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AbituraufgabenDas Aktionspotenzial

Eine Messkurve in Phasen gliedern, Leitfähigkeiten deuten und mit Spannungsklemme, Tetrodotoxin und Tetraethylammonium die Ionenströme am Axon auseinandernehmen.

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Messkurve und Leitfähigkeiten

AFB I–II

HODGKIN und HUXLEY beschrieben 1952 am Riesenaxon des Tintenfischs erstmals quantitativ, wie sich die Durchlässigkeit der Membran während eines AP ändert. M1 zeigt ein AP, M2 die zugehörigen Leitfähigkeiten für Na⁺ und K⁺ in einem darauf beruhenden Modell.

M1Aktionspotenzial an einem Axon (vereinfachte Modellwerte)
−100−80−60−40−2002040012345678Membranpotenzial in mVZeit in msABCDEReiz
Gemessen mit einer Mikroelektrode im Axon; der Reiz ist ein kurzer Stromstoß von 0,3 ms.
M2Leitfähigkeit der Membran für Na⁺ und K⁺ während des AP aus M1 (Modellwerte)
05101520012345678Leitfähigkeit in mS/cm²Zeit in msNa⁺K⁺
Die Leitfähigkeit ist ein Maß dafür, wie viele Kanäle für das jeweilige Ion geöffnet sind.
  1. Beschreiben Sie den Verlauf des AP in M1 und benennen Sie die Phasen, die durch die Punkte A bis E markiert sind.
  2. Ermitteln Sie aus M1 die Amplitude des AP (vom Ruhepotenzial bis zur Spitze), den Overshoot und die Dauer, während der das Potenzial oberhalb von −50 mV liegt.
  3. Erläutern Sie den Verlauf des AP mithilfe von M2 durch die Zustände der spannungsgesteuerten Ionenkanäle und die Ionenströme.
  4. Eine Schülerin behauptet: „Die Hyperpolarisation entsteht, weil die Na⁺-K⁺-Pumpe nach dem AP das eingeströmte Na⁺ besonders schnell hinauspumpt.“ Beurteilen Sie diese Aussage mithilfe von M2.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Gehen Sie vom Ruhepotenzial aus und folgen Sie der Kurve bis zur Rückkehr.
Hinweis zu Aufgabe b)
Amplitude = Spitze minus Ruhepotenzial; der Overshoot ist der Teil oberhalb von 0 mV.
Hinweis zu Aufgabe c)
Vergleichen Sie, wann die beiden Leitfähigkeiten steigen und fallen, und ordnen Sie dies den Phasen aus M1 zu.
Hinweis zu Aufgabe d)
Welche Leitfähigkeit ist während der Hyperpolarisation noch erhöht?Beurteilen: Zu einem Sachverhalt ein selbstständiges Urteil unter Verwendung von Fachwissen und Fachmethoden formulieren und begründen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Bis 1 ms liegt das Ruhepotenzial von −70 mV vor (A). Nach dem kurzen Reiz steigt das Potenzial zunächst langsam, dann ab etwa −50 mV sehr steil an (B, Depolarisation) und erreicht nach etwa 1 ms eine Spitze von etwa +35 mV (C, Overshoot). Danach fällt es fast ebenso rasch wieder ab (D, Repolarisation), unterschreitet das Ruhepotenzial und erreicht bei etwa 3,3 ms einen Tiefstwert von etwa −88 mV (E, Hyperpolarisation). Anschließend kehrt das Potenzial langsam, innerhalb von einigen Millisekunden, auf das Ruhepotenzial zurück.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Amplitude: +35 mV − (−70 mV) ≈ 105 mV. Overshoot: etwa 35 mV über 0 mV. Das Potenzial liegt etwa von 1,2 ms bis 2,5 ms oberhalb von −50 mV, also etwa 1,3 ms lang (Werte je nach Ablesung ±0,2 ms).

