Aufgabe 2 – Stechmücken
Hinweis: Von den vier Aufgaben sollen in der Prüfung drei ausgewählt und bearbeitet werden.
Weltweit gibt es mehr als 3.500 Stechmückenarten, eine davon ist die Südliche Hausmücke (Culex quinquefasciatus, Abb. 1). Nur die weiblichen Mücken stechen und saugen Blut. Hat die Mücke eine geeignete Stelle zum Blutsaugen gefunden, sticht sie mit ihrem Stechrüssel in die Haut, injiziert etwas Speichel und saugt anschließend Blut in ihren Verdauungstrakt. Der Speichel enthält einen Cocktail verschiedener lokal betäubender sowie gerinnungshemmender Proteine, z. B. Apyrase (Abb. 2).
Abb.1: Südliche Hausmücke (Culex quinquefasciatus)
Abb. 2: Apyrase (Bändermodell)
1
Nenne die in Abbildung 2 dargestellten Strukturebenen des Proteins Apyrase und die sie jeweils stabilisierenden Wechselwirkungen bzw. Bindungen.
Durch die Proteine wird eine lokale Entzündungsreaktion ausgelöst. Die typischen Symptome eines Mückenstichs an der Einstichstelle sind daher Juckreiz, Rötung und Schwellung. Sogenannte Thermostifte lindern den Juckreiz, indem sie die betroffene Stelle für drei bis fünf Sekunden auf ca. 55 °C erhitzen.
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2
Gib eine mögliche Erklärung für die Wirkung des lokalen Erhitzens auf molekularer Ebene.
Kurzfristige Effekte des Thermostifts lassen sich auch neurobiologisch erklären. Abbildung 3 zeigt schematisch einen solchen Erklärungsansatz für die Wirkungsweise eines Thermostifts, Abbildung 4 die an verschiedenen Messstellen abgeleiteten Potenziale.
4 BE
Abb. 3: Neurobiologische Wirkung eines Thermostifts (schematisch); neuronale Verschaltungen mit Synapsen S1 bis S3 und Messstellen A bis F
Abb. 4: An verschiedenen Messstellen abgeleitete Potenziale
3.1
Fertige eine beschriftete Skizze an (Größe ca. 1/2 Seite), die die Erregungsübertragung an einer erregenden Synapse vom Eintreffen eines Aktionspotenzials bis zur Erregung der nachgeschalteten Zelle darstellt.
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3.2
Erläutere die an Messstelle F (Abb. 4) abgeleitete Folge von Aktionspotenzialen auf molekularer Ebene. Stelle das an Messstelle E abgeleitete Potenzial in einem Diagramm dar.
8 BE
3.3
Erläutere anhand der Abbildungen 3 und 4 die Wirkungsweise eines Thermostifts.
Zur Bekämpfung von Stechmücken werden Insektizide, z. B. Pyrethroide, eingesetzt. Diese blockieren spannungsgesteuerte Natriumionenkanäle in den Nervenzellen der Insekten. In Ländern mit Pyrethroid-Einsatz werden zunehmend gegen diese Wirkstoffe resistente Stechmücken beobachtet.
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4
Erläutere die Entstehung dieser Resistenz im Sinne der synthetischen Evolutionstheorie.
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Bildnachweis [nach oben]
Swiss Institute of Bioinformatics SWISS-MODEL | B0WJ00_CULQU
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1
Strukturebenen des Proteins Apyrase:
- Sekundärstrukturen: Zu erkennen sind alpha-Helices und beta-Faltblätter sowie Haarnadelschleifen. Diese Strukturen werden durch Wasserstoffbrücken (zwischen Peptidgruppen) gebildet.
- Tertiärstruktur: Die Tertiärstruktur bezeichnet die räumliche Struktur einer Untereinheit des Proteins und wird durch ionische Wechselwirkungen, Disulfidbrücken, Wasserstoffbrücken und London- bzw. Van-der-Waals-Wechselwirkungen (zwischen Aminosäureresten) stabilisiert.
- Quartärstruktur: Die Apyrase besteht aus zwei Untereinheiten, die gemeinsam die Quartärstruktur des Proteins formen. Es treten die gleichen Wechselwirkungen wie in der Tertiärstruktur auf.
2
Wirkung des lokalen Erhitzens:
Das lokale Erhitzen sorgt für das Aufbrechen der Wechselwirkungen im Protein. Die Apyrase denaturiert, und die Entzündungsreaktion wird abgeschwächt. Daher lässt auch der Juckreiz nach.
3.1
Erregungsübertragung an einer chemischen Synapse:
3.2
An Messstelle F abgeleitete Folge von Aktionspotenzialen:
Synapse 3 ist eine hemmende Synapse. Ihr Neurotransmitter sorgt an der postsynaptischen Membran für einen Einstrom von negativ geladenen Chloridionen (oder für einen Ausstrom positiv geladener Kalium-Ionen). Dadurch wird ein inhibitorisches postsynaptisches Potenzial (IPSP) ausgelöst, welches zu einer Hyperpolarisation der Zelle führt. Am Axonhügel wird das Signal der hemmenden Synapse 3 mit dem Signal der erregenden Synapse 1 durch räumliche Summation verrechnet. Daher ist die Aktionspotenzialfrequenz an Messstelle F verringert.
Abgeleitetes postsynaptisches Potenzial an Messstelle E:
3.3
Wirkungsweise eines Thermostifts:
Die Hitze des Thermostiftes mildert den Juckreiz ab. Hitze sorgt dafür, dass die Synapse 2a das Signal ans Gehirn weiterleitet. Da an Messstelle A und B jeweils eine hohe Aktionspotenzialfrequenz zu erkennen ist, handelt es sich bei Synapse 2a um eine erregende Synapse. Dieses Signal wird im Gehirn als Schmerz interpretiert. Anhand der Aktionspotenzialfrequenz an Messstelle C lässt sich ableiten, dass auch Synapse 2b erregend wirkt. Das Signal von Synapse 2b bewirkt wiederum eine Aktivierung der hemmenden Synapse 3. Dieses Signal wird mit dem stark erregenden Signal, das durch den Mückenstich ausgelöst wird, verrechnet. Ohne Hitze würde dieses Signal einen starken Juckreiz auslösen. Die räumliche Summation der Signale von Synapse 1 und Synapse 3 sorgt jedoch für eine abgemilderte Aktionspotenzialfrequenz (siehe Messstelle F). Daher ist der Juckreiz bei Verwendung eines Thermostiftes verringert.
4
Entstehung der Resistenz:
Durch zufällige und spontane Mutations- und Rekombinationsereignisse verschiedene Varianten der Natrium-Ionenkanäle bei den Stechmücken. Stechmücken, deren Natrium-Ionenkanäle eine niedrige Bindungsaffinität für das Insektizid aufweisen, haben dabei einen Selektionsvorteil. Daraus resultiert ein erhöhter Fortpflanzungserfolg dieser Tiere, und die entsprechende Allelfrequenz reichert sich in der Population an. Daher kommt es zu einer Zunahme resistenter Stechmücken.