Aufgabe 2 – Informationsverarbeitung in Lebewesen
Medikamentöse Muskelentspannung
Hinweis: Von den vier vorliegenden Aufgaben musst du in der Prüfung drei auswählen und bearbeiten.
Muskelentspannende Medikamente verbessern in vielen Fällen die Bedingungen bei Operationen. Die an der neuromuskulären Synapse wirkenden Stoffe werden darüber hinaus auch als Pfeilgifte bei der Jagd verwendet.
Stelle die Vorgänge der Erregungsübertragung an einer chemischen Synapse schematisch dar.
Werte die Ergebnisse aus M 1 hinsichtlich der Wirkung von Tubocurarin an der neuromuskulären Synapse aus.
Diskutiere die Eignung von Physostigmin zur Aufhebung einer Überdosierung von Tubocurarin (M 1, M 2).
Analysiere die beiden in M 4 genannten Jagdmethoden im Hinblick auf Waidgerechtigkeit (M 1, M 2).
Gib die aus Transkription und Translation der beiden DNA-Ausschnitte hervorgehenden Molekülsequenzen an (M 3).
Beurteile darauf basierend die Verwendbarkeit der in M 2 genannten muskelentspannenden Medikamente für den in M 3 vorgestellten Patienten.
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?M1 Die Wirkung von Tubocurarin auf Skelettmuskeln
Tubocurarin wird bei Operationen zur Muskelentspannung verwendet. Die Moleküle wirken an der neuromuskulären Synapse, wo sie eine ähnliche Affinität zu den Rezeptoren postsynaptischer Natriumionen-Kanäle wie Acetylcholin zeigen. In einem Experiment wurde der Einfluss von Tubocurarin auf die Kontraktionsfähigkeit von Skelettmuskeln untersucht (Abb. 1):
Abb. 1: Muskelkontraktionen vor (A) und nach Gabe von Tubocurarin (B); Werte über 100 % zeigen eine übermäßige und nur im Experiment auslösbare Kontraktion an.
(Aktories et al., 2017)
M2 Medikamentöse Aufhebung der Wirkung von Tubocurarin
Die für Operationen zugelassenen Medikamente zur Muskelentspannung werden im Körper zumeist enzymatisch abgebaut, wodurch ihre Wirksamkeit zeitlich begrenzt ist (Tab. 1).
|
Medikament |
Enzymatischer Abbau im Organismus |
|---|---|
|
Tubocurarin |
Spaltung durch Carboxylasen in der Leber (ca. 30-40 min) |
|
Mivacurium |
Spaltung durch Butyrylcholinesterase in der Leber (ca. 10-15 min) |
|
Atracurium |
Spaltung durch verschiedene Esterasen im Blut (ca. 20-30 min) |
Tab. 1: Abbau muskelentspannender Medikamente
In seltenen Fällen kann es vorkommen, dass nach einer Vollnarkose die Wirkung anhält. Dann können die Patienten bei völliger Wachheit ihren Körper nicht bewegen und somit auch keine Atembewegungen ausführen. Die Wirkung von Tubocurarin und anderen muskelentspannenden Medikamenten lässt sich in solchen Fällen schnell durch Gegengifte aufheben. Es wurde vermutet, dass unter anderem Physostigmin als ein solches Gegengift verwendet werden könnte. Dessen reversible Wirkung ist in Abb. 2 grafisch dargestellt:
Abb. 2: Durch Physostigmin verursachte Veränderungen an der neuromuskulären Synapse
M3 Untersuchungsbefund im BChE-Gen
Bei einem 14-jährigen Jungen wurde wegen des Verdachts eines Gen-Defekts eine DNA-Sequenzierung durchgeführt. Sie zeigte die nachfolgend dargestellte Veränderung im codogenen Strang (Matrizenstrang) des insgesamt 2.400 Basenpaare umfassenden BChE-Gens (Positionen 67 bis 81):
DNA (mutiert)
3´ (…) TAA CCC ATC AGT GTG (…) 5´
DNA (nicht mutiert)
3´ (…) TAA CCC TTC AGT GTG (…) 5´
Das Enzym Butyrylcholinesterase (BChE) spielt im alltäglichen Stoffwechsel keine Rolle, spaltet jedoch Medikamente (vgl. M 2).