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

In Ruhe sind beide Leitfähigkeiten sehr klein. Der Reiz depolarisiert die Membran; ab dem Schwellenwert öffnen sich die Aktivierungstore spannungsgesteuerter Na⁺-Kanäle. Na⁺ strömt entlang seines Konzentrations- und Ladungsgefälles ein, die Membran depolarisiert weiter, wodurch sich noch mehr Na⁺-Kanäle öffnen (positive Rückkopplung): Die Na⁺-Leitfähigkeit steigt steil auf etwa 16 mS/cm², das Potenzial steigt bis in den Overshoot. Kurz darauf schließen die Inaktivierungstore die Na⁺-Kanäle, die Na⁺-Leitfähigkeit fällt ab. Gleichzeitig öffnen sich verzögert die spannungsgesteuerten K⁺-Kanäle (Maximum etwa 9 mS/cm²); K⁺ strömt aus und repolarisiert die Membran. Weil die K⁺-Kanäle nur langsam schließen, bleibt die K⁺-Leitfähigkeit noch erhöht, wenn das Ruhepotenzial schon erreicht ist; das Potenzial nähert sich dem K⁺-Gleichgewichtspotenzial (Hyperpolarisation). Mit dem Schließen der K⁺-Kanäle kehrt es auf −70 mV zurück.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Aussage ist nicht haltbar. M2 zeigt, dass während der Hyperpolarisation (etwa 2,6–6 ms) die K⁺-Leitfähigkeit noch deutlich erhöht ist, die Na⁺-Leitfähigkeit dagegen nahe null liegt. Die Hyperpolarisation entsteht also durch den anhaltenden K⁺-Ausstrom durch langsam schließende spannungsgesteuerte K⁺-Kanäle, wodurch sich das Potenzial E(K⁺) ≈ −90 mV nähert. Die Na⁺-K⁺-Pumpe arbeitet ständig und langsam; bei einem einzelnen AP verschieben sich nur sehr wenige Ionen, die sie erst über längere Zeit zurücktransportiert. Sie ist für die Hyperpolarisation daher nicht verantwortlich, sondern für die langfristige Erhaltung der Konzentrationsgefälle.

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Ionenströme unter Spannungsklemme

AFB II–III

Mit der Spannungsklemme (voltage clamp) hielten HODGKIN und HUXLEY das Membranpotenzial eines Tintenfischaxons auf festen Werten und maßen den Strom durch die Membran (M3). Später trennte man die Stromanteile mit Kanalblockern (M4).

