamkeit des Enzyms Katalase unter variierenden physiologischen und chemischen Bedingungen. Ziel ist es, die Auswirkungen von Schwermetallionen und thermischer Energie auf die Enzymfunktion nachzuweisen.
Durchführung
Das Experiment gliedert sich in drei Teilversuche: Im ersten Ansatz (a) wird unbehandeltes, rohes Lebergewebe mit 
versetzt. Im zweiten Ansatz (b) wird rohes Gewebe für fünf Minuten in einer Kupfersulfat-Lösung vorinkubiert, bevor die Reaktion mit geprüft wird. Der dritte Ansatz (c) verwendet das zuvor abgekochte Lebergewebe in Verbindung mit 
Beobachtung
Im Versuchsansatz mit unbehandeltem Gewebe setzt unmittelbar nach der Zugabe von Wasserstoffperoxid eine heftige Reaktion ein, die durch eine starke Schaumbildung gekennzeichnet ist. Im Gegensatz dazu ist bei dem mit Kupfersulfat behandelten Gewebe sowie bei dem abgekochten Gewebe lediglich eine sehr schwache oder gar keine Schaumbildung zu verzeichnen.
Auswertung
Die im ersten Versuch beobachtete Reaktion demonstriert die hohe biologische Aktivität der Katalase in der Leber. Das Enzym beschleunigt den Zerfall des Zellgifts Wasserstoffperoxid in unschädliches Wasser und gasförmigen Sauerstoff gemäß der Reaktionsgleichung 
Die aufsteigenden Bläschen sind somit ein direkter Beleg für den katalytischen Umsatz des Substrats.
Das Ausbleiben der Reaktion in den Ansätzen (b) und (c) lässt sich auf eine Schädigung des Enzyms zurückführen. Im Falle der Kupfersulfat-Einwirkung findet eine schwermetallbedingte Hemmung statt. Die Metallionen (
) binden an das Enzymprotein, verändern dessen Konformation oder blockieren das aktive Zentrum, wodurch der Zerfall von unterbunden wird. Das Abkochen des Gewebes führt hingegen zur thermischen Denaturierung der Katalase. Durch die Hitze wird die spezifische Tertiärstruktur des Enzyms irreversibel zerstört, sodass das Schlüssel-Schloss-Prinzip nicht mehr greift und keine katalytische Aktivität mehr möglich ist.
Physiologische Folgen eines Alpha-1-Antitrypsin-Mangels
Das Protein Alpha-1-Antitrypsin (AAT) wird in der Leber synthetisiert und gelangt über die Blutbahn in das Lungengewebe. Dort übernimmt es eine lebenswichtige Schutzfunktion, indem es Enzyme hemmt, die körpereigene Strukturproteine der Lungenbläschen abbauen. Liegt ein anhaltender AAT-Mangel vor, entfällt diese regulatorische Hemmung der proteinabbauenden Enzyme. In der Folge kommt es zu einem unkontrollierten Abbau von Strukturproteinen im Lungengewebe, was dessen fortschreitende Zerstörung nach sich zieht.
Durch den Verlust an intaktem Lungengewebe wird die für die Diffusion zur Verfügung stehende Oberfläche stark verringert, was zu einer massiven Störung des Gasaustausches führt. Da somit deutlich weniger Sauerstoff 
aus der Atemluft ins Blut und damit in die Zellen gelangen kann, ist die Sauerstoffversorgung des gesamten Organismus eingeschränkt. Da 
als Endakzeptor der Zellatmung für die effiziente Bereitstellung von chemischer Energie in Form von essenziell ist, resultiert aus diesem Defizit die verminderte körperliche Leistungsfähigkeit der betroffenen Personen.
