Ein Dehnungsrezeptor unter Gift
AFB I–IIFlusskrebse besitzen in ihrer Rückenmuskulatur Dehnungsrezeptoren, deren Zellkörper so groß sind, dass man Elektroden einstechen kann. EYZAGUIRRE und KUFFLER untersuchten an ihnen 1955, wie ein Dehnungsreiz in Aktionspotenziale übersetzt wird (M1–M3).
| Dehnung der Muskelfaser | Membranpotenzial am Zellkörper (E1) | AP-Frequenz im Axon (E2) |
|---|---|---|
| 0 % | −70 mV | 0 Hz |
| 5 % | −64 mV | 0 Hz |
| 10 % | −57 mV | 0 Hz |
| 15 % | −50 mV | 6 Hz |
| 20 % | −44 mV | 18 Hz |
| 30 % | −36 mV | 34 Hz |
Tetrodotoxin, das Gift des Kugelfischs, blockiert spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle. Nach Zugabe von TTX zeigt Elektrode 2 bei jeder Dehnung keine Aktionspotenziale mehr. An Elektrode 1 misst man dagegen bei 20 % Dehnung weiterhin −44 mV.
- Beschreiben Sie den Bau des Dehnungsrezeptors (M1) und die Messwerte in M2.
- Erläutern Sie, wie beim Dehnen das Rezeptorpotenzial entsteht und wie es in Aktionspotenziale übersetzt wird.
- Begründen Sie, dass es sich um eine primäre Sinneszelle handelt.
- Deuten Sie das Ergebnis des TTX-Versuchs (M3).
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Eine sensorische Nervenzelle liegt mit ihrem Zellkörper auf einer dünnen Rezeptormuskelfaser; ihre Dendriten verzweigen sich in der Faser, ihr Axon zieht zum Zentralnervensystem. E1 misst am Zellkörper, E2 am Axon. Ohne Dehnung liegen −70 mV (Ruhepotenzial) und keine Aktionspotenziale vor. Mit zunehmender Dehnung wird das Membranpotenzial am Zellkörper schrittweise weniger negativ (5 %: −64 mV bis 30 %: −36 mV). Aktionspotenziale im Axon treten erst ab 15 % Dehnung auf, wenn am Zellkörper etwa −50 mV erreicht sind; danach steigt ihre Frequenz mit der Dehnung von 6 auf 34 Hz.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Die Dehnung verformt die Dendritenmembran. Dadurch öffnen sich mechanisch gesteuerte Kationenkanäle, Na⁺ (und Ca²⁺) strömen ein, und die Membran depolarisiert: Es entsteht ein Rezeptorpotenzial (Transduktion). Es ist abgestuft — je stärker die Dehnung, desto mehr Kanäle sind offen und desto größer die Depolarisation. Das Rezeptorpotenzial breitet sich elektrotonisch mit Abschwächung bis zum Beginn des Axons aus. Überschreitet es dort den Schwellenwert, öffnen sich spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle, und es entstehen Aktionspotenziale. Solange die Depolarisation anhält, folgen die APs aufeinander, und zwar umso schneller, je größer das Rezeptorpotenzial ist (Transformation, Frequenzcodierung).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Die Zelle, die den Reiz aufnimmt, ist selbst eine Nervenzelle mit Dendriten, Zellkörper und eigenem Axon. Die Aktionspotenziale werden in ihrem eigenen Axon gebildet (E2) und ohne Synapse dazwischen zum Zentralnervensystem geleitet. Damit erfüllt sie die Definition einer primären Sinneszelle. Eine sekundäre Sinneszelle hätte kein Axon und müsste über eine Synapse Transmitter an eine nachgeschaltete Nervenzelle abgeben.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
TTX blockiert spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle. Da im Axon keine Aktionspotenziale mehr auftreten, beruhen diese auf spannungsgesteuerten Na⁺-Kanälen. Das Rezeptorpotenzial am Zellkörper bleibt dagegen unverändert (−44 mV bei 20 % Dehnung). Es entsteht also nicht durch spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle, sondern durch andere, TTX-unempfindliche Kanäle — die mechanisch gesteuerten Kationenkanäle der Dendriten. Der Versuch trennt damit Transduktion (Rezeptorpotenzial) und Transformation (Aktionspotenziale) experimentell voneinander.
Mäuse ohne Hitzesensor
AFB II–IIIWarum brennt Chili „heiß“? Die Forschergruppe um DAVID JULIUS fand 1997 den Kanal, an den Capsaicin bindet, und untersuchte 2000 Mäuse, denen dieser Kanal fehlt (M4–M6). JULIUS erhielt dafür 2021 den Nobelpreis.