(Yu et al., 2018)
Abb. 3: Codesonne
M4 Standpunkte zum Jagdwesen in Deutschland
In einem Online-Blog über die Jagd wurde folgender Eintrag gefunden:
Betreff: Sanfter Tod
Hallo in die Runde, liebe Jagdinteressierte,
ich muss jetzt mal etwas loswerden. Ich bin nicht grundsätzlich gegen das Jagen von Wildtieren. Aber das Töten mit Schusswaffen, wie es bei uns in Deutschland beispielsweise üblich ist, finde ich doch ziemlich grausam – vor allem, weil ich gehört habe, dass bei einem Drittel der abgegebenen Schüsse die Tiere nicht richtig getroffen werden. Da sind uns manche Naturvölker aus Südamerika voraus. Die jagen mit einem natürlichen Gift aus Pflanzen. Das enthält den Wirkstoff Tubocurarin und wird auf die Spitze von Pfeilen aufgetragen. Damit spüren getroffene Tiere bloß einen kurzen Einstich und schlafen dann friedlich ein. Das wäre doch mal etwas zum Nachmachen!
Es grüßt herzlich: Janina (22)
Über ethisch vertretbare Jagdmethoden äußerte sich auch der Deutsche Jagdverband:
Gemäß des deutschen Jagdgesetzes sind bei der Jagdausübung die Grundsätze der deutschen Waidgerechtigkeit zu beachten. Dies beinhaltet das Vermeiden von unnötigem Tierleid, z. B. durch die Verwendung von Patronen mit bestimmter Auftreffenergie. Die Jagdausbildung erfordert eine korrekte Schießtechnik, einschließlich des Blattschusses, der das Tier durch einen gezielten Treffer in die Herzkammer schnell und schmerzlos tötet.
(Deutscher Jagdverband, 2000)
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Vorgänge der Erregungsübertragung:
Einlaufen eines Aktionspotenzials über präsynaptisches Axon in Endknöpfchen → Öffnung spannungsabhängiger Ca2+-Ionenkanäle → Einstrom von Ca2+-Ionen → Bewegung von mit Neurotransmittern (NT) gefüllten Vesikeln zur präsynaptischen Membran → Verschmelzung → Freisetzung von NT in synaptischen Spalt → Bindung an Rezeptoren von Na+-Ionenkanälen der postsynaptischen Membran → Öffnung ligandengesteuerter Na+-Ionenkanäle bis zum Abbau durch membranständige ACh-Esterasen → konzentrationsbedingter Einstrom von Na+-Ionen, lokale Depolarisation
Zusammenhang und Schlussfolgerung:
Abnahme der Muskelkontraktionsfähigkeit:
Konkurrenz von ACh und Tubocurarin um ACh-Rezeptoren; zunehmende Bindung von Tubocurarin an ACh-Rezeptoren der postsynaptischen Na+-Ionenkanäle an der neuromuskulären Synapse → Blockade der Na+-Ionenkanäle → fehlende Depolarisierung → Lähmung der Muskulatur Kontraktion der Muskeln durch direkte Reizung: Bestätigung des Wirkmechanismus an der neuromuskulären Synapse; Wiedereinsetzen des Kontraktionsvermögens: reversible Bindung der Wirkstoffmoleküle
Argumente zur Eignung zur Aufhebung einer Überdosierung:
Blockierung der ACh-Esterase verhindert Abbau von ACh → Ausbleiben der ACh-Spaltprodukte und Anstieg der ACh-Konzentration im synaptischen Spalt → zunehmende und anhaltende Depolarisierung durch postsynaptischen Na+-Ioneneinstrom → Verdrängung reversibel gebundener Tubocurarin-Moleküle von ACh-Rezeptoren durch Erhöhung der ACh-Konzentration im synaptischen Spalt möglich → Eignung vorhanden
Einschränkung durch Dosisabhängigkeit:
Möglichkeit der Überdosierung gegeben → dauerhafte Depolarisierung mit auftretenden Krämpfen
Zusammenhänge im Hinblick auf Waidgerechtigkeit:
-
Annahme, dass Pfeilgift einen leidfreieren Tod bewirkt: Fehlannahme, da Tiere bei vollem Bewusstsein ersticken
-
Deutsches Jagdrecht: Nachweis der Schießtechnik in der Jagdausbildung, Verwendung passender Munition → schnelle und schmerzarme Tötung
→ Nutzung von Tubocurarin als Pfeilgift keine waidgerechte Alternative
mRNA- und Aminosäure-Sequenzen:
Mutierte DNA:
mRNA: 5’ – AUU – GGG – UAG – UCA – CAC – 3’
AS-Sequenz: Ile – Gly – Kettenabbruch
Nicht mutierte DNA:
mRNA: 5‘ – AUU – GGG – AAG – UCA – CAC – 3‘
AS-Sequenz: Ile – Gly – Lys – Ser – His
Verwendbarkeit der Medikamente:
Punktmutation an Position 73 von 2400 → Stopp-Codon am Beginn des Gens → frühzeitiger Abbruch der Proteinbiosynthese → keine Bildung von funktionsfähigem BChE: Einsatz von Tubocurarin oder Atracurium zur Muskelentspannung, weil Mivacurium durch BChE abgebaut wird und damit die Gefahr verlängerter Wirkung besteht.