Aufgabe 4 – Die Eisenspeicherkrankheit – eine genetisch bedingte Erkrankung
Die Eisenspeicherkrankheit ist eine erblich bedingte Stoffwechselerkrankung, bei der es zu erhöhten Einlagerungen von Eisenverbindungen im Körper kommt. Diese Einlagerungen können zu Organschäden führen. Die Ursachen dieser Krankheit werden molekulargenetisch untersucht.
Leite aus Material 1 die Art des Erbganges der Eisenspeicherkrankheit ab.
Gib für die Personen 1 bis 7 die möglichen Genotypen an (Material 1).
Gib für die in Material 2 dargestellten DNA-Sequenzen die Aminosäuresequenzen sowie den Typ der Genmutation an (Material 2).
Erkläre, dass es zum Funktionsverlust des HFE-Proteins kommt (Material 2).
Beschreibe die in Abbildung 3 A dargestellte Aufnahme von Eisen-Ionen ins Blut (Material 3).
Erkläre die verringerte Aufnahme von Eisen-Ionen ins Blut bei Anwesenheit von Hepcidin (Material 3).
Erkläre mithilfe von Material 4 und vor dem Hintergrund von Steuerung und Regelung, dass die Veränderung des HFE-Proteins zu erhöhten Einlagerungen von Eisen-Ionen in Leberzellen führt (Material 3).
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Material 1: Kennzeichen und Vererbung der Eisenspeicherkrankheit
Die Eisenspeicherkrankheit ist eine Erbkrankheit, bei der die Aufnahme von Eisen-Ionen aus dem Dünndarm ins Blut erhöht ist. Eisen-Ionen werden unter anderem in den Zellen von Leber und Herz gespeichert. Bei der Eisenspeicherkrankheit können die betroffenen Organe durch eine hohe Konzentration von Eisen-Ionen geschädigt werden.
Der Familienstammbaum einer von dieser Erbkrankheit betroffenen Familie ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1: Familienstammbaum einer von der Eisenspeicherkrankheit betroffenen Familie
Material 2: Das HFE-Gen
Das HFE-Gen ist bei Personen mit Eisenspeicherkrankheit mutiert. Dies führt zu einem Funktionsverlust des HFE-Proteins.
Die folgenden Sequenzen zeigen jeweils einen Ausschnitt (Basenpaare Nr. 6715 bis 6726) aus dem nicht-codogenen Strang des HFE-Gens. Der nicht-codogene Strang ist der Strang, der nicht transkribiert wird.
Abbildung 2: Codesonne
Sequenz aus dem nicht mutierten HFE-Gen:
Sequenz aus dem mutierten HFE-Gen:
Material 3: Prozess der Aufnahme von Eisen-Ionen ins Blut und dessen Regulation
Die Aufnahme von Eisen-Ionen aus der Nahrung ins Blut erfolgt durch Dünndarmzellen. Bei der Regulation dieser Aufnahme ist das in der Leber gebildete Protein Hepcidin von Bedeutung: Es verringert die Aufnahme der Eisen-Ionen ins Blut (Abbildung 3).
Abbildung 3: Aufnahme von Eisen-Ionen aus dem Dünndarm ins Blut ohne Hepcidin (A) und mit Hepcidin (B)
Material 4: Beeinflussung der Hepcidin-Produktion durch den Gehalt von Eisen-Ionen im Blut
Mit dem Blut transportiert Transferrin die Eisen-Ionen zu den Organen. Vor allem Leberzellen nehmen Eisen-Ionen aus dem Blut auf (Abbildung 4). Bei hohem Gehalt von Eisen-Ionen im Blut wird HFE von TFR1 verdrängt.
Abbildung 4: Vorgänge an und in Leberzellen bei Personen ohne Eisenspeicherkrankheit. A bei niedrigem Gehalt von Eisen-Ionen im Blut, B bei erhöhtem Gehalt von Eisen-Ionen im Blut
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Auf der Grundlage eines Familienstammbaums werden sachgerechte Schlüsse zur Art des Erbganges geschlossen:
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phänotypisch nicht betroffener Vater (1) hat betroffene Tochter (7) → Ausschluss X-chromosomal, folglich autosomal
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autosomal-rezessiver Erbgang:
Phänotypisch nicht betroffene Eltern (1 und 2) haben betroffene Nachkommen (3 und 7) → mutiertes Allel ist rezessiv
Die möglichen Genotypen werden ohne Erläuterung aufgezählt:
Aa: 1, 2; aa: 3, 7; Aa oder AA: 4, 5, 6
Die Aminosäuresequenzen sowie der Typ der Genmutation werden ohne Erläuterung wiedergegeben:
-
Aminosäuresequenzen:
nicht mutiertes Allel: Tyr – Thr – Cys – Gln
mutiertes Allel: Tyr – Thr – Tyr – Gln -
Mutationstyp: Punktmutation
Der Prozess des Funktionsverlusts wird nachvollziehbar und verständlich gemacht, indem er auf Gesetzmäßigkeiten zu Proteinbiosynthese und Proteinstruktur zurückgeführt wird:
Tyr statt Cys in Aminosäuresequenz eingebaut → veränderte Wechselwirkung zwischen den Aminosäuren des HFE-Proteins → Strukturveränderung des HFE-Proteins in für die Funktion des HFE-Proteins wichtigem Bereich → Funktionsverlust des HFE-Proteins
Die Aufnahme von Eisen-Ionen ins Blut wird strukturiert und unter Verwendung der Fachsprache formuliert:
Eisen-Ionen gelangen durch einen Kanal in Dünndarmzelle → Eisen-Ionen gelangen durch den Kanal namens Ferroportin aus Dünndarmzelle ins Blut → Eisen-Ionen binden im Blut an Transferrin
Die verringerte Aufnahme von Eisen-Ionen bei Anwesenheit von Hepcidin wird nachvollziehbar und verständlich gemacht, indem sie auf Gesetzmäßigkeiten zum Stofftransport zurückgeführt werden:
Hepcidin ist im Blut vorhanden → Hepcidin bindet an Ferroportin → Hepcidin blockiert Ferroportin → Verringerung der Aufnahme von Eisen-Ionen ins Blut bei Anwesenheit von Hepcidin
Die erhöhten Einlagerungen von Eisen-Ionen werden nachvollziehbar und verständlich gemacht, indem sie ausgehend vom veränderten HFE-Protein auf die veränderten Regulationsvorgänge zurückgeführt werden:
-
Veränderung des HFE-Proteins → fehlende Bindung des HFE-Proteins an TFR2 → fehlende Expression des Hepcidin-Gens
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bei hohem Gehalt an Eisen-Ionen: fehlende negative Rückkopplung → ungeregelte Aufnahme von Eisen-Ionen über Ferroportin ins Blut aufgrund des fehlenden Hepcidins, kontinuierlicher Transport und Speicherung der ins Blut aufgenommenen Eisen-Ionen in Leberzellen