Abitur Thüringen Biologie 2026 · LK · Synapsengifte-EN

Wirkungen von Neurotoxinen auf Synapsen

Natürlich vorkommende Neurotoxine finden sich bei verschiedenen Lebewesen. Diese Giftstoffe werden zur Jagd auf Beutetiere oder zur Abwehr von Fressfeinden eingesetzt. Untersuchungen zur Wirkweise dieser Giftstoffe können Aufschluss über die Funktionsweise von Ionenkanälen und Synapsen geben.

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Stellen Sie die Erregungsübertragung an einer erregenden chemischen Synapse ausgehend von einem ankommenden Aktionspotenzial als Fließschema dar. [8 BE]

Material 1: Die Wirkung von ω-Agatoxin auf Insekten

Zahlreiche Lebewesen produzieren Giftstoffe mit neurophysiologischer Wirkung, die für die Jagd auf Beutetiere genutzt werden. Dazu gehören auch die Spinnenart Agelenopsis aperta und Kegelschnecken der Gattung Conus.

A. aperta produziert unter anderem den Giftstoff Omega-Agatoxin, kurz ω-Agatoxin. Um den Wirkort von ω-Agatoxin an der Synapse zu untersuchen, wurden in einem Experiment Muskelzellen von Insekten verwendet. Dazu wurde das postsynaptische Potenzial ohne ω-Agatoxin und in Anwesenheit von ω-Agatoxin gemessen. Die Messung erfolgte jeweils nach elektrischer Reizung des präsynaptischen Neurons (Abb. 1).

In einem weiteren Experiment wurde das postsynaptische Potenzial nach Zugabe des Neurotransmitters ohne elektrische Reizung des Neurons gemessen (Abb. 2).

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Fassen Sie die in den Abbildungen 1 und 2 dargestellten Ergebnisse zusammen (M 1). Leiten Sie anhand der in den Abbildungen 1 und 2 dargestellten Ergebnisse ab, ob ω-Agatoxin an der Präsynapse oder an der Postsynapse wirkt (M 1). [8 BE]

Material 2: Wirkungen von Giftstoffen auf Gehirnzellen von Ratten

Viele Giftstoffe wirken auch auf Neuronen im Gehirn von Säugetieren. Zur Untersuchung solcher Wirkungen wurden Neuronen aus dem Kleinhirn von Ratten verwendet. Das Kleinhirn ist an der Steuerung von Muskelbewegungen beteiligt.

In einem ersten Experiment wurde zu diesen Neuronen entweder der Giftstoff ω-Agatoxin aus A. aperta oder der Giftstoff ω-Conotoxin aus Kegelschnecken gegeben. Bei diesem und im folgenden Experiment wurde jeweils eine Giftstoff-Konzentration eingesetzt, die eine maximale Wirkung auf den Calcium-Ionenstrom verursachte. Nach elektrischer Reizung wurden die präsynaptischen Calcium-Ionenströme gemessen und mit einer Kontrolle ohne Gifteinwirkung verglichen (Abb. 3).

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Leiten Sie auf Basis von Abbildung 3 für beide Toxine die Wirkung auf die Erregungsübertragung an der Synapse sowie die Auswirkungen auf den Organismus ab (M 2). [8 BE]

Eine Synapse kann verschiedene Typen von spannungsgesteuerten Calcium-Ionenkanälen besitzen, die sich in ihren neurophysiologischen Eigenschaften und ihren Reaktionen auf Giftstoffe unterscheiden. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass ω-Agatoxin und ω-Conotoxin auf unterschiedliche Typen von spannungsgesteuerten Calcium-Ionenkanälen wirken.

Um diese Hypothese zu überprüfen, wurden in einem zweiten Experiment Neuronen aus dem Gehirn der Ratte elektrisch gereizt und anschließend wieder der Calcium-Ionenstrom gemessen. Dabei wurde die Wirkung von drei verschiedenen Kombinationen der Giftstoffe untersucht. Bei den Kombinationen I und II wurde jeweils zunächst ein Giftstoff zugegeben und der Calcium-Ionenstrom gemessen (1. Gabe). Danach wurde zusätzlich jeweils der andere Giftstoff zugegeben und erneut gemessen (2. Gabe). Bei Kombination III wurden beide Giftstoffe gleichzeitig zugegeben. Als Kontrolle wurde der Calcium-Ionenstrom an Neuronen ohne Giftstoff-Einwirkung gemessen (Abb. 4).

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Beurteilen Sie, ob die in Material 2 dargestellte Hypothese mit den in Abbildung 4 gezeigten Ergebnissen widerlegt werden kann (M 2). [6 BE]

Material 3: Wirkmechanismen von ω-Agatoxin und ω-Conotoxin

Spannungsgesteuerte Calcium-Ionenkanäle bestehen aus Proteinen, deren Raumstruktur verschiedene Funktionsbereiche aufweist. Ein Bereich des Proteins formt eine zentrale Pore, durch welche die Ionen strömen können. Ein anderer Bereich fungiert als Spannungssensor, der die Spannungssteuerung des Calcium-Ionenkanals ermöglicht. Der Spannungssensor löst bei Erreichen eines bestimmten Membranpotenzials die Öffnung der Pore aus. Unterschiede im Bereich des Spannungssensors sind die Ursache dafür, dass sich Ionenkanäle bei verschiedenen Membranpotenzialen öffnen. Beide Funktionsbereiche eines Ionenkanals können durch Giftstoffe beeinflusst werden, abhängig vom Wirkmechanismus des jeweiligen Giftstoffs.

In Experimenten wurden die Wirkmechanismen von ω-Agatoxin und ω-Conotoxin genauer untersucht. Dazu wurde in Anwesenheit von ω-Agatoxin oder von ω-Conotoxin die relative Leitfähigkeit von spannungsgesteuerten Calcium-Ionenkanälen bei unterschiedlichen Membranpotenzialen gemessen. Zum Vergleich wurden die Leitfähigkeiten jeweils ohne Giftstoff ermittelt (Abb. 5). Die relative Leitfähigkeit gibt die Durchlässigkeit der Calcium-Ionenkanäle für Calcium-Ionen an. Bei einer relativen Leitfähigkeit von null Prozent sind alle Calcium-Ionenkanäle geschlossen.

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Fassen Sie die in Abbildung 5 dargestellten Messergebnisse zusammen (M 3). Stellen Sie jeweils eine Hypothese zum Wirkmechanismus von ω-Agatoxin und ω-Conotoxin auf (M 3). [10 BE]