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Aufgabenblock — AFB II
Zehn Aufgaben, in denen Wissen aus mehreren Unterkapiteln zusammenkommt: Befunde erklären, Verrechnung durchspielen, Signalwege einordnen. Drei gestufte Tipps helfen beim Ansatz.
A1
Ionen verschieben das Ruhepotenzial
AFB IILeiten Sie für jede Veränderung ab, wie sich das Ruhepotenzial eines Axons (−70 mV) verschiebt.
Setzen Sie in jeder Zeile das passende Kreuz — hier ist es genau eins pro Zeile. Enter setzt und löscht.
| Veränderung | negativer | weniger negativ | praktisch unverändert |
|---|---|---|---|
| Die K⁺-Konzentration außen steigt von 5 auf 20 mmol/L. | |||
| In die Membran werden zusätzliche K⁺-Leckkanäle eingebaut. | |||
| Die wenigen offenen Na⁺-Leckkanäle werden blockiert. | |||
| Zusätzliche Na⁺-Leckkanäle öffnen sich. | |||
| Tetrodotoxin blockiert die spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle. |
Mehr K⁺-Leitfähigkeit oder weniger Na⁺-Leckstrom bringen das Potenzial näher an E(K⁺) ≈ −90 mV. Ein kleineres K⁺-Gefälle oder mehr Na⁺-Leckstrom depolarisieren. Die spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle sind in Ruhe geschlossen — ihr Blocker ändert das Ruhepotenzial kaum.
Das Ruhepotenzial liegt zwischen E(K⁺) und E(Na⁺) — näher an dem Ion mit der größeren Durchlässigkeit.
Wird das Konzentrationsgefälle für K⁺ kleiner, strömt weniger K⁺ aus.
negativer: mehr K⁺-Kanäle, Na⁺-Leck blockiert · weniger negativ: K⁺ außen erhöht, mehr Na⁺-Leck · unverändert: TTX.
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Das Ruhepotenzial ist ein Kompromiss: K⁺ zieht es Richtung −90 mV, der kleine Na⁺-Leckstrom Richtung +60 mV. Zusätzliche K⁺-Leckkanäle oder blockierte Na⁺-Leckkanäle verschieben das Gewicht zu K⁺ — das Potenzial wird negativer. Mehr Na⁺-Leck oder ein kleineres K⁺-Gefälle (mehr K⁺ außen) depolarisieren. TTX blockiert nur die spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle, die in Ruhe ohnehin geschlossen sind; das Ruhepotenzial bleibt, nur APs werden unmöglich.
A2
Lidocain beim Zahnarzt
AFB IIMaterial: Betäubung vor dem Bohren
Die Zahnärztin spritzt das Lokalanästhetikum Lidocain in die Nähe des Nervs, der den Zahn versorgt. Lidocain blockiert spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle von Axonen. Nach wenigen Minuten spürt die Patientin am Zahn nichts mehr; nach einigen Stunden kehrt das Gefühl zurück.
Begründen Sie, warum der Zahn nach der Spritze taub ist: Markieren Sie alle zutreffenden Aussagen.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Ohne offene spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle keine Depolarisationsphase — der Nerv leitet nicht mehr. Das Ruhepotenzial beruht auf Leckkanälen und bleibt; die Wirkung ist deshalb vollständig umkehrbar, wenn Lidocain abgebaut ist.
Welche Phase des AP hängt von spannungsgesteuerten Na⁺-Kanälen ab?
Lidocain wirkt am Nerv, nicht an der Sinneszelle und nicht an einer Synapse.
Drei Aussagen stimmen: kein AP, Meldung erreicht das Gehirn nicht, Ruhepotenzial bleibt.
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Lidocain blockiert die spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle der Axone. Ein Reiz im Zahn kann Sinneszellen noch erregen, doch im betäubten Nervenabschnitt entsteht kein neues AP: Die Depolarisation durch Ausgleichsströme reicht nicht, weil der lawinenartige Na⁺-Einstrom fehlt. Die Erregung erreicht das Gehirn nicht, der Zahn ist taub. Das Ruhepotenzial hängt von K⁺-Leckkanälen ab und bleibt erhalten; eine Synapse ist nicht beteiligt.
