Lukas Becker/Jörg Großschedl

Zerreißprobe für den Körper

Ehlers-Danlos-Syndrom, hypermobile Gelenke
Durch das Ehlers-Danlos-Syndrom kommt es zu hypermobilen Gelenken., Foto: © Panther Media GmbH/Alamy Stock Foto

Lukas Becker/Jörg Großschedl

Störungen im Proteintransport aufschlüsseln und dabei Systemebenen verbinden

Welcher Mechanismus entscheidet über den Ort der Proteinsynthese? Wie gelangen Proteine zu ihrem Zielort? Zur Darstellung der molekularen und zellulären Grundlagen von Proteinsynthese und -transport eignet sich das Ehlers-Danlos-Syndrom. Anhand dieses Beispiels lernen die Schülerinnen und Schüler, Molekular-, Zell-, Gewebe- und Organismusebenen miteinander in Beziehung zu setzen und so systemübergreifend zu denken.

Kollagenfasern sind ein elementarer Bestandteil des Bindegewebes. Sie sorgen für die Zugfestigkeit und Biegsamkeit von Haut, Sehnen, Bändern und Gelenken. Diese können durch Krankheiten wie dem Ehlers-Danlos-Syndrom verändert sein. Das Ehlers-Danlos-Syndrom ist ein autosomal-dominant vererbter Gendefekt. Dieser führt zu einer schweren Bindegewebsstörung. Patienten mit diesem Syndrom leiden an einer Überdehnbarkeit der Haut. Ihre Haut und ihre Blutgefäße sind zudem sehr fragil und ihre Gelenke hyper-mobil ((Abb. 1 , Böhm/Behrens/Martinez-Schramm/Löhr 2002). Verantwortlich für die Leiden der Patienten ist eine veränderte Struktur der Kollagenfasern in der extrazellulären Matrix des Bindegewebes.
Die Ursache für das Ehlers-Danlos-Syndrom hängt mit den Mechanismen zusammen, die über den Ort der Proteinsynthese entscheiden. Für die Wahl des Syntheseortes ist der finale Bestimmungsort eines Proteins entscheidend. Die Gruppe von Proteinen, die später im Zytosol aktiv ist, wird zum Beispiel vollständig an freien Ribosomen im Zytosol synthetisiert. Auch eine andere Gruppe von Proteinen beginnt ihre Synthese an den freien Ribosomen. Allerdings setzen die Ribosomen die Synthese dieser Proteine nach einer gewissen Zeit am rauen Endoplasmatischen Retikulum (ER) fort. Zu dieser Protein-Gruppe gehören integrale Membranproteine, luminale Proteine und sekretorische Proteine wie zum Bespiel das Kollagen. Unmittelbar nach ihrer Synthese liegen integrale Membranproteine in der Membran des ER vor. Luminale und sekretorische Proteine werden stattdessen vollständig in das Lumen des ER aufgenommen. Der Proteintransfer in die ER-Membran oder das ER-Lumen nennen wir Translokation. Einige dieser Proteine verbleiben dauerhaft im ER. Andere, wie das Kollagen, gelangen über bedeckte Vesikel zu ihrem finalen Bestimmungsort (Alberts/Johnson/Lewis/Raff/Roberts/Walter 2004). Beim Kollagen ist dies die extrazelluläre Matrix.
Das Signal, die Synthese am rauen ER fortzuführen, vermittelt die ER-Signalsequenz. Sie ist Teil der Aminosäuresequenz und befindet sich am Anfang jedes neu entstehenden Proteins dieser Gruppe. Bei Patienten mit Ehlers-Danlos-Syndrom liegt eine Mutation in dem Genabschnitt vor, der die ER-Signalsequenz codiert. Als Folge wird bei der Proteinsynthese eine falsche Aminosäure eingebaut. Dadurch sinkt die Hydropathie des Kollagenproteins (Abb. 2 ). Hydropathie beschreibt die Eigenschaft eines Moleküls, Wasser anzuziehen (hydrophiles Molekül) oder abzustoßen (hydrophobes Molekül). Mit sinkender Hydropathie nimmt die Hydrophilie eines Moleküls zu. Dies erschwert beim Kollagenprotein die Translokation ins ER-Lumen, sodass schließlich weniger Kollagenproteine in die extrazelluläre Matrix gelangen. Die Auswirkungen zeigt der Vergleich elektronenmikroskopischer Aufnahmen der Bindegewebe von Personen mit und ohne Ehlers-Danlos-Syndrom. Bei Patienten mit Syndrom sind die Kollagenfasern von abnormer, blumenkohlartiger Struktur. Bei Personen ohne Syndrom sind die Kollagenfasern sehr viel regelmäßiger angeordnet und dichter gepackt.
Biologiedidaktische Bezüge
Dieses Beispiel verdeutlicht, wie bereits kleine Änderungen auf molekularer bzw. zellulärer Ebene schwerwiegende Konsequenzen auf der Organismusebene haben können. Die Lernmethode des Concept Mappings unterstützt den Aufbau von vernetztem Wissen. Die Lehrperson wiederholt zunächst die Grundlagen der Transkription und Translation. Ihre Bedeutung...

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aus: Unterricht Biologie Nr. 449 / 2019

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