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Übungen: Die neuromuskuläre Synapse

Motorische Einheiten, Sicherheitsfaktor und Alles-oder-Nichts — nachrechnen, vergleichen und aus klassischen Versuchen die richtigen Schlüsse ziehen.

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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
Kennzeichen der Endplatte
AFB I

Nennen Sie alle Merkmale, die auf die motorische Endplatte eines Skelettmuskels zutreffen.

Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Die Endplatte ist eine rein erregende cholinerge Synapse mit gefalteter, rezeptorreicher Membran. Jede Faser hat meist nur eine Endplatte und gehört zu genau einem Motoneuron. Das EPP entsteht an ligandengesteuerten Kanälen; spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle erzeugen erst das Muskel-AP.
Denken Sie an die Einfaltungen und daran, wie sicher die Übertragung ist.
Vier Aussagen sind richtig.
A2
Begriffe vom Nerv zum Muskel
AFB I

Ordnen Sie jedem Begriff die passende Beschreibung zu.

Klicken Sie links einen Eintrag an und dann rechts den passenden — es entsteht eine Verbindungslinie. Mit der Tastatur: Enter zum Auswählen, ↑/↓ zum Wandern.
Vom Motoneuron über die Endplatte bis ins Faserinnere: Die Einfaltungen sorgen für ein großes EPP, der Sicherheitsfaktor beschreibt, wie weit es über dem Nötigen liegt, und das sarkoplasmatische Retikulum liefert das Ca²⁺ für die Kontraktion.
Unterscheiden Sie zwischen einer Zelle, einer Gruppe von Zellen und einer Kontaktstelle.
Der Sicherheitsfaktor ist ein Verhältnis zweier Spannungen.
A3
Vom Nervenimpuls zur Zuckung
AFB I

Geben Sie die Reihenfolge der Vorgänge an, die von einem AP im Motoneuron bis zur Kontraktion der Muskelfaser ablaufen.

Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1Das AP erreicht die Axonendigung an der Endplatte.
2Ca²⁺ strömt ein, Vesikel geben ACh in den synaptischen Spalt ab.
3ACh öffnet Rezeptoren in den Einfaltungen der Endplatte.
4Na⁺ strömt ein, es entsteht das Endplattenpotenzial.
5Neben der Endplatte öffnen spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle: ein Muskel-AP entsteht.
6Das Muskel-AP läuft über die Faser und in die T-Tubuli.
7Das sarkoplasmatische Retikulum setzt Ca²⁺ frei, die Faser kontrahiert.
Zwei Mal wird Ca²⁺ gebraucht: in der Axonendigung für die Exocytose und in der Muskelfaser für die Kontraktion. Dazwischen liegen EPP (ligandengesteuert) und Muskel-AP (spannungsgesteuert).
Die Kette beginnt präsynaptisch und endet im Faserinneren.
Das EPP kommt vor dem Muskel-AP.
A4
EPP und Muskel-AP
AFB II

Vergleichen Sie das Endplattenpotenzial mit dem Aktionspotenzial der Muskelfaser.

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 Endplattenpotenzial
2 beide
3 nur Muskel-AP
Beide depolarisieren die Fasermembran durch Na⁺-Einstrom. Das EPP ist abgestuft und lokal, das Muskel-AP ist ein Alles-oder-Nichts-Signal, das sich fortpflanzt und die Kontraktion auslöst.
Fragen Sie bei jedem Merkmal: Welche Kanäle sind beteiligt?
Drei Merkmale gehören nur zum EPP, zwei zu beiden.
A5
Wie sicher ist die Übertragung?
AFB II

Eine Muskelfaser einer Ratte hat ein Ruhepotenzial von −80 mV und einen Schwellenwert von −55 mV. Ihr EPP hätte ohne aufgesetztes AP eine Höhe von 50 mV (Modellwerte). Vereinfacht gilt: Das EPP ist proportional zur Zahl freier ACh-Rezeptoren. Berechnen Sie schrittweise.

Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
  1. Depolarisation, die für ein Muskel-AP mindestens nötig ist: mV
  2. Sicherheitsfaktor (EPP : nötige Depolarisation):
  3. Höhe des EPP, wenn Curare 60 % der Rezeptoren blockiert: mV
  4. Anteil der Rezeptoren, der höchstens blockiert sein darf, damit gerade noch ein AP entsteht: %
Nötig sind −55 − (−80) = 25 mV. Sicherheitsfaktor 50 : 25 = 2. Bei 60 % Blockade bleiben 40 % der Rezeptoren: 0,4 · 50 mV = 20 mV — unterschwellig. Gerade noch überschwellig ist das EPP bei 25 mV, also bei 50 % freien Rezeptoren: Bis zur Hälfte darf blockiert sein.
Die nötige Depolarisation ist der Abstand zwischen Ruhepotenzial und Schwellenwert.
Bei x % Blockade gilt: EPP = (100 − x) % von 50 mV.
A6
Was verändert das EPP?
AFB II

Ermitteln Sie, wie sich die Höhe des Endplattenpotenzials jeweils verändert.

