Aufgabe 3 - Nervenzelle: Membranpotenziale und Er… · Abitur NRW Biologie GK · Nachtermin 2021

1. Erklären Sie, wie TRPV1-Kanäle und Nav1.7-Kanäle bei der Signaltransduktion funktionieren (Abbildung 1, Material A).

Lösung: Die TRPV1-Kanäle werden durch noxische Reize wie Hitze oder chemische Substanzen aktiviert und öffnen sich. Die Öffnung bewirkt einen Einstrom von Natriumionen und Calciumionen in die Nozizeptoren und führt zur Entstehung eines Rezeptorpotentials (Depolarisierung). Diese Depolarisierung aktiviert die spannungsabhängigen Nav1.7-Kanäle, wodurch diese sich öffnen. Die zusätzlich einströmenden Natriumionen verstärken die Depolarisierung. Sofern der Schwellenwert erreicht wird, werden am Axon Aktionspotentiale ausgelöst, die weitergeleitet werden.

1. Begründen Sie, warum der Schmerz zeitlich unterschiedlich wahrgenommen wird, und beziehen Sie dabei den Aufbau der Nozizeptoren ein (Material A).

Lösung: Die Axone der für die verzögerte Schmerzwahrnehmung verantwortlichen Nozizeptoren sind in der Regel nicht myelinisiert. Daher wird die Erregung kontinuierlich weitergeleitet. Dies erfolgt relativ langsam und führt zur verzögerten Wahrnehmung des Schmerzes. Die schnellere und sofortige Wahrnehmung des Schmerzes wird vermutlich durch myelinisierte Nozizeptor-Axone ermöglicht. Die Weiterleitung erfolgt an diesen Axonen saltatorisch und damit im Vergleich zu den nicht myelinisierten Nozizeptoren wesentlich schneller, da Aktionspotentiale nur an den Ranvierschen Schnürringen ausgelöst werden.

3. Fassen Sie die Ergebnisse aus Abbildung 3 zusammen (Material C) und werten Sie sie aus (Materialien A bis C).

Lösung: Zusammenfassung: Sowohl bei geringer als auch bei hoher Reizstärke war die Aktionspotentialfrequenz in den Ratten-Nozizeptor-Zelllinien mit dem menschlichen Wildtyp-Nav1.7-Kanal geringer als bei den Zelllinien mit mutiertem SCN9A-Gen. Die Frequenz der Aktionspotentiale in den Ratten-Nozizeptor-Zelllinien mit menschlichem Wildtyp-Nav1.7-Kanal war nach Erhöhung der Reizstärke fast doppelt so hoch. In den Ratten-Nozizeptor-Zelllinien mit mutiertem SCN9A-Gen verdreifachte sie sich etwa nach der Erhöhung der Reizstärke. Auswertung: In den Ratten-Nozizeptor-Zelllinien mit verändertem Nav1.7-Kanal wurde das menschliche mutierte SCN9A-Gen exprimiert. Eine durch die Mutation bedingte Veränderung in der räumlichen Struktur des Nav1.7-Kanals führt bei gleicher Potentialänderung vermutlich zu einem erhöhten Einstrom von Natriumionen in die Nozizeptoren. Dies erklärt eine Erhöhung der Aktionspotentialfrequenz in Ratten-Nozizeptor-Zelllinien mit mutiertem SCN9A-Gen sowohl bei geringer als auch bei hoher Reizstärke.

3. Entwickeln Sie auf Grundlage der Materialien A bis C eine Hypothese, welche neurophysiologischen Ursachen der PEPD beim Menschen zugrunde liegen.

Lösung: Da bei den in Material C beschriebenen Experimenten in Nozizeptor-Zelllinien von Ratten exprimierte Allele des menschlichen SCN9A-Gens untersucht wurden, ist zu vermuten, dass elektrophysiologische Messungen an Nozizeptoren von PEPD-Patienten zu ähnlichen Ergebnissen führen würden. Da der TRPV1-Kanal unverändert ist, generieren noxische Reize gleicher Reizstärke bei PEPD-Patienten und bei gesunden Menschen im Nozizeptor Rezeptorpotentiale mit annähernd gleicher Amplitude. Die Mutation im SCN9A-Gen und die damit verbundene Veränderung in der Aminosäuresequenz der Alpha-Untereinheit des Nav1.7-Kanals beeinflussen den Einstrom von Natriumionen durch den Nav1.7-Kanal. Bei gleicher Potentialänderung könnte eine langsamere Inaktivierung des Nav1.7-Kanals erfolgen, sodass ein länger andauernder Einstrom von Natriumionen durch diesen Ionenkanal die Folge ist (oder: der Schwellenwert für seine Öffnung ist herabgesetzt). Noxische Reize gleicher Reizstärke können daher bei PEPD-Patienten eine Erhöhung von Aktionspotentialfrequenzen im Vergleich zu gesunden Personen bewirken. Die hochfrequenten Aktionspotentiale werden weitergeleitet und führen im Gehirn zu einer gesteigerten Schmerzwahrnehmung.