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Musterabitur 2011 - Biologie

A 1 Insulin

Bei gesunden Menschen wird die Blutzuckerkonzentration im Blut reguliert, indem bei hohem Blutzuckerspiegel (z. B. nach einer kohlenhydratreichen Mahlzeit) die β-Zellen der Bauch-speicheldrüse vermehrt das Proteinhormon Insulin ausschütten, das u. a. die Aufnahme von Blutzucker aus dem Blut in die Zellen bewirkt. 1 Folgende DNA-Sequenz ist ein Ausschnitt (Basen 289 bis 300) aus dem menschlichen

Insulin-Gen.

DNA: 3´… GAC ACG CCG AGT…5´ 5´… CTG TGC GGC TCA…3´

Leiten Sie mithilfe der abgebildeten Code-Sonne die entsprechende Aminosäure-Sequenz ab! Stellen Sie zwei mögliche Mutationstypen und deren Folgen für die Wirksamkeit des Hormons dar, wenn bei der markierten Base durch ein Mutagen eine Punktmutation er-folgt! [8 BE]

Abb. 1: Code-Sonne

2 Zur Behandlung von Zuckerkranken stand früher nur Insulin zur Verfügung, das aus

Schlachttieren gewonnen wurde. Rinder- und Schweine-Insulin führte jedoch bei man-chen Patienten zu Abwehrreaktionen. Um dieses Problem der Verabreichung von tieri-schem Insulin zu umgehen, arbeiteten viele Forschungsgruppen an Methoden zur Her-stellung von menschlichem Insulin. Hierfür mussten erst einmal der Bau und die Bio-synthese von Insulin erforscht werden (Abbildung 2). Danach suchte man nach Mög-lichkeiten, menschliches Insulin mit gentechnischen Methoden herzustellen. Dies ge-lang 1982 erstmals in großen Mengen mithilfe gentechnisch veränderter Bakterien (Ab-bildung 3).

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Abb. 2: Schematische Übersicht der Biosynthese von Insulin in β-Zellen

Abb.3: Gentechnische Herstellung von menschlichem Insulin

S S

S S

Signal-Sequenz B-Kette C-Kette

A-Kette

S S

S S

Präproinsulin

S S

S S

Insulin

S S

S S

Proinsulin

Ribosom

Endoplasmatisches Reticulum

Zellmembran

1

2

3

Einschleusen in Bakterium

Plasmide

Vermehrung der Zellen

Aktivierung des Promotors

Isolation der Polypeptide

DNA-Sequenz für B-Kette

DNA-Sequenzfür A-Kette

bakterieller Promotor

Resistenzgen

A-Kette B-Kette

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2.1 Beschreiben Sie anhand der Abbildung 2 die Prozesse, die zur Bildung des funktions-fähigen Insulins führen! [4 BE]

2.2 Stellen Sie dar, warum für die gentechnische Herstellung von Insulin mit E. coli nicht

unmittelbar das menschliche Insulin-Gen als Ausgangsmaterial verwendet werden kann! Erläutern Sie, wie dieses Problem bei dem in Abbildung 3 gezeigten Verfahren umgangen wird! [7 BE]

2.3 Für den in Abbildung 3 gezeigten Herstellungsprozess kann so genannte cDNA ver-

wendet werden. Beschreiben Sie die Herstellung dieses DNA-Typs! [6 BE]

3 Hyperinsulinismus (HI) ist eine Krankheit, bei der die Insulin-Konzentration im Blut

stark erhöht ist. Dies führt ohne Behandlung zu schweren Unterzuckerungen mit schnellem Herzschlag, Kreislaufschwäche, unkontrollierten Zuckungen bis hin zu Be-wusstseinsverlust und schließlich dem Tod.

3.1 Die Abbildungen 4.1 und 4.2 zeigen die Abläufe in gesunden β-Zellen der Bauchspei-

cheldrüse bei hohen Glucosekonzentrationen (Abb. 4.1) bzw. bei niedrigen Glucose-konzentrationen (Abb. 4.2). Die beteiligten Ca2+-Kanäle öffnen sich bei einem Memb-ranpotential von -40 mV. Die K+-Kanäle sind ligandengesteuert.

- 40 mV

Glucokinase

Glucose

Glucose-Transporter

Insulin-haltigeVesikel

ATP

Gluc-6-P

K+-KanalATP

K+

Glucokinase

Glucose

Glucose-Transporter

ATP

Gluc-6-P

- 60 mVCa2+

Ca2+

Ca2+-Kanal

Ca2+

K+-Kanal

K+ K+Mitochondrium

1

2

3

4

5

6 1

2

3

4

5

6

- 40 mV

Glucokinase

Glucose

Glucose-Transporter

Insulin-haltigeVesikel

ATP

Gluc-6-P

ATP

Gluc-6-P

K+-KanalATPK+-KanalATPK+-KanalATP

K+

Glucokinase

Glucose

Glucose-Transporter

ATP

Gluc-6-P

- 60 mVCa2+

Ca2+

Ca2+-Kanal

Ca2+

Ca2+

Ca2+-Kanal

Ca2+

K+-Kanal

K+ K+

K+-KanalK+-Kanal

K+ K+Mitochondrium

1

2

3

4

5

6 1

2

3

4

5

6

Abb. 4.1: Regulation der Insulin-Ausschüttung in gesunden β-Zellen bei hoher Glucose-Konzentration (Gluc-6-P = Glucose-6-phosphat; Ziffern 1-6 geben die Reihenfolge an)

Abb. 4.2: Regulation der Insulin-Ausschüttung in gesunden β-Zellen bei niedriger Glucose-Konzentration (Gluc-6-P = Glucose-6-phosphat; Ziffern 1-6 geben die Reihenfolge an)

3.1.1 Beschreiben Sie die Abläufe in den β-Zellen bei hoher Blutzuckerkonzentration und stellen Sie die Unterschiede zu den Abläufen bei niedriger Blutzuckerkonzentration dar![6 BE]

3.1.2 Vergleichen Sie die Abläufe mit den Vorgängen, die in einem Axon-Endknöpfchen

beim Eintreffen eines Aktionspotentials stattfinden! [5 BE]

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3.2 Eine der Ursachen von Hyperinsulinismus ist auf eine durch Genmutation veränderte Aktivität des Enzyms Glucokinase zurückzuführen.

020406080

100120140160180

intaktes Genvorhanden

mutiertes Genvorhanden

Akt

ivitä

t der

Glu

coki

nase

in %

Abb. 6: Änderung der Glucokinase-Aktivität bei Vorliegen einer Mutation (verändert nach: Glaser, B. et al., Familial Hyperinsulinism caused by an activating Glucokinase mutation, in: The New England Journal of Medicine, Jan 22, 1998, p 226-230) Erklären Sie mithilfe der Abbildung 6, warum diese Genmutation zu Hyperinsulinismus führt! [4 BE] ______ [40 BE]