Aufgabe 2 - Nervenzelle: Membranpotenziale und Er… · Abitur NRW Biologie GK · Haupttermin · bilingual Englisch 2021

1. Name the tasks of dendrites and axons, and use Figure 1 to present the signal transduction in the olfactory sensory neurons of insects as a flow chart (Material A). Explain, at the neurophysiological level, how the receptor potential shown in Figure 1C develops over time (Material A).

Lösung: 1. Funktionen: - Dendriten nehmen Reize bzw. Signale auf und leiten diese zum Soma (Zellkörper) weiter. - Axone empfangen elektrische Erregung vom Soma/Axonhügel und leiten diese in Form von Aktionspotenzialen weiter. 2. Fließschema zur Signaltransduktion: Duftstoffmolekül (aus der Luft / Pore) $\rightarrow$ Bindung an spezifisches Geruchsrezeptorprotein in der Dendritenmembran $\rightarrow$ Konformationsänderung / Öffnung des Kationenkanals (Rezeptor- und Co-Rezeptor-Komplex) $\rightarrow$ Einstrom von Kationen ($\text{Na}^+, \text{K}^+, \text{Ca}^{2+}$) ins Zellinnere $\rightarrow$ Depolarisation der Membran $\rightarrow$ Entstehung eines Rezeptorpotenzials. 3. Verlauf des Rezeptorpotenzials (Abb. 1C): - Verzögerung: Nach Zugabe des Duftstoffes erfolgt die Depolarisation mit einer leichten zeitlichen Verzögerung, da die Diffusion der Duftstoffmoleküle durch die Poren der Cuticula in die Sensillenflüssigkeit und zu den Rezeptorproteinen Zeit benötigt. - Rascher Anstieg: Mit zunehmender Bindung von Duftstoffmolekülen an Rezeptoren öffnen sich immer mehr Kationenkanäle. Der Einstrom positiv geladener Ionen bewirkt eine schnelle Depolarisation (Rezeptorpotenzial als abgestuftes Potenzial). - Repolarisation / Abklingen: Nach Beendigung des Reizes lösen sich die Moleküle von den Rezeptoren (oder werden enzymatisch inaktiviert/abtransportiert), die Ionenkanäle schließen sich und über Transportmechanismen (z. B. Ionenpumpen) wird das Ruhepotenzial wiederhergestellt.

2. Sum up the data presented in Table 1 and Figure 2 (Material B), then analyse and evaluate them with regard to neurobiological aspects (Materials A and B). Drawing on neurobiological aspects, develop a well-reasoned hypothesis explaining why the action potential frequencies differ between OSN I and OSN A (Material B). Illustrate the selective advantages that a specialised sense of smell offers male and female L. botrana (Material B).

Lösung: 1. Zusammenfassung der Daten (Tab. 1, Abb. 2): - OSN I (Männchen) und OSN A (Weibchen) feuern ausschließlich bei Reizung mit dem weiblichen Sexualpheromon (26 bzw. 14 AP/s), nicht bei Pflanzendüften. - OSN II (Männchen) und OSN B (Weibchen) feuern ausschließlich bei Pflanzendüften (28–34 bzw. 25–33 AP/s), nicht beim Sexualpheromon. - OSN V (Männchen) und OSN E (Weibchen) reagieren unspezifisch auf alle getesteten Düfte. - Häufigkeitsverteilung: Bei Männchen machen die phero-spezifischen OSN I die Hälfte (50 %) aller OSNs aus (OSN II nur 7 %). Bei Weibchen stellen die pflanzenduft-spezifischen OSN B 33 % dar, während OSN A nur 7 % ausmacht. 2. Neurobiologische Auswertung: - Die Spezifität beruht auf den jeweiligen spezifischen Rezeptorproteinen in den OSN-Dendriten. - Bindung führt zu Depolarisation und Aktionspotenzialfolgen im Axon. Die Gesamtempfindlichkeit eines Individuums für einen Duft steigt mit der relativen Anzahl der entsprechenden Sinneszellen. - Männchen sind daher hochgradig auf die Wahrnehmung des Sexualpheromons optimiert, Weibchen stärker auf Wirtspflanzendüfte. 3. Hypothese zu den Frequenzen (OSN I vs. OSN A): - OSN I bei Männchen bildet bei gleicher Pheromonreizung 26 AP/s, OSN A bei Weibchen nur 14 AP/s. - *Hypothese:* OSN I besitzt eine höhere Dichte an spezifischen Pheromon-Rezeptorproteinen (oder sensitivere Rezeptoren/Kopplung) in der Dendritenmembran als OSN A. Bei gleicher Duftstoffmenge strömen somit mehr Kationen ein, was zu einer stärkeren Depolarisation des Rezeptorpotenzials und damit zu einer höheren AP-Frequenz am Axonhügel führt. 4. Selektionsvorteile: - Männchen: Müssen flugfähige, seltene Weibchen über weite Distanzen anhand geringster Pheromonspuren lokalisieren. Hohe Sensitivität (50 % OSN I, höhere AP-Frequenz) sichert schnelles Auffinden und Fortpflanzungserfolg. - Weibchen: Das eigene Pheromon muss nicht hochempfindlich wahrgenommen werden. Wichtiger ist das Auffinden geeigneter Wirtspflanzen zur Eiablage, damit die Nachkommen Nahrung finden. Daher ist der hohe Anteil an OSN B (33 %) selektiv vorteilhaft.