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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