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AbituraufgabenNerven- und Hormonsystem

Der Milchspendereflex als Brücke zwischen Nerven und Hormonen, Pflegende mit verzögerter Wundheilung — Materialien auswerten und die Verknüpfung beider Systeme erklären.

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1

Wenn das Kind trinkt

AFB I–II

Beim Stillen fließt die Milch nicht sofort: Erst eine halbe bis eine Minute nach dem Anlegen setzt der Milchfluss ein („Milchspendereflex“). M1 zeigt die beteiligten Strukturen, M2 den Zeitbedarf der Teilschritte, M3 enthält zwei Beobachtungen.

M1Der Milchspendereflex (Schema)
Hypothalamusneurosekretorische Zellen3RückenmarkWeiterleitung zum Gehirn2BrustwarzeSaugreiz auf Mechanorezeptoren1HypophysenhinterlappenOxytocin wird ins Blut abgegeben4BrustdrüseMyoepithelzellen kontrahieren5AxoneBlutMilchflussErregung in NervenfasernTransport im Blut
Die Milch wird in Drüsenbläschen gebildet, die von kontraktilen Myoepithelzellen umhüllt sind. Oxytocin wird von neurosekretorischen Zellen des Hypothalamus gebildet und in ihren Axonendigungen im Hinterlappen gespeichert.
M2Zeitbedarf der Teilschritte (gerundete Richtwerte, vereinfacht)
TeilschrittDauer
Erregungsleitung in sensorischen Nervenfasern bis zum Hypothalamus (Strecke ≈ 0,5 m, ≈ 50 m/s)≈ 0,01 s
Saugen, bis die neurosekretorischen Zellen gemeinsam eine Salve von Aktionspotenzialen bilden≈ 10–40 s
Freisetzung von Oxytocin im Hinterlappen nach Beginn der Salve≈ 2–4 s
Transport von Oxytocin im Blut bis zur Brustdrüse≈ 10–20 s
Kontraktion der Myoepithelzellen bis zum Milchfluss≈ 5–10 s
Gesamtzeit vom Anlegen bis zum Milchfluss meist 30–60 s.
M3Beobachtungen

(1) Bei vielen stillenden Müttern setzt der Milchfluss bereits ein, wenn sie ihr Kind schreien hören — noch bevor es angelegt ist. (2) In einer klassischen Studie (NEWTON & NEWTON, 1948) wurde eine Mutter beim Stillen abgelenkt und unangenehmen Reizen ausgesetzt. Ihr Kind trank dann deutlich weniger Milch. Erhielt sie unter denselben Bedingungen eine Oxytocin-Injektion, trank das Kind fast so viel wie ohne Störung.

