Aufgabe 2 – Neurobiologie
Das menschliche Gehirn macht nur rund 2 % der Körpermasse aus, beansprucht aber etwa 20 % des täglichen Energieumsatzes. Nervenzellen haben also einen enormen ATP-Bedarf und enthalten daher zahlreiche Mitochondrien.
Die Wirkung von Koffein auf den menschlichen Organismus ist unter anderem altersabhängig. In einer Studie wurde an Versuchspersonen die Konzentration der Adenosinrezeptoren in verschiedenen Regionen des Gehirns untersucht. Abbildung 3 zeigt das Untersuchungsergebnis.
1.1
Fertige eine beschriftete Schemazeichnung eines Mitochondriums an und formuliere die Summengleichung der Zellatmung.
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1.2
Erkläre den hohen ATP-Bedarf von Nervenzellen.
In Zellen liefert das ATP-Molekül Energie, indem es zu ADP umgewandelt wird. ADP wird teilweise zu AMP (Adenosinmonophosphat) und weiter zu Adenosin abgebaut. Adenosin wird aus der Zelle in den extrazellulären Raum befördert. Extrazelluläres Adenosin führt in erhöhten Konzentrationen dazu, dass der Mensch reaktionsträge wird. Abbildung 1 zeigt die Wirkung von Adenosin an einer Synapse.
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Abb. 1: Wirkung von Adenosin an einer erregenden Synapse mit dem Transmitter Glutamat (schematisch)
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Beschreibe mit Hilfe der Abbildung 1 die Wirkung von Adenosin an der Synapse und erläutere die Folgen für das postsynaptische Potenzial. Gib eine mögliche Erklärung dafür, dass der Mensch reaktionsträge wird.
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Als „Muntermacher“ greifen viele Menschen häufig zu Kaffee, Tee, Cola oder Energy-Drinks. In allen diesen Getränken ist Koffein enthalten. Abbildung 2 zeigt die Strukturformeln von Koffein und Adenosin.
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Gib unter Verwendung der Abbildungen 1 und 2 eine Erklärung dafür, dass Koffein als „Muntermacher“ wirkt.
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Abb. 2: Strukturformeln von Adenosin und Koffein
Abb. 3: Konzentration der Adenosinrezeptoren im Gehirn in Abhängigkeit vom Alter
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Gib unter Bezug auf die Abbildungen 1, 2 und 3 eine mögliche Erklärung dafür, dass Menschen mit zunehmenden Alter es vermeiden, am Nachmittag und am Abend Kaffee zu trinken.
In Stresssituationen greifen viele Menschen häufiger zu koffeinhaltigen Getränken und versprechen sich davon, leistungsfähiger zu werden. Übermäßiger Koffeinkonsum steht aber im Verdacht, ähnliche Auswirkungen zu haben, wie andauernder oder häufiger Stress. Stress äußert sich in einer über längere Zeit erhöhte Adrenalinkonzentration im Blut, was zu Herz-Kreislauf-Erkrankungen führen kann. Abbildung 4 zeigt die molekulare Wirkung von Adrenalin, Adenosin und Koffein auf Zellen.
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Abb. 4: Wirkung des Hormons Adrenalin und von Adenosin und Koffein auf Zellen
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Erläutere mithilfe von Abbildung 4, warum übermäßiger Koffeinkonsum, gerade in Stresssituationen, die Entstehung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen begünstigen könnte.
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