A3
Ein Motoneuron wägt ab
AFB IIMaterial: Vier Synapsen an einem Motoneuron (Modellwerte)
Ruhepotenzial −70 mV, Schwellenwert −50 mV. Am Axonhügel bewirken die erregenden Synapsen A und B je +6 mV, die erregende Synapse C +9 mV und die hemmende Synapse D −5 mV. Vereinfachend addieren sich gleichzeitige PSP vollständig.
Erläutern Sie die Verrechnung am Axonhügel, indem Sie in jeder Situation die richtige Karte wählen.
Spielen Sie den Weg Schritt für Schritt durch: Was ist jetzt richtig? Nur die richtige Karte bringt Sie weiter.
EPSP gehen positiv, IPSP negativ in die Summe am Axonhügel ein. Gleichzeitige PSP verschiedener Synapsen addieren sich räumlich, dicht folgende PSP derselben Synapse zeitlich; das Ergebnis entscheidet, ob der Schwellenwert erreicht wird.
Starten Sie jedes Mal bei −70 mV und addieren Sie mit Vorzeichen.
Zeitliche Summation: Dieselbe Synapse liefert zwei EPSP, die sich addieren.
Endwerte: −58, −49, −54, −45 mV.
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A und B summieren sich räumlich auf −58 mV — noch 8 mV unter dem Schwellenwert. Mit C erreicht die Summe −49 mV, ein AP entsteht. Das IPSP von D senkt die Summe auf −54 mV; das AP bleibt aus. Feuert C zweimal dicht hintereinander, kommt durch zeitliche Summation ein weiteres EPSP von 9 mV hinzu: −45 mV, die Hemmung wird überwunden. Real addieren sich PSP nicht ganz vollständig; das Modell zeigt das Prinzip.
A4
Zwei Elektroden am Nerv
AFB IIMaterial: Messung am Schwanznerv einer Ratte (Modellwerte)
Der Nerv wird an der Schwanzwurzel elektrisch gereizt. Elektrode E1 registriert die Erregung 1,0 ms nach dem Reiz, die 60 mm weiter entfernte Elektrode E2 nach 2,5 ms.
Ermitteln Sie die Leitungsgeschwindigkeit Schritt für Schritt.
Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
- Laufzeit zwischen E1 und E2: ms
- Leitungsgeschwindigkeit der schnellsten Axone: m/s
- Zeit, die ein AP für 0,2 m Schwanzlänge braucht: ms
2,5 ms − 1,0 ms = 1,5 ms für 60 mm: 60 mm : 1,5 ms = 40 mm/ms = 40 m/s. Für 200 mm braucht das AP 200 : 40 = 5 ms. Weil nur die Differenz zweier Elektroden zählt, fallen Zeiten am Reizort heraus; der Wert spricht für markhaltige Axone.
Nur der Abstand und die Zeitdifferenz der beiden Elektroden zählen.
mm pro ms ergibt dieselbe Zahl wie m pro s.
1,5 ms · 40 m/s = 60 mm; 0,2 m : 40 m/s = 5 ms.
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Die Messung mit zwei Elektroden eliminiert alles, was vor E1 geschieht, etwa die Zeit, bis der Reiz den Schwellenwert erreicht. Aus 60 mm in 1,5 ms folgen 40 m/s. Das liegt weit über den etwa 1 m/s dünner markloser Axone und spricht für markhaltige Axone mit saltatorischer Erregungsleitung. Für 0,2 m braucht ein AP bei dieser Geschwindigkeit 5 ms.
A5
Befunde an der Synapse
AFB IIDeuten Sie die Versuchsbefunde: Stimmt jeweils die Aussage?
6 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Die Befunde zeigen Schritt für Schritt: Ca²⁺ koppelt AP und Freisetzung, ACh allein genügt für das EPSP, die Richtung ist festgelegt, das Enzym beendet die Wirkung, und Cholin wird recycelt.
Ordnen Sie jedem Befund einen Schritt der Übertragung zu.
