Ru­he­po­ten­ti­al

1. Mi­ni­s­elbst­test nach Lei­sen

SuS füh­ren Selbst­test durch (ggf. vor­be­rei­ten­de HA: Schrit­te 1 u. 2)

1. An der Tafel oder auf AB ste­hen 3 - 5 Auf­ga­ben.
2. SuS be­ant­wor­ten Sie al­lei­ne auf dem Blatt.
3. SuS tau­schen Ant­wort­blät­ter mit dem Nach­barn.
4. SuS dis­ku­tie­ren in PA über ihre Ant­wor­ten.
5. Ver­gleich mit der Mus­ter­lö­sung, ggf. Dis­kus­si­on mit Leh­rer (Ple­num)

EA

ab_­mi­ni­s­elbst­tes­t_grund­la­gen_­funk­ti­on_­ner­ven­zel­le

2. Über­lei­tung und Pro­ble­ma­ti­sie­rung

Die Ar­beit der Ner­ven­zel­len ist an elek­tri­sche Vor­gän­ge ge­kop­pelt, d. h. elek­tri­sche Strö­me im mV-Be­reich. Nen­nen Sie mög­li­che be­weg­li­che La­dungs­trä­ger.

• Me­tal­le: Elek­tro­nen (vgl. Kabel)
• Salz­lö­sun­gen: Kat­io­nen und Anio­nen (Kat­io­nen wan­dern zur ne­ga­ti­ven Elek­tro­de; Anio­nen wan­dern zur po­si­ti­ven Elek­tro­de)

In­for­ma­ti­on durch die Lehr­per­son:
Bio­che­mi­sche Ana­ly­sen tie­ri­scher Zel­len zei­gen:

• Na­tri­um-, Ka­li­um-, Cal­ci­um-, Chlo­r­idio­nen in­ner­halb und au­ßer­halb der Zel­len → „be­weg­lich“
• or­ga­ni­sche Anio­nen (u. a. Pro­te­ine): nur in den Zel­len → nicht „be­weg­lich“

LSG

3. Mo­del­l­ex­pe­ri­men­te zum Ru­he­po­ten­ti­al

Ver­such 1 – Ge­dan­ken­ex­pe­ri­ment zur Dif­fu­si­on einer Salz­lö­sung:
SuS zu­nächst in EA, dann PA, dann Ple­num (Sys­tem der „Wach­sen­den Grup­pe“)

Ver­such 2 – Ka­li­um-Chlo­rid-Lö­sung an einer Ka­li­umio­nen se­lek­ti­ve Mem­bran:

• zu­nächst Ge­dan­ken­ex­pe­ri­ment : Si­tua­ti­on ohne Span­nungs­mes­ser: SuS ma­chen be­grün­de­te Vor­her­sa­ge (SuS zu­nächst in EA, dann PA, dann Ple­num)

• Con­cept-Test I ^[1] : (3 Va­ri­an­ten vgl. Fuß­no­te)
  Bei wel­chem der bei­den Si­tua­tio­nen (Ver­such 1 bzw. 2) kann mit einem Volt­me­ter elek­tri­sche Span­nung ge­mes­sen wer­den?
  
  
  1. bei bei­den
  2. nur bei Si­tua­ti­on 1 (Ver­such 1)
  3. nur bei Si­tua­ti­on 2 (Ver­such 2)
  4. bei kei­nem

• Ex­pe­ri­men­tel­le Über­prü­fung der Ab­stim­mung ! (De­mo­ver­such, vgl. An­lei­tung) → „c“ ist kor­rekt! (Be­grün­dung s. AB)

• Si­che­rung: SuS er­gän­zen AB: Span­nungs­mes­ser(Volt­me­ter) - Ver­such 1 U = 0 V, Ver­such 2 U = 60 mV (oder Er­geb­nis des Kon­troll­ex­pe­ri­ments) und si­chern Be­grün­dung (evtl. Ta­fel­an­schrieb)

• Con­cept-Test II ^[2] :
  
  Wird für die Ka­li­umio­nen das Kon­zen­tra­ti­ons­gleich­ge­wicht er­reicht?
  
  
  1. ja, weil die Ka­li­umio­nen sich gleich­mä­ßig ver­tei­len.
  2. nein, da nur ein klei­ner Teil der Ka­li­umio­nen die Seite wech­selt.
  3. nur kurz­zei­tig, da mit der Zeit alle Ka­li­umio­nen die Seite wech­seln.
  
