Synaptische Übertragung und Wirkung von Neonicotinoiden auf Insekten

Aufgabenstellung

Neonicotinoide sind eine Klasse synthetischer Insektizide, die seit den 1990er-Jahren weltweit in der Landwirtschaft eingesetzt werden. Sie wirken auf das Nervensystem von Insekten, indem sie an nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren binden. Im Zuge des Bienensterbens ist ihr Einsatz zunehmend in die Kritik geraten.

(a) Beschreiben Sie den Ablauf der Signalübertragung an einer cholinergen Synapse (Acetylcholin als Transmitter) in 5 Schritten. (4 BE)

(b) Neonicotinoide (z. B. Thiacloprid) binden an nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren, werden aber nicht von der Acetylcholinesterase abgebaut. Erklären Sie die Auswirkungen auf die postsynaptische Membran. (4 BE)

(c) Erläutern Sie, warum Neonicotinoide für Insekten tödlich sein können, für Säugetiere aber weniger toxisch sind. (Hinweis: unterschiedliche Rezeptorstruktur) (4 BE)

(d) In einem Experiment wird die Lernfähigkeit von Bienen mit und ohne subletaler Neonicotinoid-Dosis verglichen. Beschreiben Sie einen geeigneten Versuchsaufbau (Kontrollgruppe, Messgröße). (4 BE)

(e) Bewerten Sie den Einsatz von Neonicotinoiden in der Landwirtschaft unter Berücksichtigung von Nutzen und ökologischen Risiken. (4 BE)

Lösungsweg

Schritt 1: Signalübertragung an der cholinergen Synapse (a)

Die Signalübertragung an einer cholinergen Synapse läuft in folgenden fünf Schritten ab:

Ankunft des Aktionspotenzials: Ein Aktionspotenzial erreicht die präsynaptische Endigung (Synapsenendknöpfchen). Durch die Depolarisation öffnen sich spannungsgesteuerte $\text{Ca}^{2+}$ -Kanäle, und Calciumionen strömen in die Präsynapse ein.
Transmitterfreisetzung: Der $\text{Ca}^{2+}$ -Einstrom bewirkt die Fusion der synaptischen Vesikel mit der präsynaptischen Membran. Acetylcholin (ACh) wird per Exocytose in den synaptischen Spalt freigesetzt.
Bindung an Rezeptoren: ACh diffundiert durch den synaptischen Spalt und bindet an nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren auf der postsynaptischen Membran. Diese Rezeptoren sind ligandengesteuerte Ionenkanäle.
Postsynaptisches Potenzial: Durch die Bindung von ACh öffnen sich die Ionenkanäle. $\text{Na}^+$ -Ionen strömen in die postsynaptische Zelle ein, es entsteht ein erregendes postsynaptisches Potenzial (EPSP). Bei Überschreitung des Schwellenwerts wird ein neues Aktionspotenzial ausgelöst.
Inaktivierung des Transmitters: Das Enzym Acetylcholinesterase (AChE) im synaptischen Spalt spaltet ACh in Acetat und Cholin. Cholin wird in die Präsynapse rückresorbiert und steht für die Neusynthese von ACh zur Verfügung. Die Signalübertragung wird damit beendet.

Schritt 2: Wirkung der Neonicotinoide auf die postsynaptische Membran (b)

Neonicotinoide wie Thiacloprid sind Agonisten an nikotinischen Acetylcholin-Rezeptoren. Sie ahmen die Wirkung von Acetylcholin nach:

Durch die Bindung an den Rezeptor öffnen sich die ligandengesteuerten $\text{Na}^+$ -Kanäle, und es kommt zu einer Dauerdepolarisation der postsynaptischen Membran.
Da Neonicotinoide nicht von der Acetylcholinesterase abgebaut werden, verbleiben sie dauerhaft am Rezeptor. Die Ionenkanäle bleiben geöffnet.
Die Folge ist eine Dauerreizung der postsynaptischen Zelle: Es werden ununterbrochen Aktionspotenziale generiert.
Durch die anhaltende Depolarisation kommt es schließlich zu einem Depolarisationsblock: Die spannungsgesteuerten $\text{Na}^+$ -Kanäle inaktivieren, und die Zelle kann keine neuen Aktionspotenziale mehr bilden. Die Signalweiterleitung bricht zusammen.