  1. Beschreiben Sie anhand von M1 den Ablauf des Milchspendereflexes.
  2. Vergleichen Sie den neuronalen und den hormonellen Abschnitt des Reflexes anhand von M1 und M2 hinsichtlich Geschwindigkeit und Art der Adressierung.
  3. Oxytocin löst auch Kontraktionen der Gebärmuttermuskulatur aus. Erklären Sie, warum Frauen in den ersten Tagen nach der Geburt beim Stillen häufig Kontraktionen der Gebärmutter („Nachwehen“) spüren.
  4. Deuten Sie die Beobachtungen (1) und (2) aus M3.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Folgen Sie den Nummern und unterscheiden Sie durchgezogene und gestrichelte Pfeile.
Hinweis zu Aufgabe b)
Welcher Abschnitt dauert Millisekunden, welcher Sekunden? Wer „weiß“ jeweils, welche Zelle das Signal erhält?
Hinweis zu Aufgabe c)
Hormone erreichen jede Zelle, die am Blutkreislauf liegt — entscheidend sind die Rezeptoren.
Hinweis zu Aufgabe d)
Der Hypothalamus erhält Informationen nicht nur vom Rückenmark, sondern auch aus anderen Hirnregionen; Stress aktiviert den Sympathikus.Deuten: Beobachtungen oder Messergebnisse mit dem physikalischen Modell in Zusammenhang bringen und ihre Bedeutung angeben.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Das Saugen des Kindes reizt Mechanorezeptoren der Brustwarze (1). Die Erregung wird über sensorische Nervenfasern zum Rückenmark (2) und weiter zum Hypothalamus geleitet (3). Dort werden neurosekretorische Zellen erregt; ihre Aktionspotenziale laufen über die Axone zum Hypophysenhinterlappen, wo die Axonendigungen Oxytocin freisetzen — nicht in einen synaptischen Spalt, sondern ins Blut (4). Mit dem Blut gelangt Oxytocin zur Brustdrüse und bindet an Rezeptoren der Myoepithelzellen, die sich zusammenziehen und die Milch aus den Drüsenbläschen in die Milchgänge pressen (5): Die Milch fließt. Der Reflex beginnt also neuronal und endet hormonell.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Der neuronale Abschnitt (Mechanorezeptor → Rückenmark → Hypothalamus → Hinterlappen) ist sehr schnell: Die Leitung über 0,5 m dauert nur etwa 0,01 s. Die Information gelangt über Axone und Synapsen gezielt zu bestimmten Zellen („Punkt-zu-Punkt“). Der hormonelle Abschnitt ist deutlich langsamer: Allein Freisetzung und Transport von Oxytocin im Blut dauern etwa 12–24 s, die Kontraktion weitere 5–10 s. Das Hormon wird ungezielt im ganzen Körper verteilt; welche Zellen reagieren, entscheiden allein die Oxytocin-Rezeptoren. Dafür erreicht das Hormon gleichzeitig alle Myoepithelzellen beider Brüste, und seine Wirkung hält länger an. Gemeinsam ist beiden Abschnitten, dass chemische Botenstoffe an Rezeptoren binden. Den größten Teil der Gesamtzeit von 30–60 s beanspruchen die Aufbauphase bis zur Salve und der hormonelle Teil.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Oxytocin wird ins Blut abgegeben und im ganzen Körper verteilt. Es wirkt auf alle Zellen, die Oxytocin-Rezeptoren tragen — neben den Myoepithelzellen der Brustdrüse auch die glatten Muskelzellen der Gebärmutter, die gegen Ende der Schwangerschaft besonders viele dieser Rezeptoren besitzen. Jedes Stillen setzt Oxytocin frei und löst daher auch Kontraktionen der Gebärmutter aus, die als Nachwehen spürbar sind. Das zeigt ein Grundprinzip der hormonellen Übertragung: Ein Hormon kann nicht gezielt an ein Organ „adressiert“ werden; es wirkt überall dort, wo passende Rezeptoren vorhanden sind (in diesem Fall hilfreich, weil sich die Gebärmutter zurückbildet).

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Zu (1): Die neurosekretorischen Zellen des Hypothalamus werden nicht nur über den Saugreiz, sondern auch über andere Hirnregionen erregt. Das Schreien des Kindes wird über das Gehör wahrgenommen und — durch Lernen mit dem Stillen verknüpft — an den Hypothalamus weitergegeben, der Oxytocin freisetzen lässt. Der Reflex kann also durch einen erlernten (bedingten) Reiz ausgelöst werden; das Nervensystem steuert die Hormonausschüttung. Zu (2): Ablenkung und unangenehme Reize wirken als Stressoren. Weil das Kind nach einer Oxytocin-Injektion trotz Störung fast normal trinkt, liegt die Störung vor der Wirkung von Oxytocin: Die Stressreaktion hemmt offenbar die Oxytocin-Freisetzung im Hypothalamus bzw. Hinterlappen; Brustdrüse und Myoepithelzellen funktionieren weiterhin. Beide Beobachtungen zeigen, dass die hormonelle Übertragung hier unter der Kontrolle des Nervensystems steht.

