Vorschlag A – Schmetterlinge
Hinweis: Von den Vorschlägen A, B und C soll in der Prüfung nur einer bearbeitet werden.
Schmetterlinge als ökologische Warner und Medizinlieferanten
Schmetterlinge werden gerne beobachtet. Durch die Fülle von Beobachtungsdaten eignen sie sich gut zur Untersuchung ökologischer Veränderungen, die z. B. durch Klimaerwärmung und zunehmende Verstädterung eintreten. Trotz oft hoher Anpassungsfähigkeit sind Schmetterlinge besonders vom weltweiten Insektensterben betroffen. Dies ist umso bedauerlicher, da manche Schmetterlinge Substanzen besitzen, die für menschliche Erkrankungen therapeutischen Nutzen haben.Veränderungen der Lebensräume von Schmetterlingen
1
Gib die Definitionen für ökologische Nische, Biotop und Biozönose an und nenne je zwei Beispiele für Ökofaktoren eines Biotops sowie einer Biozönose.
(10 BE)
2
Vergleiche die Lebenszyklen des Aurorafalters und des Kleinen Fuchses. (Material 1)
(7 BE)
3
Zeichne und beschrifte eine Toleranzkurve, die die Abhängigkeit der Entwicklungsgeschwindigkeit des Kronwicken-Bläulings von der Temperatur darstellt. (Material 1 und 2)
(7 BE)
4
Erläutere die in Material 2 genannten Vermutungen zum Fortbestand des Kronwicken-Bläulings. (Material 1 und 2)
(7 BE)
5
Untersuche, ob das Ökosystem Stadt einen geeigneten Lebensraum für die beiden Schmetterlingsarten Kleiner Kohlweißling und Kleiner Maivogel darstellt. (Material 3 und 4)
(14 BE)
Neurophysiologische Aspekte
6
Werte die in den Abbildungen 5.1 und 5.2 dargestellten Versuchsergebnisse aus. Erkläre die Resistenz des Monarchfalters gegen das Gift Ouabain. (Material 5)
(15 BE)
7
Beschreibe das Zustandekommen des Ruhepotenzials an einer Nervenzelle. Erläutere in diesem Zusammenhang die Bedeutung und die Funktion der Natrium-Kalium-Pumpe.
(17 BE)
8
Beschreibe und deute die in Abbildung 6.3 dargestellten Versuchsergebnisse. (Material 5 und 6)
(13 BE)
9
Begründe, warum Ouabain heute kaum noch als Medikament bei einem Herzinfarkt verwendet wird. Erkläre die Erhöhung der intrazellulären Calcium-Ionenkonzentration bei einer Überdosierung. (Material 5 und 7)
(10 BE)
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Der Lebenszyklus der Schmetterlinge
Schmetterlinge gehören zu den Insekten. Sie führen in ihrer Entwicklung einen Gestaltwandel durch. Aus einem Ei schlüpft eine Raupe. Sie ernährt sich je nach Art von ganz bestimmten Futterpflanzen. Nach mehreren Häutungen ist die Raupe so groß geworden, dass sie in ein Ruhestadium wechselt (Puppe). An einem geschützten Ort vollzieht sich nun der Gestaltwandel von der Raupe zum Falter. Die Falter ernähren sich vorwiegend von Nektar, den sie mit ihren langen Rüsseln aus Blüten saugen. Um ihren Fressfeinden (z. B. Vögel, Eidechsen, Wespen) zu entkommen, können sich die Raupen und Falter entweder durch Tarnung schützen oder sie weisen durch eine auffällige Färbung auf ihre Giftigkeit für den Fressfeind hin.Je nach Schmetterlingsart und Umweltbedingungen können sich in einem Jahr mehrere Generationen entwickeln, was zu einem Massenauftreten im Spätsommer und Herbst führen kann. Das Falterleben ist je nach Art von unterschiedlicher Dauer. Den Winter können die Schmetterlinge als Ei, Raupe, Puppe oder Falter überdauern. Manche Schmetterlinge sind auch Wanderfalter und verbringen den Winter in wärmeren Regionen.
Abb. 1.1: Verschiedene Stadien der Entwicklung eines Schmetterlings in einer Generation
Abb. 1.2: Jährlicher Lebenszyklus zweier Schmetterlingsarten
Hinweis
Die Buchstaben geben die Monate an.