Setzen Sie in jeder Zeile das passende Kreuz — hier ist es genau eins pro Zeile. Enter setzt und löscht.
VeränderungEPP größerEPP kleinerEPP unverändert
Antikörper haben die Hälfte der ACh-Rezeptoren zerstört.
Die Acetylcholinesterase ist teilweise gehemmt.
Die Ca²⁺-Konzentration der Außenlösung wird deutlich gesenkt.
Der Nerv wird mit doppelter (überschwelliger) Reizstärke gereizt.
Ein Stoff blockiert nur die spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle der Muskelfaser.
Die Curare-Dosis wird etwas erhöht.
Jedes Vesikel enthält mehr ACh-Moleküle als üblich.
Das EPP wächst mit der ACh-Menge und der Verweildauer von ACh im Spalt, es sinkt mit weniger freien Rezeptoren oder weniger Exocytose (Ca²⁺-abhängig). Eine stärkere Reizung ändert das Alles-oder-Nichts-AP des Axons nicht, und die spannungsgesteuerten Kanäle der Faser sind am EPP gar nicht beteiligt.
Überlegen Sie für jede Zeile: Ändert sich die ACh-Menge, die Wirkdauer von ACh oder die Zahl freier Rezeptoren?
Zwei Zeilen lassen das EPP unverändert.
A7
Warum nicht stärker?
MixAFB II

Ein stärkerer Reiz am Motoneuron lässt eine einzelne Muskelfaser nicht stärker zucken. Erläutern Sie das mit Wissen aus 6.1.3 und dem Kapitel Zellatmung. 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.

Das AP des Motoneurons folgt dem -Prinzip: Ein stärkerer Reiz ändert seine Höhe nicht, ein länger anhaltender Reiz erhöht höchstens die der AP. Jedes AP setzt etwa gleich viel ACh frei, und das ist jedes Mal überschwellig; auch das Muskel-AP ist stets gleich groß. Damit die Faser wieder erschlafft, pumpt das das Ca²⁺ unter Verbrauch von zurück, das vor allem in den gebildet wird.

Die Stärke eines Reizes wird im Nervensystem nicht über die Höhe, sondern über die Frequenz der AP weitergegeben. Die Rückführung von Ca²⁺ ist aktiver Transport und braucht ATP aus der Zellatmung.
Welche Größe eines AP kann sich überhaupt ändern?
Ca²⁺ wird gegen sein Konzentrationsgefälle zurückgepumpt.
A8
Trickaufgabe: Kraft in Stufen
TrickAFB III

Ein Schüler reizt den Nerv eines Froschmuskels mit steigender Reizstärke. Die Kraft des ganzen Muskels steigt in vielen kleinen Stufen an. Er folgert: „Für Muskeln gilt das Alles-oder-Nichts-Prinzip nicht.“ Legen Sie sich bei jeder Frage auf die zutreffende Antwort fest.

Wählen Sie in jedem Menü den passenden Eintrag. Alle Felder müssen stimmen.
FrageAntwort
Warum steigt die Kraft mit der Reizstärke?
Wie reagiert eine einzelne Muskelfaser auf einen Einzelreiz steigender Stärke?
Ist die Folgerung des Schülers richtig?
Die Falle: vom ganzen Muskel auf die einzelne Faser zu schließen. Ein Nerv enthält viele Axone mit unterschiedlichen Schwellen; mit wachsender Reizstärke werden immer mehr motorische Einheiten erregt. Jede Faser antwortet dabei nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip.
Ein Nerv ist ein Bündel aus vielen Axonen.
Unterscheiden Sie zwischen ganzem Muskel und einzelner Faser.
A9
Ein Lernzettel mit Fehlern
AFB III

Ein Schüler hat einen Lernzettel zur Endplatte geschrieben. Überprüfen Sie seine Aussagen.

In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Drei Fehler: Das EPP bleibt lokal, das Muskel-AP ist nicht abgestuft, und das Ca²⁺ für die Kontraktion kommt aus dem Speicher der Muskelfaser selbst, nicht aus der Nervenendigung.
Prüfen Sie bei jeder Aussage, ob vom EPP oder vom Muskel-AP die Rede ist.
Drei Aussagen sind falsch.
A10
Wo wirkt das Pfeilgift?
AFB III

Schon im 19. Jahrhundert untersuchte der Physiologe Claude BERNARD Froschpräparate mit hoch dosiertem Curare. Beurteilen Sie Schritt für Schritt, was die Befunde über den Angriffsort beweisen.

Spielen Sie den Weg Schritt für Schritt durch: Was ist jetzt richtig? Nur die richtige Karte bringt Sie weiter.
    Ein klassisches Ausschlussverfahren: Muskel direkt reizbar, Nerv leitet trotz Curare — also muss die Störung an der Verbindung zwischen beiden liegen, der motorischen Endplatte.
    Prüfen Sie nacheinander Nerv, Endplatte und Muskelfaser.
    Ein Ort scheidet aus, wenn er trotz Curare normal funktioniert.