Aufgabe 2 (1–2) - Nervenzelle: Membranpotenziale… · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin 2021

1. Geben Sie an, welche Funktionen Dendriten und Axone haben, und stellen Sie anhand von Abbildung 1 die Signaltransduktion in olfaktorischen sensorischen Neuronen von Insekten als Fließschema dar (Material A).

Lösung: Funktionen von Dendriten und Axonen: - Dendriten nehmen Signale auf und leiten sie zum Zellkörper der Nervenzelle weiter. - Axone erhalten elektrische Signale vom Soma und leiten diese in Form von Aktionspotentialen weiter. Fließschema der Signaltransduktion (z. B.): Duftstoff aus der Luft $\rightarrow$ bindet an ein Rezeptorprotein des olfaktorischen Neurons $\rightarrow$ Öffnung des aus Rezeptorprotein und Co-Rezeptorprotein bestehenden Kationen-Kanals $\rightarrow$ Kationeneinstrom $\rightarrow$ Depolarisation des Zellinnenraumes und Entstehung eines Rezeptorpotentials.

1. Erklären Sie auf neurophysiologischer Ebene, wie das in Abbildung 1C gezeigte Rezeptorpotential zustande kommt und verläuft (Material A).

Lösung: - Nach Beginn der Reizung (Zugabe des Duftstoffes) erfolgt die Depolarisation zeitverzögert, weil die Diffusion der Duftstoffmoleküle durch die Poren in die Sensille und zu den spezifischen Rezeptorproteinen eine gewisse Zeit benötigt. - Je mehr Duftstoffmoleküle an die Rezeptorproteine binden, desto mehr Kationenkanäle öffnen sich und Kationen strömen in die Zelle. Dies führt zu einer raschen Depolarisation des Membranpotentials. - Die Höhe der Depolarisation (Amplitude) ist abhängig von der Reizintensität (Konzentration des Duftstoffes), da bei größerer Reizintensität mehr Kanäle geöffnet werden und somit mehr Kationen einströmen. - Nach Ende der Duftstoffeinwirkung schließen sich die Kanäle; Ionenpumpen und passive Transportmechanismen stellen das Ruhepotential wieder her.

2. Fassen Sie die Daten aus Tabelle 1 und Abbildung 2 zusammen (Material B) und werten Sie sie unter neurobiologischen Aspekten aus (Materialien A und B).

Lösung: Zusammenfassung: - An OSN I (Männchen) und OSN A (Weibchen) werden ausschließlich nach Reizung mit dem Sexualpheromon Aktionspotentiale gemessen (26 bzw. 14 AP/s), während an OSN II und OSN B nur nach Reizung mit pflanzlichen Duftstoffen Aktionspotentiale ausgelöst werden (28–34 bzw. 25–33 AP/s). - OSN V und OSN E reagieren als Generalisten auf alle getesteten Duftstoffe. - Bei Reizung mit Sexualpheromon bildet OSN I der Männchen deutlich mehr Aktionspotentiale als OSN A der Weibchen (26 vs. 14 AP/s). - Männchen besitzen einen sehr hohen Anteil an pheromonspezifischen OSN I (50 %), während OSN A bei Weibchen nur 7 % ausmacht. Umgekehrt besitzen Weibchen wesentlich mehr pflanzenduftspezifische OSN B (33 %) als Männchen OSN II (7 %). Auswertung: - OSN I und A tragen spezifische Rezeptorproteine für das weibliche Sexualpheromon; OSN II und B tragen Rezeptoren für Pflanzenduftstoffe. - Durch Ligandenbindung entsteht ein Rezeptorpotential, dessen Amplitude am Axon in eine proportionale Aktionspotentialfrequenz umkodiert wird. - Männchen nehmen das Pheromon durch die höhere Frequenz und die große Anzahl an OSN I wesentlich sensitiver wahr, während Weibchen besser an die Wahrnehmung von Wirtspflanzenduftstoffen angepasst sind.

2. Entwickeln Sie eine neurobiologisch fundierte Hypothese dazu, wie die verschiedenen Aktionspotentialfrequenzen in OSN I und OSN A zustande kommen (Material B).

Lösung: Hypothese: Die höhere Aktionspotentialfrequenz in OSN I der Männchen (26 AP/s) im Vergleich zu OSN A der Weibchen (14 AP/s) bei gleicher Pheromonkonzentration beruht darauf, dass OSN I eine höhere Dichte spezifischer Rezeptorproteine (bzw. Kationenkanäle) in der Dendritenmembran besitzt oder eine höhere Bindungsaffinität der Rezeptoren vorliegt. Begründung: Durch eine größere Rezeptordichte bzw. höhere Affinität öffnen sich bei gleicher Reizintensität mehr Kationenkanäle zeitgleich. Der resultierende stärkere Kationeneinstrom führt zu einer stärkeren Depolarisation (höheres Rezeptorpotential), wodurch am Axonhügel eine höhere Frequenz von Aktionspotentialen ausgelöst wird.

2. Erläutern Sie, welche Selektionsvorteile die spezialisierte Duftwahrnehmung für Männchen und Weibchen von L. botrana hat (Material B).

Lösung: - Männchen: Das Auffinden der Weibchen über weite Distanzen ist essenziell für die Begattung. Die hohe Dichte und Sensitivität von OSN I ermöglicht es Männchen, selbst geringste Pheromonkonzentrationen wahrzunehmen und der Duftfahne zielgerichtet zu folgen. Männchen mit besserer Pheromonwahrnehmung finden schneller Weibchen, paaren sich erfolgreicher und besitzen daher einen Selektionsvorteil (höhere reproduktive Fitness). - Weibchen: Das eigene Sexualpheromon wahrzunehmen bietet für Weibchen keinen Selektionsvorteil (daher schwache Wahrnehmung über OSN A). Dagegen ist das Auffinden geeigneter Wirtspflanzen zur Eiablage entscheidend für das Überleben der Nachkommen (Raupen). Eine hochempfindliche Wahrnehmung spezifischer Pflanzenduftstoffe (OSN B mit 33 %) verschafft Weibchen einen Selektionsvorteil bei der Wirtspflanzenwahl. - Die geschlechtsspezifische Arbeitsteilung und Einsparung von Sinneszellen für nicht benötigte Reize spart energetische Ressourcen.