Die Buchstaben geben die Monate an.
Material 2
Temperaturtoleranz des Kronwicken-Bläulings (Lycaeides agyrognomon)
Der kleine, blau gefärbte Kronwicken-Bläuling gehört in Japan zu den gefährdeten Arten. Er kommt in mehreren Generationen von Anfang Juni bis Oktober vor und überwintert im Ei-Stadium. Es wurden Laboruntersuchungen zur Temperaturtoleranz der Entwicklungsstadien (Ei, Raupe, Puppe) durchgeführt. Unterhalb von 10 °C und oberhalb von 37 °C findet keine Entwicklung der Eier zu Schmetterlingen statt, da bereits die Eier oder die Larven und Puppen absterben.Die Abhängigkeit verschiedener Entwicklungsfaktoren von der Temperatur
Die Falter besiedeln Lebensräume, die im Juli und August Tagesdurchschnittstemperaturen von annähernd 25 °C aufweisen. Zum Vergleich: Die Tagesdurchschnittstemperaturen in Deutschland lagen im Rekordsommer 2019 bei 19 °C. Klimaforscher gehen davon aus, dass die Tagesdurchschnittstemperaturen in Japan in den nächsten 100 Jahren um bis zu 3 °C ansteigen werden. Die Anzahl heißer Tage mit Temperaturen über 35 °C wird sich stark erhöhen. Es wird vermutet, dass zwar die Zahl der Generationen pro Jahr des Bläulings in den kommenden Jahrzehnten steigt, aber der Schmetterling mittelfristig nur in höheren Lagen überleben wird, falls er nicht in 100 Jahren sogar gänzlich ausgestorben sein wird.Material 3
Die Stadt als Mosaik aus Ökosystemen
Aus ökologischer Sicht ist die Stadt ein komplexes Mosaik aus Ökosystemen. Neben Wohnbebauung, Gewerbegebieten und Verkehrsanlagen kommen auch naturnahe Bereiche wie Parks und Gärten vor. Insgesamt führt die städtische Bebauung allerdings zu einer großflächigen Reduzierung der Pflanzendecke. Wärmespeichernde und wasserundurchlässige Materialien sowie auch die dadurch verminderte Transpiration führen zu einer Erwärmung der Luft. Während die Jahresdurchschnittstemperatur in Deutschland bei etwa 9 bis 10 °C liegt, sind die Städte um 1 bis 3 °C wärmer. Die Böden sind durch einen abgesenkten Grundwasserspiegel viel trockener als im Umland. Allerdings ist durch die vielgestaltigen Lebensräume die Artenvielfalt in Städten, insbesondere die der Pflanzenwelt, hoch, jedoch sind viele Pflanzenarten nicht heimisch. So kommen in Parks und auf Friedhöfen häufig einzeln stehende, exotische Baumarten wie der Mammutbaum aus Nordamerika und der Ginkgo aus Ostasien vor. Gärten erhöhen die Artenvielfalt durch den Anbau unterschiedlicher heimischer und nicht heimischer Nutz- und Zierpflanzen. An Wegrändern, Industrieanlagen und Brachflächen breiten sich rasch verschiedene Gräser und krautige Pflanzen aus, wie z. B. die Weg-Rauke und der Acker-Senf, die sehr gut trockene Böden tolerieren. Die Nutzung städtischer Flächen unterliegt einer hohen Dynamik, so können Grün- und Brachflächen sehr schnell Bebauungsprojekten weichen.Material 4
Zwei Schmetterlingsarten im Vergleich
Der kleine Kohlweißling (Pieris rapae)Dieser mittelgroße Tagfalter ist von März bis November zu beobachten. Er fühlt sich in Gärten und auf Ackerflächen, aber auch auf Brachflächen wohl. Die Art überwintert im Puppenstadium. Wie aus vielen Beobachtungsdaten errechnet wurde, liegt die bevorzugte Jahresmitteltemperatur bei 9,6 °C. Im Jahr treten zwei oder auch mehr Generationen auf, sodass der Falter im Spätsommer gehäuft zu beobachten ist. Die Raupen fressen vor allem an Kohl und Raps, akzeptieren aber auch Weg-Rauke und Acker-Senf. Die erwachsenen Falter trinken Nektar und besuchen dafür u. a. beliebte Zierpflanzen wie den Lavendel oder den Schmetterlingsstrauch. Der kleine Maivogel (Euphydryas maturna)
Der relativ kleine Tagfalter bewohnt feuchte und lichte Wälder mit feuchten Waldwiesen. Als Nektarpflanzen werden zahlreiche Wiesenkräuter genutzt. Zur Eiablage wird in Deutschland meist nur die Gemeine Esche, ein vorwiegend in Wäldern vorkommender Laubbaum, angeflogen, deren Blätter den kleinen Raupen als Nahrung dienen. Größere Raupen akzeptieren dann auch eine Vielzahl weiterer Pflanzen als Futter. Die Flugzeit der Falter dauert von Mitte Mai bis Anfang Juli. Die Überwinterung erfolgt als halbwüchsige Raupe. Unter ungünstigen Bedingungen kann das Raupenstadium über ein Jahr dauern, sodass eine Generation einen Zeitraum von ein bis zwei Jahren beansprucht. Beobachtungsdaten ergaben, dass die Falter eine Jahresmitteltemperatur von 7,6 °C präferieren.
