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2. 2  Neuronale Schaltungen  Synapsen

SchülerbuchSeite115

A1 VergleichenSiedieUnterschiedederIonen‑kanäleeinesNeuronsamAxonhügel,amAxonsowieimsynaptischenSpalt.

– DieIonenkanäleinderAxonmembransindspannungsgesteuert,reagierenalsoaufdaselektrischeFeldderUmgebung.Inderpost‑synaptischenMembran(aufdenDendritenundimBereichdesZellkörpers)hingegenbefindensichRezeptorproteine,zudenendieTransmitter‑molekülewieeinSchlüsselzumSchlosspassen.DiesführtzueinerkurzenFormveränderungdesRezeptorproteinsundzumÖffnenderIonenka‑näle(ligandengesteuerteKanäle).

A2 ErklärenSiedieBedeutungderschnellenSpaltungderTransmittermoleküleimsynap‑tischenSpalt.

– DieTransmittermolekülewirkendirektoderindirektaufdieIonenkanäleimsynaptischenSpalt.Würdensienichtsehrschnellabgebautwerden,könntensichdieankommendenIm‑pulseimmerweiteraddierenundesgäbekeineAbklingphaseinderErregung.

A3 ErklärenSiedieBedeutungderCalcium‑,Chlorid‑undNatriumionenfürdieErregungs‑weiterleitung.

– AnderpostsynaptischenMembrandererregendenSynapsewerdenNa+‑IonenkanälegeöffnetundführenzueinerDepolarisation.AnderpostsynaptischenMembranderhem‑mendenSynapsewerdendieCl–‑IonenkanälegeöffnetundführenzueinerHyperpolarisation.DieCa2+‑IonenspielenaufderpräsynaptischenSeiteeineRolle,dasiedieVerschmelzungdersynaptischenBläschenmitderpräsynaptischenMembranbewirken.

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ArbeitsblattSeite103

A1 InjedemderbeidenVersuchebefindetsichinderFlüssigkeiteinchemischerStoff,derdieHerztätigkeitbeeinflusst.DerStoffwirderstdannindieFlüssigkeitabgegeben,wennderzugehörigeNervgereiztwird.DiebeidenNer‑venunddievonihnenabgegebenenStoffeunterscheidensichinihrerWirkungaufdieHerztätigkeit.

A2 EskönntesichimvorliegendenFallumeineBesonderheithandeln,dienurfürdieVerbin‑dungNerv—Herzmuskelzutrifft.

Anmerkung:Erstinden1950erund1960erJahrenwurdenachgewiesen,dassdernurwenigeZehntelNanometerbreitesynaptischeSpalttatsächlichvonchemischenSubstanzenüberbrücktwirdunddassesnebendenche‑mischenSynapsenauchelektrischeSynapsenmitsog.Gap‑Junctionsgibt.

A3 DieVersucheamFroschherzenlegtennahe,dasseinNervnureinebestimmteReaktionamHerzenhervorruft.

Anmerkung:DieSubstanzenwurdenalsAce‑tylcholin(hemmend)undNoradrenalinbzw.Adrenalin(fördernd)identifiziert.

HinweisefüreinePräsentation

HistorischerAnsatzDieEntdeckungderchemischenNeurotrans‑missionwurde1936mitdemNobelpreisgeehrt.ZahlreicheweitereTransmitterundvieleEigen‑schaftenderCholinesterasesindinderZwischen‑zeitbekannt.DieskannThemaeinerPräsentationsein.ÜberdieInternet‑Seitehttp://nobelprize.orgkönnenz.B.dieBiographien,RedenundHinweisezudenArbeitenderNobelpreisträgerermitteltwerden.DaalleSeiteninenglischerSprachegehaltensind,ergibtsichhierdieMöglichkeit,fächerübergreifendzuarbeiten.

VielfaltinBauundChemiederSynapsenEinandererAnsatzpunktergibtsichausderenormenVielfaltderchemischenSynapsen.SieunterscheidensichinihrerStrukturundLage(sieheAbb.links)sowieinihrenBotenstoffen.In‑zwischensindmehrals50verschiedeneSubstan‑zenbekannt,diealsNeurotransmitterfungieren.Einigevonihnenwirkenausschließlicherregendoderhemmend,anderehingegenkönnenjenachVorkommenimOrganismus„sowohlalsauch“sein.EineweitereVielfaltwirddurchdieRezeptortypenerzeugt.MancheNeurotransmitterbindenanverschiedeneRezeptortypenundhabendadurchunterschiedlicheEffekteinderpostsynaptischenZelle.

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Basiskonzepte DieVerschaltungensindeinTeildesBasiskonzepts System. DasThemaverdeutlichtdarüberhinausStruktur‑Funk‑tionsbeziehungenaufderEbenevonOrganellenundMolekülen(Basis-konzept Struktur und Funktion).

Rezeptor

axodendritische Synapse

axosomatische Synapse

axoaxonale Synapse

dendrodendritische Synapse

Mitochondrium

Vesikel

en-passant-Synapse Dornensynapseaxonale Varikositäten synaptische Endigung

1 oben:Synapsentypen,unten:SynapsenlagezwischenNeuronen

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1897führteCharles Sherrington (engl.Physiologe,1857—1952)fürdiespezialisierteKontaktzone,andereinNeuronmiteinemandereninVerbindungtritt,denBegriffSynapseein.Bereits1903diskutierteOtto Loewi (PhysiologeundPharmakologe,1873—1961)mitMitarbeiterndieMöglichkeit,dassderartigeNervenendigungenchemischeSubstanzenenthaltenundnachStimulierungfreisetzenkönnten,sodassdieseSubstanzenihrerseitsdasnachfolgendeOrganerregenwürden.DieExperimentezumNachweissolcherSubstanzensetzteer1920um.

