Hinweis: Es sollen drei der vier Aufgaben bearbeitet werden.

Auch Pflanzen müssen Informationen aus ihrer Umwelt aufnehmen und diese verarbeiten, um auf sie reagieren zu können. Dabei bedienen sie sich teilweise ähnlicher Mechanismen, wie sie aus der neuronalen Informationsverarbeitung im Tierreich bekannt sind. Gleichzeitig produzieren Pflanzen auch eine Vielzahl an Stoffen, die Informationsverarbeitungsprozesse im Körper des Menschen positiv oder negativ beeinflussen können.

1.1

Erkläre den Verlauf eines Aktionspotentials an der Membran einer tierischen Nervenzelle auf der Grundlage der Ionentheorie und beschreibe zwei Unterschiede zwischen dem pflanzlichen Aktionspotential bei der Armleuchteralge und dem Aktionspotential einer typischen tierischen Nervenzelle. (M 1)

8 BE

1.2

Definiere den Begriff Refraktärphase und beschreibe, wie man vorgehen müsste, um das Auftreten einer Refraktärphase bei Zellen der Armleuchteralge zu überprüfen. (M 1)

5 BE

2.1

Erkläre die molekularen Ursachen einer Depression nach der Monoamin-Hypothese und beurteile auf deren Grundlage die prinzipielle Eignung der Stoffe Reserpin sowie Hyperforin für die Behandlung von Depressionen. (M 2)

7 BE

2.2

Erkläre den Mechanismus der Serotonin-Wiederaufnahmehemmung durch Hyperforin auf der Grundlage von Abbildung 2. (M 2)

4 BE

3

Beschreibe die in Material 3 dargestellten Untersuchungsergebnisse. Bewerte auf dieser Grundlage die Durchführung der beschriebenen Studie aus ethischer Perspektive unter Einbezug je eines Pro- und eines Kontraarguments. (M 3)

6 BE

Material 1: Aktionspotentiale bei Armleuchteralgen

Voraussetzung für Reaktionen bei Tieren ist üblicherweise das Vorhandensein eines Nervensystems. Ähnlich wie bei tierischen Nervenzellen können auch bei bestimmten Pflanzenzellen, wie z. B. bei Zellen der Armleuchteralgen (Characeae), mit vergleichbaren Methoden sowohl Ruhepotentiale als auch nach Reizung Aktionspotentiale gemessen werden.

In der folgenden Abbildung ist der Verlauf des Aktionspotentials an einer Zellmembran einer Armleuchteralgen-Zelle abgebildet:

Abb. 1: Aktionspotential einer Armleuchteralgen-Zelle¹

Material 2: Rolle pflanzlicher Arzneistoffe bei Depressionen

Aus vielen Pflanzen können Arzneimittel gewonnen werden, die sich zur Behandlung neurologischer Erkrankungen eignen oder aber auch in unerwünschter Weise neurobiologische Prozesse beeinflussen und so Nebenwirkungen hervorrufen können.

Die Indische Schlangenwurzel (Rauvolfia serpentina), eine Kletterpflanze aus der Familie der Hundsgiftgewächse, produziert beispielsweise den Stoff Reserpin. Dieser hat in der neurobiologischen Grundlagenforschung große Aufmerksamkeit erhalten. Reserpin hemmt u. a. den vesikulären Monoamintransporter VMAT2. Der VMAT2 ist ein Transportprotein in der Membran präsynaptischer Vesikel in Nervenzellen, das die Aufnahme von Neurotransmittern wie Noradrenalin, Dopamin und Serotonin in die Vesikel erleichtert, bevor diese mit der präsynaptischen Membran verschmelzen und ihren Inhalt in den synaptischen Spalt ausschütten können.

Ein anderer medizinisch relevanter Stoff ist Hyperforin, der aus den Blüten des Echten Johanniskrauts (Hypericum perforatum) isoliert werden kann. Hyperforin hemmt die Wiederaufnahme von Neurotransmittern wie Serotonin, Dopamin oder Noradrenalin aus dem synaptischen Spalt in das Endknöpfchen der präsynaptischen Zelle. Diese Wiederaufnahme erfolgt über spezifische Membranproteine; ihr Mechanismus ist stark vereinfacht in Abbildung 2 dargestellt.

In einem Laborexperiment, in dem der Einfluss von Hyperforin auf kultivierte Zellen untersucht wurde, zeigte sich, dass die Hemmung der Serotoninwiederaufnahme auf einer Erhöhung der intrazellulären Natrium-Ionenkonzentration durch Hyperforin beruht.

Abb. 2: Transportmechanismus

Material 3: Cytisin im Rahmen der Tabakentwöhnung

Aus den Samen, Blüten und Blättern des Gemeinen Goldregens (Laburnum anagyroides) kann das Alkaloid Cytisin gewonnen werden. Diese Substanz wechselwirkt mit einem bestimmten Rezeptor, der auch an der Suchtentstehung durch Nikotin, dem wirksamen Bestandteil des Tabakrauchs, beteiligt ist. In einigen Ländern wurde Cytisin deshalb über viele Jahre hinweg zur Tabakentwöhnung eingesetzt. Untersuchungen zu Wirksamkeit und Sicherheit von Cytisin lagen allerdings lange Zeit nicht vor.

