Stelle die Signalübertragung inklusive der im Material 1 dargestellten Transportvorgänge an einer chemischen Synapse mit dem Neurotransmitter Serotonin in einer beschrifteten Skizze dar (Material 1).

Stelle eine Hypothese zur Erklärung der Hyperpolarisation anhand der Ionentheorie auf (Material 1).

Ordne den einzelnen Transportvorgängen, die für die Aufnahmen eines Serotonin-Moleküls in die präsynaptische Zelle nötig sind, jeweils einen Transportmechanismus begründet zu (Material 1).

Erläutere anhand einer wissenschaftlichen Hypothese, die eine mögliche Ursache einer Depression beschreibt, die Rolle des Serotonins.

Beurteile anhand der Studienergebnisse eine mögliche Wirkung von Sport auf eine Depression (Material 2).

Beschreibe zwei Möglichkeiten der Aggressionskontrolle im Tierreich.

Leite aus den Untersuchungsergebnissen ab, inwiefern Serotonin eine proximate Ursache der intra- bzw. interspezifischen Aggressionskontrolle darstellt (Material 1, Material 3).

Erkläre mithilfe einer Modellvorstellung, weshalb ein -Agonist an einem anderen Serotonin-Rezeptor auch als Hemmstoff wirken kann (Material 3).

Skizze

Hypothese z. B.

An der postsynaptischen Zelle tritt eine Hyperpolarisation auf, da beispielsweise die

• Anlagerung von Serotonin das Öffnen von Kalium-Ionenkanälen bewirkt, wodurch Kalium-Ionen aus der postsynaptischen Zelle ausströmen.

• Bindung von Serotonin das Öffnen von Chlorid-Ionenkanälen induziert, sodass Chlorid-Ionen in die postsynaptische Zelle einströmen.

Über das Transportprotein SERT in der präsynaptischen Membran wird das Serotonin-Molekül wieder zurück in das Endknöpfchen geschleust. Hierzu wirken zwei Transportprozesse zusammen:

• passiver Transport: Bei der Aufnahme von Serotonin strömen zeitgleich Natrium-Ionen entlang ihres Konzentrationsgefälles in das Zellinnere ein und Kalium-Ionen ihrem Gradienten folgend nach außen. Dieser Vorgang erfordert keinen ATP-Verbrauch.

• aktiver Transport: Die notwendigen Konzentrationsgradienten der Natrium- und Kalium-Ionen werden durch die Natrium-Kalium-ATPase unter Verbrauch von ATP (mithin unter Energieaufwand) kontinuierlich aufrechterhalten.

Hinweis: In Kombination lassen sich diese beiden Vorgänge als sekundär aktiver Transport beschreiben – genauer gesagt als ein durch die Natrium-Kalium-ATPase angetriebener Antiport.

Erläutern anhand einer wissenschaftlichen Hypothese

Serotonin zählt zu den Monoaminen, die im Nervensystem als Botenstoffe (Neurotransmitter) fungieren. Ein Erklärungsansatz für das Entstehen von Depressionen ist die sogenannte Monoamin-Hypothese. Dieser zufolge kann ein Mangel an Monoaminen depressive Störungen hervorrufen. Bezogen auf Serotonin bedeutet ein solches Defizit eine herabgesetzte Transmitteraktivität im synaptischen Spalt. Infolgedessen ist die neuronale Signalübertragung im Gehirn beeinträchtigt, was zur Ausprägung einer Depression führen kann.

Beurteilen

• Argumente zur Begründung: Eine erste Untersuchung wies nach, dass sportliche Aktivität zu einem Anstieg der Tryptophankonzentration im Blutplasma führt. Im Rahmen dieser Studie wurde der Plasma-Tryptophanspiegel von Testpersonen an Tagen mit morgendlicher Sporteinheit mit den entsprechenden Messwerten an trainingsfreien Tagen verglichen. An Tagen mit körperlicher Betätigung wurde im Anschluss an das Training ein erhöhter Tryptophanwert ermittelt; dieser Effekt hielt über mindestens 1,5 Stunden hinweg an.