LoewisVersucheamisoliertenFroschherzenführteninden1930er‑JahrenzuheftigenDiskussionendarüber,wiechemischeSignaleamMuskeloderimGehirneineelektrischeAktivitäterzeugenkönnten.John Eccles(1903—1997,ehemaligerMitarbeitervonSherrington)undvielePhysiologenvertratendieAnsicht,dasssichdieÜbertragungdesAktions‑potentialsgrundsätzlichausdempassivenStromvomprä‑zumpostsynaptischenNeuronergibt.Henry Dale(1875—1968)undvielePharmakolo‑genwarendavonüberzeugt,dasseinechemischeSubstanz,dievompräsynaptischenNeuronfreige‑setztwird,denStrominderpostsynaptischenZelleauslöst.

LoewireiztedasAxondeserstenNervsundstelltefest,dassderHerzschlaglangsamerwurdebzw.dasHerzsogarseineTätigkeitganzeinstellte.WirddasHerzvonisotonischerKochsalzlösungumspült,bewirktdieseFlüs‑sigkeitzeitverzögertaneinemzweitenHerzendiegleicheReaktion.ReizteLoewi denzweitenNerv,beschleu‑nigtedasersteHerzseineTätigkeit.AuchhierreagiertedaszweiteHerznacheinergewissenVerzögerungmiteinererhöhtenSchlagfrequenz.

A1GebenSiedieSchlussfolgerungenan,diesichausLoewisExperimentziehenlassen.BerücksichtigenSiedenVersuchsaufbauundanalysierenSiediebeidenVersucheimVergleich.

A2BegründenSie,warumdieVersuchefürEccles undseineAnhängerkeinBelegfüreinechemischeInfor‑mationsübertragungzwischenNervenzellenwaren.

A3Henry Daleformulierte1935dasnachihmbenannte,heutenichtmehrfüralleNeuronentypenzutreffendeDale‑Prinzip,nachdemeinNeuronnureineArtvonNeurotransmitterproduziert.(ErteiltedieNervennachderArtihresTransmittersinadrenergeFasernundcholinergeFasernein.)ErläuternSie,welcherBezugzumvorliegendenVersuchbesteht.

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"Ifanervebyastimulusgetsanimpulsethisimpulseispro‑pagatedwithinthenerveandistransmittedtotherespectiveeffectiveorgans(heart,muscle,gland)innervatedbythenerve.Thequestionarosebywhichmeanstheimpulsecomingfromthenerveistransmittedtotheeffectororgan.Iwasabletosolvethisquestionbyprovingthattheimpulserunningdownwithinthenerveliberatesfromitsendingschemicalsubstances(AcetylcholineorAdrenalinerespectively)whichintheirturninfluencetheeffectororganexactlylikethestimula‑tionofthenerve.Withotherwords:theinfluenceofnervousstimulationonanorganisnotadirectonebutanindirectonemediatedtotheorganbychemicalsubstancesreleasedbythenervestimulationinitsendings."

ParasympathicusKochsalzlösung

Parasym-pathicus-Reizung

Sympathicus-Reizung

hemmtZeit

Zeit

fördert

Sympathicus

Herz 2

Herz 1

Schreiber-nadel

Reizgenerator

1 BeschreibungvonOttO LOewifürseinenSohnGuidO

2 OttoLoewisExperiment

Die Entdeckung der chemischen Überträgerstoffe

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SchülerbuchSeite117

A1 ErläuternSiedenEinflussvoninhibitorischenpostsynaptischenPotentialenaufdieräum‑licheunddiezeitlicheSummation.

– DieAmplitudedesentstehendenEPSPistbeiÜbertragungeinergleichzeitigenoderschnellenFolgevonAktionspotentialenwesentlichgrößeralsbeieinzelnenAktionspotentialen.DurchdasÜberschreitendesSchwellenwerteswirdamAxonhügeldasAktionspotentialausgelöst,dadiespannungsabhängigenKanälegeöffnetwerden.HemmendeSynapsenverringerndurchihreWirkungdieAmplitudedesEPSPs.Hier‑durchkannderSchwellenwerterstspäterodergarnichterreichtwerden.Erregungenkönnendadurch„gelöscht“werden.

ArbeitsblattSeite105

A1 AnM1ist(a)bereitszugeordnetundzeigt,dasseinehoheFrequenzankommenderAktionspotentialeaufdemerregendenAxonAseinsoll.DemzufolgeistanM3dieAbbildung(g)zuzuordnen,dadieAmplitudederent‑stehendenEPSPsständigansteigt.DaBalsAxonmithemmenderSynapsevorausgesetztist,gibtM2mit(d)dieFrequenzderankom‑mendenPotentialeundM4mit(c)dieSummederIPSPswieder.DieFolgenderVerrechnungamAxonhügel(M7)werdendurch(b)starkvereinfachtsymbolisiert.DiebeidenAxonauf‑zweigungen(M5,M6)zeigengleicheBilder(e,f)alsErgebnisderVerrechnung.

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A2 DieGeneratorregion(Dendriten,Zellkörper,Axonhügel)istinAnlehnungandieGenerator‑potentialederSinneszellenalsderBereichzusehen,indemdieankommendenpostsynap‑tischenPotentialeverrechnetundzufortgelei‑tetenAktionspotentialenumcodiertwerden.DerLeitungsbereichentsprichtdemAxonunddieSynapsedemÜbertragungsbereich.

A3 DiefrequenzcodierteWeiterleitungüberrelativgroßeStreckenaufdemAxonistwenigstöranfälligundkannsichdurchdasAlles‑oder‑Nichts‑Gesetzimmerwiederselbstaufbauen,währenddieamplitudenmodulierteWeiterleitungaufdemZellkörpernurkurzeDistanzenüberwindenmussundsichzurVerrechnungeignet.DieUmsetzungderelek‑trischenInformationinchemische„Informati‑onspakete“anderSynapseerlaubteinespe‑zifischeWeitergabeundModifikation,dadieEmpfängerzellenmitspeziellenRezeptorenausgerüstetseinmüssen,umeingehendeTransmitterzuerkennenundinAbhängigkeitvonihrerQuantitätzubeantworten.

A4 DieRenshaw‑ZellesetztmitinhibitorischenSynapsenaufdemAusgangsneuronanundwirddurcheineAxonkollateraledesMotoneu‑ronserregt.Durchsiewirdeine„rückläufigeHemmung“möglich:BeistarkerAktivitätderMotoneuronewerdensiedadurchstarkgehemmtundbeischwacherAktivitätwirdauchdieHemmungreduziert,waswiederumdieErregbarkeitderMotoneuroneerhöht.DienegativeRückkopplungverhinderteineÜberlastungundreguliertdieAktivitätdesMotoneurons.