M3Membranstrom bei Spannungsklemme (vereinfachte Modellwerte)
−1−0,500,511,52012345678Membranstrom in mA/cm²Zeit in msSprung auf −10 mVauswärts ↑einwärts ↓
Das Membranpotenzial wird bei t = 1 ms von −70 mV auf −10 mV gesetzt und dort festgehalten. Einwärtsströme positiver Ladung sind negativ, Auswärtsströme positiv aufgetragen; der kurze Umladestrom der Membran beim Sprung ist weggelassen.
M4Dieselbe Messung nach Zugabe von Tetraethylammonium (TEA) bzw. Tetrodotoxin (TTX)
−1−0,500,511,52012345678Membranstrom in mA/cm²Zeit in msmit TEAmit TTX
TEA blockiert spannungsgesteuerte K⁺-Kanäle, TTX spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle.
  1. Beschreiben Sie das Prinzip der Spannungsklemme und den Verlauf des Membranstroms in M3.
  2. Werten Sie M4 aus und leiten Sie ab, welche Ionen die beiden Anteile des Membranstroms aus M3 tragen.
  3. Weisen Sie anhand abgelesener Werte bei 1,4 ms und bei 4 ms nach, dass sich der Membranstrom in M3 aus den beiden Stromanteilen in M4 zusammensetzt.
  4. Ein Schüler folgert aus M3: „Solange die Membran depolarisiert ist, bleiben die Na⁺-Kanäle geöffnet.“ Nehmen Sie Stellung zu dieser Aussage und beziehen Sie dabei die Bedeutung für den Ablauf eines AP ein.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Was wird festgehalten, was wird gemessen? Achten Sie auf das Vorzeichen des Stroms.
Hinweis zu Aufgabe b)
Welcher Stromanteil verschwindet, wenn welcher Kanal blockiert ist?
Hinweis zu Aufgabe c)
Lesen Sie beide Kurven aus M4 zum gleichen Zeitpunkt ab und addieren Sie die Werte.
Hinweis zu Aufgabe d)
Die Membran bleibt in M3 dauerhaft bei −10 mV — was geschieht trotzdem mit dem Einwärtsstrom?Stellung nehmen: Zu einem Sachverhalt nach kritischer Prüfung und sorgfältiger Abwägung eine eigene begründete Position beziehen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Bei der Spannungsklemme misst eine Elektrode im Axon das Membranpotenzial; ein Verstärker gibt über eine zweite Elektrode genau so viel Strom ab, dass das Potenzial auf dem eingestellten Wert bleibt. Dieser Strom ist entgegengesetzt gleich dem Ionenstrom durch die Membran und macht ihn damit messbar. In M3 fließt bei −70 mV kein nennenswerter Strom. Nach dem Sprung auf −10 mV entsteht zunächst ein kurzer Einwärtsstrom (negative Werte) mit einem Maximum von etwa −0,85 mA/cm² nach rund 0,4 ms. Er geht innerhalb von etwa 1 ms in einen Auswärtsstrom über, der verzögert ansteigt und sich bei etwa +1,7 mA/cm² einpendelt; er bleibt bestehen, solange die Spannung gehalten wird.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Mit TEA sind die K⁺-Kanäle blockiert: Übrig bleibt nur der frühe, kurze Einwärtsstrom (Minimum etwa −0,97 mA/cm²). Er fließt also durch Na⁺-Kanäle und wird von Na⁺ getragen, das entlang seines Konzentrations- und Ladungsgefälles einströmt. Mit TTX sind die Na⁺-Kanäle blockiert: Übrig bleibt nur der verzögerte, anhaltende Auswärtsstrom (bis etwa +1,7 mA/cm²). Er fließt durch K⁺-Kanäle und wird von K⁺ getragen, das nach außen strömt. Der Membranstrom in M3 besteht folglich aus einem frühen Na⁺-Einstrom und einem späten K⁺-Ausstrom.

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Bei 1,4 ms: Na⁺-Anteil (mit TEA) ≈ −0,98 mA/cm², K⁺-Anteil (mit TTX) ≈ +0,13 mA/cm², Summe ≈ −0,85 mA/cm²; M3 zeigt ≈ −0,85 mA/cm². Bei 4 ms: Na⁺-Anteil ≈ −0,02 mA/cm², K⁺-Anteil ≈ +1,51 mA/cm², Summe ≈ +1,48 mA/cm²; M3 zeigt ≈ +1,48 mA/cm². Die Summen stimmen im Rahmen der Ablesegenauigkeit mit dem Gesamtstrom überein; der Membranstrom ist die Summe aus Na⁺- und K⁺-Strom, die unabhängig voneinander fließen.

Erwartungshorizont zu Aufgabe d)

Die Aussage trifft nicht zu. Obwohl die Membran in M3 durchgehend bei −10 mV gehalten wird, nimmt der Einwärtsstrom nach etwa 0,4 ms wieder ab und ist nach etwa 2 ms praktisch verschwunden (M4, Kurve mit TEA). Die Na⁺-Kanäle öffnen sich also bei Depolarisation nur vorübergehend und werden dann trotz anhaltender Depolarisation durch ihre Inaktivierungstore verschlossen. Die K⁺-Kanäle dagegen bleiben geöffnet, solange die Depolarisation besteht. Für das AP ist diese Inaktivierung entscheidend: Sie beendet den Na⁺-Einstrom nach etwa 1 ms und ermöglicht zusammen mit dem verzögerten K⁺-Ausstrom die Repolarisation. Da inaktivierte Kanäle erst nach der Repolarisation wieder aktivierbar werden, erklärt sie auch die Refraktärzeit. Richtig an der Aussage ist nur, dass die Na⁺-Kanäle durch Depolarisation geöffnet werden.