Phasen zuordnen, Kanäle vergleichen, Ionen zählen und einen einzelnen Na⁺-Kanal durch ein AP begleiten — mit einer Falle rund um den Overshoot.
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Übungsaufgaben
Zehn Übungen zum Klicken, Zuordnen, Rechnen und Knobeln — von AFB I bis AFB III, mit einer Mix-Aufgabe aus früheren Unterkapiteln und einer Trickaufgabe. Jede Übung gibt sofort Rückmeldung; bei Schwierigkeiten helfen die gestuften Tipps.
A1
Was geschieht wann?
AFB I
Ordnen Sie jeden Vorgang der Phase des AP zu, in der er stattfindet.
Ziehen Sie jede Karte in den passenden Korb — oder wählen Sie sie mit Enter aus und drücken Sie dann die Ziffer des Korbs (0 legt sie zurück).
1Depolarisation
2Repolarisation
3Hyperpolarisation
Depolarisation: Na⁺-Einstrom mit positiver Rückkopplung. Repolarisation: Inaktivierung der Na⁺-Kanäle und K⁺-Ausstrom. Hyperpolarisation: Die K⁺-Kanäle schließen langsam, das Potenzial nähert sich E(K⁺).
Welches Ion bestimmt jeweils das Geschehen?
Jede Phase erhält zwei Karten.
A2
Zwei Kanäle im Vergleich
AFB I
Geben Sie für jedes Merkmal an, ob es für den spannungsgesteuerten Na⁺-Kanal, den spannungsgesteuerten K⁺-Kanal oder für beide gilt.
Ordnen Sie jedes Merkmal einem der drei Bereiche zu. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, dann 1–3 für den Bereich, 0 zurück.
1 nur Na⁺-Kanal
2 beide
3 nur K⁺-Kanal
Beide Kanäle sind spannungsgesteuerte, ionenselektive Tunnelproteine, die bei Depolarisation öffnen. Nur der Na⁺-Kanal öffnet schnell und inaktiviert; der K⁺-Kanal öffnet verzögert und schließt erst wieder, wenn die Membran repolarisiert ist.
Beide Kanäle werden durch dieselbe Veränderung des Membranpotenzials geöffnet.
Nur ein Kanaltyp hat zwei Tore.
A3
Alles oder nichts
AFB I
Nennen Sie alle Aussagen, die sich aus dem Alles-oder-Nichts-Prinzip ergeben.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Das AP ist eine Ja-Nein-Antwort: Unterhalb des Schwellenwerts entsteht keins, oberhalb immer ein vollständiges mit gleicher Höhe und Dauer. Die Reizstärke muss daher auf andere Weise verschlüsselt werden.
Denken Sie an einen Lichtschalter, nicht an einen Dimmer.
Vier Aussagen sind richtig.
A4
Das AP Schritt für Schritt
AFB II
Beschreiben Sie den Ablauf eines AP, indem Sie die Vorgänge in die richtige Reihenfolge bringen.
Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Ein Reiz depolarisiert die Membran am Axonhügel.
2Bei etwa −50 mV öffnen sich die ersten spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle.
3Einströmendes Na⁺ depolarisiert weiter und öffnet immer mehr Na⁺-Kanäle.
4Die Innenseite wird gegenüber außen positiv (Overshoot).
5Die Na⁺-Kanäle inaktivieren; verzögert öffnen sich die K⁺-Kanäle.
6Der K⁺-Ausstrom repolarisiert die Membran.
7Langsam schließende K⁺-Kanäle führen zur Hyperpolarisation.
Der Schwellenwert startet die positive Rückkopplung des Na⁺-Einstroms. Inaktivierung und verzögerter K⁺-Ausstrom beenden das AP; die Hyperpolarisation entsteht, weil die K⁺-Kanäle nach der Repolarisation noch offen sind.
Die Na⁺-Kanäle öffnen vor den K⁺-Kanälen.
Der Overshoot ist der Gipfel — danach beginnt die Rückkehr.
A5
Wie viele Ionen braucht ein AP?
AFB II
Eine Axonmembran hat eine elektrische Kapazität von etwa 1 µF je cm²: Um ihre Spannung um 1 V zu ändern, müssen je cm² 1 µC Ladung verschoben werden (Q = C · U). Ein Na⁺-Ion trägt die Ladung 1,6 · 10⁻¹⁹ C. Berechnen Sie die Mindestzahl an Na⁺-Ionen, die für den Anstieg von −70 mV auf +30 mV einströmen müssen.
Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
Ladung, die je cm² verschoben werden muss:nC
Anzahl der Na⁺-Ionen je cm² in Milliarden:Milliarden
Anzahl der Na⁺-Ionen je µm² (1 cm² = 10⁸ µm²):Ionen
ΔU = 100 mV = 0,1 V, also Q = 1 µF/cm² · 0,1 V = 0,1 µC = 100 nC je cm². 100 · 10⁻⁹ C : 1,6 · 10⁻¹⁹ C = 6,25 · 10¹¹ = 625 Milliarden Ionen je cm², das sind 6250 je µm². Im Riesenaxon des Tintenfischs mit Milliarden Na⁺-Ionen hinter jedem µm² ist das verschwindend wenig.