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Basiskonzepte DieVerrechnungensindTeildesBasis-konzeps System. DasThemaverdeut‑lichtdarüberhinausStruktur‑Funktions‑beziehungenaufderEbenevonMolekülenundOrganellen(Basiskonzept Struk-tur und Funktion).

Verrechnungsprozesse an Synapsen

Second-Messenger:Übertragung(G-ProteingekoppelterRezeptor)

BeiderSignalweitergabevonZellezuZellespielendieRezeptoreneinebesondereRolle.ZweiverschiedeneTypensindzuunterscheiden:diedirektsteuerndenRezeptoren,diegleichzeitigRezeptorundIonenkanalsindunddieindirektsteu‑erndenRezeptoren,dieeinen„zweitenBoten“benötigen,umdenzugehörigenIonenkanalanzusprechen.

MitdirekterSteuerungarbeitenz.B.AcetylcholinundGABA.SiebindenaneinespezielleRegionaufderAußenseiteihresRezeptorproteins,wodurchdiesesseineKonformationändertunddenIonenkanalzurEntstehungeinesEPSPsoderIPSPsöffnetbzw.schließt.DasErgebnisistdabeinichtnurvomTransmitterabhängig,sondernauchvondenEigenschaftendesRezeptors:EineDepolarisationkannz.B.durcheinenNa+‑EinstrominfolgederÖffnungdesNatriumkanalsoderdurcheinenvermindertenK+‑AusstromnachSchließendesKaliumkanalsentstehen.

Als„sekundärerBote“trittc‑AMPauf.EsaktiviertProteinkinasen,diezurPhos‑phorylierungdesIonenkanalsführen,wodurchsichdessenKonformitätändertunddieIonenein‑oderausströmenkönnen.ZwischendemAndockendesTransmittersandenRezeptorundderBildungvonc‑AMPliegteineKaskadebiochemischerReaktionen:DasG‑Protein,dasGuaninalswichtigstenBestandteilenthält,kanndannandenRezeptorandocken,ändertdadurchseineKonforma‑tionundvermitteltdamitdieUmwandlungvonGDPzuGTP.Dieα‑UntereinheitdesG‑ProteinskanndaraufhindieAdenylatcyclaseaktivieren,dieATPzuc‑AMPumwandelt.

G-Protein

Ionenkanal geschlossen

Ade

nyla

tcyc

lase

K+

extra-zelluläre

Seite

Transmitter

Bindungs-stelle

cytoplas-matische

Seite

Rezeptor

GDP

G-Protein

Ionenkanal geschlossen

Ade

nyla

tcyc

lase

Trans-mitter

Rezeptor

GDP

Ionenkanal offen

Ade

nyla

tcyc

lase

Rezeptor

GTP

ATP

Proteinkinase

P

c-AMP

K+

K+

C

B

A

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Neuronale Informationsverarbeitung

ErregendeundhemmendeSynapsenfindetmanzuTausendenanjedemeinzelnenNeuronnebeneinander.IhreTransmitterunterscheidensich,sodassanderMembrandesnachgeschaltetenAxonsentwedereineDepolarisa‑tion(erregendeSynapsen)oderHyperpolarisation(hemmendeSynapsen)entsteht.AmAxonhügelkönnendieeingehendenSignalesomitverrechnetwerden.

InderfolgendenAbbildungistAeinAxon,daseineerregende,BeinAxon,daseinehemmendeSynapseamNeuronCausbildet.AndenMesspunktenM1bisM7werdendiePotentialegemessen.DasErgebnis(a)istdemPunktM1bereitszugeordnet.DieErgebnissederanderenMesspunktesindunter(b)bis(g)inwahlloserReihen‑folgedargestellt.

1 GrundprinzipienderneuronalenVerschaltungen

A1OrdnenSiedieMessergebnissedenentsprechendenMesspunktenzuundbegründenSieIhreZuordnung.

A2AneinemNeuronlassensichfunktionelleBereicheunterscheiden,diemanalsGenerator‑,Leitungs‑undÜbertragungsbereichbezeichnet.BenennenSiedieBestandteiledesNeurons,diejeweilsdieseFunkti‑onenübernehmen.

A3DieInformationsweiterleitungistmiteinemmehrfachenCodewechselverbunden.Manun‑terscheidetzwischeneinemFrequenz‑CodeundeinemAmplituden‑Code.ZusätzlichgibteseineUmcodierung,wenndieTransmitterinAbhän‑gigkeitvonderFrequenzderAktionspotentialeausgeschüttetwerden.BegründenSie,warumeinemehrfacheUmcodierungsinnvollist.

A4ErläuternSiedieFunktionsweisederinAbbil‑dung2gezeigtenSchaltung.

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C

M1

M2

M4

M7

A

B

b c d e f gmV

0t

mV

0t

mV

0t

mV

0t

amV

0t

mV

0t

mV

0t

M3M5

M6

Renshaw-zelle

Motoneuron

Neurit

Kollaterale

2 Renshaw‑Hemmung

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Tatort Synapse / Stopp-Motion (1a)

Methodenportrait Stopp-Motion

EinStopp‑Motion‑FilmbestehtausvielenhundertEinzelbildern,beidenendiejeweiligenTeileoderGegen‑ständeumwenigeMillimeterbewegtwerden.JekleinerdieBewegungsschrittesind,destoflüssigersindhinterherdieBewegungsabläufe.FürdieHerstellungeinesStopp‑Motion‑FilmswechselnsichalsodasFotografierenunddasBewegenderjeweiligenGegenständeab.AmEndekönnendievielenEinzelbildermithilfeeinerSoftwareamComputerodermiteinerentsprechendenSmartphone‑Appzusammengeschnittenwerden.AmbestenstartenSieIhrenStopp‑Motion‑Film,indemSiezusammeneinDrehbuchanfertigenundsichdasSetzurechtlegen.ÜberlegenSieanschließend,welcheBestandteile,z.B.Moleküle,TransmitteroderVesikel,sichbewegensollen.

