Aufgaben: Potenzialmessungen und Ruhepotenzial

An einem Axon eines Neurons wird mit einer intrazellulären Mikroelektrode ein Membranpotenzial von −70 mV gemessen.

1. a) Benennen Sie dieses Potenzial.

1. b) Nennen Sie die beiden Ionensorten, die für die Entstehung dieses Potenzials die größte Rolle spielen, und geben Sie jeweils an, auf welcher Membranseite ihre Konzentration höher ist.

Eine Messkurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Membranpotenzials eines Neurons nach einem überschwelligen Reiz: Ausgehend von −70 mV steigt das Potenzial schnell auf +30 mV, fällt dann über den Ausgangswert hinaus auf etwa −80 mV ab und kehrt danach auf −70 mV zurück.

1. a) Ordnen Sie die vier Phasen der Kurve (Depolarisation, Repolarisation, Hyperpolarisation, Ruhepotenzial) in der richtigen Reihenfolge den beschriebenen Abschnitten zu.

1. b) Geben Sie an, welche Ionenkanäle jeweils während der Depolarisation und der Repolarisation geöffnet sind.

Beschreiben Sie die Funktion der Natrium-Kalium-Pumpe und geben Sie an, wie viele Na⁺- und K⁺-Ionen pro Pumpzyklus in welche Richtung transportiert werden und welche Energiequelle genutzt wird.

Die Kaliumkonzentration beträgt in einer Nervenzelle etwa 140 mmol/L, im Extrazellularraum 4 mmol/L. Das Gleichgewichtspotenzial für K⁺ bei 37 °C lässt sich mit $E_K = 61\,\text{mV} \cdot \lg\frac{c_{außen}}{c_{innen}}$ abschätzen.

1. a) Berechnen Sie $E_K$.

1. b) Der Extrazellularraum wird mit einer Lösung mit 20 mmol/L K⁺ umspült. Berechnen Sie das neue $E_K$ und beschreiben Sie die zu erwartende Veränderung des Ruhepotenzials.

An einem isolierten Riesenaxon wird das Ruhepotenzial gemessen. Anschließend wird das Gift Ouabain zugegeben, das die Natrium-Kalium-Pumpe hemmt. In den ersten Minuten sinkt das Ruhepotenzial nur langsam, nach etwa einer Stunde ist es deutlich vermindert.

1. a) Erklären Sie, warum das Ruhepotenzial zunächst nur langsam abnimmt.

1. b) Erklären Sie die Abnahme nach längerer Zeit mithilfe der Ionenkonzentrationen.

Ein Forschungsteam der Universität Heidelberg behandelt eine Nervenzelle mit Tetraethylammonium (TEA), das spannungsgesteuerte K⁺-Kanäle blockiert, und reizt sie überschwellig.

1. a) Formulieren Sie eine begründete Hypothese zur Veränderung der Aktionspotenzialkurve.

1. b) Beschreiben Sie, wie Sie die Hypothese anhand der Messkurve überprüfen könnten.

Bei einem Experiment wird die extrazelluläre K⁺-Konzentration schrittweise von 4 auf 10, 40 und 100 mmol/L erhöht (innen konstant 140 mmol/L). Gemessen werden Ruhepotenziale von −88 mV, −66 mV, −30 mV und −7 mV.

1. a) Berechnen Sie mit $E_K = 61\,\text{mV}\cdot\lg\frac{c_{außen}}{c_{innen}}$ die K⁺-Gleichgewichtspotenziale für jede Konzentration.

1. b) Vergleichen Sie diese mit den gemessenen Werten und erklären Sie die Abweichungen.

1. c) Erläutern Sie, warum bei 100 mmol/L K⁺ keine Aktionspotenziale mehr ausgelöst werden können.

Eine Messkurve zeigt, dass ein Neuron nach Gabe von Tetrodotoxin (TTX, blockiert spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle) auf einen Reiz nur noch eine geringe Depolarisation von −70 auf −60 mV zeigt, die mit der Reizstärke zunimmt, aber kein Aktionspotenzial auslöst.

1. a) Erklären Sie die Beobachtung molekular.

1. b) Erläutern Sie, warum diese Beobachtung zeigt, dass die Schwelle des Aktionspotenzials von spannungsgesteuerten Na⁺-Kanälen abhängt.

1. c) Beurteilen Sie, welche Folge eine Vergiftung durch TTX für den Organismus hätte.

Ein Neuron wird wiederholt mit zwei gleich starken überschwelligen Reizen im Abstand von 1 ms, 3 ms und 8 ms gereizt. Beim Abstand 1 ms folgt nur ein Aktionspotenzial, bei 3 ms ein zweites mit verringerter Amplitude, bei 8 ms ein zweites normales Aktionspotenzial.

1. a) Erklären Sie die Beobachtungen mit absoluter und relativer Refraktärphase auf Ebene der Ionenkanäle.

1. b) Erläutern Sie die Bedeutung der Refraktärzeit für die Richtung der Erregungsleitung und die maximale Frequenz.