Aufgaben zur Elektrochemie des Neurons

Aufgaben

Elektrolyte, also in Körperflüssigkeiten gelöste Ionen, haben starke Wirkung auf Körper und Stimmung. Eine Störung des Elekrolythaushaltes kann verschiedenste Folgen haben, von Fehlern im Herzrhythmus bis hin zu einer angegriffenen Psyche. Wichtige Elektrolyte sind etwa Kalium- Natrium-, Calcium- und Magnesium-Kationen oder aber Phosphat- und Chlorid-Anionen. Auch in den Axonen der Nervenzellen herrscht ein sensibles Ionen-Gleichgewicht.

Erläutere stichpunktartig, wie sich die Veränderung auf das Ionengleichgewicht im Axon auswirkt.

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Im Innenraum des Axons werden sämtliche Kalium-Ionen durch Natrium-Ionen ersetzt. Nichts ändert sich.

Das Ruhepotential

  • Außen und Innen sind jetzt eine ähnliche Anzahl von Natrium-Ionen. Der Einstrom von Natrium-Ionen wird dadurch deutlich schwächer, zumal die Kalium-Natrium-Pumpe weiterhin Natrium-Ionen nach innen befördert.
  • Innen sind nun keine Kalium-Ionen mehr. Es kommt daher aufgrund des Konzentrationsgefälles zu einem starken Einstrom von Kaliumionen.
  • Der Austausch von einfach positiv geladenen Teilchen durch andere einfach positiv geladene Teilchen ändert die Ladungsverhältnisse im Axon nicht. Der darauffolgende Einstrom von Kationen macht jedoch den Innenraum positiver und den Außenraum negativer.

Insgesamt vergrößert sich Ladungsdifferenz zwischen Innen und Außen. Noch mehr Kaliumionen beginnen daher einzuströmen, um die Ladungsdifferenz wieder zu verringern.

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Der Außenraum des Axons wird mit einer großen Menge Calcium-Ionen versetzt.

  • Der Außenraum wird durch die zusätzlichen Kationen deutlich positiver. Die Calcium-Ionen verbleiben auch im Außenraum, da sie die Membran nicht durchdringen können.
  • Der Innenraum bleibt unverändert.

Insgesamt vergrößert sich Ladungsdifferenz zwischen Innen und Außen. Mehr Kaliumionen beginnen daher einzuströmen, um die Ladungsdifferenz wieder zu verringern.

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Der Natrium-Kalium-Kanal wird zerstört.

  • Außen sind deutlich mehr Natrium-Ionen als innen. Durch die geringe Permeabilität der Memrban wandern dennoch nur wenige nach innen. Mit der Zeit wird der Innenraum immer positiver, der Außenraum immer negativer.
  • Es findet kein Natrium-Transport nach außen mehr statt.

Insgesamt verkleinert sich Ladungsdifferenz zwischen Innen und Außen. Mehr Kaliumionen beginnen daher auszuströmen, um die Ladungsdifferenz wieder zu vergrößern.

Ergänzungen

Achtung! Ohne die Natrium-Kaliumpumpe ist die Repolarisation nicht mehr möglich! Das Axon bleibt im erregten Zustand, es kommt zur starren Lähmung.

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Der Innenraum des Axons wird mit Natriumchlorid versetzt.

  • Im Innenraum befinden sich nun mehr Natrium-Ionen. Diese werden allerdings zügig durch Natrium-Kalium-Pumpe nach außen befördert. Das Ladungsgleichgewicht bleibt unverändert.
  • Im Innenraum befinden sich nun mehr Clorid-Ionen. Durch die geringe Permeabilität strömen allerdings nur wenige nach außen. Der Innenraum wird daher deutlich, der Außenraum nur etwas negativer.

Insgesamt wird Ladungsdifferenz zwischen Innen und Außen kaum verändert.

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Der Außenraum des Axons wird mit Phosphat-Ionen versetzt, während der Innenraum mit Magnesium-Ionen versetzt wird.

  • Der Außenraum wird durch die zusätzlichen Anionen deutlich negativer. Die Phosphat-Ionen verbleiben auch im Außenraum, da sie die Membran nicht durchdringen können.
  • Der Innenraum wird durch die zusätzlichen Kationen deutlich positiver. Die Magnesium-Ionen verbleiben auch im Innenraum, da sie die Membran nicht durchdringen können.

Insgesamt verkleinert sich Ladungsdifferenz zwischen Innen und Außen deutlich. Viel mehr Kaliumionen beginnen daher einzuströmen, um die Ladungsdifferenz wieder zu vergrößern.