TRPV1 ist ein Kationenkanal in der Membran der freien Nervenendigungen bestimmter Schmerzrezeptoren (Nozizeptoren). Er öffnet sich bei Temperaturen über etwa 43 °C, bei Bindung von Capsaicin (Scharfstoff der Chilischote) und bei stark saurem pH. Geöffnet lässt er Na⁺ und Ca²⁺ in die Zelle.
| Befund | Wildtyp | TRPV1-Knockout |
|---|---|---|
| Anteil sensorischer Nervenzellen mit Ca²⁺-Anstieg bei Capsaicin | 45 % | 0 % |
| Anteil sensorischer Nervenzellen mit Ca²⁺-Anstieg bei 45 °C | 40 % | 3 % |
| Anteil sensorischer Nervenzellen mit Ca²⁺-Anstieg bei 55 °C | 45 % | 20 % |
| Trinkverhalten: Wasser mit Capsaicin | gemieden | wie Wasser getrunken |
- Erklären Sie, wie Capsaicin oder Hitze in einem Nozizeptor ein Rezeptorpotenzial und Aktionspotenziale auslösen (M4).
- Werten Sie M5 und M6 aus.
- Ermitteln Sie aus den Befunden, ob TRPV1 der einzige Hitzesensor der Nozizeptoren ist.
- Ein Pharmaunternehmen will TRPV1-Hemmstoffe als Schmerzmittel einsetzen. Beurteilen Sie diesen Ansatz auch unter dem Gesichtspunkt möglicher Nebenwirkungen.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Nozizeptoren sind freie Nervenendigungen sensorischer Nervenzellen, also primäre Sinneszellen. Bindet Capsaicin an TRPV1 oder steigt die Temperatur über etwa 43 °C, öffnet sich der Kanal. Hier ist das Rezeptorprotein selbst der Ionenkanal; ein second messenger ist nicht nötig. Na⁺ und Ca²⁺ strömen entlang ihres Konzentrations- und Ladungsgefälles ein, die Membran depolarisiert: Es entsteht ein abgestuftes Rezeptorpotenzial, das umso größer ist, je mehr Kanäle offen sind. Es breitet sich bis in den Axonbereich aus; überschreitet es den Schwellenwert, öffnen sich spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle, und die Nervenzelle bildet selbst Aktionspotenziale, deren Frequenz mit der Reizstärke steigt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
M5: Mit steigender Temperatur ziehen beide Mäusegruppen die Pfote schneller weg (Wildtyp von 12 s bei 50 °C auf 5 s bei 55 °C). Knockout-Mäuse reagieren bei jeder Temperatur später (22 s, 14 s, 8 s); der Unterschied ist bei 50 °C am größten und bei 55 °C am kleinsten. M6: Ohne TRPV1 reagiert keine Nervenzelle mehr auf Capsaicin, und Capsaicin-Wasser wird nicht mehr gemieden. Auf 45 °C reagieren fast keine Zellen mehr (3 % statt 40 %), auf 55 °C dagegen noch 20 % der Zellen. TRPV1 ist also für die Capsaicin-Wirkung unverzichtbar und für die Wahrnehmung mäßiger Hitze entscheidend.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
TRPV1 ist nicht der einzige Hitzesensor. Knockout-Mäuse ziehen die Pfote auch ohne TRPV1 weg, bei 55 °C sogar nach nur 8 s, und 20 % der Nervenzellen reagieren noch auf 55 °C. Es muss also weitere, TRPV1-unabhängige Sensoren (andere Kanäle) geben, die vor allem bei sehr hohen Temperaturen ansprechen. Bei mäßiger Hitze um 45–50 °C ist TRPV1 dagegen der wichtigste Sensor.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Für den Ansatz spricht: TRPV1 ist ein zentraler Sensor für Hitze- und Entzündungsschmerz (saurer pH im entzündeten Gewebe); ein Hemmstoff würde die Bildung von Rezeptorpotenzialen in Nozizeptoren direkt verhindern und so Schmerzen lindern. Dagegen spricht: Schmerz ist ein Warnsignal. Die Knockout-Mäuse zeigen, dass ohne TRPV1 mäßige Hitze kaum noch wahrgenommen wird — Patienten könnten sich an heißen Gegenständen oder Getränken verbrühen. Zudem kommt TRPV1 auch außerhalb der Nozizeptoren vor; tatsächlich traten in Studien Nebenwirkungen wie eine veränderte Körpertemperatur auf. Ein TRPV1-Hemmstoff erscheint daher nur für eng begrenzte Anwendungen, z. B. örtlich und kurzzeitig, vertretbar; als allgemeines Schmerzmittel ist er problematisch.