Material 5
Der giftige Monarchfalter (Danaus plexippus)
Der auffällig gefärbte Monarchfalter ist ein Wanderfalter aus Nordamerika. Alle Entwicklungsstadien des Schmetterlings sind für die meisten anderen Tiere giftig. Für die Giftwirkung ist hauptsächlich der Stoff Ouabain verantwortlich. Es konnte gezeigt werden, dass bei jungen Blauhähern, nordamerikanischen insektenfressenden Vögeln, bereits bei einer Gabe von 0,06 mg Ouabain Brechreiz ausgelöst wurde. Das Gift stellen die Raupen nicht selbst her, sondern es stammt aus Seidenpflanzen, die den Raupen als Nahrung dienen. Durch zahlreiche Experimente konnte die Entstehung der Giftigkeit des Falters und die Wirkung des Giftes enträtselt werden. Erstes Experiment: Raupen des letzten Raupenstadiums wurden einmalig mit 3,5 mg Ouabain gefüttert. In bestimmten zeitlichen Abständen wurde der Gehalt an Ouabain in ausgewählten Organen der Tiere bzw. in den Ausscheidungen bestimmt.Abb. 5.1: Fütterungsversuche mit Raupen
Abb. 5.2: Wirkung von Ouabain auf die Natrium-Kalium-Pumpe
Hinweis
Die Aktivität in Abwesenheit von Ouabain wird als 100 Prozent festgelegt.
Die Aktivität in Abwesenheit von Ouabain wird als 100 Prozent festgelegt.
Abb. 5.3: Vergleich ausgewählter Aminosäurepositionen
Material 6
Untersuchungen zum Ruhepotenzial in Schneckenneuronen
Schnecken, wie die mit der Weinbergschnecke eng verwandte Helix aspersa, verfügen über große Nervenzellen, die leicht einer Untersuchung des Membranpotenzials zugänglich sind. Die Ionenkonzentrationen und die Membranpermeabilitäten der unerregten Neuronen ähneln denen von Säugetieren.Abb. 6.1: Ionenkonzentrationen und Membranpermeabilitäten in unerregten Neuronen von Helix aspersa
In einem Experiment wurden Neuronen aus der Schnecke in ein kleines Gefäß überführt, das eine Lösung mit den Ionenkonzentrationen enthielt, die den extrazellulären Konzentrationen in Abbildung 6.2 entsprachen. Das Gefäß war so konstruiert, dass die Lösung rasch und ohne Schädigung des Neurons gegen eine andere ausgetauscht werden konnte. Es wurden verschiedene Lösungen verwendet (siehe Abbildung 6.2).Abb. 6.2: Konzentrationen ausgewählter Ionen und Stoffe der im Experiment verwendeten Lösungen
| Lösung | A | B |
|---|---|---|
| Na+ [mmol/l] | 80 | 80 |
| K+ [mmol/l] | 4 | 4 |
| Ouabain [mg/l] | 0 | 600 |
Abb. 6.3: Bestimmung der intrazellulären Natrium-Ionenkonzentration unter verschiedenen Bedingungen
Hinweis
Die Diffusion von Wassermolekülen ist für die Lösung der Aufgabe nicht relevant.
Die Diffusion von Wassermolekülen ist für die Lösung der Aufgabe nicht relevant.