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Der Außenraum des Axons wird mit Magnesiumchlorid versetzt.

  • Im Innenraum kommen positive Magnesium-Kationen und negative Chlorid-Anionen dazu. Das Ladungsgleichgewicht bleibt unverändert.
  • Einige der Chlorid-Ionen wandern nach Innen, auch wenn die Permeabiliät nur gering ist. Der Außenraum wird dadurch positiver, der Innenraum negativer.

Insgesamt vergrößert sich Ladungsdifferenz zwischen Innen und Außen. Mehr Kaliumionen beginnen daher einzuströmen, um die Ladungsdifferenz wieder zu verringern.

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Zeichne die kontinuierliche Erregungsleitung in das folgene Schema ein:
Schema zur Eintragung der Erregungsleitung

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Erregungsleitung im Axon

Errregungsleitung im Axom
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Stell dir vor: Du bist Forscher in einem Biolabor. Vor dir liegen drei Axone. Beim Ersten ist jeder zweite Ranvier'sche Schnürring chemisch blockiert. Bei einem anderen bleibt nur jeder zehnte unblockiert. Bei einem dritten gibt es zusätzliche Schnürringe.
Beschreibe stichpunktartig, welche Beobachtung du erwartest. Bewerte deine Beobachtungen!

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Erregungsleitung im Axon

Hinweis

Der Abstand zwischen Schnürringen ist ein Kompromiss zwischen Sicherheit und Geschwindigkeit der Erregungsleitung.
  • Durch kleine Abstände zwischen den Schnürringen wird sichergestellt, dass das Potential ausreicht, um auch beim nächsten Ranvier'schen Schnürring ein Aktionspotential auszulösen.
  • Durch große Abstände kann sich das Potential weiter ausbreiten, bevor es erneuert werden muss. Die Leitung wird schneller.

Musterlösung

Jeder zweite Schnürring blockiert:
  • Funktioniert etwas schneller als bei einer normalen Nervenfaser
  • Bewertung: Es handelt sich um eine nahezu normale Nervenfaser, allerdings mit etwas größeren Abständen zwischen den Schnürringen. Dadurch wird die sichere Weiterleitung gegen eine höhere Geschwindigkeit eingetauscht.
Jeder 10. Schnürring nicht blockiert:
  • Funktioniert nicht mehr
  • Bewertung: Trotz des großen Abstandes zwischen den Ranvier'schen Schnürringen ist die Erregungsleitung nicht schneller. Das Potential reicht nicht mehr aus, um beim nächsten Ranvier'schen Schnürring ein Aktionspotential auszulösen.
Zusätzliche Schnürringe:
  • Funktioniert langsamer als bei einer normalen Nervenfaser
  • Bewertung: verfehlt den "Sinn" der myelinisierten Schwannzellen, durch die die Erregungsleitung ja eigentlich sehr schnell sein sollte.
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Erkläre kurz, warum das Ruhepotential ein dynamisches Gleichgewicht ist.

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Ruhepotential

Die Membran eines Axons ist selektiv permeabel für positive Kalium-Ionen. Durch ständig geöffnete Kaliumkanäle strömen aufgrund des Konzentrationsgefälles Kaliumionen von innen nach außen. So entsteht eine Ladungsdifferenz, wodurch die Kalium-Ionen wieder nach innen gezogen werden. Dies führt zur Einstellung eines dynamischen Gleichgewichtes.
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Unter Ausschluss von Sauerstoff lasst sich nach einiger Zeit eine Abschwächung des Ruhepotentials erkennen. Erläutere diese Beobachtung.

Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Ruhepotential

Aufgrund des Konzentrations- und Ladungsausgleichs sickern Natrium-Ionen in das Axon ein. Dadurch treten zusätzliche Kaliumionen aus. Es kommt zur Abschwächung des Ruhepotentials. Normalerweise gleicht die Natrium-Kalium-Pumpe diese „Leckstöme“ aus. Dazu braucht sie allerdings Energie in Form von ATP, welches bei Sauerstoffmangel nicht mehr hergestellt werden kann. Es bleibt bei der Abschwächung des Ruhepotentials.
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Der Riesenkalamar (Architeuthis dux) verfügt zusätzlich zu seinem normalen Nervensystem noch einen einzigen, besonders schnellen und dicken Nervenstrang. Die "Riesenaxone", aus denen dieser Nervenstrang besteht, eignen sich aufgrund ihrer Größe besonders gut für Experimente.
Bei einem solchen Versuch wird eine Reizelektrode an das Axons angelegt. Nach einer künstlichen Reizung des Axons werden die auftretenden Potentiale gemessen.
Welche der dargestellten Potentialkurven würdest du bei der angegebenen Reizung erwarten? Begründe deine Eintscheidung!
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Das Ruhepotential des Axons wird um 40 mV erhöht.
Zeitliche Änderung der Spannung in Millivolt bei einer Spannungserhöhung von 40 Millivolt
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Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Ruhepotenzial