Wichtige Tipps1. NutzenSiedasHintergrundblatt(2)alsRahmenfürIhreFotos.2. FüreineSekundeFilmbenötigtman4Fotos.DaIhrFilmca.25Sekundendauernsoll,solltenSiedie

WirkungsweiseIhresSynapsengiftesinungefähr100Fotosdarstellen.3. UmdieKamera(KamerafunktioneinesSmartphones)stillzuhalten,könnenSieeinenStuhlaufden

TischstellenunddieKameraüberdenRandstehenlassen.

Die Schwarze Witwe

DieSchwarzeWitwe(Latrodectusmactans)isteinedergiftigstenSpinnenderWelt.BeieinemBissinjiziertdieSpinneindieBisswundeeinNervengift.DiesesGift(α‑Latrotoxin)verbindetsichmitNeuroxin,einemRezeptormolekülanderpräsynaptischenMembran,waszurÖffnungzusätzlicherCalciumionenkanäleführt.DiedauerhafteÖffnungderKanäleführtzueinemenormenundnichtendendenEinstromvonCalciumionen,derzueinerschlagartigenundkontinu‑ierlichenEntleerungallersynaptischenBläschenführt.DadurchgelangteinesehrgroßeMengeNeurotrans‑mitterindensynaptischenSpaltundsorgtfüreinedauerhafteÖffnungallerAcetylcholin‑Rezeptorkanäle.DienunständigeinströmendenNatriumionensorgenfüreineandauerndeDepolarisationderpostsynap‑tischenMembranundsignalisierensoeineperma‑nenteErregung.

DieFolgenfürdenOrganismussindstarkeVerkrampfungenderMuskulatur.WennderVorratanTransmitternerschöpftist,könnenkeineReizinformationenmehrweitergeleitetwerdenundeskommtzuLähumgserschei‑nungen.DerTodtrittinfolgeeinerVerkrampfungundanschließenderLähmungderAtemmuskulaturein,dadiesezurErstickungführt.

1 SchwarzeWitwe

A1MarkierenSiedenTexthinsichtlichderInformationenzumWirkungsortundzurWirkungsweisedesGiftesanderSynapseundderAuswirkungaufdenOrganismus.

A2VergleichenSieIhreMarkierungenundüberlegenSieanschließend,wieSiedieWirkunganderSynapseinFormeinesca.25SekundenlangenStopp‑Motion‑Filmsszenischdarstellenkönnen.NutzenSiefürIhrenStopp‑Motion‑FilmdaszurVerfügungstehendeMaterial.

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Tatort Synapse / Stopp-Motion (1b)

Das Gift der Indianer

Anfangdes19.JahrhundertserforschteAlexAnder von HumboldtSüdamerikaundlerntedortdieSittenundGebräuchederindigenenBevölkerungkennen.Erbeobachtete,wiesieihrePfeilspitzenmiteinemspeziellzubereitetenGiftpräparierten.BeidiesemGifthandelteessichumCurare.CurareisteinSammel‑begrifffüreineVielzahlvonalkaloidenGiften,welcheauchdieAchagua‑IndianerausExtraktenvonPflanzenteilenbestimmterLianenartengewannenundalsPfeilgiftzurJagdnutzten.GelangtdiesesüberdasBlutzurMuskulatur,besetztesdiepostsynaptischenAcetylcholin‑RezeptorendermotorischenEndplattenundblockiertdiesefürdeneigentlichenTransmitter.DieshatzurFolge,dassAcetylcholinnichtmehrbindenkannundessozukeinerÖffnungderpostsynaptischenAcetylcholinrezeptorenkommenkann.DakeineNatriumionendurchdieRezeptorkanäleindiepostsynaptischeZelleströmenkönnen,entstehtwedereinexcitatorisches(erregendes)postsynaptischesPotential(EPSP)nocheinAktionspotentialinderpostsynaptischenZelle.DasErgebnisistderTodinFolgeeinerAtemlähmung,dasichdieSkelettmuskulaturvollständigentspannt(relaxiert).

DaderBindungsprozessundsomitauchdieWirkungvonCurarereversibelist,kannCurarebeiOperationenzurRelaxierungderPatientengenutztwerden.UmdenErstickungstodzuvermeiden,müssendiePatientenaller‑dingskünstlichbeatmetwerden.

1 Strychnostoxifera

A1MarkierenSiedenTexthinsichtlichderInformationenzumWirkungsortundzurWirkungsweisedesGiftesanderSynapseundderAuswirkungaufdenOrganismus.

A2VergleichenSieIhreMarkierungenundüberlegenSieanschließend,wieSiedieWirkunganderSynapseinFormeinesca.25SekundenlangenStopp‑Motion‑Filmsszenischdarstellenkönnen.NutzenSiefürIhrenStopp‑Motion‑FilmdaszurVerfügungstehendeMaterial.

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Methodenportrait Stopp-Motion

EinStopp‑Motion‑FilmbestehtausvielenhundertEinzelbildern,beidenendiejeweiligenTeileoderGegen‑ständeumwenigeMillimeterbewegtwerden.JekleinerdieBewegungsschrittesind,destoflüssigersindhinterherdieBewegungsabläufe.FürdieHerstellungeinesStopp‑Motion‑FilmswechselnsichalsodasFotografierenunddasBewegenderjeweiligenGegenständeab.AmEndekönnendievielenEinzelbildermithilfeeinerSoftwareamComputerodermiteinerentsprechendenSmartphone‑Appzusammengeschnittenwerden.AmbestenstartenSieIhrenStopp‑Motion‑Film,indemSiezusammeneinDrehbuchanfertigenundsichdasSetzurechtlegen.ÜberlegenSieanschließend,welcheBestandteile,z.B.Moleküle,TransmitteroderVesikel,sichbewegensollen.

Wichtige Tipps1. NutzenSiedasHintergrundblatt(2)alsRahmenfürIhreFotos.2. FüreineSekundeFilmbenötigtman4Fotos.DaIhrFilmca.25Sekundendauernsoll,solltenSiedie

WirkungsweiseIhresSynapsengiftesinungefähr100Fotosdarstellen.3. UmdieKamera(KamerafunktioneinesSmartphones)stillzuhalten,könnenSieeinenStuhlaufden

TischstellenunddieKameraüberdenRandstehenlassen.