  Ant­wort b ist kor­rekt! → Be­grün­dung:
  Mit jedem Ka­li­umi­on, das in Kom­par­ti­ment 2 dif­fun­diert, ver­grö­ßert sich der La­dungs­über­schuss ne­ga­ti­ver La­dung in Kom­par­ti­ment 1 (ne­ga­ti­ver Pol). Diese Po­ten­ti­al­dif­fe­renz über die Mem­bran hin­weg er­zeugt eine elek­tro­mo­to­ri­sche Kraft auf die Ka­li­umio­nen: Ka­li­umio­nen in Kom­par­ti­ment 1 wer­den zu­rück­ge­hal­ten, Ka­li­umio­nen in Kom­par­ti­ment 2 wer­den Rich­tung Kom­par­ti­ment 1 zu­rück­ge­zo­gen.
  Nach einer ge­wis­sen Zeit ent­steht eine Gleich­ge­wichts­si­tua­ti­on: Ei­ni­ge Ka­li­umio­nen be­fin­den sich in Kom­par­ti­ment 2, je­doch nicht so viele wie für den Kon­zen­tra­ti­ons­aus­gleich not­wen­dig wären. Die elek­tro­mo­to­ri­sche Kraft und das Kon­zen­tra­ti­ons­ge­fäl­le für Ka­li­umio­nen hal­ten sich die Waage. Man spricht von einem Gleich­ge­wichts­po­ten­ti­al. Es ist eine Folge der se­lek­ti­ven Ei­gen­schaft der Mem­bran.

• SuS kor­ri­gie­ren ggf. die Ein­zeich­nun­gen in Ab­bil­dung und er­gän­zen Er­klä­rung.

LSG
EA
PA

ab_­mo­del­l­ex­pe­ri­men­t_­ru­he­po­ten­ti­al

an­lei­tun­g_­mo­del­l­ex­pe­ri­men­t_­ru­he­po­ten­ti­al

4. Con­cept-Test III ^[3] - zum Ver­such 2 des Mo­del­l­ex­pe­ri­ments

[Ex­pe­ri­men­tel­le Über­prü­fung der Fra­gen mit Mo­del­l­ex­pe­ri­ment ist mög­lich!]

LSG
PA

con­cept-test-fra­gen_z­um Mo­del­l­ex­pe­ri­ment

5. Über­tra­gung auf Neu­ro­ne

SuS be­ar­bei­ten AB → ge­mein­sa­mes Kon­troll­ple­num

EA
LSG

ab_­sa­eu­ge­tier­n­eu­ro­ne

6. Con­cept-Test IV ^[4] – Si­tua­ti­on am Neu­ron

drei Va­ri­an­ten zur Wahl

LSG
PA

con­cept-test-fra­gen_­si­tua­ti­on_­n­eu­ron

7. Ver­tie­fung – Not­wen­dig­keit von Na­tri­um-Ka­li­um-Pum­pen zur Auf­recht­er­hal­tung des Ru­he­po­ten­ti­als

SuS be­ar­bei­ten AB → ge­mein­sa­mes Kon­troll­ple­num

EA
LSG

ab_­na­tri­um-ka­li­um-pumpe

8. Con­cept-Test V - Ver­ständ­nis­fra­ge

Im Säu­ge­tier­n­eu­ron be­trägt die in­tra­zel­lu­lä­re Ka­li­umio­nen-Kon­zen­tra­ti­on 135 mmol/l, die ex­tra­zel­lu­lä­re Ka­li­umio­nen-Kon­zen­tra­ti­on 3 mmol/l.
Das Gleich­ge­wichts­po­ten­ti­al läge bei -102 mV. Das Ru­he­po­ten­ti­al eines Säu­ge­tier­n­eu­rons liegt zwi­schen -40 und -80 mV.
Er­klä­ren Sie.

Er­klä­rung: Das Ru­he­po­ten­ti­al ent­spricht nicht dem Ka­li­umio­nen-Gleich­ge­wichts­po­ten­ti­al, da auch noch an­de­re Ionen an der Ent­ste­hung des Ru­he­po­ten­ti­als be­tei­ligt sind:

1. Or­ga­ni­sche Anio­nen, die nur in der Ner­ven­zel­le vor­kom­men und u. a. für die elek­tro­mo­to­ri­schen Kräf­te mit­ver­ant­wort­lich sind und die aus­strö­men­den Ka­li­umio­nen „zu­rück­hal­ten“ (Ge­gen­kraft zum Dif­fu­si­ons­aus­gleich).
2. Na­tri­umio­nen, für die Leck­strö­me mit einem Dif­fu­si­ons­ge­fäl­le von außen nach innen ver­zeich­net wer­den. Diese Leck­strö­me ver­klei­nern die Po­ten­ti­al­dif­fe­renz zwi­schen innen und außen.

PA
LSG