Va­ri­an­te 1: vom Text zum Fließ­dia­gramm

Va­ri­an­te 1 : vom Text zum Fließ­dia­gramm

Über das Axon lei­ten Ner­ven­zel­len In­for­ma­tio­nen ver­schlüs­selt in Form von elek­tri­schen Im­pul­sen wei­ter, den Ak­ti­ons­po­ten­tia­len. Dabei ver­än­dern sich die Span­nungs­ver­hält­nis­se an der Axon­mem­bran in ty­pi­scher, immer gleich­blei­ben­der Art und Weise (siehe Abb. 1, Reiz­si­tua­ti­on C). Ak­ti­ons­po­ten­tia­le lau­fen also immer gleich ab.
Man kann ein Axon künst­lich rei­zen und ein sol­ches Ak­ti­ons­po­ten­ti­al aus­lö­sen.

Abb. 1 : Mem­branspan­nung in drei Reiz­si­tua­tio­nen A - C ^[1]
Reiz­si­tua­ti­on C ge­glie­dert in Phase 1 – 6; Größe von Reiz A < Reiz B < Reiz C

Als Aus­gangs­punkt misst man an einer Axon­stel­le ein Ru­he­po­ten­ti­al von -70 mV (in­tra­zel­lu­lä­re Mes­s­elek­tro­de, vgl. Mes­sung Ru­he­po­ten­ti­al). Nun setzt man an die­ser Stel­le einen Reiz, sticht dazu mit einer fei­nen Glas­ka­pil­lar-Elek­tro­de ins Axon und lässt aus ihr ge­zielt Kat­io­nen, z. B. Ka­li­umio­nen, aus­tre­ten, so dass es zu einem An­stieg der Mem­branspan­nung, also einer De­po­la­ri­sa­ti­on kommt. Wie stark die De­po­la­ri­sa­ti­on ist, hängt von der Menge der zu­ge­ge­ben Kat­io­nen ab: Wer­den ver­gleichs­wei­se wenig Kat­io­nen zu­ge­ge­ben, ist eine ge­ring po­si­ti­ve­re Mem­branspan­nung im In­ne­ren des Axons zu be­ob­ach­ten (Reiz­si­tua­ti­on A), ist die zu­ge­ge­be­ne Kat­io­nen­men­ge etwas grö­ßer, ist auch ein grö­ße­rer An­stieg der Mem­branspan­nung zu ver­zeich­nen (Reiz­si­tua­ti­on B). Die De­po­la­ri­sa­ti­on nimmt mit der Zeit ab und der Wert des Ru­he­po­ten­ti­als stellt sich wie­der ein.

Bei Reiz­si­tua­ti­on C zeigt sich nun eine Be­son­der­heit: Ist die zu­ge­ge­be­ne Kat­io­nen­men­ge so groß, dass die so ge­nann­ten Schwel­len­span­nung von un­ge­fähr -55 mV er­reicht wird, steigt die Mem­branspan­nung ohne wei­te­re Kat­io­nen­zu­ga­be sehr schnell und stark an (Phase der De­po­la­ri­sa­ti­on), wobei Werte im po­si­ti­ven Be­reich von bis zu + 40 mV ge­mes­sen wer­den. Ur­sa­che dafür ist das Vor­han­den­sein von span­nungs­ge­steu­er­ten Na­tri­umio­nen-Ka­nä­len, die sich in gro­ßer Zahl schlag­ar­tig öff­nen, wenn die Schwel­len­span­nung, ein ka­nal­typ-spe­zi­fi­scher Span­nungs­wert, er­reicht wird. Nun strö­men Na­tri­umio­nen auf­grund ihres nach innen wei­sen­den Kon­zen­tra­ti­ons­ge­fäl­les und der gleich­ge­rich­te­ten elek­tro­mo­to­ri­schen Kräf­te ins In­ne­re des Axons und be­wir­ken hier die Um­po­lung. Das Axo­nin­ne­re ist jetzt po­si­tiv ge­la­den. Die span­nungs­ge­steu­er­ten Na­tri­umio­nen-Ka­nä­le schlie­ßen nach kur­zer Zeit au­to­ma­tisch.

Eben­falls aus­ge­löst durch das Er­rei­chen der Schwel­len­span­nung öff­nen sich nun zeit­ver­setzt wei­te­re Ionen-Ka­nä­le in der Axon­mem­bran, näm­lich span­nungs­ge­steu­er­te Ka­li­umio­nen-Ka­nä­le. Gemäß ihrem nach außen ge­rich­te­ten Kon­zen­tra­ti­ons­ge­fäl­le, wel­ches durch die eben­falls nun nach außen ge­rich­te­ten elek­tro­mo­to­ri­schen Kräf­te un­ter­stützt wird, ver­las­sen Ka­li­umio­nen das Axo­nin­ne­re. Da­durch sinkt die Mem­branspan­nung in der Phase der Re­po­la­ri­sa­ti­on schnell in den ne­ga­ti­ven Wer­te­be­reich.

Wäh­rend der Hy­per­po­la­ri­sa­ti­on wird kurz­zei­tig eine Mem­branspan­nung von etwa -90 mV ver­zeich­net, da mehr Ka­li­umio­nen nach außen strö­men als zum Er­rei­chen des Ru­he­po­ten­ti­als nötig ge­we­sen wären. Dies liegt daran, dass die span­nungs­ge­steu­er­ten Ka­li­umio­nen-Ka­nä­le erst re­la­tiv lang­sam wie­der schlie­ßen. Nach kur­zer Zeit zeigt sich je­doch wie­der der für ein Ru­he­po­ten­ti­al ty­pi­sche Wert von –70 mV.

Die Na­tri­um-Ka­li­um-Pum­pen stel­len die ur­sprüng­li­che Io­nen­ver­tei­lung wie­der her.

1. Er­stel­len Sie ein Fließ­dia­gramm, wel­ches die Ab­läu­fe wäh­rend eines Ak­ti­ons­po­ten­ti­als zeigt.

2. „ Die Na­tri­um-Ka­li­um-Pum­pen stel­len die ur­sprüng­li­che Io­nen­ver­tei­lung wie­der her .“  Er­läu­tern Sie den letz­ten Satz des In­for­ma­ti­ons­tex­tes.

3. „Wird die Schwel­len­span­nung er­reicht, läuft ein Ak­ti­ons­po­ten­ti­al nach der Alles-oder-Nichts-Regel ab.“ Er­klä­ren Sie das Schü­ler­zi­tat.

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