AB 12_2.3

Thema: Proteine im Alltag (2) – Fieber, Muskelarbeit, Kriminalistik, etc.


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Im Folgenden werden weitere vollkommen unterschiedliche Sachverhalte im Zusammenhang mit Proteinen dargestellt. Damit soll nochmals auf die sehr große Bedeutung dieser Stoffgruppe für unseren Körper bzw. unser Leben hingewiesen werden.

Proteine und Fieber

Als Fieber (lat.: febris „Hitze“) wird eine Erhöhung der Körpertemperatur bezeichnet, die über dem natürlicherweise eingestellten Soll-Temperaturwert liegt. Fieber ist ein Symptom bzw. Anzeichen für eine Krankheit, selbst aber keine Krankheit.

Das Steuerzentrum für innere Zustände des Körpers, wie z.B. die Körpertemperatur, liegt im Gehirn. Hier stellt der „Hypothalamus“ (Abb. AB 12_2.3-1) sicher, dass in den verschiedenen Körperteilen immer eine möglichst konstante Temperatur eingehalten wird. An vielen Stellen des Körpers beträgt der sogenannte Temperatur-Sollwert 370C.
Bei einer Infektion oder Entzündung kommt es zu Fieber, d.h. der Sollwert wird vom Hypothalamus höher eingestellt als die normale Körpertemperatur. Das „Aufheizen“ hilft, Krankheitserreger zu bekämpfen, indem sie durch die höhere Temperatur geschädigt werden. Vor allem jedoch lässt die höhere Temperatur das Immunsystem schneller arbeiten.
Das ist von Vorteil für uns, solange die Körpertemperatur nicht über einen längeren Zeitraum zu hoch ansteigt. Von hohem Fieber spricht man bei einer Körpertemperatur ab 39,1oC.Die Zusammenhänge zwischen Proteinen und der Körpertemperatur bzw. Fieber werden durch die Bearbeitung der folgenden Aufgaben verdeutlicht.

Quelle: wikimedia

Abb. AB 12_2.3-1 Hypothalamus

Von alleine würden Stoffwechselvorgänge in unserem Körper viel zu langsam ablaufen. Enzyme lösen dieses Problem, in dem sie aktiv werden und diese Prozesse gewaltig beschleunigen. Der Hauptbestandteil eines Enzyms ist immer ein Protein.

  1. Beschreibe die Kurve der Abb. AB 12_2.3-2 und erläutere die Bedeutung der Temperatur für die Enzymaktivität. Sie ist ein Maß dafür, wie viele Moleküle pro Zeit durch die Aktivität eines Enzyms verändert werden können.
    Hinweise:
    Die Grenzen sind fließend und das Aktivitätsmaximum ist nicht bei allen Enzymen gleich.

Abb. AB 12_2.3-2 Aktivität von Enzymen und Temperatur (vereinfacht)

  1. Beschreibe die Abb. AB 12_2.3-3 und – per Klick – die Abb. AB 1_2.3-8.
    Stelle eine Hypothese darüber auf, welche Vorgänge mit der Zerstörung der Proteine (= Denaturierung) verbunden sind.
  1. Erläutere schließlich den Prozess bzw. das Ergebnis der Denaturierung von Proteinen anhand der Abbildung AB 12_2.3-4.
    Nenne den entscheidenden Unterschied des Modells zur Wirklichkeit.
    Informiere dich dazu auch über den Begriff „Renaturierung“ in Zusammenhang mit Proteinen.

Abb. AB 12_2.3-3 A- intaktes Protein / B – denaturiertes Protein

Abb. AB 12_2.3-4 Modell: A intaktes Protein / B denaturiertes Protein

  1. Fieber ist eine positive Reaktion des Körpers. Die Fähigkeit, die Körpertemperatur entsprechend zu erhöhen, besitzen Säugetiere und Vögel.
    Zu den Tierklassen, die diese Fähigkeit nicht besitzen, gehören u.a. die Reptilien.
    Begründe, welchen Vorteil Säugetiere und Vögel gegenüber Reptilien dadurch aufweisen.
    Stelle eine Hypothese auf, wie sich ein Reptil, z.B. eine Eidechse, zumindest zeitweise ebenfalls den Vorteil des „Fiebers“ verschaffen könnte.
  1. Die häufigste Todesursache nach dem Konsum der Droge „Ecstasy“ ist eine extreme Erhöhung der Körpertemperatur. Es kommt zur Zerstörung von Muskelzellen und schließlich zum Nieren- und Herzversagen.
    Stelle einen Zusammenhang zu den behandelten Inhalten her.