Die mittlere Abbildung ist richtig. Der Reiz führt zum Aufbau eines normalen Aktionspotentiales.
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Das Ruhepotential des Axons wird um 15 mV erhöht.
Zeitliche Änderung der Spannung in Millivolt bei der Spannungserhöhung um 15 Millivolt
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Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Ruhepotenzial

Die rechte Abbildung ist richtig. Der Schwellenwert wird nicht erreicht, es kommt nicht zur Ausbildung eines Aktionspotentials.
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Das Ruhepotential des Axons wird um 40 mV erhöht. Drei Millisekunden später wird das Ruhepotential erneut um 40 mV erhöht.
Zeitliche Änderung der Spannung in Millivolt bei einer sukzessiven Spannungserhöhung um zweimal 40 Millivolt mit Zeitabstand von drei Millisekunden
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Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Ruhepotenzial

Die mittlere Abbildung ist richtig
Der erste Reiz führt zum Aufbau eines normalen Aktionspotentiales.
Nach drei Millisekunden befindet sich das Axon gerade in der relativen Refraktärphase. Der zweite Reiz führt daher zwar auch zur Ausbildung eines Aktionspotentials, allerdings nur in abgeschwächter Form.
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Das Ruhepotential des Axons wird um 40 mV erhöht. Eine Millisekunde später wird das Ruhepotential erneut um 40 mV erhöht.
Zeitliche Änderung der Spannung in Millivolt bei einer sukzessiven Spannungserhöhung um zweimal 40 Millivolt mit einem zeitlichen Abstand von einer Millisekunde
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Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Ruhepotenzial

Die rechte Abbildung ist richtig. Das Aktionspotential ist ein "Alles-oder-Nichts"-Signal, daher führt auch ein starker Reiz 'nur' zum Aufbau eines normalen Aktionspotentials.
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Das Ruhepotential des Axons wird um 15 mV erhöht. Direkt danach wird das Ruhepotential erneut um 15 mV erhöht.
Zeitliche Änderung der Spannung in Millivolt bei einer sukzessiven Spannungserhöhung um zweimal 15 Millivolt
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Für diese Aufgabe benötigst Du folgendes Grundwissen: Ruhepotenzial

Die linke Abbildung ist richtig.
Der erste Reiz erreicht nicht nicht den Schwellenwert, es wird kein Aktionspotential ausgebildet.
Da der zweite Reiz schnell genug erfolgt, erreicht der zweite Reiz zusammen mit dem ersten Reiz den Schwellenwert. Es kommt zur Ausbildung eines Aktionspotentials. Dieser Vorgang wird als "zeitliche Summation" bezeichnet.
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Kennzeichne die folgenden Aussagen zum spannungsgesteuerten Natrium-Ionen-Kanal als wahr oder falsch.
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Der Natrium-Ionen-Kanal ist im Ruhezustand geschlossen.
Bei einer Änderung des Membranpotentials tritt eine räumliche Veränderung des Na-Kanals auf.
Je weiter der Natrium-Ionen-Kanal geöffnet ist, desto mehr Natriumionen strömen nach außen.
Am Ende der Refraktärzeit sind alle inaktiven Natrium-Ionen-Kanäle wieder geschlossen.
Für den Natrium-Ionen-Strom nach innen ist ausschließlich ein Ladungsgefälle verantwortlich.
Die Öffnung des Natrium-Ionen-Kanal führt zu einer noch stärkeren Depolarisation.
Die Depolarisation der Membran führt zu einer Öffnung des Natrium-Ionen-Kanal.
Bei Natrium-Ionen-Kanälen sind "geschlossen" und "inaktiv" zwei Bezeichnungen für den selben Zustand.
Die Öffnung des Natrium-Ionen-Kanals ist für das Zustandekommen des Ruhepotentials verantwortlich.
Die Depolarisation führt zu einer zeitlich verzögerten Inaktivierung des Kalium-Ionen-Kanals.
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