Variante 3: Simulationsprogramm

Abb. 1 : Gemeiner Kalmar
( Loligo vulgaris )

Um die Funktion von Neuronen zu erforschen, führten Hodgkin, Huxley und Katz in den 40er und 50er Jahren des 20. Jahrhunderts wichtige Experimente an den Riesenaxonen des Kalmars (Abb. 1 ^[1] ) mit definierten Reizen durch (intrazelluläre Reizelektrode, vgl. Messung Ruhepotential). Dazu stachen sie mit einer feinen, offenen Glaskapillar-Elektrode, die mit KCl-Lösung gefüllt war, ins Axon ein. Aus ihr konnten sie gezielt Ionen (Kationen oder Anionen) austreten lassen.

Die Kalmar-Nervenzellen ohne Myelinscheide liegen im Mantelnerv und erreichen Durchmesser von bis zu 1 mm. Sie innervieren die Mantelmuskulatur. Bei Bedrohung kontrahieren Kalmare die Mantelmuskulatur und bewirken, dass das in der Mantelhöhle enthaltene Wasser mit großem Druck durch die relativ kleine Sipho-Öffnung ausgestoßen wird. Der Rückstoß beschleunigt das Tier und ermöglicht seine Flucht.

Die Arbeit der drei Forscher ergab: Die Axone der Nervenzellen leiten Informationen verschlüsselt in Form von elektrischen Impulsen weiter, den Aktionspotentialen. Dabei verändern sich die Spannungsverhältnisse an der Axonmembran in typischer Art und Weise. In der Axonmembran befinden sich nebst den dauerhaft geöffneten K+-Tunnelproteinen auch spannungsgesteuerte Na+- und K+-Kanäle, d. h. sie öffnen ab einem kanaltypspezifischen Spannungswert (Schwellenspannung) für kurze Zeit und schließen sich wieder automatisch. Aktionspotentiale laufen stets gleich ab. Die Forschungsleistung wurde 1963 mit dem Nobelpreis geehrt.

Das Simulationsprogramm ermöglicht diese Experimente nachzuvollziehen und das Aktionspotential zu „erforschen“.

Abb. 2: Aktionspotential

1. Führen Sie die Versuche 1 – 4 mit Hilfe des Simulationsprogramms durch.
2. Beschreiben Sie den Spannungsverlauf an der Axonmembran während eines Aktionspotentials nach einem überschwelligen Reiz (Abb. 2 ^[2] ). Gliedern Sie Ihre Beschreibung mit Hilfe der Phasen-Angaben 1 – 6.
3. Erklären Sie die Abläufe an der Axonmembran auf molekularer Ebene (Ionen, Kanäle) in den Phasen 1 – 6.
4. „Wird die Schwellenspannung erreicht, läuft ein Aktionspotential nach der Alles-oder-Nichts-Regel ab.“
   Erklären Sie das Schülerzitat.
5. „Am Ende des Aktionspotentials erreicht die Membranspannung wieder das Niveau des Ruhepotentials. Die Na+-K+-Pumpe stellt die ursprüngliche Ionenverteilung wieder her.“
   Erklären Sie dieses Zitat aus einer Klausur.

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