HT 1
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 M 2 dargestellte Hypothese mit den in Abbildung 4 gezeigten Ergebnissen widerlegt werden kann (M 2).
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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).
Abbildung 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).
Abbildung 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 Calciumionen-Strom verursachte. Nach elektrischer Reizung wurden die präsynaptischen Calciumionen-Ströme gemessen und mit einer Kontrolle ohne Gifteinwirkung verglichen (Abb. 3).
Abbildung 3 Relativer Calciumionen-Strom ohne Giftstoff und bei Anwesenheit von ω-Agatoxin oder ω-Conotoxin
Eine Synapse kann verschiedene Typen von spannungsgesteuerten Calciumionen-Kanälen 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 Calciumionen-Kanälen wirken.
Um diese Hypothese zu überprüfen, wurden in einem zweiten Experiment Neuronen aus dem Gehirn der Ratte elektrisch gereizt und anschließend wieder der Calciumionen-Strom 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 Calciumionen-Strom 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 Calciumionen-Strom jeweils an Neuronen ohne Giftstoff-Einwirkung gemessen (Abb. 4).
Abbildung 4 Relativer Calciumionen-Strom ohne Giftstoff und bei unterschiedlichen Giftstoff-Kombinationen
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monatlich kündbarSchulLV-PLUS-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Erregungsübertragung an einer erregenden chemischen Synapse
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Ankunft eines Aktionspotenzials am präsynaptischen Endknöpfchen
→ Depolarisation der präsynaptischen Membran
→ Öffnung spannungsgesteuerter
-Kanäle in der präsynaptischen Membran→ Einstrom von
-Ionen in das präsynaptische Endknöpfchen entlang des Konzentrationsgefälles→ Wanderung von transmittergefüllten Synapsenvesikeln zur präsynaptischen Membran und anschließende Exozytose der Neurotransmitter in den synaptischen Spalt
→ Diffusion der Neurotransmittermoleküle über den synaptischen Spalt hin zur postsynaptischen Membran
→ Reversible Bindung der Neurotransmitter an spezifische, transmittergesteuerte
-Kanäle (Rezeptoren) der postsynaptischen Membran→ Konformationsänderung und Öffnung der
-Kanäle→ Einstrom von
-Ionen in die postsynaptische Zelle entlang des elektrochemischen Gradienten→ Depolarisation der postsynaptischen Membran und Entstehung eines erregenden postsynaptischen Potenzials (EPSP)
→ Enzymatischer Abbau des Neurotransmitters im synaptischen Spalt (z. B. Spaltung von Acetylcholin durch Acetylcholinesterase) und Lösen vom Rezeptor
→ Schließen der transmittergesteuerten
-Kanäle an der Postsynapse→ Reabsorption der Abbauprodukte über Transportproteine in die Präsynapse sowie Resynthese und erneute Speicherung in Vesikeln
Zusammenfassung der Ergebnisse aus Abbildung 1 und 2
-
Bei elektrischer Reizung des präsynaptischen Neurons ohne Toxin erfolgt an der postsynaptischen Muskelzelle eine Depolarisation des Membranpotenzials von
auf ca. 
.Bei elektrischer Reizung des präsynaptischen Neurons unter Einwirkung von
-Agatoxin bleibt die Depolarisation fast vollständig aus und das Ruhepotenzial verharrt quasi konstant bei mit einer geringen Depolarisation auf ca. 
. -
Bei direkter Zugabe des Neurotransmitters ohne elektrische Reizung entsteht ohne Toxin eine Depolarisation des postsynaptischen Membranpotenzials von
auf etwa 
.Bei direkter Zugabe des Neurotransmitters unter Einwirkung von
-Agatoxin zeigt sich ein im Verlauf und der Amplitude identisches postsynaptisches Potenzial mit einer Depolarisation von auf etwa .