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©  Als Kopiervorlage für den eigenen Unterrichtsgebrauch freigegeben. Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2015108   

Tatort Synapse / Stopp-Motion (2)

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©  Als Kopiervorlage für den eigenen Unterrichtsgebrauch freigegeben. Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2015 109

Tatort Synapse / Stopp-Motion (3)

1 spannungsgesteuerterCalciumkanal2 geöffneterAcetylcholinrezeptorkanal(Na+‑Ionenkönnenpassieren)3 geschlossenerAcetylcholinrezeptorkanal(Na+‑Ionenkönnennichtpassieren)4 VesikelmitAcetylcholin5 leeresVesikel6 mitMembranverschmolzenesVesikel7 NeurotransmittermolekülAcetylcholin8 Nervengift‑Molekül9 EnzymAcetylcholinesterase

(FürdieNatriumionenundCalciumioneneignensichkleinePapierkreise,diemanleichtmiteinemLocheraus‑stanzenkann.)

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Synapsengifte — neuroaktive StoffeMaterial: Synapsengifte als Arzneimittel

SchülerbuchSeite118

A1 BotulinumtoxinblockiertdieÜbertragungvonNervenimpulsenaufdenMuskel.ImGesichtlösensichVerspannungen,dieFaltenglättensich.

A2 DadieAcetylesterasegehemmtwird,kannAcetylcholinnichtmehrgespaltenwerden.DeshalbgibtesauchkeineSpaltproduktemehr.AcetylcholinbindetimmerwiederandieRezeptorenderpostsynaptischenMem‑bran.DadurchströmenmehrNatriumionenein.

SchülerbuchSeite119

A1 BeiMyastheniagravisistdieErregungsüber‑tragungzwischenNervundMuskelgestört.DasImmunsystembildetAntikörper,diesichgegendieAcetycholinrezeptorenrichtenunddieseblockierenoderzerstören.Derfreige‑setzteTransmitterAcetylcholinkanndahernuranwenigeRezeptorenbindenundnurwenigeNatriumionenkanälewerdengeöff‑net.DieDepolarisationistzugering,umeinAktionspotentialauszulösen;eineKontraktionderMuskelfaserunterbleibt.

A2 Acetylcholinesterasehemmer,z.B.Neostigmin,verlängerndieWirkungsdauerdesfreigesetz‑tenTransmittersundermöglichensoeineausreichendeDepolarisation.DenkbaristauchderEinsatzvonAnti‑Antikörpern,diesichgegendieschädigendenAntikörperrichten.

A3 individuelleLösung

A4 DurchschonendesAbschnürenwirddieBlutversorgungeinesBeinsunterbunden,ohnediemotorischenNervenzuschädigen.AnschließendwirdCurareindenBauchlymph‑sackinjiziert.WerdenmithilfevonElektrodendiemotorischenNerven,diedieBeinmuskula‑turversorgen,aufbeidenKörperseitengereizt,sokontrahiertnurdieMuskulaturdesBeins,dasvonderBlutversorgungabgeschnittenist.WirddagegendieMuskulaturdirektgereizt,kontrahierendieMuskelnbeiderBeine.

A5 DieVersuchevonbernArdzeigen,dassCuraredieErregungsübertragungzwischenNervundMuskelfaserandenmotorischenEndplattenblockiert.

A6 DieWirkungdesHemmstoffsmussgenaubekanntundvorallemreversibelsein.

A7 AlkylphosphatehemmendasEnzymAcetyl‑cholinesteraseirreversibel.

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A8 EineHemmungderAcetylcholinesteraseerhöhtdieWirkungsdauerdesfreigesetztenTransmittersundhebtdieWirkungvonCurarebzw.Tubocurarinauf.Darauslässtsichfolgern,dassCuraredieAcetylcholinrezeptorenderpostsynaptischenMembranreversibelbe‑setzt,ohnedieNatriumionenkanälezuöffnen.WirdderenzymatischeAbbaudesTransmit‑tersgehemmt,könnendennochgenügendKanälegeöffnetwerden,umeineausrei‑chendeDepolarisationfüreineKontraktionauszulösen.

A9 WirdAtropinindenBindehautsackdesAugesgetropft,erreichtesdurchDiffusiondieIrisunddenZiliarmuskeldesAuges.HierblockiertesdieSignalübertragungandenparasympa‑thischenSynapsen.DerZiliarmuskelerschlafftunddiePupilleweitetsich,waseineUntersu‑chungdesAugenhintergrundserleichtert.

A10FrüherwurdeAtropinauskosmetischenGründenzurPupillenerweiterungeingesetzt.DaserklärtdiewissenschaftlicheBezeichnungAtropabelladonna(belladonna,ital.=schöneFrau).

A11AlkylphospatehemmendieAcetylcholinesterase.DadieTransmittermolekülenichtabgebautwerden,bleibendieNatriumionenkanälederpostsynaptischenMembrangeöffnetundeskommtzurDauerdepolarisation.AtropinhateinelinderndeWirkung,daesdieNatrium‑kanälebesetztundsodenNatriumionenein‑stromverringert.

ArbeitsblattSeite106—109

A1 WiealleFächer,hatauchdasFachBiologiedieAufgabe,dieLesekompetenzderSchüle‑rinnenundSchülerzufördern.DaheristeinintensivesLesenvonTextenmitbiologischenInhalteneinwichtigerAspektdesUnterrichts.Wichtigist,dasssiedenTextinEinzelarbeitbearbeiten.Auchisteshilfreich,wennsiebeiihrerTextbearbeitungeinenfarbigenMarkerbenutzen,umwichtigeInhaltezuunterstrei‑chen.

