Hinweis: Es sollen drei der vier Aufgaben bearbeitet werden.

Auch Pflanzen müssen Informationen aus ihrer Umwelt aufnehmen und diese verarbeiten, um auf sie reagieren zu können. Dabei bedienen sie sich teilweise ähnlicher Mechanismen, wie sie aus der neuronalen Informationsverarbeitung im Tierreich bekannt sind. Gleichzeitig produzieren Pflanzen auch eine Vielzahl an Stoffen, die Informationsverarbeitungsprozesse im Körper des Menschen positiv oder negativ beeinflussen können.

1.1

Erkläre den Verlauf eines Aktionspotentials an der Membran einer tierischen Nervenzelle auf der Grundlage der Ionentheorie und vergleiche das pflanzliche Aktionspotential bei der Armleuchteralge mit dem Aktionspotential einer typischen tierischen Nervenzelle hinsichtlich dreier Gemeinsamkeiten und dreier Unterschiede. (M 1)

9 BE

1.2

Leite auf der Grundlage von Abbildung 2 das Vorhandensein einer Refraktärphase bei pflanzlichen Zellen sowie einen Schätzwert für die Dauer dieser Refraktärphase ab. (M 2)

4 BE

2.1

Erkläre die molekularen Ursachen einer Depression nach der Monoamin-Hypothese und beurteile auf deren Grundlage die prinzipielle Eignung der Stoffe Reserpin sowie Hyperforin für die Behandlung von Depressionen. (M 3)

8 BE

2.2

Erkläre den Zusammenhang zwischen den in Abbildung 4 veranschaulichten Untersuchungsergebnissen und den in Abbildung 3 dargestellten Prozessen. (M 3)

5 BE

3.1

Beurteile, inwiefern die in Abbildung 5 dargestellten Ergebnisse die Fragestellung der Untersuchung beantworten, und beschreibe zwei mögliche Fehlerquellen bei der Planung bzw. Durchführung dieser Untersuchung. (M 4)

4 BE

3.2

Bewerte die Durchführung der in Material 4 beschriebenen Studie aus ethischer Perspektive unter Einbezug je eines Pro- und eines Kontraarguments. (M 4)

4 BE

4

Beschreibe die Funktion von Rhodopsin bei der Signaltransduktion im menschlichen Auge und nenne zwei Gemeinsamkeiten der Funktionsweisen von Rhodopsin und dem Phytochrom-System in Pflanzen. (M 5)

6 BE

Material 1: Aktionspotentiale bei Armleuchteralgen

Voraussetzung für Reaktionen bei Tieren ist üblicherweise das Vorhandensein eines Nervensystems. Ähnlich wie bei tierischen Nervenzellen können auch bei bestimmten Pflanzenzellen, wie z. B. bei Zellen der Armleuchteralgen (Characeae), mit vergleichbaren Methoden sowohl Ruhepotentiale als auch nach Reizung Aktionspotentiale gemessen werden.

In der folgenden Abbildung ist der Verlauf des Aktionspotentials an einer Zellmembran einer Armleuchteralgen-Zelle abgebildet:

Abb. 1: Aktionspotential einer Armleuchteralgen-Zelle¹

Material 2: Refraktärphase bei Pflanzenzellen

Die Abbildung 2 zeigt Daten zu Veränderungen des Membranpotentials bei Pflanzenzellen nach jeweils überschwelliger Reizung.

Abb. 2: Änderungen des Membranpotentials bei der überschwelligen Reizung von Pflanzenzellen²

Material 3: Rolle pflanzlicher Arzneistoffe bei Depressionen

Aus vielen Pflanzen können Arzneimittel gewonnen werden, die sich zur Behandlung neurologischer Erkrankungen eignen oder aber auch in unerwünschter Weise neurobiologische Prozesse beeinflussen und so Nebenwirkungen hervorrufen können.

Die Indische Schlangenwurzel (Rauvolfia serpentina), eine Kletterpflanze aus der Familie der Hundsgiftgewächse, produziert beispielsweise den Stoff Reserpin. Dieser hat in der neurobiologischen Grundlagenforschung große Aufmerksamkeit erhalten. Reserpin hemmt u. a. den vesikulären Monoamintransporter VMAT2. Der VMAT2 ist ein Transportprotein in der Membran präsynaptischer Vesikel in Nervenzellen, das die Aufnahme von Neurotransmittern wie Noradrenalin, Dopamin und Serotonin in die Vesikel erleichtert, bevor diese mit der präsynaptischen Membran verschmelzen und ihren Inhalt in den synaptischen Spalt ausschütten können.

Ein anderer medizinisch relevanter Stoff ist Hyperforin, der aus den Blüten des Echten Johanniskrauts (Hypericum perforatum) isoliert werden kann. Hyperforin beeinflusst die Wiederaufnahme von Neurotransmittern wie Serotonin, Dopamin oder Noradrenalin aus dem synaptischen Spalt in das Endknöpfchen der präsynaptischen Zelle. Diese Wiederaufnahme erfolgt über spezifische Membranproteine; ihr Mechanismus ist stark vereinfacht in Abbildung 3 dargestellt. Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse eines Laborexperiments, in dem der Einfluss von Hyperforin auf kultivierte Zellen untersucht wurde.