Material 7
Wirkung von Ouabain auf das Herz
Bei einem Herzinfarkt steigert die Gabe von Ouabain die Kontraktionskraft des Herzmuskels. Dies führt dazu, dass eine größere Blutmenge durch das Herz gepumpt wird und sich die Herzfrequenz vermindert.Ouabain besteht aus relativ großen, hydrophilen Molekülen. Nach Einnahme von Ouabain als Tablette werden weniger als 10 Prozent über den Verdauungstrakt ins Blut aufgenommen. Der Bereich der Ouabain-Konzentration, der einen therapeutischen Effekt zeigt, ist eng. Bei einer Überdosierung erhöht sich die intrazelluläre Calcium-Ionenkonzentration in den Herzmuskelzellen so stark, dass es zu irreversiblen Zellschäden kommen kann. In der Zellmembran finden sich Calcium-Ionenkanäle, durch die Calcium-Ionen ständig nach innen gelangen. Diese Ionen müssen wieder aus der Zelle heraustransportiert werden.
Abhängigkeit des Calcium-Ionentransports aus der Zelle von der Natrium-Kalium-Pumpe
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1
Definitionen für ökologische Nische, Biotop und Biozönose:
Unter einer ökologischen Nische versteht man die Wechselbeziehungen einer Art mit den in der ökologischen Nische vorherrschenden biotischen und abiotischen Umweltfaktoren, die auf den Organismus einwirken. Ein Biotop ist ein räumlich eingegrenzter Lebensraum, der eine bestimmte Gemeinschaft von Organismen beherbergt, und durch abiotische Faktoren gekennzeichnet ist. Die an das jeweilige Biotop angepasste Gemeinschaft von Organismen und deren Interaktion wird Biozönose genannt.
Beispiele für Ökofaktoren eines Biotops:
- Wasser- und Lichtverfügbarkeit
- Temperatur
- pH-Wert
- Symbiose
- Parasitismus
- Konkurrenz
2
Vergleich der Lebenszyklen von Aurorafalter und dem Kleinen Fuchs:
Beide Falterarten vollziehen die typische Entwicklung vom Ei, über die Raupe und Puppe bis hin zum Schmetterling. Die Entwicklungsstadien unterscheiden sich jedoch hinsichtlich ihres Auftretens im Jahr und der Anzahl der Generationen.
- Falter: Die Falter des Aurorafalters kommen von Anfang April bis Ende Juni vor. Der Kleine Fuchs tritt das ganze Jahr über auf, mit kurzen Unterbrechungen im Juni und August.
- Eiablage: Beim Aurorafalter erfolgt die Eiablage Mitte April und erstreckt sich kontinuierlich bis Mitte Juli. Der Kleine Fuchs legt ab Anfang Mai bis Mitte Juni, und nach einem halben Monat Pause, wieder Anfang Juli bis Ende August Eier ab.
- Raupen: Bei beiden Arten kommen Raupen ab Mitte Mai vor. Bei dem Auroafalter hält dieses Entwicklungsstadium bis Ende Juli an. Bei dem Kleinen Fuchs treten analog zu den beiden Eiablagephasen auch zwei Raupenphasen auf. Die erste hält bis Ende Juni an. Die zweite erstreckt sich zwischen Mitte Juli und Mitte September.
- Puppen: Bei beiden Falterarten beginnt die Verpuppung Anfang Juni. Beim Aurorafalter dauert dieses Stadium bis Ende April des Folgejahrs an. Beim Kleinen Fuchs ist das Puppenstadium (wie auch die Eiablage und das Raupenstadium) zweigeteilt. Von Juni bis Mitte Juli und von August bis Ende September. Aus den Puppen der zweiten Eiablage entwickeln sich die Falter, die den Winter überdauern. Diese legen wiederum die erste Generation der Eier, aus denen sich Falter entwickeln, die nicht den Winter überdauern.