DasGift(α‑Latrotoxin)derSchwarzenWitwebildeteinenneuenCalciumkanalanderpräsy‑naptischenMembran.DermassiveEinstromvonCalciumionenindieSynapsesorgtfüreineschlagartigeEntleerungallersynap‑tischenBläschenindensynaptischenSpalt.DiegroßeMengeanNatriumionen,welcheindiepostsynaptischeZelleströmen,sorgtfüreinepermanenteErregung(Verkrampfung).DasGiftCurareblockiertdieRezeptorenderAcetylcholinrezeptorenderpostsynaptischenZelleundverhindertsoeinenEinstromvonNatriumionen.EineLähmungistdieFolge.

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Basiskonzepte DieSynapsengiftesindTeildesBasis-konzepts System.DasThemaver‑deutlichtaberauchStruktur‑Funktions‑beziehungenaufderEbenevonMolekülen(Basiskonzept Struk-tur und Funktion).

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111

a b

Ca2+ Ca2+ Ca2+

Cyto-skelett

Cyto-skelett

Neurexine

α-Latrotoxin

Synapto-tagmin

Anlagerungs-komplex

Fusions-pore

Ca2+-Kanal

SelbsthergestellteModelleinderBiologie

ModellespieleninderBiologieeinegroßeRolleundhabenunterschiedlicheAufgaben.Sieverein‑fachenundvisualisierenbiologischePhänomene,ProzesseundStrukturen,lenkendenFokusaufeinenThemenschwerpunkt—undganzwichtig,siemotivierendieSchülerinnenundSchülerundhelfenInteressenauszubilden.Darüberhinausdie‑nenModelledernaturwissenschaftlichenErkennt‑nisgewinnung,welchealsKompetenzbereichimneuenKLPSekIIBiologieNRWobligatorischist.

VordemEinsatzvonModellenimUnterricht,sindeinigeVorüberlegungennotwendig:

– WiepasseichdasModellmeinerLerngruppean(didaktischeReduzierung)?

– PasstmeinModellauchzumUnterrichtsgegen‑stand?

– KönnenmeineSchülerinnenundSchülermitModellenarbeiten?

NebendemEinsatzvonfertigenModellenistesanvielenStellensinnvoll,dieSchülerinnenundSchülerselbstModelleherstellenzulassen.DiesesSelbstentwickelnführtautomatischzueinerintensiverenAuseinandersetzungmitdemLerngegenstandundfördertdieKompetenzeninderkooperativenArbeitsweise.DiekooperativePlanungundHerstellungvonModellendecktdieKompetenzbereicheErkenntnisgewinnung,Bewer‑tungundKommunikationdesneuenKLPSekIIBiologieNRWab.AmEndejederModellarbeitisteswichtig,diejeweiligenModellezuevaluierenundihreAussageabsichten,VorteileundGrenzenzudiskutieren.

DieSchülerinnenundSchülerkönnendabeiso‑wohlStrukturmodellealsauchFunktionsmodelleentwickeln.

MöglicheStrukturmodelle:– AufbaueinerZelle– AufbauderDNA

MöglicheFunktionsmodelle:– BiologischeVorgängeundProzesseanhand

einesStop‑Motion‑Filmsdarstellen(Funktions‑weiseeinerSynapse,WirkungsweisevonSynap‑sengiften,AblaufderFotosynthese,etc.)

– BiologischeVorgängeundProzesseinFormvonRollenspielennachspielen(FunktionsweiseeinerSynapse,Selektion,Konkurrenz,etc.)

1 VesikelfusionundPorenöffner

A2 IndividuelleLösung.DieseAufgabelässtsichambesteninFormeinerkooperativangelegtenGruppenarbeitbearbeiten.Esbietetsichan,jenachKurs‑größe,vierGruppezubilden,wovonjezweiGruppenarbeitsteiligarbeiten.ProgrammefürdieHerstellungvonStopp‑Motion‑Filmen:• LegoMovie(kostenlos;Apple/Android)‑

Flipagram(kostenlos;Apple/Android)• WindowsMoviemaker(kostenlos)• iMovie(kostenlos)

DieFilmemüssennachderPräsentationevaluiertwerden.DabeikannsowohlderfachlicheInhaltalsauchdieArbeitamStopp‑Motion‑FilmimFokusstehen.

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SchülerbuchSeite121

A1 ErklärenSiedieUnterschiedezwischendenNatriumionenkanälenamAxon,amAxonhü‑gelundanderpostsynaptischenMembran.

– AmAxon:SpannungsgesteuerteNa+‑Ionen‑kanäle,diedurchdaselektrischeFeldgeöffnetwerden.SiebenötigeneineRefraktärzeitbiszurnächstenErregung.AmAxonhügelliegenspannungsgesteuerteNa+‑Ionenkanälevor,diesichwieamAxonerstabeinerkonkretenStärkedeselektrischenFeldesöffnen.AnderpostsynaptischenMembran:Liganden‑gesteuerteNatriumionenkanäle,diedurchdieTransmittergeöffnetwerden.Sieschließensich,wennkeineTransmittermehrvorliegen.

A2 OrdnenSieAbb.1dieFrequenz‑undAm‑plitudencodierungzuunderklärenSiedenVorgangderUmcodierung.• DasRezeptorpotentialandenSinneszellen

bautsichauf,dabeiverändertsichdieAmpli‑tude.DieFrequenzändertsichnicht,danurdaseineSignalvorhandenistundsichdieStärkejenachReizverändert(Amplituden‑modulation).

• AmAxonwerdenjenachReizstärkeunter‑schiedlichvieleImpulseweitergeleitet.DieImpulsehabenimmerdiegleicheAmplitude(Frequenzmodulation).

• AnderSynapseundamMuskelliegteineAmplitudenmodulationvor,dadieAmplitudedesImpulsesverändertwird,nichtseineAnzahl.

• DieEntstehungdesImpulsesandenSinneszellenerfolgtdurchdieÖffnungvonIonenkanälenunddamitdurcheineLadungs‑veränderung.DieseistjenachÖffnungderIonenkanäleunterschiedlichhoch.AbeinembestimmtenSchwellenwertreichtdieStärkederLadungsveränderungunddamitdesentstandenenelektrischenFeldesaus,diespannungsabhängigenIonenkanälezuöffnen.AmsynaptischenSpalterfolgtderumgekehrteVorgang,dahierjenachAnzahlderankommendenImpulseunterschiedlichvieleTransmittermolekülefreigesetztwerden.DiesewirkenaufdieligandengesteuertenIonenkanäleeinundbewirkenjenachAnzahldergeöffnetenIonenkanäleeineentspre‑chendeAmplitude.

