Lösungsvorschlag

Aufgabe 1:

Kurve A:
Phase 1: Ruhepotential -70 mV
Phase 2: schwacher Reiz → leichte Depolarisation um ca. 5 mV bis auf -65 mV (Axon innen leicht positiver als während des Ruhepotentials)
Phase 3: Repolarisation, d. h. Axon wird innen wieder negativer
Phase 4: weitere Repolarisation bis zum Ruhepotential

Kurve B:
Phase 1: Ruhepotential -70 mV
Phase 2: stärkerer Reiz → stärkere Depolarisation als bei A um ca. 10 mV bis auf -60 mV (Axon innen leicht positiver als während des Ruhepotentials)
Phase 3: Repolarisation, d. h. Axon wird innen wieder negativer
Phase 4: weitere Repolarisation bis zum Ruhepotential

Kurve C:
Phase 1 : Ruhepotential -70 mV
Phase 2: Depolarisation um 15 mV bis zur Schwellenspannung von -55 mV
Phase 3: sehr starke weitere Depolarisation in sehr kurzer Zeit mit Umpolung bis +40 mV (Axon innen nun positiv, Umgebung negativ geladen: Ladungsverhältnisse umgekehrt dem Ruhepotential!)
Phase 4: rasche Repolarisation inkl. erneuter Umpolung
Phase 5: Membranspannung negativer als während des Ruhepotentials, d. h. zeitweise bis  -90 mV („zu starke Repolarisation schießt über das Ruhepotentialniveau hinaus“)
Phase 6: Ruhepotential -70 mV wieder erreicht

 

Aufgabe 2:

Kurve C:

Phase 1: Typische Ionen-Verteilung und Kanalsituation beim Ruhepotential: innen verhältnismäßig mehr negative Ladungsträger als außen (-70 mV); Spannungsgesteuerte Ionenkanäle geschlossen.

Phase 2: Der (stärkere) Reiz bewirkt, dass eine größere Menge Kationen [K+] aus der Reizelektrode ins Axon abgegeben werden. Der Anteil positiver Ionen im Axon wird deutlich größer, die Depolarisation so groß, dass die Schwellenspannung überschritten wird.

Phase 3: Das Überschreiten der Schwellenspannung bewirkt, dass alle in der Umgebung vorhandenen spannungsgesteuerten Natriumionen-Kanäle öffnen. Natriumionen fließen entlang ihres Konzentrationsgefälles von außen in das Axon. Die einströmenden Natriumionen vergrößern den Anteil der positiven Ladung in der Zelle, d. h. sie bewirken eine weitere Depolarisation in kurzer Zeit. Der Anteil der positiven Ladung im Axon überwiegt nach kürzester Zeit sogar, die Polarisationsverhältnisse an der Axonmembran haben sich im Vergleich zum Ruhepotential umgekehrt: innen überwiegen nun die positiven Ladungsträger, außen die negativen. Nach kurzer Zeit schließen die spannungsgesteuerten Natriumionenkanäle wieder, der Natriumionen-Einstrom ist beendet. Das Maximum der Umpolung ist erreicht.

Phase 4: Nun überwiegt der Effekt, dass zeitverzögert auch spannungsgesteuerte Kaliumionen-Kanäle ihre Pforten öffnen. Durch sie strömen Kaliumionen entlang ihres Konzentrationsgefälles aus dem Axon nach außen. Somit verringert sich der Anteil der positiven Ladungsträger im Axon wieder. Es kommt erneut zu einer Umpolung, d. h. nun überwiegen im Axon wieder die negativen Ladungsträger. Die Axonmembran repolarisiert.

Phase 5: Die spannungsgesteuerten Kaliumionen-Kanäle schließen nach und nach. Solange noch einige geöffnet sind, strömen weiterhin Kaliumionen aus der Zelle. Der relative Anteil der negativen Ladungsträger in der Zelle ist eine Zeit lang sogar größer als während des Ruhepotentials. Die Zelle ist hyperpolarisiert (innen negativer geladen als während des RP).

Phase 6: Das Verteilungsverhältnis von positiven und negativen Ladungsträgern innerhalb und außerhalb der Zelle hat wieder das Niveau des Ruhepotentials erreicht. (Innen sind jedoch ein paar Natriumionen und außen einige Kaliumionen mehr als zuvor.) Die Natrium-Kalium-Pumpen gleichen dies mittelfristig wieder aus.

 

Aufgabe 3: Alles-oder-Nichts-Regel:

Wird -wie in Reizsituation C der Abb. 1 gezeigt- durch einen Depolarisationsreiz der Spannungswert so positiv, dass das Schwellenpotential von -55 mV erreicht wird, so öffnen die spannungsgesteuerten Natriumionen-Kanäle in der Axonmembran und es kommt zum Einstrom von Natriumionen in großem Umfang.

Wird -wie in Reizsituation A und B der Abb. 1 gezeigt- durch einen kleineren Depolarisationsreiz der Spannungswert zwar positiver, aber das Schwellenpotential von -55 mV nicht erreicht wird, so öffnen die spannungsgesteuerten Natriumionen-Kanäle in der Axonmembran nicht und es kommt nicht zum Einstrom von Natriumionen in großem Umfang. Die geringfügige Depolarisation klingt mit der Zeit ab.

Entweder wird also die Schwellenspannung durch Depolarisation erreicht bzw. überschritten und es wird ein typisches Aktionspotential ausgebildet oder die Schwellenspannung wird nicht erreicht und es wird kein Aktionspotential ausgebildet.

 

Aufgabe 4:

Im Axon befinden sich nach einem Aktionspotential mehr Natriumionen und außerhalb des Axons mehr Kaliumionen als im Ausgangszustand. Natrium-Kalium-Pumpen in der Axonmembran transportieren Natriumionen nach außen und Kaliumionen nach innen und stellen damit die ursprüngliche Ionenverteilung (innen: viel Kaliumionen, außen: viel Natriumionen) wieder her. Dies läuft unter Aufwendung von Energie in Form von ATP ab.

 

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