Ableitung des Wirkorts von -Agatoxin
-
Die Ergebnisse aus Abbildung 2 belegen, dass die Postsynapse bei Einwirkung von
-Agatoxin voll funktionsfähig ist, da zugegebener Neurotransmitter ungehindert an Rezeptoren binden und das postsynaptische Potenzial auslösen kann. -
Die transmittergesteuerten Ionenkanäle der postsynaptischen Membran werden durch
-Agatoxin somit weder blockiert noch in ihrer Funktion beeinträchtigt. -
Da nach präsynaptischer Reizung in Abbildung 1 unter Gifteinfluss jedoch nur ein sehr schwaches postsynaptisches Potenzial gemessen werden kann, erfolgt die Unterbrechung der Erregungsleitung vor dem synaptischen Spalt.
-
-Agatoxin wirkt somit an der Präsynapse.
Wirkung von -Agatoxin
-
Auswertung von Abbildung 3 zeigt eine Reduktion des präsynaptischen
-Stroms auf etwa 50 % gegenüber der giftfreien Kontrolle. -
Toxin blockiert einen Teil der spannungsgesteuerten
-Kanäle in der präsynaptischen Membran. -
Verminderter
-Einstrom nach Ankunft eines Aktionspotenzials führt zu einer reduzierten Exozytose von Neurotransmittervesikeln in den synaptischen Spalt. -
Geringere Konzentration an Neurotransmittern im synaptischen Spalt bewirkt eine geringere Öffnung der postsynaptischen Ionenkanäle und schwächt das erregende postsynaptische Potenzial (EPSP) ab.
-
Da Kleinhirnzellen an der Steuerung von Muskelbewegungen beteiligt sind, führt die gehemmte Erregungsübertragung im Organismus zu deutlichen Koordinations- und Bewegungsstörungen sowie Lähmungserscheinungen.
Wirkung von -Conotoxin
-
Auswertung von Abbildung 3 zeigt eine Reduktion des präsynaptischen
-Stroms auf etwa 73 % gegenüber der giftfreien Kontrolle. -
Toxin hemmt ebenfalls spannungsgesteuerte
-Kanäle an der Präsynapse, führt jedoch zu einer geringeren Gesamtreduktion des -Einstroms als -Agatoxin. -
Verringerter
-Einstrom reduziert die Transmitterausschüttung und dämpft somit die Reizweiterleitung an nachfolgende Neuronen. -
Beeinträchtigung der Signalübertragung im Kleinhirn bewirkt im Organismus eine Störung der feinen motorischen Steuerung und verringerte Muskelkoordination.
Messergebnisse aus Abbildung 4
-
Die Einzelgabe von
-Agatoxin reduziert den relativen -Strom auf ca. 50 %. -
Die Einzelgabe von
-Conotoxin reduziert den relativen -Strom auf ca. 73 %. -
Die 2. Gabe des jeweils anderen Toxins in den Kombinationen I und II führt zu einer weiteren Abnahme des
-Stroms auf ca. 23 % (Kombination 1) bzw. 26 % (Kombination 2). -
Die simultane Verabreichung beider Giftstoffe in Kombination III bewirkt ebenfalls eine Reduktion des
-Stroms auf ca. 22 %.
Auswertung und Beurteilung der Hypothese
-
Alle Toxine wurden in einer Konzentration eingesetzt, die eine maximale Wirkung auf den
-Strom verursacht. -
Würden beide Neurotoxine an demselben Typ von spannungsgesteuerten
-Kanälen angreifen, wären diese bereits nach der ersten Zugabe vollständig gesättigt bzw. blockiert. -
Eine zweite Gabe des jeweils anderen Giftstoffs hätte bei identischem Wirkort keine zusätzliche Verringerung des
-Stroms herbeiführen können. -
Die beobachtete additive Hemmwirkung bei sukzessiver Gabe (Kombination I und II) sowie bei gleichzeitiger Gabe (Kombination III) belegt, dass beide Toxine unabhängig voneinander an unterschiedlichen Typen von
-Kanälen binden. -
Der verbleibende Reststrom von ca. 22 % weist zudem auf die Existenz mindestens eines weiteren, gegenüber beiden Toxinen unempfindlichen
-Kanaltyps an den präsynaptischen Membranen hin. -
Die in M 2 aufgestellte Hypothese kann somit mit den Ergebnissen aus Abbildung 4 nicht widerlegt werden, sondern wird durch die additiven Effekte eindeutig experimentell gestützt.