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ArbeitsblattSeite113

A1 AndenChemo‑oderMechanorezeptorenwerdenebensowiedurchAcetylcholinandermotorischenEndplatteKationenkanälegeöff‑net,wodurchgraduiertePotentialeentstehen.Duft‑oderGeschmacksstoffewirkenwieAcetylcholinalsLiganden.Diespannungsge‑steuertenKanäleaufdemAxonarbeitennachdemAlles‑oder‑Nichts‑Prinzip.

A2 CapsaicinundhoheTemperaturensteuerndieKationenkanäleoffensichtlichnichtaufidentischeWeise:DieSchmerzempfindungnachHitzeeinwirkungentstehtnacheinemMechanismus,derderdirektenEinwirkungmechanischerVerformungentspricht,wäh‑renddieReaktionaufCapsaicinderDuft‑oderGeschmackswahrnehmunggleicht.

Anmerkung:DieswirddurchVersuchegestützt,diediebritischenWissenschaftlerzusätzlichdurchführten:BlockiertmandenKanalmitbestimmtenSubstanzen,antworteternichtmehraufCapsaicin,wohlaberaufHitze.

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$Basiskonzepte DieSignalumwand‑lungistBestandteildesBasiskonzepts System.DasThemaverdeutlichtdarüberhinausStruktur‑Funk‑tionsbeziehungenaufderEbenevonOrganellenundMolekülen(Basis-konzept Struktur und Funktion).

Der neuronale Weg vom Reiz zur Reaktion

Signalmolekül

Rezeptor

Zell-antwort

Transport-

protein

Second-Messenger-System

Leckkanäle

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länger anhaltenderSchwellenreiz

längeranhaltenderSchwellenreiz

länger anhaltenderüberschwelliger Reiz

unter-schwelligerReiz

kurzerSchwellen-reiz

Schwellen-potential

Schwellen-potential

wiederholteAktions-potentiale

einzelnesAktions-

potential

1 FrequenzvonAktionspotentialen

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©  Als Kopiervorlage für den eigenen Unterrichtsgebrauch freigegeben. Ernst Klett Verlag GmbH, Stuttgart 2015 113

Signalumwandlung

ScharfgewürzteSpeisenwerdenhäufigals„brennendheiß“empfundenundtreibenunsdenSchweißaufdieStirn.Wieistesmöglich,dass„scharf“und„heiß“soähnlicheEmpfindungenhervorrufen?WissenschaftlerwurdenaufbesondereIonenkanäleaufmerksam.

ChemischgesteuerteIonenkanäle

VieleDuft‑oderGeschmacksstoffearbeitenandenSinneszellenähnlichdembekanntenAcetylcholin.DieserTransmitterdesNervensystemsbewirktandenmotorischenEndplatteneinÖffnenderKationenkanä‑le,sodassdurchdiepolarisierteMembraneingroßerNa+‑EinstromundeingeringerK+‑Ausstromstattfindet.DerRezeptorkanal‑KomplexfürAcetylcholinbestehtausfünfhomologenTransmembranproteinen,diezweiAcetylcholin‑Bindungsstellenbesitzen.

MechanischgesteuerteIonenkanäle

AufderOberflächespezifischerSinneszellenexistierenIonenkanäle,diez.B.durchZugoderDruckgeöffnetwerden.

„Brennendes“Capsaicin

DerSchmerz,denwirbeigroßerHitzeundnachdemGenussvonCayennepfefferwahrnehmen,beruhtvermutlichaufähnlichenmolekularenMechanismen.HoheTemperaturenscheineninsensorischenNervenzellendieMembranporenfürpositivgeladeneIonenzuöffnen.

DasfandenbritischeWissenschaftlerbeiderUntersuchungderInhaltsstoffedesausscharfemPaprikahergestelltenPfeffers.DasCapsaicinwirktallerdingsamIonenkanalalsBotenstoffnachdemSchlüssel‑Schloss‑Prinzip,währendextremeHitzevermutlichdieMembranporenvoneinemgeordnetenineineneherungeordnetenZustandübergehenlässt.DadurchkönntensiesicheinenSpaltweitöffnenundsodirektdurchlässigwerden.DieUntersuchungsergebnissederLondonerForscherdeutendamitan,dassdieseinweitererMechanismusnebendenchemischgesteuerten,denspannungsabhängigenunddenmechanischgesteuertenIonenkanälenseinkönnte.

SpannungsabhängigeIonenkanäle

SiesindinderRegelanderAxonmembranundwerdendurcheineDepolarisationnahegelegenerMembranbereichegeöff‑net.Sieschließensichautomatischnach1bis2msauchdann,wenndieDepolarisationnochandauert.

A1BeschreibenundvergleichenSiediedargelegtenMechanismenzumÖffnenvonIonenkanälenbzw.zurSignalumwandlung.

A2ErläuternSiedieUntersuchungsergebnissederbritischenWissenschaftlerzum„brennenden“Capsaicin.

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Basiskonzepte DieanatomischenGrundlagendesBeu‑ger‑Strecker‑ReflexesgehörenzumPrinzipdesGegenspielers(Basiskonzept Struk-tur und Funktion),dasAusführenderReaktionzumBasis-konzept System.

Reflexe

SchülerbuchSeite123

A1 EinbarfüßigerBadegasttrittaufeineMuschel‑schale.SofortziehterdenFußruckartighoch.FertigenSiefürdiesenReflexeinSchemanachAbb.3anundbenennenSiediejewei‑ligenOrgane.

– Reiz=MuschelschaleRezeptor=HautsinneszellenderFußsohleReflexzentrum=RückenmarkEffektor=OberschenkelmuskulaturReaktion=WegziehendesFußes

A2 DerHerzschlagwirdbeimMenschendurchperiodischeSignaleeinesMuskelknotens(Sinusknoten)ausgelöst.VergleichenSiedie‑senVorgangmitdemAblaufeinesReflexes.