3
Toleranzkurve des Kronwicken-Bläulings:
4
Erläuterung der Vermutungen zum Fortbestand des Kronwicken-Bläulings:
Bei einer Temperatur von 25 °C beträgt die Entwicklungszeit etwa 29 Tage. Diese Zeit verkürzt sich bei zunehmenden Temperaturen bis 30 °C. Auch die Entwicklungsgeschwindigkeit, sowie die erfolgreiche Entwicklung bis zum Falter sind bei 30 °C am höchsten. Eine Zunahme der Temperaturen durch den Klimawandel sorgt daher für eine erhöhte Entwicklungsgeschwindigkeit, und verkürzt damit die einzelnen Generationen. Infolgedessen treten mehr Generationen in einem Jahr auf. Wenn es allerdings vermehrt sehr heiße Tage über 37 °C gibt, so führt dies zum Absterben von Eiern, Larven oder Puppen. Diese können sich nicht zu einem Schmetterling entwickeln, und es kommen in Summe weniger Falter vor. Höhere Lagen schützen den Falter vor zu hohen Temperaturen. Daher wird es dort vermutlich weniger Generationen geben, dafür ist die Überlebenswahrscheinlichkeit erhöht. Ob die Art in 100 Jahren ausgestorben sein wird, ist von der Entwicklung des Klimawandels abhängig. Nur wenn die Temperaturen niedrig genug bleiben, kann die erfolgreiche Entwicklung des Falters gewährleistet werden.
5
Ökosystem Stadt:
- Kleiner Kohlweißling: Der kleine Kohlweißling bevorzugt eine Jahresdurchschnittstemperatur von 9,6 °C. Daher kann er vermutlich gut im nur wenige Grad Celsius wärmeren Ökosystem Stadt leben. Die Raupen können sich von Weg-Rauke und Acker-Senf ernähren. Da sich in der Nähe von Städten auch häufig Äcker befinden, finden sie auch ihre bevorzugte Nahrungsquelle der Raps- und Kohlpflanzen. Auch für die Falter bietet das Ökosystem Stadt ein reichhaltiges Nahrungsangebot. Ausgewachsene Tiere ernähren sich vom Nektar von Lavendel und Schmetterlingsstrauch. Diese Pflanzen sind sehr beliebte Zierpflanzen und finden sich in vielen Gärten. Die Schmetterlinge haben eine lange Flugzeit. Wird eine von den Faltern besiedelte Fläche für Bauprojekte genutzt, so kann der Falter problemlos in ein neues Gebiet umziehen. Die Art tritt in mehreren Generationen im Jahr auf. Dies sichert ihr Überleben. Die Ansprüche des kleinen Kohlweißling passen gut zum Lebensraum Stadt. Somit hat der Falter keine Schwierigkeiten, in diesem Ökosystem zu überleben.
- Kleiner Maivogel: Der kleine Maivogel präferiert eine Jahresdurchschnittstemperatur von 7,6 °C. Das ist deutlich kühler, als die Temperaturen in der Stadt. Sein bevorzugtes Habitat sind feuchte, lichte Wälder und Wiesen. Zur Eiablage und als Nahrungsquelle der Raupen dient die Gemeine Esche. Da diese in der Stadt kaum zu finden ist, erschwert dies die Ansiedlung des Falters erheblich. Auch die bevorzugte Nahrungsquelle der Falter, verschiedene Wiesenkräuter, findet sich nur selten in Städten. Die Art besitzt eine kurze Flugzeit, und ein längeres Raupenstadium. Somit ist es schwierig für die Art, in der Stadt den Standort zu wechseln. Der kleine Maivogel ist somit nicht gut an den Lebensraum Stadt angepasst, und wird sich daher nicht in diesem Ökosystem etablieren.
6
Versuchsergebnisse aus Abbildung 5.1 und 5.2:
In Abbildung 5.1 ist der Fütterungsversuch von Raupen des Monarchfalters mit Ouabain dargestellt. Innerhalb von 2 bis 6 Stunden nach der Fütterung sind geringe Mengen von maximal 0,15 mg in den Darmzellen zu finden. Nach dieser Zeit kann dort kein Giftstoff mehr gefunden werden. Der Großteil des Giftes wird mit dem Kot ausgeschieden. Nach 48 h ist die Konzentration des Giftes mit 3,2 mg im Kot am höchsten. Ein anderer Teil des Giftes wird allerdings auch in der Außenhaut eingelagert. Auch die erwachsenen Falter enthalten das Gift in den Flügeln und der Außenhaut.
In einem zweiten Experiment wurde untersucht, wie Ouabain auf die Natrium-Kalium Pumpe verschiedener Organismen wirkte. Beim Monarchfalter selbst hat das Gift kaum eine Wirkung auf die Aktivität der Natrium-Kalium Pumpe. Bei dem Tabakschwärmer und dem Schwein kommt es jedoch zu einem drastischen Rückgang der Aktivität. Bei einer Konzentration von 600 mg/l ist keine Aktivität der Natrium-Kalium Pumpe mehr zu verzeichnen.