Abb. 3: Transportmechanismus

Abb. 4: Wirkung von Hyperforin auf die Serotonin-Wiederaufnahme und die intrazelluläre Natrium-Ionenkonzentration³

Material 4: Cytisin im Rahmen der Tabakentwöhnung

Aus den Samen, Blüten und Blättern des Gemeinen Goldregens (Laburnum anagyroides) kann das Alkaloid Cytisin gewonnen werden. Diese Substanz wechselwirkt mit einem bestimmten Rezeptor, der auch an der Suchtentstehung durch Nikotin, dem wirksamen Bestandteil des Tabakrauchs, beteiligt ist. In einigen Ländern wurde Cytisin deshalb über viele Jahre hinweg zur Tabakentwöhnung eingesetzt. Untersuchungen zu Wirksamkeit und Sicherheit von Cytisin lagen allerdings lange Zeit nicht vor.

In einer Studie wurde die Eignung von Cytisin im Vergleich zu einer konventionellen Nikotinersatztherapie (NET) hinsichtlich der beiden Aspekte Wirksamkeit und Sicherheit verglichen. Erwachsene Raucher, die freiwillig an der Studie teilnahmen, erhielten dabei entweder für einen Zeitraum von 25 Tagen täglich Cytisin oder für acht Wochen eine Nikotin-Ersatztherapie.

Die Teilnehmer der Cytisin-Gruppe wurden angewiesen, ihren Nikotin-Konsum so zu reduzieren, dass sie am Tag 5 nicht mehr rauchten. Parallel sollten sie nach einem vorgegebenen Schema die Einnahme von Cytisin von täglich sechs Tabletten auf täglich zwei Tabletten innerhalb des Untersuchungszeitraums reduzieren.

Die Nikotin-Ersatztherapie (z. B. Nikotinpflaster oder -kaugummis) in der Parallelgruppe wurde von Rauchstopp-Beratern individuell festgelegt.

Erhoben wurde die Selbstauskunft der Probanden über ihre Tabak-Abstinenz zu verschiedenen Zeitpunkten. Abbildung 3 zeigt Ergebnisse der Untersuchung.

Abb. 5: Ergebnisse der Studie. Links: Mitgeteilte Abstinenz zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach Beendigung der Studie. Rechts: Auftreten unerwünschter Nebenwirkungen (v. a. Übelkeit, Erbrechen, Schlafstörungen)⁴

Material 5: Das Phytochrom-System

Ähnlich wie Tiere über verschiedenste Sinnesorgane verfügen, mit denen Informationen aus der Umwelt aufgenommen werden können, besitzen auch Pflanzen die Möglichkeit, Reize zu empfangen und so auf bestimmte äußere Bedingungen zu reagieren, z. B. auf das Vorhandensein von Licht. Licht ist für Pflanzen nicht nur als Energiequelle für die Photosynthese bedeutsam, sondern steuert auch zahlreiche Entwicklungsprozesse. Entscheidend daran beteiligt ist das Phytochrom-System (Abb. 6). Phytochrome bestehen aus an Proteine gebundenen Farbstoffmolekülen, die Licht einer bestimmten Wellenlänge absorbieren. Bei Lichtabsorption verändern die Farbstoffmoleküle ihre chemische Struktur, wodurch es auch zu einer Strukturänderung der Proteine kommt. Die beiden Zustände des Phytochroms-Systems, die als Pr bzw. Pfr bezeichnet werden und durch Absorption von Licht der passenden Wellenlänge wechselseitig ineinander umgewandelt werden können, haben unterschiedliche funktionale Eigenschaften: Während Pr funktional inaktiv ist, kann die Form Pfr eine Kette verschiedener physiologischer Prozesse in Gang setzen, z. B. die Bildung von Farbstoffen für Blüten und Früchte.

Abb. 6: Phytochrom-System

Quellen:

¹ Mohr, H., Schopfer, P., Mohr, H., & Schopfer, P. (1978). Physiologie elektrischer Phänomene. Lehrbuch der Pflanzenphysiologie, 536-541.

² U. Lüttge et al.: Botanik. Wiley-VCH, 1999, S. 514

³ Hyperforin activates nonselective cation channels (NSCCs), British Journal of Pharmacology (2005) 145, 75–83, S. 77

⁴ West, R. A., Zatonski, W., Cedzynska, M., Lewandowska, D., Pazik, J., Aveyard, P. & Stapleton, J. (2011). Placebo-Controlled Trial of Cytisine for smoking cessation. The New England Journal of Medicine, 365(13), 1193–1200.