Die Spannungsänderung beträgt 100 mV = 0,1 V.
1 µC = 1000 nC; teilen Sie die Ladung durch die Ladung eines Ions.
A6
Ein Na⁺-Kanal erlebt ein AP
AFB II
Begleiten Sie einen einzelnen spannungsgesteuerten Na⁺-Kanal durch ein AP und erklären Sie so sein Verhalten.
Spielen Sie den Weg Schritt für Schritt durch: Was ist jetzt richtig? Nur die richtige Karte bringt Sie weiter.
Der Na⁺-Kanal durchläuft drei Zustände: geschlossen und aktivierbar → offen → inaktiviert → wieder aktivierbar. Die Inaktivierung erklärt das Ende des Na⁺-Einstroms und die Refraktärzeit.
Unterscheiden Sie „geschlossen, aber aktivierbar“ und „inaktiviert“.
Das Inaktivierungstor ist langsamer als das Aktivierungstor.
A7
Tausend APs und kein Leerlauf
MixAFB II
Ein Neuron feuert eine Minute lang viele APs. Erläutern Sie mithilfe Ihres Wissens zum Ruhepotenzial, warum es dennoch sein Ruhepotenzial behält. Zwei Wörter bleiben übrig.
Wort anklicken, dann Lücke anklicken (oder umgekehrt) — mit Tab und Enter geht es genauso. Ein Klick auf eine gefüllte Lücke legt das Wort zurück.
Bei einem AP strömen nur Ionen über die Membran; die im Zellinneren ändern sich dabei kaum. Nach sehr vielen APs würde sich das Zellinnere jedoch allmählich mit anreichern und verlieren. Die befördert unter Verbrauch von je Zyklus 3 Na⁺ hinaus und 2 K⁺ hinein und stellt so die Konzentrationsgefälle wieder her. Das Ruhepotenzial selbst entsteht weiterhin durch den K⁺-Ausstrom durch .
APs und Ruhepotenzial nutzen dieselben Gefälle: Das AP „verbraucht“ sie ein klein wenig, die Pumpe lädt sie unter ATP-Verbrauch nach. Das Ruhepotenzial bleibt ein Fließgleichgewicht aus Leckströmen und Pumpe.
Welche Ionen fließen beim AP in welche Richtung?
Das Ruhepotenzial beruht auf offenen K⁺-Kanälen, nicht auf den spannungsgesteuerten Kanälen.
A8
Trickaufgabe: Wie positiv ist der Overshoot?
TrickAFB III
Am Gipfel des AP misst man +30 mV. Legen Sie sich bei jeder Frage auf die zutreffende Antwort fest.
Wählen Sie in jedem Menü den passenden Eintrag. Alle Felder müssen stimmen.
Frage
Antwort
Wie hoch ist die Na⁺-Konzentration im Axon am Gipfel des AP im Vergleich zur Außenlösung?
Warum steigt das Potenzial nicht über etwa +30 mV hinaus?
Was bedeutet „+30 mV innen“?
Die Falle: sich einen massiven Na⁺-Einstrom vorzustellen. Für die Umpolung reicht eine hauchdünne Ladungsschicht an der Membran; die Konzentrationen bleiben praktisch unverändert. Das AP endet durch Inaktivierung der Na⁺-Kanäle und K⁺-Ausstrom, und es kann E(Na⁺) ≈ +60 mV grundsätzlich nicht überschreiten.
Wie viele Ionen braucht man für eine Umladung um 100 mV?
Am Gleichgewichtspotenzial eines Ions fließt dieses Ion nicht mehr netto.
A9
Gifte an den Na⁺-Kanälen
AFB III
Einige Tiergifte greifen gezielt an den spannungsgesteuerten Na⁺-Kanälen an. Beurteilen Sie die Aussagen über ihre Wirkung.
5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5
Wer die Aufgaben der beiden Tore kennt, kann Giftwirkungen vorhersagen: Ohne Inaktivierung keine Repolarisation und keine neuen APs; E(Na⁺) begrenzt jede Depolarisation durch Na⁺.
Welche Aufgabe hat das Inaktivierungstor für das Ende des AP?
Eine dauerhaft depolarisierte Membran ist nicht erregbar — die Na⁺-Kanäle können nicht in den Ruhezustand zurück.
A10
Ein Lernzettel mit Fehlern
AFB III
Eine Schülerin fasst das Aktionspotenzial zusammen. Überprüfen Sie ihre Aussagen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Drei Fehler: Beim Anstieg strömt Na⁺ ein, nicht K⁺; die Repolarisation ist ein Kanal-, kein Pumpvorgang; und in der relativen Refraktärzeit sind APs schwerer auszulösen und eher niedriger.
Prüfen Sie jede Aussage: Welches Ion, welcher Kanal, welche Phase?
