Messung am Tintenfischaxon
AFB I–IIDie ersten Messungen des Ruhepotenzials gelangen in den 1930er- und 1940er-Jahren an den Riesenaxonen von Tintenfischen. Diese Axone haben einen Durchmesser von bis zu 1 mm, sodass man Elektroden einführen und den Zellinhalt analysieren kann. M1 zeigt die Ionenkonzentrationen, M2 eine Messung beim Einstechen einer Mikroelektrode.
| Ion | innen in mmol/L | außen in mmol/L |
|---|---|---|
| K⁺ | 400 | 20 |
| Na⁺ | 50 | 440 |
| Cl⁻ | 52 | 560 |
| organische Anionen A⁻ | 385 | — |
- Beschreiben Sie die Messanordnung, die zu M2 führt, und den Verlauf der Messkurve.
- Erläutern Sie mithilfe von M1 die Entstehung des Ruhepotenzials am Tintenfischaxon.
- Berechnen Sie für K⁺, Na⁺ und Cl⁻ jeweils das Verhältnis der Konzentration außen zu innen und ermitteln Sie, bei welchem Ion Konzentrations- und Ladungsgefälle in dieselbe Richtung weisen.
- Ein Schüler behauptet: „Im Ruhezustand fließen keine Ionen über die Membran — sonst wäre es ja kein Ruhezustand.“ Beurteilen Sie diese Aussage.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Eine mit Salzlösung gefüllte Glaskapillare mit sehr feiner Spitze (Mikroelektrode) wird an das Axon herangeführt, eine Bezugselektrode liegt im Meerwasser; ein Oszilloskop zeigt die Spannung zwischen beiden. Solange sich beide Elektroden außen befinden, zeigt es 0 mV. Bei t = 4 ms durchdringt die Mikroelektrode die Membran, die Spannung springt schlagartig auf etwa −65 mV und bleibt danach konstant: Das Axoninnere ist gegenüber außen negativ, es liegt das Ruhepotenzial vor.
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Innen ist K⁺ 20-mal höher konzentriert als außen, Na⁺ außen fast 9-mal höher als innen; A⁻ kommen nur innen vor. In Ruhe ist die Membran vor allem für K⁺ durchlässig. K⁺ diffundiert deshalb durch Leckkanäle entlang seines Konzentrationsgefälles nach außen, die nicht membrangängigen A⁻ bleiben zurück: Die Innenseite wird negativ, die Außenseite positiv. Das entstehende Ladungsgefälle zieht K⁺ zurück; es stellt sich ein Zustand ein, in dem Aus- und Rückstrom gleich groß sind (nahe dem K⁺-Gleichgewichtspotenzial). Weil die Membran auch ein wenig für Na⁺ durchlässig ist und Na⁺ einströmt, liegt das Ruhepotenzial mit −65 mV etwas weniger negativ. Die Na⁺-K⁺-Pumpe befördert eingeströmtes Na⁺ und ausgeströmtes K⁺ unter ATP-Verbrauch zurück und erhält so die Gefälle (Fließgleichgewicht).
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
K⁺: 20 : 400 = 0,05; Na⁺: 440 : 50 = 8,8; Cl⁻: 560 : 52 ≈ 10,8. Die Innenseite ist negativ. Für Na⁺ weisen beide Gefälle nach innen: Es ist außen höher konzentriert und wird als Kation von der negativen Innenseite angezogen. Bei K⁺ zeigt das Konzentrationsgefälle nach außen, das Ladungsgefälle nach innen. Bei Cl⁻ zeigt das Konzentrationsgefälle nach innen, die negative Innenseite stößt das Anion aber ab — auch hier wirken die Gefälle gegeneinander.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Die Aussage ist nicht haltbar. Ruhe bedeutet, dass sich Membranpotenzial und Konzentrationen nicht ändern — nicht, dass keine Ionen fließen. Durch Leckkanäle strömen ständig K⁺ hinaus und Na⁺ hinein, die Na⁺-K⁺-Pumpe befördert beide unter ATP-Verbrauch zurück. Weil sich für jede Ionenart Ein- und Ausstrom ausgleichen, bleibt der Zustand konstant: ein Fließgleichgewicht, das ständig Energie benötigt. Zutreffend an der Aussage ist nur, dass im Ruhezustand keine Nettoströme auftreten, die das Potenzial verändern.