Erklärung der Resistenz:
Vergleicht man die Aminosäuresequenzen der 
-Ketten der Natrium-Kalium Pumpe von Schwein, Essigfliege und Monarchfalter, so fällt auf, dass einzig der Monarchfalter eine andere Aminosäure an Position 122 besitzt als die beiden anderen Arten. Während beim Schwein und der Essigfliege die Aminosäure Asparagin vorkommt, besitzt der Monarchfalter an dieser Stelle die Aminosäure Histidin. Diese Veränderung in der Aminosäuresequenz resultiert in einer veränderten Proteinstruktur der Natrium-Kalium Pumpe. Durch die veränderte Konformation wird beim Monarchfalter die Bindung des Giftes Ouabain an die Natrium-Kalium Pumpe verhindert. Beim Schwein und der Essigfliege kann das Gift jedoch binden, und die Wirkung der Natrium-Kalium Pumpe inhibieren.
7
Zustandekommens des Ruhepotenzials:
Das Ruhepotential bezeichnet den Spannungsunterschied, der durch eine ungleichmäßige Verteilung von Kalium- und Natrium-Ionen zwischen dem intra- und extrazellulärem Raum entsteht. Die Membran, die den Intra- vom Extrazellularraum trennt, ist selektiv permeabel. An der Innenseite der Nervenzellmembran befinden sich die positiv geladenen Kalium-Ionen sowie Protein-Anionen. Im Extrazellularraum findet man dagegen die positiv geladenen Natrium-Ionen und die negativ geladenen Chlorid-Ionen vor. Aufgrund ihrer Größe sind Protein-Anionen nicht in der Lage, die Membran zu passieren. Sie verbleiben daher im Intrazellularraum. Die Membran ist für die Natrium- und Chlorid-Ionen permeabel. Für Kalium-Ionen besitzt die Membran außerdem eine hohe Permeabilität. Das liegt an den spezifischen Kalium-Ionenkanälen, die in die Membran integriert sind. Im Zellinneren sind viele Kalium-Ionen vorhanden. Daher strömen sie entlang ihres Konzentrationsgefälles aus der Zelle hinaus. Da die negativen Protein-Anionen im Zellinneren verbleiben, bildet sich so ein negativer Ladungsüberschuss. Aus der Ladungstrennung zwischen Innen- und Außenseite der Membran bildet sich eine Potenzialdifferenz über der Membran.
Bedeutung und Funktion der Natrium-Kalium Pumpe:
Die positiven Natrium-Ionen befinden sich normalerweise im Extrazellularraum. Da die Membran auch geringfügig für diese Ionen permeabel ist, strömen Natrium-Ionen entlang ihres Konzentrationsgefälles ins Zellinnere. Durch diese sogenannten Leckströme würde das Ruhepotenzial mit der Zeit abgeschwächt werden. Um das zu verhindern, funktioniert die Natrium-Kalium Pumpe als Carrier-Protein. Sie ist in die Membran der Nervenzelle eingelagert, und pumpt jeweils drei Natrium-Ionen vom Zellinneren nach außen, und zwei Kalium-Ionen in die Zelle hinein. Dadurch können die Leckströme ausgeglichen werden, und das Ruhepotenzial wird aufrechterhalten. Da die Natrium-Kalium Pumpe gegen den Konzentrationsgradienten arbeitet, geschieht dieser Vorgang unter ATP-Verbrauch.