2

Stress und Wundheilung

AFB II–III

Wer jahrelang einen schwer kranken Angehörigen pflegt, steht unter dauerhafter Belastung. Eine Arbeitsgruppe um JANICE KIECOLT-GLASER untersuchte, wie sich das auf die Heilung kleiner Wunden auswirkt (M4). M5 zeigt typische Tagesprofile des Cortisolspiegels, M6 einen Tierversuch.

M4Wundheilung bei pflegenden Angehörigen (nach KIECOLT-GLASER u. a., 1995, gerundet)
Messgrößepflegende Angehörige (n = 13)Kontrollgruppe (n = 13)
Dauer bis zur vollständigen Heilung einer kleinen Hautwunde am Arm (3,5 mm)48,7 Tage39,3 Tage
Bildung des Entzündungsbotenstoffs Interleukin-1β durch Blutzellen nach Anregungdeutlich geringernormal
Pflegende: Frauen, die seit Jahren einen an Demenz erkrankten Angehörigen versorgen; Kontrollgruppe gleichen Alters und Einkommens. Interleukin-1β lockt Abwehrzellen an und leitet die Wundheilung ein.
M5Tagesprofil von Cortisol im Speichel (Modellwerte)
0510152025691215182124Cortisol im Speichel in nmol/LUhrzeitchronisch belastetKontrollgruppe
Aufwachen gegen 6:30 Uhr. Zu allen Zeitpunkten Mittelwerte vieler Personen.
M6Tierversuch (nach PADGETT u. a., 1998, vereinfacht)

Mäuse, die mehrere Tage lang täglich für einige Stunden in enge Röhren gesperrt wurden, zeigten erhöhte Spiegel von Corticosteron (entspricht dem Cortisol des Menschen), und ihre Hautwunden heilten deutlich langsamer als bei ungestörten Tieren. Erhielten gestresste Mäuse zusätzlich einen Stoff, der die Glucocorticoid-Rezeptoren in den Zellen blockiert, heilten ihre Wunden etwa so schnell wie die der ungestörten Tiere.

  1. Werten Sie M4 und M5 aus.
  2. Erläutern Sie die Regulation der Cortisolausschüttung über die Hypothalamus-Hypophysen-Nebennierenrinden-Achse und stellen Sie eine begründete Vermutung auf, warum das Tagesprofil bei chronisch Belasteten abgeflacht ist (M5).
  3. Begründen Sie mithilfe von M6, dass Cortisol die Ursache der verzögerten Wundheilung ist, und erklären Sie den Wirkmechanismus auf zellulärer Ebene.
  4. Ein Schüler meint: „Die Stressreaktion ist ein Konstruktionsfehler unseres Körpers, weil sie die Abwehr schwächt.“ Beurteilen Sie diese Aussage.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Vergleichen Sie Morgen- und Abendwerte und die Differenz zwischen beiden.
Hinweis zu Aufgabe b)
Beginnen Sie im Hypothalamus und schließen Sie die Rückkopplung ein. Was passiert, wenn der Stressor nie endet?
Hinweis zu Aufgabe c)
Welche Variable wurde im Versuch verändert, welche blieb gleich? Cortisol ist ein Steroidhormon.
Hinweis zu Aufgabe d)
Unterscheiden Sie zwischen kurzfristigem und dauerhaftem Stress.Beurteilen: Zu einem Sachverhalt ein selbstständiges Urteil unter Verwendung von Fachwissen und Fachmethoden formulieren und begründen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

