Aufgabe 2 – Informationsverarbeitung in Lebewesen

Informationsverarbeitung

Hinweis: Von den vier vorliegenden Aufgaben musst du in der Prüfung drei auswählen und bearbeiten.

Neuronen sind die grundlegenden Bausteine des Nervensystems, ihre Zellstruktur bedingt ihre Funktion. Bestimmte Substanzen, wie z. B. Benzodiazepine, können jedoch die Funktion von Neuronen beeinträchtigen.

2.1

Nenne für jeden der drei Bereiche – Soma, Axon und synaptischer Spalt – die Art und die Codierung der jeweiligen Erregungsleitung.

06 BE

Skizziere die Potenziale, die am Soma und am myelinisierten Axon nach Reizung der Nervenzelle messbar sind. Übernimm dazu zunächst das Diagramm in M 1.

03 BE

2.2

Erläutere, auf welche Weise im Modell (M 2) der Schwellenwert und das Alles-oder-Nichts-Gesetz veranschaulicht werden.

07 BE

2.3

Stelle tabellarisch die Transmitter, die einströmenden Ionen und die Veränderung des postsynaptischen Membranpotenzials bei der Erregungsweiterleitung an cholinergen und GABAergen Synapsen dar (M 3a).

06 BE

Prüfe die in M 3c dargestellten Hypothesen zur Wirkung von Benzodiazepinen an GABAergen Synapsen (M 3a, M 3b).

08 BE

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M1 Spannungs-Zeit-Diagramm

Leeres Diagramm: Zeitachse [ms] horizontal, Spannungsachse [mV] vertikal, Nullpunkt an Achsenkreuz.

Abb. 1:Ansatz für Spannungs-Zeit-Diagramm

M2 Modell zur Veranschaulichung der Vorgänge beim Aktionspotenzial

Rechts des Drehgelenks kann unterschiedlich starker Druck auf den Druckpunkt des Stabs ausgeübt werden. Der Stab folgt dem Impuls entsprechend. Bild A zeigt den Ausgangszustand, Bild B die Bewegungen bei leichtem Druck und Bild C die Bewegungen bei starkem Druck. Die gestrichelte Linie zeigt die erste, durch den Druck verursachte Bewegung, die durchgezogene Linie die folgende Bewegung des Modells. Die Ziffern an den Pfeilen zeigen die zeitliche Abfolge der Bewegung.

Hinweis: Drehgelenk und Halterung sind fixiert und bewegen sich nicht.

Drei Skizzen eines Hebels mit Gewicht, Drehgelenk und gespannter Feder, zeigen Druckbewegung und Rotationspfeile

Abb. 2: Einsatz des Modells (Ellenberger, 1990)

M3 Vorgänge an GABAergen Synapsen

M3a: GABAerge Synapse

Grafik einer GABA-Synapse: Vesikel, freigesetzte GABA-Moleküle und ligandengesteuerte Chloridkanäle.

Die Synapse ist die Kommunikationsstelle zwischen einem Neuron und einer Zielzelle. Ein weitverbreiteter Synapsentyp ist die chemische Synapse, deren Botenstoff ein Neurotransmitter ist. Der Neurotransmitter ist verantwortlich für die Ausbildung von postsynaptischen Potenzialen.

Abb. 3: GABAerge Synapse (Bear et al., 2018)

M3b: Informationen zu Benzodiazepinen

Benzodiazepine werden als Beruhigungs- oder Schlafmittel eingesetzt. Sie wirken auf das zentrale Nervensystem. Die Bindungsstelle für diese Substanzen ist an den Chlorid-Ionenkanälen von GABAergen Synapsen lokalisiert.

Die Grafik zeigt die Reizung einer Nervenzelle und anschließende Potenzialmessung an der postsynaptischen Membran einer GABAergen Synapse. Der graue Balken im Diagramm kennzeichnet die Reizdauer.

Grafik: Membranpotenzial (mV) vs Zeit; Ruhepotential bei −70 mV, grauer Kasten "Reiz" oberhalb der Linie.

Abb. 4a: Ausgeschüttetes GABA wurde entfernt. Benzodiazepine sind nicht vorhanden.

Grafik: Membranpotenzial über Zeit; bei Reiz kurz von −70 mV auf ca. −85 mV abgesunken, dann Rückkehr.

Abb. 4b: Ausgeschüttetes GABA wurde nicht entfernt. Benzodiazepine sind nicht vorhanden.

Diagramm: Membranpotenzial in mV gegen Zeit; Ruhepotenzial −70 mV, grauer Balken mit Beschriftung "Reiz" oberhalb.

Abb. 4c: Ausgeschüttetes GABA wurde entfernt. Benzodiazepine sind vorhanden.

Grafik: Membranpotenzial (mV) über Zeit, fällt bei Reiz von -70 mV auf -90 mV und steigt dann zurück

Abb. 4d: Ausgeschüttetes GABA wurde nicht entfernt. Benzodiazepine sind vorhanden.

(Hoyer, 1970; Bear et al., 2018)

M3c: Hypothesen zur Wirkung von Benzodiazepinen an GABAergen Synapsen

H 1: Benzodiazepine wirken wie GABA auf den Ioneneinstrom in die postsynaptische Zelle.

H 2: Benzodiazepine verstärken die Wirkung von GABA.

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2.1

Art und Codierung der jeweiligen Erregungsleitung:

Soma: Elektrisch, graduiertes Potenzial
Axon: Elektrisch, Codierung über Frequenz
Synaptischer Spalt: Chemisch, Codierung über Transmittermenge

Potenziale am Soma und am myelinisierten Axon:

Diagramm: Spannung (mV) über Zeit (ms) mit hohem Aktionspotenzial (Spitze) und kleinerem graduiertem Potenzial (flache Welle)

2.2

Darstellungen des Schwellenwerts und des Alles-oder-Nichts-Gesetzes im Modell:

Abbildung B: Der ausgeübte Druck ist stark genug, sodass der Stab in eine senkrechte Position gelangt. Wird diese Position überschritten, schwingt der Stab weiter nach rechts. Wird diese Position nicht überschritten, schwingt der Stab zurück. Nur bei Überschreitung des Schwellenwerts wird ein AP ausgelöst.
Abbildung C: Der ausgeübte Druck ist stark genug, sodass der Stab die senkrechte Position nach rechts überschreitet. Er schwingt bis zum Maximum. Unmittelbar darauf kehrt sich die Bewegung um, geht zunächst über die Ausgangsposition hinaus und kehrt dann zur Ausgangsposition zurück. Unabhängig davon, wie weit man den Stab drückt, erfolgen die Bewegungen 1–3. Dies veranschaulicht das Alles-oder-Nichts-Gesetz, das besagt, dass die Abläufe eines Aktionspotenzials stereotyp verlaufen, sobald der Schwellenwert überschritten wird.

2.3

Unterschiede der Erregungsweiterleitung an cholinergen und GABAergen Synapsen:

	Cholinerge Synapse	GABAerge Synapse
Transmitter	Acetylcholin	GABA
Einströmendes Ion	Na⁺	Cl^-
Postsynaptisches Membranpotenzial	positiver	negativer

Hypothesen zur Wirkung von Benzodiazepinen:

Anwesenheit von GABA → Membranpotenzial negativer: Cl^--Ioneneinstrom; Gabe von Benzodiazepinen → keine Änderung des Membranpotenzials: kein Ioneneinstrom → H1 ist zu widerlegen
Gabe von Benzodiazepinen und Anwesenheit von GABA → stärkere Absenkung des Membranpotenzials: stärkerer Cl^--Ioneneinstrom → H2 ist zu stützen

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