Aufgabe Vorschlag B - Aufgabe 2 · Abitur Hessen Biologie GK 2021

Thema: Synapse, Hormone und neuronale Plastizität · Aus der Prüfung GK (2021)

Aufgabenstellung

Material 1: Verschaltung von Neuronen

Im Rückenmark von Wirbeltieren befinden sich Motoneurone, die Skelettmuskelfasern innervieren und somit sowohl Bewegungen ermöglichen als auch die muskuläre Spannung steuern. Sie enthalten den Transmitter Acetylcholin. Alle von einem bestimmten Motoneuron innervierten Muskelzellen und das zugehörige Motoneuron selbst bilden eine motorische Einheit. Eine motorische Einheit kann einige wenige bis zu mehreren tausend Muskelzellen umfassen. Je kleiner die motorischen Einheiten eines Muskels sind, desto feiner können Bewegungen abgestuft werden. Alle motorischen Einheiten eines Muskels tragen gemeinsam zu seiner Kontraktionskraft bei.

Ein einzelnes Neuron kann tausende präsynaptischer Endigungen von anderen Neuronen besitzen, von denen ein Teil erregend, andere hemmend wirken. Darüber hinaus können sich Neurone verzweigen und über diese Verzweigungen, Kollateralen genannt, andere Neurone innervieren.

Im Rückenmark sind Motoneurone über Kollateralen mit spezialisierten Interneuronen verschaltet, die nach ihrem Entdecker als Renshaw-Zellen bezeichnet werden. Sie reagieren so empfindlich auf Signale von Motoneuronen, dass ein einziges Aktionspotential eines Motoneurons ausreicht, um in einem Renshaw-Neuron eine Serie von Potentialänderungen auszulösen.

Die folgende Abbildung zeigt ein Motoneuron, das einen Muskel innerviert. Das Axon des Motoneurons ist über eine Kollaterale mit einem Renshaw-Neuron verbunden. Das Renshaw-Neuron schüttet den Transmitter Glycin aus.

In einem Experiment wird das Axon des Motoneurons künstlich gereizt, und die entstehenden Potenziale werden am Axon der Renshaw-Zelle (Messstelle 1) sowie am Soma des Motoneurons (Messstelle 2) abgeleitet.

Aufgabe 2 [14 BE]

Erklären Sie die Ergebnisse der Messungen an den Messstellen 1 und 2. Leiten Sie die Bedeutung von Renshaw-Neuronen für die Steuerung der Muskelkontraktion bei der Aktivierung von Motoneuronen durch absteigende Nervenbahnen her. (Material 1)

a)

b)

Aufgabenstellung: Aufgabe Vorschlag B - Aufgabe 2 · Abitur Hessen Biologie GK 2021

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

Erklärung der Messergebnisse an den Messstellen 1 und 2

Lösung: Messstelle 1 (Axon des Renshaw-Neurons): Die künstliche Reizung des Motoneurons bewirkt über die Kollaterale eine Übertragung der Erregung auf das Renshaw-Neuron und löst an dessen Axon die Bildung einer Reihe von Aktionspotenzialen aus (Messstelle 1). Dies erklärt sich durch die Ausschüttung des erregenden Neurotransmitters Acetylcholin. Messstelle 2 (Soma des Motoneurons): Das Renshaw-Neuron innerviert seinerseits das Motoneuron über eine Glycin führende Synapse. Die Aktionspotenziale des Renshaw-Neurons erzeugen am Zellkörper des Motoneurons (Messstelle 2) ihrerseits eine Hyperpolarisation (IPSP), der Transmitter Glycin wirkt also hemmend auf das Motoneuron.

Herleitung der Bedeutung von Renshaw-Neuronen für die Steuerung der Muskelkontraktion bei der Aktivierung von Motoneuronen durch absteigende Nervenbahnen

Lösung: Die Aktivierung eines Motoneurons durch absteigende Nervenbahnen löst ein entsprechendes EPSP am Soma des Motoneurons aus, das am Axon zur Bildung von Aktionspotenzialen führt. Diese Aktionspotenziale lösen ihrerseits Endplattenpotenziale an den zugehörigen Muskelzellen der motorischen Einheit aus, die dadurch zur Kontraktion des Muskels beitragen. Zugleich wird das Renshaw-Neuron aktiviert und generiert ein IPSP am Soma des Motoneurons. Dies wird mit den EPSP durch räumliche Summation verrechnet, sodass die Aktionspotenzialfrequenz des Motoneurons verringert wird. Dadurch wird die Kontraktion der Muskelzellen der motorischen Einheit innerhalb des Muskels verringert und die Kontraktionskraft des Muskels insgesamt abgeschwächt. Renshaw-Neurone haben also offenbar eine regulierende Funktion bei der Steuerung der Muskelkontraktion, da sie durch ihren hemmenden Einfluss die Aktivierung von Motoneuronen abschwächen und damit abgestufte Muskelkontraktionen ermöglichen.

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