Aufgabe 4 – Neurobiologie, Biochemie
Der Wirkstoff Morphin gehört zu den wichtigsten Mitteln zur Behandlung starker Schmerzen. Er ist ein Bestandteil des Opiums, des getrockneten Milchsaftes der Kapselfrüchte des Schlafmohns. Morphin bindet an Opioidrezeptoren in der präsynaptischen Membran von Nervenzellen der Schmerzbahn. Dadurch wird die Erregungsweiterleitung zwischen Nervenzellen der Schmerzbahn eingeschränkt und das Schmerzempfinden des Patienten gesenkt. Als Nebenwirkungen treten Atem- und Kreislaufbeschwerden auf.
Abb. 1: Schlafmohn
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Beschreibe die Prozesse, die bei der Erregungsübertragung an einer Synapse ablaufen vom Eintreffen eines Aktionspotenzials bis zur Erregung der nachgeschalteten Zelle.
Um den Wirkmechanismus des Morphins zu verstehen, wurden Experimente an Nervenzellen durchgeführt. Hierbei entdeckten die Forscher, dass bei der Wirkung des Morphins das membrangebundene Enzym Adenylatcyclase und die Menge an cAMP (cyclisches Adenosinmonophosphat) eine entscheidende Rolle spielen. Abbildung 2 zeigt schematisch die Vorgänge an der präsynaptischen Membran des Endknöpfchens ohne und mit Morphin.
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Abb. 2: a) Synaptisches Endknöpfchen mit OAC-Komplexen; b) und c) Vorgänge an der präsynaptischen Membran einer Nervenzelle ohne und mit Morphin (vereinfacht)
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Erläutere unter Berücksichtigung von Abbildung 2 die schmerzstillende Wirkung des Morphins.
Bei länger andauernder Morphingabe stellt sich bei den Konsumenten bald eine Toleranz gegenüber dem Medikament ein. Das bedeutet, dass bei gleicher Morphindosis zunehmend weniger schmerzunterdrückende Wirkung erreicht wird. Um trotzdem eine Wirkung zu erreichen, muss die Dosis erhöht werden, was zur Abhängigkeit von Morphin führen kann. Diese Abhängigkeit macht sich besonders dann bemerkbar, wenn Morphin abrupt abgesetzt wird. Dabei treten Entzugserscheinungen auf, wie z. B. das Empfinden starker Schmerzen ohne entsprechend starke Schmerzreize. Abbildung 3 zeigt, wie sich die cAMP-Konzentratiön im Cytoplasma und die Anzahl der Opioidrezeptor-Adenylatcyclase-Komplexe (OAC-Komplexe) in der Zellmembran des Endknöpfchens bei Morphingabe und Morphinentzug verändern.
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Abb. 3: Konzentration von cAMP und Anzahl OAC-Komplexe bei Morphingabe und Morphinentzug
3.1
Erkläre mithilfe der Abbildung 3 die Entwicklung der Toleranz bei der konstanten Gabe von Morphin.
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3.2
Erläutere mithilfe der Abbildung 3 das Zustandekommen der starken Schmerzen beim plötzlichen Entzug von Morphin.
Bei einer Schmerzbehandlung kann es zu einer Überdosierung und damit zu einer Vergiftung durch Morphin kommen. Hierbei kommt es zu starken Nebenwirkungen, die lebensbedrohlich werden können. Der Betroffene fällt in tiefe Bewusstlosigkeit, der Blutdruck sinkt und es kommt zum tödlichen Atemstillstand. Mithilfe des Medikaments Naloxon kann einer Morphinvergiftung entgegengewirkt werden. Abbildung 4 zeigt die Strukturformeln und die Wirkdauer von Naloxon und Morphin.
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Abb. 4a: Strukturformel von Morphin und Naloxon
Abb. 4b: Bindung von Naloxon und Morphin an Opioidrezeptoren in Abhängigkeit von der Zeit
4.1
Beschreibe mithilfe von Abbildung 4a einen möglichen molekularen Mechanismus, der die Wirkung von Naloxon erklärt.
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4.2
Begründe mithilfe von Abbildung 4b, weshalb Naloxon bei einer Morphinvergiftung als Medikament eingesetzt werden kann und hierbei mehrmals verabreicht werden muss.
Die Gewinnung von Morphin aus dem Milchsaft des Schlafmohns ist sehr aufwändig. Deshalb versucht man seit langem Vorstufen des Morphins gentechnisch zu erzeugen. Wissenschaftlern ist es vor wenigen Jahren gelungen, E. coli-Bakterien gentechnisch so zu verändern, dass sie eine Vorstufe des Morphins, das Reticulin, synthetisieren. Um die fremden Gene in die Bakterienzellen einzufügen, haben sie rekombinante Plasmide hergestellt, die eine DNA-Sequenz mit den Genen enthält, welche für notwendige Enzyme der Biosynthese von Reticulin codieren.
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Beschreibe, wie das rekombinante Plasmid aufgebaut sein muss, um damit eine Selektion der rekombinanten Bakterien zu ermöglichen. Erkläre ein entsprechendes Selektionsverfahren.
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