Energie für das Ruhepotenzial
AFB II–IIIHODGKIN und KEYNES untersuchten 1955, wie Axone Na⁺-Ionen wieder loswerden, die bei der Erregung eingeströmt sind. Sie beluden Axone mit radioaktivem ²⁴Na⁺ und maßen, wie viel davon je Minute in die Außenlösung gelangte (M3). M4 enthält weitere Befunde.
(1) DNP (2,4-Dinitrophenol) hemmt in den Mitochondrien die ATP-Bildung, ohne die Atmungskette zu stoppen. (2) Ersetzt man in einem unbehandelten Axon die Außenlösung durch eine K⁺-freie Lösung, sinkt der Na⁺-Ausstrom auf etwa 30 %. (3) Das Membranpotenzial eines mit DNP behandelten Axons bleibt eine Stunde lang nahezu unverändert und nimmt erst über viele Stunden ab.
- Beschreiben Sie den Verlauf des Na⁺-Ausstroms in M3.
- Erklären Sie die Wirkung von DNP und von ATP auf den Na⁺-Ausstrom (M3, M4 (1)).
- Deuten Sie Befund (2) aus M4.
- Erläutern Sie, warum das Membranpotenzial nach DNP-Gabe zunächst kaum abnimmt (M4 (3)), und bewerten Sie damit die Aussage, die Pumpe sei „die Batterie“ der Nervenzelle.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Hinweis zu Aufgabe b)
Hinweis zu Aufgabe c)
Hinweis zu Aufgabe d)
Erwartungshorizont
Erwartungshorizont zu Aufgabe a)
Bis 60 min ist der Na⁺-Ausstrom mit knapp 100 % nahezu konstant. Nach Zugabe von DNP fällt er innerhalb von etwa 40 min stark ab und erreicht rund 10 % des Anfangswerts. Nach dem Einspritzen von ATP bei 140 min steigt er innerhalb weniger Minuten auf etwa 60 % an und nimmt danach allmählich wieder ab (bei 240 min knapp 20 %).
Erwartungshorizont zu Aufgabe b)
Der Na⁺-Ausstrom erfolgt gegen das Konzentrations- und das Ladungsgefälle, also aktiv durch die Na⁺-K⁺-Pumpe, die dafür ATP spaltet. DNP hemmt die ATP-Bildung in den Mitochondrien (oxidative Phosphorylierung); die ATP-Vorräte werden verbraucht, der Pumpe fehlt die Energie, der Ausstrom sinkt. Spritzt man ATP direkt ein, kann die Pumpe trotz DNP wieder arbeiten. Weil DNP weiterwirkt, wird das eingespritzte ATP verbraucht, und der Ausstrom sinkt erneut. Das belegt: Der Na⁺-Ausstrom hängt unmittelbar von ATP ab.
Erwartungshorizont zu Aufgabe c)
Ohne K⁺ in der Außenlösung sinkt der Na⁺-Ausstrom, obwohl ATP vorhanden ist. Na⁺-Ausstrom und K⁺-Aufnahme sind also aneinander gekoppelt: Die Pumpe befördert Na⁺ nur dann hinaus, wenn sie gleichzeitig K⁺ von außen aufnehmen kann (3 Na⁺ gegen 2 K⁺). Der verbleibende Ausstrom von etwa 30 % zeigt, dass ein Teil des Na⁺ auf anderem Weg die Zelle verlässt.
Erwartungshorizont zu Aufgabe d)
Das Ruhepotenzial entsteht durch den K⁺-Ausstrom durch Leckkanäle; es hängt von den Konzentrationsgefällen ab, nicht direkt von der Pumpe. Die Ionenvorräte im Axon sind sehr groß, die Leckströme je Zeit dagegen klein. Fällt die Pumpe aus, gleichen sich die Konzentrationen nur sehr langsam an, und das Potenzial bleibt zunächst fast gleich. Erst nach vielen Stunden sind die Gefälle so klein, dass das Ruhepotenzial zusammenbricht. Die Bezeichnung „Batterie“ trifft deshalb eher die Konzentrationsgefälle; die Pumpe gleicht einem „Ladegerät“, das sie wieder auffüllt. Als Bild für die Energiequelle des Fließgleichgewichts ist die Aussage also nur eingeschränkt zutreffend.