Schritt 3: Unterschiedliche Toxizität bei Insekten und Säugetieren (c)

Die unterschiedliche Wirkung auf Insekten und Säugetiere erklärt sich durch Unterschiede in der Rezeptorstruktur:

Insekten besitzen nikotinische Acetylcholin-Rezeptoren mit einer Untereinheitenzusammensetzung, die eine hohe Bindungsaffinität für Neonicotinoide aufweist. ACh ist im Insekten-Nervensystem der wichtigste erregende Neurotransmitter im Zentralnervensystem.
Säugetiere besitzen nikotinische Rezeptoren mit einer anderen Aminosäuresequenz in der Bindungstasche. Neonicotinoide binden dort mit einer deutlich geringeren Affinität (ca. Faktor $10^3$ bis $10^4$ schwächer).
Zusätzlich nutzen Säugetiere im ZNS vorwiegend Glutamat als erregenden Transmitter und nicht Acetylcholin. Cholinerge Synapsen spielen bei Säugetieren vor allem an der neuromuskulären Endplatte und im vegetativen Nervensystem eine Rolle.
Die Blut-Hirn-Schranke der Säugetiere verhindert zudem teilweise das Eindringen der Neonicotinoide ins ZNS, was die Toxizität weiter reduziert.

Schritt 4: Versuchsaufbau zur Lernfähigkeit von Bienen (d)

Versuchsdesign: Klassischer konditionierter Rüsselreflex (PER — Proboscis Extension Response)

Versuchsgruppe: Eine Gruppe von mindestens 30 Bienen erhält über die Nahrung eine subletale Dosis Neonicotinoid (z. B. $5\;\text{ng}$ Thiacloprid pro Biene und Tag über 10 Tage).
Kontrollgruppe: Eine gleichgroße Gruppe erhält die gleiche Zuckerlösung ohne Neonicotinoid. Die Bienen werden unter identischen Bedingungen (Temperatur, Licht, Alter) gehalten.
Durchführung: Beiden Gruppen wird ein Duftreiz (z. B. Lavendel) gleichzeitig mit einer Zuckerlösung am Fühler präsentiert. Nach mehreren Durchgängen wird nur der Duftreiz gegeben.
Messgröße: Anteil der Bienen, die nach dem Training den Rüssel allein auf den Duftreiz hin ausstrecken (Lernquote in %). Verglichen wird die Lernkurve (Anteil korrekte Reaktion über die Trainingseinheiten) beider Gruppen.
Auswertung: Statistischer Vergleich der Lernquoten (z. B. Chi-Quadrat-Test). Erwartung: Die Neonicotinoid-Gruppe zeigt eine signifikant niedrigere Lernquote.

Schritt 5: Bewertung des Neonicotinoid-Einsatzes (e)

Nutzen:

Neonicotinoide sind hocheffektive systemische Insektizide: Sie werden von der Pflanze aufgenommen und verteilen sich in allen Pflanzenteilen, was einen langanhaltenden Schutz gegen Fraßinsekten bietet.
Sie ermöglichen eine Saatgutbeize und reduzieren so die Menge an Freilandspritzungen.
Geringere akute Toxizität für Säugetiere im Vergleich zu älteren Insektizidklassen (z. B. Organophosphate).

Ökologische Risiken:

Bestäubersterben: Subletale Dosen beeinträchtigen die Orientierung, das Lernverhalten und die Fortpflanzung von Honigbienen und Wildbienen, was zum Rückgang ganzer Völker beitragen kann.
Persistenz in der Umwelt: Neonicotinoide sind wasserlöslich und kontaminieren Böden und Gewässer über lange Zeiträume. Auch Nichtzielorganismen (z. B. aquatische Invertebraten) werden geschädigt.
Ökosystemare Auswirkungen: Der Rückgang der Insektenpopulationen betrifft die gesamte Nahrungskette (Vögel, Fledermäuse) und gefährdet die Bestäubungsleistung für Wild- und Kulturpflanzen.

Fazit: Der ökonomische Nutzen der Neonicotinoide steht in einem erheblichen Spannungsverhältnis zu den ökologischen Schäden. Die EU hat 2018 den Freilandeinsatz dreier Neonicotinoide verboten. Eine nachhaltige Landwirtschaft erfordert integrierte Pflanzenschutzkonzepte, die den Einsatz chemischer Insektizide minimieren.

Ergebnis

Frage	Antwort
(a) Cholinerge Synapse	AP → Ca²⁺-Einstrom → Exocytose von ACh → Bindung an nikotinische Rezeptoren → EPSP → Abbau durch AChE
(b) Wirkung Neonicotinoide	Dauerhafte Bindung → Dauerdepolarisation → Dauerreizung → Depolarisationsblock → Signalausfall
(c) Selektive Toxizität	Höhere Rezeptoraffinität bei Insekten; Säugetiere haben andere Untereinheiten, andere Haupttransmitter und Blut-Hirn-Schranke
(d) Versuchsaufbau	PER-Konditionierung, Versuchs-/Kontrollgruppe, Messgröße: Lernquote (%), statistischer Vergleich
(e) Bewertung	Effektiver Pflanzenschutz vs. Bestäubersterben, Umweltpersistenz, Ökosystemschäden → integrierter Pflanzenschutz nötig

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