1.1

Erklärung des Verlaufs eines Aktionspotentials:

Bei überschwelliger Reizung Öffnung spannungsabhängiger Natrium-Ionenkanäle in der Axonmembran → Einstrom von Natrium-Ionen entlang des Konzentrationsgefälles und durch elektrostatische Anziehung → Depolarisation bis zu positivem Membranpotential von ca. + 30 mV; zeitversetzte Öffnung spannungsgesteuerter Kalium-Ionenkanäle und Schließen der Natrium-Ionenkanäle → Ausstrom von Kalium-Ionen entlang des Konzentrationsgefälles → Repolarisation; aufgrund langsamer Abnahme der gesteigerten Kalium-Ionen-Permeabilität der Axonmembran geht Repolarisation kurzzeitig über den normalen Wert des Ruhepotentials hinaus: Hyperpolarisation → Wiederherstellung der ursprünglichen Konzentrationen an Natrium- und Kalium-Ionen durch die Natrium-Kalium-Pumpe unter ATP-Verbrauch

• Gemeinsamkeiten z. B.: Depolarisationsphase, Repolarisationsphase, im Ruhepotential Zellinneres gegenüber Zelläußerem negativ geladen

• Unterschiede z. B.: negativeres Ruhepotential als bei der tierischen Nervenzelle, fehlende Hyperpolarisation, Depolarisation ohne positive Spannungswerte.

1.2

Ableitung Refraktärphase: kein Aktionspotential messbar bei überschwelliger Reizung bis einschließlich 210 s nach vorangegangenem Aktionspotential

→ Dauer der Refraktärphase zwischen 210 s und 270 s.

2.1

Beschreibung der Monoaminhypothese:

Ursache für Depression besteht in relativem Mangel an Monoaminen, die als Neurotransmitter wirken, v. a. Noradrenalin und Serotonin, im synaptischen Spalt, z. B. infolge einer verminderten Produktion dieser Neurotransmitter.

• Reserpin: Hemmung der Aufnahme der Neurotransmitter in die präsynaptischen Vesikel → geringere Ausschüttung von Transmitter-Molekülen in den synaptischen Spalt → keine Eignung für die Behandlung von Depressionen, kann Depressionen verstärken bzw. auslösen

• Hyperforin: Hemmung der Serotonin-Wiederaufnahme in die präsynaptische Zelle → erhöhte Konzentration von Transmitter-Molekülen im synaptischen Spalt → Eignung für die Behandlung von Depressionen.

2.2

Hyperforin erhöht die intrazelluläre Natrium-Ionenkonzentration → Konzentrationsgradient von Natrium-Ionen über die Zellmembran wird geringer → Triebkraft für den Transport von Serotonin-Molekülen gegen das Konzentrationsgefälle fehlt → Aufnahme von Serotonin-Molekülen wird gehemmt.

3.1

Ergebnisse liefern Daten zur eindeutigen Beantwortung der Fragestellung hinsichtlich beider untersuchter Aspekte: Die Studie zeigt, dass Cytisin mit höherer Wahrscheinlichkeit zu Abstinenz als eine Nikotin-Ersatztherapie führen kann (Aspekt: Wirksamkeit), bei jedoch höherer Nebenwirkungsrate (Aspekt: Sicherheit); Mögliche Fehlerquellen z. B.: kein ausgeglichenes Geschlechterverhältnis in den Parallelgruppen zu Beginn der Untersuchung, große Unterschiede zwischen den Probanden in der individuellen Stärke der Nikotinabhängigkeit bzw. in der Motivation zur Entwöhnung möglich.

3.2

Dialektische Argumentationsführung:

• Pro-Argument z. B. mit Bezug zu wissenschaftlichem Erkenntnisgewinn (Wert: Fortschritt),

• Aussicht auf erfolgreiche Rauchentwöhnung (Wert: Gesundheit), ggf. mit Hinweis auf Freiwilligkeit der Teilnahme an der Studie (Wert: Selbstbestimmung)

• Kontra-Argument z. B. mit Bezug zu schwer abschätzbarem Risiko für unerwünschte Nebenwirkungen (Wert: Leidverringerung)

• Persönliche Schlussfolgerung auf der Grundlage einer transparenten Priorisierung der Argumente/Werte.

4

Beschreibung der Funktionsweise von Rhodopsin bei der Signaltransduktion beim Sehvorgang:

• Rhodopsin ist lichtempfindliches Rezeptormolekül, bestehend aus Proteinanteil Opsin und lichtabsorbierendem Pigment Retinal

• Lichtabsorption bewirkt Veränderung der chemischen Struktur von Retinal → Konformationsänderung von Opsin → Schließen von Kationenkanälen in der Zellmembran → Hyperpolarisation

• Gemeinsamkeiten: Sowohl Rhodopsin als auch Phytochrom besitzen an Proteine gebundene Farbstoffmoleküle. Diese können jeweils in zwei Formen vorliegen, die in Abhängigkeit der Absorption von Licht reversibel ineinander überführbar sind; nur eine der beiden Formen löst jeweils eine bestimmte Kette von Stoffwechselprozessen aus.