Was passiert, wenn ein Schritt fehlt oder übersprungen wird?
Zwei Aussagen sind falsch: die Rückrichtung und das verkürzte EPSP.
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Ca²⁺ ist das Bindeglied zwischen AP und Exocytose — fehlt es außen, bleibt das EPSP aus. ACh allein öffnet die ligandengesteuerten Kanäle und erzeugt ein EPSP, auch ohne präsynaptisches AP. Umgekehrt kann die Postsynapse nicht rückwärts übertragen, weil sie keinen Transmitter freisetzt. Wird die Acetylcholinesterase gehemmt, wirkt ACh länger, das EPSP wird länger statt kürzer. Die synaptische Verzögerung von etwa 0,5 ms und das Cholin-Recycling bestätigen den chemischen Übertragungsweg.
A6
Welcher Code wo?
AFB IIBestimmen Sie für jeden Ort, in welcher Form die Stärke eines Dehnungsreizes dort verschlüsselt ist.
Wählen Sie in jedem Menü den passenden Eintrag. Alle Felder müssen stimmen.
| Ort | Form der Information |
|---|---|
| Membran eines Streckrezeptors bei Dehnung | |
| Axon des sensorischen Neurons | |
| synaptischer Spalt im Rückenmark | |
| Dendrit des Motoneurons | |
| Axon des Motoneurons | |
| Endplatte der Muskelfaser |
Auf dem Weg wechseln die Codes: Amplitude (Rezeptorpotenzial) → Frequenz (Axon) → Transmittermenge (Spalt) → Amplitude (EPSP, Endplattenpotenzial) → Frequenz (nächstes Axon).
Axone tragen nur gleich hohe APs.
Abgestufte Potenziale entstehen dort, wo ein Reiz oder ein Transmitter wirkt.
Frequenz: beide Axone · Transmittermenge: Spalt · Amplitude: Rezeptor, Dendrit, Endplatte.
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Die Reizstärke wird zunächst als Amplitude des Rezeptorpotenzials verschlüsselt. Am Axonanfang wird sie in eine AP-Frequenz übersetzt, weil APs immer gleich hoch sind. Im Endknöpfchen bestimmt die Frequenz, wie viel Ca²⁺ einströmt und wie viel Transmitter frei wird; die Transmittermenge legt die Amplitude des EPSP am Dendriten bzw. des Endplattenpotenzials fest. Am Axon des Motoneurons ist die Information wieder frequenzcodiert.
A7
Drei Wege ins Zellinnere
AFB IIOrdnen Sie jeden Botenstoff an seiner Zielzelle dem passenden Wirkungsweg zu.
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).
1Membranrezeptor mit cAMP
2intrazellulärer Rezeptor
3ligandengesteuerter Ionenkanal
Hydrophile Botenstoffe bleiben außen: Entweder öffnen sie direkt einen Ionenkanal (Transmitter, Millisekunden) oder sie starten über G-Protein und cAMP eine Kaskade (Sekunden bis Minuten). Steroidhormone gelangen in die Zelle und verändern die Genexpression (Stunden).
Steroidhormone erkennt man an der Endung -on und -ol sowie an ihrer Herkunft aus Cholesterin.
Transmitter an Synapsen wirken schnell — über Kanäle, die sich beim Binden öffnen.
Je drei Karten pro Korb.
Lösung anzeigen
Glucagon, ADH und Duftstoffe wirken über Membranrezeptoren, G-Proteine und cAMP als second messenger; die Kaskade verstärkt das Signal. Cortisol, Aldosteron und Testosteron sind Steroidhormone: Sie diffundieren durch die Membran, binden an intrazelluläre Rezeptoren und wirken als Transkriptionsfaktoren. ACh, Glycin und Glutamat öffnen an Synapsen ligandengesteuerte Ionenkanäle und erzeugen EPSP oder IPSP innerhalb von Millisekunden.
A8
Fein oder grob gesteuert?
