Aufgabe C – 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.
Stelle die Erregungsübertragung an einer erregenden chemischen Synapse ausgehend von einem ankommenden Aktionspotenzial als Fließschema dar.
Fasse die in den Abbildungen 1 und 2 dargestellten Ergebnisse zusammen (M 1).
Leite anhand der in den Abbildungen 1 und 2 dargestellten Ergebnisse ab, ob ω-Agatoxin an der Präsynapse oder an der Postsynapse wirkt (M 1).
Leite 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).
Beurteile, ob die in Material 2 dargestellte Hypothese mit den in Abbildung 4 gezeigten Ergebnissen widerlegt werden kann (M 2).
Fasse die in Abbildung 5 dargestellten Messergebnisse zusammen (M 3).
Stelle jeweils eine Hypothese zum Wirkmechanismus von ω-Agatoxin und ω-Conotoxin auf (M 3).
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?M 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).
Abb. 1: Postsynaptisches Potenzial an Muskelzellen von Insekten nach elektrischer Reizung des präsynaptischen Neurons. A ohne ω-Agatoxin, B mit ω-Agatoxin
In einem weiteren Experiment wurde das postsynaptische Potenzial nach Zugabe des Neurotransmitters ohne elektrische Reizung des Neurons gemessen (Abb. 2).
Abb. 2: Postsynaptisches Potenzial an Muskelzellen von Insekten nach Zugabe des Neurotransmitters. A ohne ω-Agatoxin, B mit ω-Agatoxin
M 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).
Abb. 3: Relativer Calcium-Ionenstrom ohne Giftstoff und bei Anwesenheit von ω-Agatoxin oder ω-Conotoxin
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).
Abb. 4: Relativer Calcium-Ionenstrom ohne Giftstoff und bei unterschiedlichen Giftstoff-Kombinationen
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.
Abb. 5: Relative Leitfähigkeit von Calcium-Ionenkanälen bei unterschiedlichen Membranpotenzialen und Anwesenheit von A ω-Agatoxin oder B ω-Conotoxin sowie jeweils ohne Giftstoff.
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Aktionspotenzial erreicht Endknöpfchen → Öffnung spannungsgesteuerter Calcium-Ionenkanäle → Einstrom von Calcium-Ionen in das Endknöpfchen → Verschmelzen von synaptischen Vesikeln mit der präsynaptischen Membran → Freisetzung eines enthaltenen Neurotransmitters in den synaptischen Spalt → Bindung des Neurotransmitters an Rezeptoren in der postsynaptischen Membran → Öffnung von Natrium-Ionenkanälen → Einstrom von Natrium-Ionen in die Postsynapse → Entstehung eines PSP
Zusammenfassen:
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Nach elektrischer Reizung des präsynaptischen Neurons verursachte die Anwesenheit von ω-Agatoxin eine starke Verminderung des postsynaptischen Potenzials im Vergleich zur Kontrolle ohne Giftstoff-Einwirkung.
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Bei Zugabe des Neurotransmitters entstand sowohl ohne Giftstoff als auch mit ω-Agatoxin jeweils das gleiche postsynaptische Potenzial.
Ableiten:
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Die elektrische Reizung des präsynaptischen Neurons löst zunächst Prozesse an der Präsynapse und daraus folgend an der Postsynapse aus, die zu einem postsynaptischen Potenzial führen. Die Verminderung des PSP durch ω-Agatoxin lässt daher keine eindeutige Aussage darüber zu, ob der Giftstoff an der Präsynapse oder Postsynapse wirkt.
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Wenn der Neurotransmitter direkt zugegeben wird, sind nur die Vorgänge an der Postsynapse für die Ausbildung des PSP erforderlich. Da ω-Agatoxin in diesem Versuch keine Auswirkungen hatte, zeigt sich, dass ω-Agatoxin nicht auf die Postsynapse, sondern auf die Präsynapse wirkt.
Ableiten:
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Beide Giftstoffe wirken auf die spannungsgesteuerten Calcium-Ionenkanäle in der Präsynapse und verursachen eine Reduktion der Calcium-Ionenströme.
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Bei einlaufenden Aktionspotenzialen führt der verminderte Calcium-Ionen-Einstrom zur Reduktion der Transmitterfreisetzung. Das resultierende postsynaptische Potenzial fällt daher geringer aus als bei der Kontrolle.
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In der Folge wird am Axonhügel kein Aktionspotenzial oder eine geringere Frequenz von Aktionspotenzialen ausgelöst. Die Signalübertragung im Gehirn wird gestört oder unterbrochen.
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Beide Giftstoffe wirken auf Zellen im Kleinhirn, das an der Bewegungssteuerung beteiligt ist. Die Störung der Signalübertragung könnte daher zu Lähmungen führen.
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Weil ω-Agatoxin den Ionenstrom stärker reduziert als ω-Conotoxin, sind bei ω-Agatoxin stärkere Auswirkungen auf die Erregungsübertragung und somit auf den Organismus zu erwarten.
Beurteilen:
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Wenn die Giftstoffe an unterschiedliche Typen von Calcium-Ionenkanälen binden, müssten sie unabhängig voneinander wirken. Die Untersuchungsergebnisse passen zur Hypothese, da die einzelne Zugabe der Giftstoffe zu unterschiedlich starken maximalen Effekten auf den Calcium-Ionenstrom führte.
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Zudem würden sich die Auswirkungen der beiden Giftstoffe auf den Ionenstrom addieren. Tatsächlich zeigte sich, dass unabhängig von der Reihenfolge der Giftstoffzugabe der Ionenstrom insgesamt auf etwa den gleichen Wert reduziert wurde. Auch die gleichzeitige Zugabe beider Giftstoffe bewirkte den gleichen resultierenden Ionenstrom.
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Die Ergebnisse widerlegen demnach nicht die Hypothese, dass die beiden Giftstoffe an unterschiedliche Typen von Calcium-Ionenkanälen binden.
Zusammenfassen:
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In Anwesenheit von ω-Agatoxin wurde im Vergleich zur Kontrolle ohne Giftstoff erst bei einem deutlich positiveren Membranpotenzial eine relative Leitfähigkeit der Calcium-Ionenkanäle gemessen. Diese erreichte in beiden Fällen den gleichen Maximalwert.
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In Anwesenheit von ω-Conotoxin wurde, analog zur Kontrolle, eine Leitfähigkeit der Calcium-Ionenkanäle ab einem Membranpotenzial von etwa -40 mV gemessen. Sie erreichte aber nur etwa 50 % des Maximalwertes der Kontrolle.
Hypothese aufstellen:
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ω-Agatoxin beeinflusst vermutlich den Spannungssensor des Calcium-Ionenkanals, weswegen die Öffnung der Ionenkanäle bei einem positiveren Membranpotenzial als bei der Kontrolle erfolgte. Weil die Öffnung der Pore nicht beeinträchtigt war, wurde die gleiche maximale Leitfähigkeit wie bei der Kontrolle erreicht.
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ω-Conotoxin blockiert vermutlich die zentrale Pore des Calcium-Ionenkanals. Dadurch wurde bei jedem untersuchten Membranpotenzial die relative Leitfähigkeit im Vergleich zur Kontrolle reduziert. Weil ω-Conotoxin den Spannungssensor nicht beeinflusst, blieb das Membranpotenzial, bei dem die Kanäle geöffnet werden, unverändert.