Vergleich von aktiver und passiver Immunisierung
Die beiden Formen der Immunisierung lassen sich anhand grundlegender biologischer Kriterien differenzieren, um ihre jeweilige Funktion im Infektionsschutz zu verstehen:
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Impfstoff: Bei der aktiven Immunisierung werden dem Körper abgeschwächte oder abgetötete Erreger als Antigen zugeführt, während bei der passiven Immunisierung bereits fertige Antikörper als Impfstoff dienen.
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Rolle der Antikörper: Im Rahmen der aktiven Form bildet der Organismus selbst spezifische Antikörper aus. Im Gegensatz dazu bewirken die bei der passiven Form injizierten Antikörper eine sofortige Agglutination (Verklumpung) der bereits vorhandenen Erreger.
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Immungedächtnis: Eine dauerhafte Speicherung der Antigen-Information durch die Bildung von Gedächtniszellen, das sogenannte Immungedächtnis, findet ausschließlich bei der aktiven Immunisierung statt.
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Dauer der Immunität: Infolge der körpereigenen Reaktion bietet die aktive Immunisierung einen langjährigen Schutz vor einer Erkrankung. Die passive Immunisierung gewährt hingegen nur einen kurzzeitigen Schutz, da die fremden Antikörper mit der Zeit vom Körper abgebaut werden.
Hinweis: Zur Erreichung der vollen Punktzahl können auch andere Kriterien zum Vergleich genutzt werden, soweit sinnvoll.
Einordnung der Grippeimpfung
Die jährlich empfohlene Schutzimpfung gegen Grippeviren ist eindeutig der aktiven Immunisierung zuzuordnen.
Analyse des Erbgangs von Morbus WILSON
Die vorliegende Stammbaumanalyse erlaubt eine eindeutige Bestimmung des Erbgangs dieser Stoffwechselstörung. Dass die phänotypisch gesunden Eltern 1 und 2 betroffene Kinder (Personen 4 und 6) haben, belegt, dass die Anlage für Morbus WILSON rezessiv vererbt wird, da sie bei den Eltern phänotypisch durch ein dominantes Allel überdeckt wird. Ein autosomaler Erbgang ist dadurch bewiesen, dass die betroffene Tochter 6 einen nicht betroffenen Vater (Person 2) besitzt. Wäre der Erbgang gonosomal-rezessiv (X-chromosomal), müsste ein betroffenes Mädchen zwingend einen betroffenen Vater haben, von dem sie das defekte X-Chromosom erbt. Somit liegt ein autosomal-rezessiver Erbgang vor.
Genotypen der Familienmitglieder
Unter Verwendung der Symbolik 
für das dominante gesunde Allel und 
für das rezessive Krankheitsallel lassen sich für die genannten Personen folgende Genotypen ableiten:
-
Person 3: Diese Frau ist phänotypisch gesund, muss jedoch heterozygot
sein, da sie mit ihrem betroffenen Partner (Person 4) betroffene Kinder (8 und 9) gezeugt hat und somit ein rezessives Allel an diese weitergegeben haben muss. -
Person 4: Als betroffener Mann muss er homozygot rezessiv
sein, um die Krankheit phänotypisch auszuprägen. -
Person 5: Da seine Eltern (1 und 2) beide Überträger
sein müssen, um betroffene Kinder zu haben, kann er als gesundes Kind dieser Eltern entweder homozygot gesund 
oder ein heterozygoter Überträger sein.
Hinweis: Zur Erreichung der vollen Punktzahl müssen die Genotypen lediglich genannt und nicht erklärt werden.