AFB IIMaterial: Zwei Muskeln des Menschen (gerundete Literaturwerte)
Ein äußerer Augenmuskel besteht aus rund 25 000 Muskelfasern, die von etwa 2 500 Motoneuronen versorgt werden. Ein Teil des Wadenmuskels besteht aus rund 1 100 000 Muskelfasern und wird von etwa 580 Motoneuronen versorgt.
Berechnen Sie, wie viele Muskelfasern eine motorische Einheit des Wadenmuskels im Mittel umfasst.
Eine motorische Einheit = ein Motoneuron mit allen seinen Muskelfasern.
Teilen Sie die Zahl der Fasern durch die Zahl der Motoneurone.
1 100 000 : 580 ≈ 1897.
Lösung anzeigen
Jede Muskelfaser gehört zu genau einer motorischen Einheit. Im Wadenmuskel versorgt ein Motoneuron im Mittel etwa 1900 Fasern, im Augenmuskel nur etwa 10. Wird ein Motoneuron aktiv, kontrahieren alle seine Fasern. Kleine Einheiten erlauben daher eine sehr feine Abstufung der Bewegung, große Einheiten erzeugen mit wenigen Motoneuronen viel Kraft.
A9
Sprünge von Ring zu Ring
AFB IIMaterial: Zwei Axone gleicher Länge (Modellwerte)
Ein markhaltiges Axon hat Ranvier-Schnürringe im Abstand von 1 mm; die Erregung braucht von Ring zu Ring 0,01 ms. Ein markloses Axon leitet mit 1 m/s. Beide Axone sind 0,6 m lang.
Ermitteln Sie die gesuchten Größen für beide Axone.
Füllen Sie alle Felder aus und prüfen Sie dann. Enter in einem Feld prüft ebenfalls. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
| Größe | Ergebnis |
|---|---|
| Leitungsgeschwindigkeit des markhaltigen Axons in m/s | |
| Anzahl der Sprünge auf 0,6 m | |
| Leitungszeit markhaltig in ms | |
| Leitungszeit marklos in ms |
1 mm in 0,01 ms = 100 mm/ms = 100 m/s. Auf 600 mm liegen 600 Abschnitte à 1 mm, also 600 Sprünge à 0,01 ms = 6 ms. Das marklose Axon braucht bei 1 m/s = 1 mm/ms 600 ms — hundertmal so lange.
Rechnen Sie in mm und ms — dann entspricht mm/ms genau m/s.
Jeder Sprung überbrückt einen Abschnitt von 1 mm.
100 m/s · 600 Sprünge · 6 ms · 600 ms.
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Die Erregung springt je 1 mm in 0,01 ms, das sind 100 m/s. 0,6 m entsprechen 600 Sprüngen und damit 6 ms. Das gleich lange marklose Axon braucht 600 ms. APs entstehen beim markhaltigen Axon nur an 600 Schnürringen; beim marklosen Axon muss die Membran auf der ganzen Länge nacheinander erregt werden — deshalb ist die saltatorische Leitung schneller und verbraucht weniger ATP für die Na⁺-K⁺-Pumpe.
A10
Ein Lernzettel mit Fehlern
AFB IIÜberprüfen Sie den Lernzettel und markieren Sie alle fehlerhaften Zeilen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Hemmung zeigt sich erst an der Postsynapse, zeitlich und räumlich werden oft vertauscht, und Steroidhormone wirken im Zellinneren.
Prüfen Sie jede Zeile: Ort, Rezeptor, Zeitskala.
Wo entscheidet sich, ob eine Synapse hemmt?
Drei Zeilen sind falsch: 2, 3 und 5.
Lösung anzeigen
Zeile 2: An der Präsynapse läuft immer dasselbe AP ab; hemmend wird die Synapse durch den Cl⁻- oder K⁺-Kanal der Postsynapse. Zeile 3: Zeitliche Summation bedeutet, dass dieselbe Synapse so schnell hintereinander aktiv ist, dass sich ihre PSP überlagern; gleichzeitige PSP verschiedener Synapsen summieren räumlich. Zeile 5: Steroidhormone sind lipophil, binden an Rezeptoren im Cytoplasma oder Zellkern und verändern die Genexpression — cAMP ist der second messenger hydrophiler Hormone.