• In einer zweiten Studie konnte gezeigt werden, dass ein höherer Plasmaspiegel von Tryptophan mit einem gesteigerten Tryptophan- sowie einem erhöhten Serotoningehalt im Gehirn korreliert. Wurde Ratten Tryptophan ins Blut injiziert, ließ sich im Gehirngewebe eine erhöhte Tryptophankonzentration nachweisen, die zeitversetzt auch zu einem Anstieg des Serotoninspiegels im Gehirn führte.

• Sachurteil: Verknüpft man die Resultate beider Studien im Rahmen der Monoamin-Hypothese, lässt sich folgern, dass sportliche Aktivität über die Erhöhung des Tryptophangehalts den Serotoninspiegel im Gehirn anhebt und somit wirksam zur Linderung von Depressionen beitragen kann.

Möglichkeiten der Aggressionskontrolle:

Über das Territorialverhalten grenzen einzelne Individuen oder soziale Verbände unter zeitlichem sowie energetischem Aufwand eigene Reviere ab und verteidigen diese gegen Artgenossen.

Das Rangordnungsverhalten dient der Ausbildung einer festen Hierarchie innerhalb einer sozialen Gruppe. Diese stabile, von wenigen Konflikten geprägte Struktur wird über vorangehende Rangordnungskämpfe etabliert.

Ableiten aus den Untersuchungsergebnissen:

In einer Studie an Ratten wurde die Auswirkung zweier Agonisten – und – auf das Aggressionsverhalten analysiert. Beide Substanzen entfalten an den korrespondierenden Rezeptoren dieselbe physiologische Wirkung wie der körpereigene Botenstoff Serotonin:

• Einfluss des -Agonisten: Die Versuchstiere zeigen bei reduzierter Gesamtaktivität zwar eine gedämpfte Aggressivität gegenüber Artgenossen (= intraspezifisch), lassen im Verhalten gegenüber Mäusen (= interspezifisch) jedoch keine Veränderung erkennen.

• Einfluss des -Agonisten: Bei gleichbleibendem Aktivitätsniveau nimmt bei den Ratten die Aggressivität sowohl gegenüber Artgenossen als auch gegenüber Mäusen ab. Hier wird folglich sowohl das intra- als auch das interspezifische Aggressionsverhalten abgeschwächt.

Als proximate Ursachen gelten die unmittelbaren physiologischen Wirkursachen, die das Zustandekommen eines Verhaltens direkt steuern. Da die Befunde verdeutlichen, dass beide Agonisten über die Bindung an Serotoninrezeptoren zu einer Abnahme des aggressiven Verhaltens führen, lässt sich Serotonin als proximate Ursache der Aggressionskontrolle identifizieren.

Zu differenzieren ist dabei die Funktionsweise der Rezeptortypen: Während die Aktivierung des -Rezeptors sowohl eine intra- als auch eine interspezifische Aggressionskontrolle bewirkt, vermittelt der -Rezeptor lediglich eine intraspezifische Kontrolle des Aggressionsverhaltens.

Erklärung

Gemäß dem Schlüssel-Schloss-Modell setzt eine molekulare Wechselwirkung zweier Strukturen eine hohe Passgenauigkeit voraus: Der Schlüssel – hier der Neurotransmitter Serotonin – muss räumlich exakt in das Schloss, mithin den -Rezeptor, passen.

Aus diesem Grund muss der -Agonist eine dem Serotonin sehr ähnliche Struktur aufweisen, um mit dem -Rezeptor interagieren zu können. Wegen dieser strukturellen Verwandtschaft ist davon auszugehen, dass der -Agonist ebenso an weitere Serotoninrezeptoren binden kann. Blockiert er einen solchen Rezeptor, ohne jedoch einen physiologischen Effekt auszulösen, fungiert er als Hemmstoff.