– DierhythmischeKontraktionberuhtauchaufeinereinfachenNervenschaltung,wirdabernichtdurchsingulärauftretendeAußenreizeausgelöst.

ArbeitsblattSeite115

A1 StreckerundBeugersindAntagonisten.Daheristeswichtig,dassparallelzurErregungdesStreckersdieHemmungdesBeugersverläuft.DieReflexschaltungimRückenmarkermög‑lichteinkoordiniertesLaufen,dabeidemzweitenBeindieseVerschaltungreziprokverläuft.

A2 DerDruckreizamFußlösteineKontraktiondesBeugersamentsprechendenBeinaus.DieInterneuroneEundDsindfördernd,dasBeinwirdweiterhingebeugt.DasInterneuronFmusshemmendsein,daaufdemWegüberInterneuronBderStreckerdesgleichenBeinsgehemmtwerdenmuss.AußerdemgehenKollateraledesInterneuronsFzurGegen‑seite:AufdemWegüberNeuronCwirdmitderHemmungdesBeugerserreicht,dassein„Standbein“existiert.DazuwirdhierderStre‑ckerdurcheine„HemmungderHemmung“aufdemWegüberNeuronAerregt.

A3 ImpulsevonderMuskelspindelundvomGleichgewichtsorganwerdenimKleinhirnkoordiniert.VondortziehenImpulsezurGroßhirnrinde,wodiePositionsänderungenbewusstwerdenundzudenNervenzellendesRückenmarks,welchedieSpannung(Tonus)indenMuskelnkontrollieren.InAbbildung1müsstendemzufolgealleVerbindungenmitdemGroß‑undKleinhirnunddemGleich‑gewichtsorganergänztwerden.

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LidschlussreflexundSchreckreaktion

ZahlreichebildgebendeVerfahrenermöglicheninjüngsterZeitden„BlickinsGehirn“.TrotzdemwirdfürbestimmteUntersuchungenimmernochüberdasElektromyogramm(EMG)desAugen‑schließmuskelsdieSchreckreaktiongemessen.DerReflexläufteinerseitsimRahmendernormalenSchutzfunktionab,d.h.beimHerannaheneinerFliegeodereinesGegenstandesbewahrtderLidschlussreflexdasAugevorVerletzungen.DerReflexläuftaberauchalsZeicheneinerSchreck‑reaktionab,wennwirunsz.B.durcheinenlautenKnallbedrohtfühlen.IstderSchreckgroßgenug,verschließenwirnichtnurdieAugen;innerhalbvonSekundenbruchteilenwerdenauchBeugemus‑kelnaktiviert,sodasswirKopfundGliedmaßeneinziehen,umwenigerAngriffsflächefürVerlet‑zungenzubieten.

NeuereForschungenzeigennun,dassdieseSchreckreaktiondurchGefühlebeeinflusstwird.SehendieVersuchspersonenvordemlautenKnallBildermitpositivememotionalemGehaltoderaucherotischeDarstellungen,wirdderSchutz‑reflexverzögertoderabgeschwächt.UmgekehrterzeugennegativeEmotionenschnelleresundheftigeresBlinzeln.Evolutionsbiologenerklärendiesso,dassineinersicherenUmgebungdieSchutzreflexezugunstenandererFähigkeitenindenHintergrundtretenkönnen.SicherkenntjederdasPhänomen,dasswirbeimkleinstenGeräuschnachtsalleinineinerdunklenGasseschnellerzusammenzuckenalssonst.

AuchpsychischeVeränderungen—untersuchtwurdenDepressionen,Phobien,Schizophrenie,emotionalgestörteGewalttäter—beeinflussendenLidschlussreflexunddieSchreckreaktion.AuchgleichzeitigablaufendekognitiveVerarbeitungs‑prozessehemmensie.ReflexekönnendemzufolgeinweitgrößeremMaßbeeinflusstwerdenalsbisherbekanntwar.

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A B

C D

Strecken Beugen

Beuger Strecker

sensorisches Neuron

Motoneuron

E

F

344

5

2

1b6

7

1a

Gekreuzter Beuger-Strecker-Reflex

HemmendeunderregendeVerschaltungenvonNeuronensindimZusammenhangmitBewegungenwichtig,dahierdurchMuskelnundihrejeweiligenAntagonisten(Gegenspieler)sinnvollgesteuertwerdenkönnen.Zusätzlichzum„automatischen“AblaufbeidennormalenGehbewegungenistdasz.B.fürBeugerundStreckerderBeinebeiSchutzreflexennotwendig.

WiebeimrechteinfachaufgebautenKniesehnenreflexerfolgtdieReaktionbeimgekreuztenBeu‑ger‑Strecker‑Reflexsehrvielschneller,alseinebewussteReaktionaufdenReizausgeführtwerdenkönnte.

1 VerschaltungenimRückenmark

A1ErläuternSiedieBedeutungvonhemmendenunderregendenNeuronen,indemSiedieGehbewegungderBeinemitderVerschaltungineinesinnvolleVerbindungbringen.

A2BeugerundStreckerderBeinezeigeneinekoordinierteReaktion,wennmanz.B.mitdemlinkenFußineinenspitzenGegenstandtritt.ZeichnenSieinAbbildung1ein,anwelchenStellenhemmendeInter‑neurone(schwarzausfüllen)wirkenmüssenundwelcherMuskelzurKontraktionveranlasstwird(mit+markieren)bzw.gehemmtwerdenmuss(mit–markieren).BeschreibenSiedenAblaufkurzundgehenSiedabeiinsbesondereaufdieStellenA—Fein.

A3TeiledesGehirnsunddasRückenmarkarbeiteninsbesonderebeiderAusführungvonReflexenderartzusammen,dasssehrschnelleReaktionenmöglichwerden.Abbildung2zeigteinenTeilderkomplexenNervenverbindungen,welchediefastunbewussteKontrollederKörperhaltungdurchdenMuskeltonus(Spannungszustand)ausüben.ErläuternSiedieDarstellungundleitenSiedarausab,welcheweiterenNeuroneundVerschaltungeninAbbildung1ergänztwerdenmüssten.

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2 VerschaltungenzuGehirnzentren

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