Ionen zuordnen, Gefälle abwägen, Pumpzyklen nachrechnen — und klären, warum das Axon beim Aufbau des Ruhepotenzials nicht „leerläuft“.
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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
Begriffe rund ums Ruhepotenzial
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.
Das Ruhepotenzial ist ein besonderes Membranpotenzial. Es liegt zwischen dem K⁺-Gleichgewichtspotenzial (etwa −90 mV) und null, weil neben K⁺ auch etwas Na⁺ durch Leckkanäle strömt.
Achten Sie auf den Unterschied zwischen „Membranpotenzial“ (allgemein) und „Ruhepotenzial“ (ein bestimmter Zustand).
Ein Gleichgewichtspotenzial gilt immer für eine einzelne Ionenart.
A2
Innen oder außen?
AFB I
Geben Sie für jede Teilchenart bzw. Ladung an, wo sie an einer ruhenden Nervenzelle überwiegt.
Setzen Sie in jeder Zeile das passende Kreuz — hier ist es genau eins pro Zeile. Enter setzt und löscht.
Teilchen oder Ladung
vor allem innen
vor allem außen
K⁺-Ionen
Na⁺-Ionen
Cl⁻-Ionen
organische Anionen A⁻ (Proteine, Aminosäuren)
positive Überschussladung direkt an der Membran
negative Überschussladung direkt an der Membran
Innen dominieren K⁺ und die großen, membranundurchlässigen Anionen, außen Na⁺ und Cl⁻. Weil K⁺ hinausdiffundiert und A⁻ zurückbleiben, sammelt sich außen an der Membran positive, innen negative Überschussladung.
Merken Sie sich ein Bild: Die Zelle ist ein „Kaliumbeutel“ im „Salzwasser“ (NaCl).
Die Überschussladungen entstehen durch das Ausströmen von K⁺.
A3
Was zur Messung gehört
AFB I
Nennen Sie alle Bestandteile, die man braucht, um das Ruhepotenzial eines Axons zu messen.
Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Gemessen wird immer eine Spannung zwischen innen und außen: Eine Elektrode steckt im Axon, die Bezugselektrode liegt in der Außenlösung. Zwei Elektroden im Axon zeigen keine Spannung, und eine Dauerreizung würde gerade den Ruhezustand stören.
Eine Spannung misst man immer zwischen zwei Orten.
Vier Angaben sind richtig.
A4
Passiv, aktiv oder gar nicht?
AFB II
Ordnen Sie jeden Vorgang an der Membran einer ruhenden Nervenzelle ein.
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).
1passiv durch Kanäle
2aktiv durch die Pumpe
3findet nicht statt
Passiv strömen Ionen entlang ihres Gefälles durch Kanäle, aktiv befördert die Pumpe unter ATP-Verbrauch gegen das Gefälle. Große A⁻ passieren die Membran nicht, und geladene Ionen gelangen nicht durch den unpolaren Innenbereich der Lipiddoppelschicht.
Aktiv heißt: Energie wird verbraucht, der Transport verläuft gegen das Gefälle.
Jeder Korb bekommt zwei Karten.
A5
Wie das Ruhepotenzial entsteht
AFB II
Beschreiben Sie die Entstehung des Ruhepotenzials, indem Sie die Schritte in die richtige Reihenfolge bringen.
Ziehen Sie die Karten in die richtige Reihenfolge — mit der Tastatur: ↑/↓ verschiebt, Shift+↑/↓ wechselt nur den Fokus.
1In Ruhe sind vor allem K⁺-Leckkanäle geöffnet.
2K⁺ diffundiert entlang seines Konzentrationsgefälles nach außen.
3Die Anionen A⁻ bleiben zurück; die Innenseite lädt sich negativ auf.
4Das Ladungsgefälle zieht K⁺ zunehmend zurück in die Zelle.
5Ausstrom und Rückstrom von K⁺ gleichen sich nahe −90 mV aus.
6Ein kleiner Na⁺-Einstrom verschiebt das Potenzial auf etwa −70 mV.
Erst die K⁺-Diffusion trennt Ladungen, dann bremst das entstehende Ladungsgefälle den weiteren Ausstrom. Der Na⁺-Leckstrom erklärt, warum das Ruhepotenzial etwas weniger negativ ist als das K⁺-Gleichgewichtspotenzial.
Am Anfang steht die Durchlässigkeit der Membran.
Der Na⁺-Einstrom korrigiert das Ergebnis erst ganz am Schluss.
A6
Die Pumpe im Takt
AFB II
Eine einzelne Na⁺-K⁺-Pumpe durchläuft etwa 100 Transportzyklen je Sekunde (Modellwert). Berechnen Sie die Leistung dieser Pumpe.
