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).

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).

Fließschema der Erregungsübertragung an einer erregenden chemischen Synapse

• Ankommen eines Aktionspotenzials am präsynaptischen Endknöpfchen.

  → Depolarisation der präsynaptischen Membran.

  → Öffnung spannungsgesteuerter -Kanäle in der präsynaptischen Membran.

  → Einstrom von -Ionen in das Endknöpfchen entlang des elektrochemischen Gradienten.

  → Wandrung von transmittergefüllten Vesikeln zur präsynaptischen Membran und deren Verschmelzung (Exozytose).

  → Freisetzung der Neurotransmittermoleküle in den synaptischen Spalt.

  → Diffusion der Neurotransmittermoleküle durch den synaptischen Spalt zur postsynaptischen Membran.

  → Reversible Bindung der Transmittermoleküle an rezeptorgekoppelte, ligandengesteuerte -Kanäle der Postsynapse.

  → Konformationsänderung und Öffnung der ligandengesteuerten -Kanäle.

  → Einstrom von -Ionen in die Postsynapse.

  → Lokale Depolarisation der postsynaptischen Membran und Entstehung eines erregenden postsynaptischen Potenzials (EPSP).

  → Enzymatischer Abbau der Transmittermoleküle im synaptischen Spalt (z. B. durch Acetylcholinesterase).

  → Schließen der ligandengesteuerten -Kanäle nach Ablösen der Transmitter.

  → Wiederaufnahme der Abbauprodukte in das präsynaptische Endknöpfchen sowie Resynthese und Speicherung des Transmitters 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 auf die Erregungsübertragung an der Synapse

• Reduktion des präsynaptischen -Einstroms bei Anwesenheit von -Agatoxin auf im Vergleich zur Kontrolle ohne Giftstoff.

• Reduktion des präsynaptischen -Einstroms bei Anwesenheit von -Conotoxin auf ca. im Vergleich zur Kontrolle ohne Giftstoff.

• Verminderte Konzentration von -Ionen im präsynaptischen Endknöpfchen hemmt das Verschmelzen von Neurotransmittervesikeln mit der präsynaptischen Membran.

• Verringerte Exozytose führt zu einer verminderten Ausschüttung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt.

• Geringere Besetzung postsynaptischer Rezeptoren bewirkt die Öffnung von weniger ligandengesteuerten Ionenkanälen.

• Verringertes postsynaptisches Potenzial (EPSP) führt zu einer stark geschwächten oder ausbleibenden Weiterleitung der Erregung an der Synapse.

Auswirkungen auf den Organismus

• Betroffen sind Neuronen des Kleinhirns, welches eine zentrale Rolle bei der Steuerung und Koordination von Muskelbewegungen einnimmt.

• Hemmung der Erregungsübertragung im Kleinhirn stört die Weiterleitung von Steuerungssignalen an die Muskeln.

• Symptome auf Organismusebene sind Beeinträchtigungen der Bewegungsabläufe, Koordinationsstörungen, Muskelschwäche und schlaffe Lähmungen.

• Bei Beutetieren führen diese Bewegungseinschränkungen zur Kampfunfähigkeit und erleichtern das Überwältigen durch die Raubtiere.

Hypothese und Erwartungshaltung

• Die Hypothese besagt, dass -Agatoxin und -Conotoxin an zwei unterschiedlichen Typen spannungsgesteuerter -Kanäle wirken.

• Bei unterschiedlichen Wirkorten ist bei Sättigungskonzentration eine voneinander unabhängige, additive Hemmwirkung beider Toxine zu erwarten.

• Bei identischem Wirkort am selben Kanaltyp könnte das zweite Toxin nach maximaler Hemmung durch das erste Toxin keinen zusätzlichen Effekt mehr erzielen.

Auswertung der Versuchsergebnisse aus Abbildung 4

• -Agatoxin reduziert den relativen -Strom als Einzelstoff von auf , was einer Hemmung von entspricht.

• -Conotoxin reduziert den relativen -Strom als Einzelstoff von auf ca. , was einer Hemmung von ca. entspricht.

• Kombination I führt nach der 1. Gabe (-Agatoxin) zu und nach der 2. Gabe (-Conotoxin) zu einem Abfall des Reststroms auf ca. .

• Kombination II führt nach der 1. Gabe (-Conotoxin) zu ca. und nach der 2. Gabe (-Agatoxin) ebenfalls zu einem Abfall des Reststroms auf ca. .

• Kombination III mit simultaner Gabe beider Toxine zeigt identisch eine Absenkung des Reststroms auf ca. .

Mathematisch-biologische Verknüpfung

• Die rechnerische Summe der Einzelhemmungen beträgt .

• Subtrahiert vom Kontrollwert ergibt sich ein erwarteter Reststrom von .

• Die gemessenen Werte aller drei Kombinationen stimmen exakt mit dieser theoretischen additiven Hemmung von überein.

Beurteilung

• Die Messdaten belegen, dass beide Toxine unabhängig voneinander additiv wirken und sich nicht am selben Kanal blockieren.

• Die Hypothese, dass -Agatoxin und -Conotoxin auf unterschiedliche Typen von spannungsgesteuerten -Kanälen wirken, kann mit den Ergebnissen aus Abbildung 4 nicht widerlegt werden, sondern wird experimentell gestützt.

Zusammenfassung der Messergebnisse (Abbildung 5)

• Kontrollkurve (ohne Giftstoff): Die relative Leitfähigkeit der Calciumionen-Kanäle steigt ab ca. steil an, erreicht bei ca. ihren Maximalwert von und verbleibt dort bis .

• Abbildung 5A (-Agatoxin): Die Leitfähigkeitskurve ist unter Toxineinwirkung im Vergleich zur Kontrolle parallel zu höheren Membranpotenzialen verschoben.

• Abbildung 5A (-Agatoxin): Der Anstieg der Leitfähigkeit beginnt erst ab ca. und erreicht das Maximum von erst bei ca. .

• Abbildung 5B (-Conotoxin): Die Schwellenspannung für den Beginn der Kanalöffnung liegt wie bei der Kontrolle bei ca. .

• Abbildung 5B (-Conotoxin): Die Leitfähigkeitskurve flacht jedoch stark ab und erreicht bereits bei ca. ein Plateau bei einer maximalen Leitfähigkeit von nur noch ca. .

Hypothese zum Wirkmechanismus von -Agatoxin

• -Agatoxin bindet an den Spannungssensor des Calciumionen-Kanals und hemmt dessen Aktivierbarkeit.

• Durch die Umstrukturierung oder Blockade des Spannungssensors wird eine deutlich stärkere Depolarisation benötigt, um die Konformationsänderung zur Kanalöffnung auszulösen.

• Die maximale Durchlässigkeit der Pore selbst bleibt unbeeinträchtigt, da bei ausreichend hohem Membranpotenzial weiterhin eine Leitfähigkeit von erreicht wird.

Hypothese zum Wirkmechanismus von -Conotoxin

• -Conotoxin bindet direkt im Bereich der zentralen Pore des Calciumionen-Kanals.

• Das Toxin verengt oder blockiert die Pore physikalisch, wodurch der Fluss von Calciumionen dauerhaft auf maximal limitiert wird.

• Die Spannungssteuerung über den Spannungssensor bleibt intakt, da das Öffnen des Kanals weiterhin bei demselben Schwellenpotenzial von ca. eingeleitet wird.