M4: Bei pflegenden Angehörigen dauerte die Heilung einer standardisierten Hautwunde mit 48,7 Tagen rund 9 Tage (etwa 24 %) länger als in der Kontrollgruppe (39,3 Tage). Ihre Blutzellen bildeten nach Anregung deutlich weniger Interleukin-1β, einen Botenstoff, der die Entzündungsphase der Wundheilung einleitet. M5: Bei der Kontrollgruppe steigt der Cortisolspiegel nach dem Aufwachen steil auf etwa 20 nmol/L (7 Uhr) und fällt dann über den Tag auf etwa 2,5 nmol/L (23 Uhr). Bei chronisch Belasteten ist der Morgenanstieg kleiner (etwa 17 nmol/L), die Werte fallen langsamer, und am Abend liegen sie mit etwa 6,5 nmol/L mehr als doppelt so hoch. Das Profil ist abgeflacht, über den Tag gesehen ist der Cortisolspiegel erhöht. Zusammen deuten die Daten darauf hin, dass chronische Belastung mit erhöhtem Cortisol, geschwächter Entzündungsreaktion und verzögerter Heilung einhergeht.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Der Hypothalamus gibt das Releasing-Hormon CRH ab, das im Hypophysenvorderlappen die Ausschüttung von ACTH auslöst. ACTH gelangt über das Blut zur Nebennierenrinde und regt dort die Bildung und Abgabe von Cortisol an. Cortisol hemmt seinerseits CRH- und ACTH-Ausschüttung (negative Rückkopplung); so pendelt sich der Spiegel in einem Sollbereich ein und fällt nach dem Ende eines Stressors wieder ab. Der Tagesrhythmus mit Morgenanstieg entsteht durch zentrale Steuerung des Hypothalamus. Vermutung: Bei chronischer Belastung wirken Stressoren (Sorgen, Schlafmangel, Überforderung) den ganzen Tag über auf den Hypothalamus und aktivieren die Achse immer wieder, sodass der Spiegel abends nicht absinkt. Zudem kann die Rückkopplung abstumpfen — etwa weil die Glucocorticoid-Rezeptoren in Hypothalamus und Hypophyse weniger empfindlich werden —, sodass Cortisol seine eigene Ausschüttung schwächer bremst. Der kleinere Morgenanstieg passt dazu, dass die Achse schon auf erhöhtem Niveau arbeitet und weniger Spielraum hat.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Im Tierversuch wird der Stress genau kontrolliert, und die gestressten Tiere unterscheiden sich nur durch die Rezeptorblockade: Obwohl der Corticosteronspiegel erhöht bleibt, heilen die Wunden normal, wenn das Hormon nicht an seine Rezeptoren binden kann. Damit ist gezeigt, dass nicht der Stress an sich, sondern die Wirkung von Corticosteron bzw. Cortisol über seine Rezeptoren die Heilung verzögert; bei den Pflegenden (M4) ließe sich allein aus Beobachtungsdaten kein Ursachenzusammenhang ableiten. Wirkmechanismus: Cortisol ist lipophil, diffundiert durch die Zellmembran und bindet an einen Rezeptor im Cytoplasma. Der Hormon-Rezeptor-Komplex gelangt in den Zellkern und wirkt als Transkriptionsfaktor: Gene für Entzündungsbotenstoffe wie Interleukin-1β werden seltener abgelesen. Weil die Entzündungsphase die Wundheilung einleitet (Anlocken von Abwehrzellen, Beseitigen von Zelltrümmern und Keimen), verläuft die Heilung langsamer.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Aussage trifft nur teilweise zu. Kurzfristig ist die Stressreaktion eine sinnvolle Anpassung: Adrenalin und Cortisol stellen Glucose bereit, steigern Herz- und Kreislaufleistung und ermöglichen Flucht oder Kampf. Die Dämpfung von Entzündungen verhindert dabei, dass überschießende Abwehrreaktionen den Körper schädigen; über die negative Rückkopplung beendet sich die Reaktion nach dem Stress selbst. Ein „Konstruktionsfehler“ liegt also nicht vor. Problematisch wird die Reaktion erst, wenn der Stressor nicht endet, wie bei jahrelanger Pflege (M4, M5): Dann bleibt Cortisol dauerhaft erhöht, Immunabwehr und Wundheilung werden geschwächt. Die Stressreaktion ist für kurze, körperliche Bedrohungen entstanden; unter den Bedingungen von Dauerbelastung wird ihr Nutzen zum Nachteil. Mein Urteil: Die Aussage verkennt den Nutzen der akuten Reaktion; zutreffend ist nur, dass Dauerstress die Abwehr schwächt.