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Ruhepotential


Unterrichtsgang

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

 

 

[1] Variante 1 - einfache Abstimmungsfrage : geheime Abstimmung (mit geschl. Augen) → experimentelle Überprüfung und Diskussion (LSG)
[2] Variante 2 - Clicker-Frage : geheime Abstimmung 1 (mit geschl. Augen) → Diskussion in PA/Kleingruppen → geheime Abstimmung 2 → experimentelle Überprüfung und Diskussion (LSG)
[3] Variante 3 – Concept-Cartoon (vgl. Vorlage): Diskussion in PA/Kleingruppen → Abstimmung → exp. Überprüfung und Diskussion (LSG)

 

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