 

Lösungen zu den Aufg. 3 bis 5:

zu 3.
Eine Erhöhung der Temperatur führt zunächst zu einem „besseren Arbeiten“ der Enzyme. Oberhalb von 40oC beginnt jedoch eine Phase, in der die Proteine nicht mehr arbeitsfähig sind, sie denaturieren.
Nach Abb. AB 12_2.3-3 verlieren sie ihre räumliche Struktur. Wie die Abb. AB 1_2.3-8 zeigt wird die  Tertiärstruktur durch verschiedene Bindungen bzw. Kräfte zwischen den Aminosäureresten aufrechterhalten. Die zunehmende Wärme löst diese Bindungen.
Bildlich kann man sich das so vorstellen: Die an den Bindungen beteiligten Atome beginnen mit zunehmender Temperatur immer stärker zu schwingen, bis schließlich die Struktur bildende Bindung zwischen zwei AS „zerbricht“.Viele dieser Denaturierungen können rückgängig gemacht werden, wenn die Temperatur nicht zu lange zu hoch ist.
Das Modell zeigt links Büroklammern, deren räumliche Struktur dazu dient, mehrere Blatt Papier miteinander zu verbinden. Biegt man die Büroklammern auf, verlieren sie nicht nur ihre räumliche Struktur, sondern auch ihre Funktion. Im Vergleich zur Wirklichkeit kann man die aufgebogenen Büroklammern nur sehr schwer oder gar nicht wieder funktionsfähig machen.
zu 4.
Fieber hat im Laufe der Evolution den Vögeln und Säugetieren einen Überlebensvorteil beschert, da sie damit Infektionen und Entzündungen besser überstehen können.
Eidechsen können – zumindest zeitweise – wärmere Orte aufsuchen und so ihren Körper „aufheizen“. Damit erreichen sie einen dem Fieber vergleichbaren Zustand.
zu 5.
Nach Einnahme der Droge kommt es zur starken Erhitzung des Körpers. Unter anderem führt dieses zur Denaturierung von Proteinen, z.B. im Muskelgewebe. Eine der Folgen ist das Versagen des Herzmuskels.


Proteine und Muskelarbeit

Mehr als 600 Muskeln benötigt der Mensch zum Laufen, Essen, Sprechen, Lächeln, Verdauen, etc.
Eines haben alle Muskeln gemeinsam: Sie sind aus speziellen Zellen, den Muskelzellen, aufgebaut. Bestandteile dieser Zellen können sich verkürzen, d.h. kontrahieren (lat.: contrahere „zusammenziehen“) und auch wieder entspannen.
Hinter der Muskelarbeit verbirgt sich ein biologischer Vorgang, der selbst unter Verwendung der modernsten Techniken nicht nachzuahmen ist. Bei den Strukturen, die maßgeblich an der Kontaktion und Entspannung beteiligt sind, spielen spezielle Proteine eine große Rolle.
Das Zustandekommen der Muskelkontraktion lässt sich vereinfacht anhand der Abb. AB 12_2.3-5, einem Film und der Erklärung von vier Begriffen nachvollziehen.

Abb. AB 12_2.3-5 Muskelbewegung (vereinfacht)

 
  1. Der Nachteil der Abb. AB 12_2.3-5 ist, dass sie nur eine Momentaufnahme darstellt. Betrachte zum besseren Verständnis dieses Vorganges zunächst einen kurzen Film.
    https://www.youtube.com/watch?v=BwBpe2wS8_8
  1. Lies nun die vier folgenden Begriffserklärungen.

Myosin ist ein Motorprotein. Diese Proteinart ist in der Lage, seine räumliche Struktur zu ändern. In der Muskelzelle sind viele solcher Proteinmoleküle zu einem langen Faden (= Myosin-Filament) miteinander verknüpft.