Rechnen Sie die Kette Schritt für Schritt: Erst wenn ein Schritt stimmt, wird der nächste freigeschaltet. Enter prüft. Dezimalzahlen mit Komma oder Punkt.
Na⁺-Ionen, die je Sekunde nach außen gelangen:Ionen
K⁺-Ionen, die je Sekunde nach innen gelangen:Ionen
positive Ladungen, die je Sekunde netto nach außen gelangen:Ladungen
ATP-Moleküle, die in einer Minute gespalten werden:ATP
Je Zyklus: 3 Na⁺ hinaus, 2 K⁺ hinein, 1 ATP gespalten. 100 Zyklen: 300 Na⁺, 200 K⁺, netto 100 positive Ladungen hinaus; in 60 s 6000 ATP. Die Pumpe ist „elektrogen“, ihr direkter Beitrag zum Potenzial bleibt aber klein.
Stellen Sie die Bilanz eines einzigen Zyklus auf.
Netto = hinaus beförderte minus hinein beförderte positive Ladungen.
A7
Ohne Atmung keine Spannung
MixAFB II
Blausäure (Cyanid) blockiert in den Mitochondrien die Atmungskette. Erklären Sie, warum eine Cyanid-Vergiftung auf Dauer das Ruhepotenzial der Nervenzellen zerstört. 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.
Nervenzellen enthalten besonders viele . Dort wird in der der größte Teil des gebildet. Cyanid hemmt die ; ohne ATP steht die still. Die Leckströme laufen weiter, sodass sich die zwischen innen und außen langsam ausgleichen — das Ruhepotenzial wird immer kleiner.
Die Na⁺-K⁺-Pumpe verbraucht einen großen Teil des ATP im Gehirn. Fällt die oxidative Phosphorylierung aus (Kapitel Zellatmung), können die Konzentrationsgefälle nicht mehr aufrechterhalten werden.
Wo in der Zelle wird ATP mithilfe von Sauerstoff gebildet?
Die Pumpe ist ein ATP-Verbraucher; die Kanäle sind es nicht.
A8
Trickaufgabe: Läuft das Axon leer?
TrickAFB III
Beim Aufbau des Ruhepotenzials strömt K⁺ aus dem Axon. Ein Schüler befürchtet, das Axon verliere dabei den größten Teil seines Kaliums. 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 stark sinkt die K⁺-Konzentration im Axon beim Aufbau des Ruhepotenzials?
Wo befinden sich die getrennten Überschussladungen?
Ist das Innere des Axons abseits der Membran elektrisch geladen?
Die Falle: sich viele ausströmende Ionen vorzustellen. Schon eine hauchdünne Ladungsschicht an der Membran erzeugt −70 mV; dafür reicht ein winziger Bruchteil der K⁺-Ionen. Die Konzentrationen bleiben praktisch gleich, das Zellinnere als Ganzes bleibt neutral.
Wie viel Ladung braucht eine sehr dünne Membran, um eine Spannung von 70 mV zu tragen?
Denken Sie an einen geladenen Kondensator: Die Ladungen sitzen auf den Platten, nicht dazwischen.
A9
Ein Lernzettel mit Fehlern
AFB III
Eine Schülerin hat ihren Lernzettel zum Ruhepotenzial geschrieben. Überprüfen Sie ihre Aussagen.
In diesem Text stecken Fehler. Klicken Sie genau die falschen Zeilen an — die richtigen müssen stehen bleiben.
Drei Fehler: Die Membran ist in Ruhe vor allem für K⁺ durchlässig, die Pumpe ist nicht die eigentliche Spannungsquelle, und ohne Pumpe bricht das Potenzial nur langsam zusammen, weil große Ionenvorräte vorhanden sind.
Prüfen Sie jede Aussage mit der Frage: Welche Ionen fließen, und warum?
Drei Aussagen sind falsch.
A10
Ein Membranmodell im Labor
AFB III
In einem Modellversuch trennt eine künstliche Membran zwei Kammern: links KCl-Lösung mit 100 mmol/L, rechts mit 10 mmol/L. Die Membran lässt nur K⁺ durch. Beurteilen Sie die Aussagen zu diesem Modell.
5 Aussagen nacheinander. Eine falsche Einschätzung reicht — dann starten Sie die Serie mit „Neue Runde“ neu.
Aussage 1 von 5
Das Modell bildet die selektive Permeabilität ab: Nur wenn eine Ionenart bevorzugt wandert, entsteht eine Spannung. Das Fließgleichgewicht einer lebenden Zelle mit Leckströmen und Pumpe zeigt es nicht.
Welche Ionen können wandern, welche bleiben zurück?
Ein Modell hat Grenzen: Was fehlt im Vergleich zur lebenden Zelle?