In einer Studie wurde die Eignung von Cytisin im Vergleich zu einer konventionellen Nikotinersatztherapie (NET) hinsichtlich der beiden Aspekte Wirksamkeit und Sicherheit verglichen. Erwachsene Raucher, die freiwillig an der Studie teilnahmen, erhielten dabei entweder für einen Zeitraum von 25 Tagen täglich Cytisin oder für acht Wochen eine Nikotin-Ersatztherapie.

Die Teilnehmer der Cytisin-Gruppe wurden angewiesen, ihren Nikotin-Konsum so zu reduzieren, dass sie am Tag 5 nicht mehr rauchten. Parallel sollten sie nach einem vorgegebenen Schema die Einnahme von Cytisin von täglich sechs Tabletten auf täglich zwei Tabletten innerhalb des Untersuchungszeitraums reduzieren.

Die Nikotin-Ersatztherapie (z. B. Nikotinpflaster oder -kaugummis) in der Parallelgruppe wurde von Rauchstopp-Beratern individuell festgelegt.

Erhoben wurde die Selbstauskunft der Probanden über ihre Tabak-Abstinenz zu verschiedenen Zeitpunkten. Abbildung 3 zeigt Ergebnisse der Untersuchung.

Abb. 3: Ergebnisse der Studie. Links: Mitgeteilte Abstinenz zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach Beendigung der Studie. Rechts: Auftreten unerwünschter Nebenwirkungen (v. a. Übelkeit, Erbrechen, Schlafstörungen)²

Quellen:

¹ Mohr, H., Schopfer, P., Mohr, H., & Schopfer, P. (1978). Physiologie elektrischer Phänomene. Lehrbuch der Pflanzenphysiologie, 536-541.

² West, R. A., Zatonski, W., Cedzynska, M., Lewandowska, D., Pazik, J., Aveyard, P. & Stapleton, J. (2011). PlaceboControlled Trial of Cytisine for smoking cessation. The New England Journal of Medicine, 365(13), 1193–1200.

1.1

Erklärung des Verlaufs eines Aktionspotentials:

Bei überschwelliger Reizung Öffnung spannungsabhängiger Natrium-Ionenkanäle in der Axonmembran

→ Einstrom von Natrium-Ionen entlang des Konzentrationsgefälles und durch elektrostatische Anziehung

→ Depolarisation bis zu positivem Membranpotential von ca. + 30 mV; zeitversetzte Öffnung spannungsgesteuerter Kalium-Ionenkanäle und Schließen der Natrium-Ionenkanäle

→ Ausstrom von Kalium-Ionen entlang des Konzentrationsgefälles

→ Repolarisation; aufgrund langsamer Abnahme der gesteigerten Kalium-Ionen-Permeabilität der Axonmembran geht Repolarisation kurzzeitig über den normalen Wert des Ruhepotentials hinaus: Hyperpolarisation

→ Wiederherstellung der ursprünglichen Konzentrationen an Natrium- und Kalium-Ionen durch die Natrium-Kalium-Pumpe unter ATP-Verbrauch

• Unterschiede z. B.: negativeres Ruhepotential als bei der tierischen Nervenzelle, fehlende Hyperpolarisation.

1.2

Definition der Refraktärphase:

Zeitspanne nach der Depolarisation eines Axonabschnitts, in der dieser nicht (absolute Refraktärphase) bzw. nur schwer (relative Refraktärphase) erneut erregbar ist.

Beschreibung z. B.:

Schnell wiederholende Reizung von Armleuchteralgen-Zellen unter Membranpotentialmessung.

2.1

Beschreibung der Monoaminhypothese:

Ursache für Depression besteht in relativem Mangel an Monoaminen, die als Neurotransmitter wirken, v. a. Noradrenalin und Serotonin, im synaptischen Spalt, z. B. infolge einer verminderten Produktion dieser Neurotransmitter.

• Reserpin: Hemmung der Aufnahme der Neurotransmitter in die präsynaptischen Vesikel → geringere Ausschüttung von Transmitter-Molekülen in den synaptischen Spalt → keine Eignung für die Behandlung von Depressionen, kann Depressionen verstärken bzw. auslösen

• Hyperforin: Hemmung der Serotonin-Wiederaufnahme in die präsynaptische Zelle → erhöhte Konzentration von Transmitter-Molekülen im synaptischen Spalt → Eignung für die Behandlung von Depressionen.

2.2

Hyperforin erhöht die intrazelluläre Natrium-Ionenkonzentration

→ Konzentrationsgradient von Natrium-Ionen über die Zellmembran wird geringer

→ Triebkraft für den Transport von Serotonin-Molekülen gegen das Konzentrationsgefälle fehlt

→ Aufnahme von Serotonin-Molekülen wird gehemmt.

3

Die Studie zeigt, dass Cytisin mit höherer Wahrscheinlichkeit zu Abstinenz führen kann als eine Nikotin-Ersatztherapie, bei jedoch höherer Nebenwirkungsrate

Dialektische Argumentationsführung:

• Pro-Argument z. B. mit Bezug zu wissenschaftlichem Erkenntnisgewinn (Wert: Fortschritt), Aussicht auf erfolgreiche Rauchentwöhnung (Wert: Gesundheit), ggf. mit Hinweis auf Freiwilligkeit der Teilnahme an der Studie (Wert: Selbstbestimmung)

• Kontra-Argument z. B. mit Bezug zu schwer abschätzbarem Risiko für unerwünschte Nebenwirkungen (Wert: Leidverringerung); persönliche Schlussfolgerung auf der Grundlage einer transparenten Priorisierung der Argumente/Werte.