Ermittlung der Wiederholungswahrscheinlichkeit
Zur Bestimmung der Wahrscheinlichkeit, mit der ein drittes Kind der Personen 3 und 4 erkrankt, wird ein Kreuzungsschema erstellt:
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Keimzellen |
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Das Kreuzungsschema verdeutlicht, dass die Genotypen der Nachkommen zu jeweils 
als 
oder 
zu erwarten sind. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein drittes Kind der Personen 3 und 4 von Morbus WILSON betroffen sein wird, beträgt somit exakt 
Interpretation der Messergebnisse zur Zellatmung
Die vorliegenden Messkurven dokumentieren die Abhängigkeit des pH-Werts und des ATP-Gehalts innerhalb des Mitochondriums von Sauerstoff. Im Zeitraum zwischen 
und 
herrschen anaerobe Bedingungen, in denen sowohl der pH-Wert der Matrix als auch der des Intermembranraums konstant bei etwa 7,1 liegen. Da der Endakzeptor der Elektronentransportkette, Sauerstoff 
fehlt, kommt der Elektronenfluss zum Erliegen. Infolgedessen können keine Protonen 
aus der Matrix in den Intermembranraum gepumpt werden, wodurch der Aufbau eines Protonengradienten ausbleibt. Ohne diesen Gradienten findet keine ATP-Bildung statt, was durch den ATP-Gehalt von Null bestätigt wird.
Mit dem Übergang zu aeroben Bedingungen zum Zeitpunkt ändert sich die Situation grundlegend. Das nun vorhandene fungiert als Endakzeptor, sodass die Redoxkette Arbeit verrichtet. Protonen werden aktiv in den Intermembranraum gepumpt, was dort zu einem Absinken des pH-Wertes führt, während der pH-Wert in der Matrix komplementär dazu ansteigt. Dieser etablierte Protonengradient liefert die notwendige Energie für die ATP-Synthase, was am deutlichen Anstieg des ATP-Gehalts (Kurve c) im Intervall bis 
ablesbar ist.
Wirkungsweise von Oligomycin
Die Zugabe des Antibiotikums Oligomycin zum Zeitpunkt führt zu einer markanten Veränderung der Stoffwechselphysiologie. Es lässt sich die begründete Vermutung aufstellen, dass Oligomycin die ATP-Synthase spezifisch blockiert. Dies wird durch den abrupten Abfall des ATP-Gehalts auf Null untermauert, obwohl die Elektronentransportkette offensichtlich weiterhin aktiv bleibt.
Da die Protonen durch die Blockade der ATP-Synthase nicht mehr in die Matrix zurückfließen können, nimmt der Protonengradient sogar weiter zu, was an der fortgesetzten Spreizung der pH-Werte zwischen Matrix und Intermembranraum deutlich wird. Das System befindet sich in einem Zustand des gestauten Protonendrucks, ohne dass die darin gespeicherte potenzielle Energie zur Synthese von aus 
und 
genutzt werden kann.
Analyse der Wirkungsweise von Ciguatoxinen
Die Untersuchung des Einflusses von Ciguatoxinen auf die Axonmembran zeigt eine deutliche Abhängigkeit der neuronalen Reaktion von der Giftkonzentration. Aus den vorliegenden Messdaten geht hervor, dass der Einstrom von Natrium-Ionen in das Axon während einer Depolarisation mit steigender Toxinkonzentration massiv zunimmt. Während ohne Toxin (Kurve A) ein physiologisch normaler, zeitlich begrenzter Natriumionen-Einstrom zu verzeichnen ist, bewirken Konzentrationen von 
(Kurve B) und insbesondere 
(Kurve C) eine drastische Steigerung der Ionenbeweglichkeit.
Basierend auf diesen Beobachtungen lässt sich die begründete Vermutung aufstellen, dass Ciguatoxine spezifisch an die spannungsgesteuerten -Kanäle der Axonmembran binden und deren Schließmechanismus beeinträchtigen. Die Toxine führen offenbar zu einer verlängerten Öffnungszeit dieser Kanäle. Da die Kanäle nach der Depolarisation nicht wie vorgesehen unmittelbar inaktivieren, strömen kontinuierlich weitere -Ionen entlang ihres Konzentrationsgefälles in das Zellinnere.
Diese dauerhafte Veränderung der Membranpermeabilität verhindert eine schnelle Repolarisation der Nervenzelle und kann zu einer permanenten Depolarisation oder zu unkontrollierten Serien von Aktionspotenzialen führen.