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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