Myosinkopf (Länge: 16,5 nm) ist ein Teil des Myosinmoleküls. Er ist unter bestimmten Bedingungen in der Lage „abzuknicken“ – wie der Kopf beim Nicken – , eine vorwärts gerichtete Bewegung zu vollführen und später wieder in die ursprüngliche Position zurückzukehren. Viele Myosinköpfe vollziehen diesen Vorgang mehrfach in extrem kurzer Abfolge.

Aktin ist ebenfalls ein Protein. Viele aneinandergereihte Aktin-Molküle bilden einen langen, dehnbaren Faden (= Aktin-Filament).

Troponin ist ein Verbund aus drei Proteinen, das in regelmäßigen Abständen im Aktin-Filament eingebaut ist. An dieser Stelle kann für einen kurzen Zeitraum ein Kontakt zwischen dem Aktin-Filament und einem Myosinkopf hergestellt werden.

  1. Betrachte dann die Abb. AB 12_2.3-5 und beschreibe den dort dargestellten Vorgang unter Anwendung der erklärten Fachbegriffe.
  1. Die folgenden Anweisungen verdeutlichen das Prinzip der Muskelkontraktion und -entspannung in Form eines Modellversuches.
    Natürlich handelt es sich dabei um eine starke Vereinfachungen dieses Vorganges.
    Lege die Hände so aufeinander, dass die Fingerspitzen der oberen Hand sich in Höhe der Fingeransätze der unteren Hand befinden.
    Beobachte den Abstand zwischen deinen beiden Ellenbogen. 

    Beuge dann die Finger beider Hände und beobachte dabei erneut den Abstand deiner Ellenbogen.
    Strecke dann wieder die Finger der aufeinander liegenden Hände und beobachte nochmals den Abstand deiner Ellenbogen.

    Begründe, inwiefern dieser Modellversuch etwas mit der Muskelkontraktion zu tun hat.

Quelle: pixabay

Abb. AB 12_2.3-6 Modellversuch zur Muskelkontraktion


Aminosäuren und Kriminalistik

Die Tatsache, dass sich Menschen anhand ihres Fingerabdruckes unterscheiden lassen – übrigens auch eineiige Zwillinge – ist schon seit dem 17.Jh. bekannt. Ende des 19.Jh. wurde der Fingerabdruck erstmals verwendet, um einer bestimmten Person eine Straftat zuzuordnen.

Grundlage des Fingerabdruckes sind leistenartige Erhebungen in der obersten Hautschicht (= Papillarlinien / Abb. AB 12_2.3-7). Sie vergrößern die Kontaktfläche zwischen Haut und Untergrund und verleihen ihr auch eine starke Reißfestigkeit.
In der Papillarschicht befinden sich feinste Blutgefäße (= Kapillaren) die sich bei Wärme erweitern und bei Kälte zusammenziehen. Über die Poren (Abb. AB 12_2.3-8) wird Schweiß an die Außenwelt abgegeben. Dieser enthält neben Wasser verschiedene Salze, freie Aminosäuren und andere Stoffe.
Beim Kontakt der Fingeroberfläche mit einem beliebigen Untergrund bleiben Teile dieser Substanzen dort zurück.
Diese können sichtbar gemacht werden. Je nach Untergrund müssen dazu unterschiedliche Substanzen benutzt werden.
Gibt man auf glatten Oberflächen, z.B. Glas, mit einem sehr feinen Pinsel dunklen Puder auf diesen Bereich, zeigt sich ein Abbild der Papillarlinien.
Auf porösem Untergrund, z.B. Papier oder Pappe, eignet sich eine Sprühlösung, bestehend aus gelöstem Ninhydrin, besonders gut. Dieser Stoff reagiert mit fast allen freien Aminosäuren, die im Schweiß vorhanden sind. Im Rahmen der ablaufenden Reaktion entsteht eine bläuliche Farbe, die ebenfalls ein Abbild der Papillarlinien, einen Fingerabdruck, liefert.

Quelle: wikimedia

Abb. AB 12_2.3-7 Fingerpapillen

Abb. AB 12_2.3-8
Poren der Fingerpapillen


  1. Zu einem weiteren Protein, das mit Lebensmitteln zu tun hat, als Arzneimittel oder biologische Waffe nutzbar ist und auch für die „Schönheit“ eingesetzt wird, kannst du selber forschen.
    Es heißt „Botulinum-Toxin“, auch unter dem Namen „Botox“ bekannt.

 

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