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.
3
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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1.1
Schemazeichnung eines Mitochondriums:
Die Summengleichung der Zellatmung lautet:
Abb. 1: Schemazeichnung eines Mitochondriums
1.2
Grund für den hohen ATP-Bedarf der Nervenzellen:
Nervenzellen sind für die Vermittlung von Signalen im ganzen Körper zuständig. Zur Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials und zur Wiederherstellung der ursprünglichen Ionenverteilung nach Aktionspotenzialen transportiert die Natrium-Kalium-Pumpe Ionen entgegen ihres Konzentrationsgefälles. Dieser Transport geschieht aktiv und verbraucht daher Energie in Form von ATP.
2
Wirkung von Adenosin an der Synapse:
- An der präsynaptischen Membran bindet Adenosin an den Adenosinrezeptor, woraufhin das gekoppelte G-Protein aktiviert wird. Dieses führt zu einer Blockade der spannungsregulierten Calciumionenkanäle. Calciumionen können nun nicht mehr in durch die präsynaptische Membran eindringen, was die Transmitterausschüttung verhindert. Somit kann das Signal nicht an die Postsynapse übertragen werden, und die Erregungsleitung wird unterbrochen.
- An der postsynaptischen Membran bindet Adenosin an den Adenosinrezeptor, woraufhin das gekoppelte G-Protein aktiviert wird. Das führt zu einer Blockade der spannungsregulierten Calciumionenkanäle, und zu einer Öffnung der Kaliumionenkanäle. Dadurch kommt es zu einem verminderten Einstrom von Calciumionen und einem erhöhten Ausstrom von Kaliumionen durch die postsynaptische Membran.
3
Kaffee als „Muntermacher“:
Adenosin und Koffein weisen eine ähnliche chemische Struktur auf. Daher konkurrieren sie an der Synapse um Adenosinrezeptoren. Werden die Adenosinrezeptoren von Koffein blockiert, kann kein Adenosin mehr an sie binden und die durch Adenosin vermittelte Signalkaskade bleibt aus. Die Depolarisation an der postsynaptischen Membran wird nicht erschwert, und die Reizweiterleitung ist nicht erschwert. Der Mensch ist weniger reaktionsträge.
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Warum Menschen mit zunehmendem Alter weniger Kaffee trinken:
Abbildung 3 ist zu entnehmen, dass die Konzentration der Adenosinrezeptoren mit zunehmendem Alter sinkt. Die gleiche Menge an Adenosinmolekülen hat bei jüngeren Personen einen größeren Ermüdungseffekt als bei älteren Menschen, da bei jüngeren Menschen mehr Rezeptoren vorhanden sind. Trinken ältere Menschen nun zusätzlich Koffein, werden noch mehr Adenosinrezeptoren durch Koffein blockiert, was zu einer verminderten Wirkung von Adenosin und somit zu einer noch geringeren Ermüdung führt.
5
Wie erhöhter Koffeinkonsum Herz-Kreislauf-Erkrankungen begünstigen kann:
In Stresssituationen ist die Adrenalinkonzentration im Körper erhöht. Dadurch ist die Adenylatcyclase aktiver, es wird also mehr cAMP synthetisiert. Eine erhöhte cAMP-Konzentration führt zu einer Protein-Aktivierung, und es kommt zu einer Stressreaktion des Körpers.
Koffein hat einen ähnlichen Effekt wie Adrenalin. Koffein verhindert die Bindung von Adenosin an den Adenosinrezeptor. Die Adenylatcyclase wird somit weniger gehemmt, und es kommt zu einer verstärkten cAMP-Bildung. Darüber hinaus hemmt Koffein die Phosphodiesterase. Dadurch kann cAMP nicht abgebaut werden. Insgesamt führen diese Prozesse zu einer längeren und stärkeren Stressreaktion des Körpers. Lang anhaltender Stress kann wiederum die Entstehung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen begünstigen.
Koffein hat einen ähnlichen Effekt wie Adrenalin. Koffein verhindert die Bindung von Adenosin an den Adenosinrezeptor. Die Adenylatcyclase wird somit weniger gehemmt, und es kommt zu einer verstärkten cAMP-Bildung. Darüber hinaus hemmt Koffein die Phosphodiesterase. Dadurch kann cAMP nicht abgebaut werden. Insgesamt führen diese Prozesse zu einer längeren und stärkeren Stressreaktion des Körpers. Lang anhaltender Stress kann wiederum die Entstehung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen begünstigen.