8
In Abbildung 6.3 dargestellte Untersuchungsergebnisse und deren Deutung:
Abbildung 6.3 zeigt die intrazelluläre Natrium-Ionenkonzentration in mmol/l eines Schneckenneurons in Abhängigkeit der Zeit in Minuten und angewendeter Lösung. Die Lösungen A und B enthalten Natrium-Ionen einer Konzentration von 80 mmol/l und Kalium-Ionen von 4 mmol/l. Diese Konzentrationen entsprechen den natürlichen Konzentrationen dieser Ionen im Extrazellularraum. Während Lösung A kein Gift enthält, wurde Lösung B Ouabain der Konzentration 600 mg/l zugesetzt. Die ersten 20 Minuten des Experiments befindet sich das Neuron in Lösung A. In dieser Zeit beträgt die intrazelluläre Natrium-Ionenkonzentration konstant 4 mmol/l. Wird nach dieser Zeit von Lösung A zu B gewechselt, steigt nach einer Latenzzeit von etwa fünf Minuten die Natrium-Ionenkonzentration innerhalb von weiteren vier Minuten rasch auf eine Konzentration von etwa 6 mmol/l an. Wird zu diesem Zeitpunkt die Lösung B wieder gegen Lösung A getauscht, so steigt die Natrium-Ionenkonzentration im Zellinneren weiterhin um den gleichen Faktor an. Etwa 34 Minuten nach Beginn des Experiments liegt die Natrium-Ionenkonzentration bei 9 mmol/l.
In Lösung A entsprechen die Ionen-Konzentrationen von Natrium und Kalium den natürlichen Verhältnissen. Daher ist die Natrium-Kalium-Pumpe in dieser Lösung intakt, und in der Lage, eine konstante Natrium-Ionenkonzentration aufrechtzuerhalten. In Lösung B ist das Gift Ouabain enthalten, welches die Funktion der Natrium-Kalium Pumpe einschränkt. Daher können keine Natrium-Ionen in den Extrazellularraum gepumpt werden. Die intrazelluläre Ionen-Konzentration steigt, da durch die Leckströme Natrium-Ionen eindringen, aber nicht wieder herausgepumpt werden können. Wird die Lösung wieder gegen die giftfreie Lösung A ausgetauscht, steigt die intrazelluläre Natrium-Ionenkonzentration weiterhin an. Das lässt darauf schließen, dass das Gift irreversibel an die Natrium-Kalium Pumpe bindet, und diese dadurch dauerhaft inhibiert.
9
Warum Ouabain heute kaum noch als Medikament bei Herzinfarkt verwendet wird:
Bei einem Herzinfarkt kann Ouabain als Medikament eingesetzt werden, da es die Kontraktionskraft des Herzmuskels stärkt. Dies hat den Vorteil, dass so eine größere Blutmenge durch das Herz gepumpt wird, und die Herzfrequenz vermindert wird. Dies entlastet den durch den Infarkt geschädigten Herzmuskel, und bewirkt, dass mehr sauerstoffreiches Blut durch den Körper befördert werden kann. Trotz dieses Effektes hat das Medikament einige Nachteile. Ouabain besteht aus großen hydrophilen Molekülen. Bei einer Aufnahme als Tablette wird nur etwa 10 % aufgenommen, da diese Moleküle nur schlecht durch die Membran der Darmschleimhaut gelangen. Um die gewünschte Wirkung zu erzielen, muss eine große Wirkstoffmenge verabreicht werden. Ein weiterer Nachteil ist der enge Bereich der therapeutischen Effektivität. Bei einer zu hohen Ouabain-Konzentration erhöht sich die intrazelluläre Calcium-Ionenkonzentration so stark, dass es zu irreversiblen Zellschäden kommen kann.
Erhöhung der intrazellulären Calcium-Ionenkonzentration bei Überdosierung:
In die Zellmembran sind Calcium-Ionenkanäle eingelagert. Durch diese können Calcium-Ionen ständig ins Zellinnere gelangen. Daraus ergeben sich hohe Calcium-Ionenkonzentrationen, die allerdings durch die Calcium-Ionenpumpe wieder normalisiert werden können. Die Calcium-Ionenpumpe befördert Calcium-Ionen wieder in den Extrazellularraum, im Gegenzug werden allerdings drei Natrium-Ionen in die Zelle geschleust. Der Transport ist passiv, das heißt, es wird keine Energie in Form von ATP für diesen Prozess benötigt. Wird durch Ouabain die Funktion der Natrium-Kalium Pumpe beeinträchtigt, so steigt zunächst die Natrium-Ionenkonzentration im Zellinneren an. Ab einem gewissen Punkt strömen nicht mehr so viele Natrium-Ionen ins Zellinnere, da der chemische Gradient geschwächt ist. Die Calcium-Pumpe kann so auch keine Calcium-Ionen aus der Zelle befördern, da keine Natrium-Ionen ins Innere strömen. Die Calcium-Ionen reichern sich im Inneren der Zelle an, was zu einer Schädigung des Herzmuskels führt.