Humanbiologie Nervenzelle Nervenzelle Repetitionsaufgaben Aufgaben zu Kapitel 3.1 Das Ruhepotenzial 1. Was geschieht mit dem Ruhepotenzial einer Nervenzelle, wenn dieses als Folge eines Defekts kein ATP mehr bilden kann? Wenn die Zelle kein ATP beschaffen kann, steht die Natrium-Kalium-Ionenpumpe still. Die eindiffundierenden Natrium-Ionen werden nicht mehr nach aussen befördert. Sie schwächen das negative Potenzial in der Zelle ab, das Ruhepotenzial geht von -70 mV gegen null. 2. Intrazellulär ist die Konzentration der Kalium-Ionen höher als extrazellulär. Offene Kalium-Ionenkanäle lassen die Kaliumionen frei durch die Membran diffundieren. Weshalb gleichen gleicht sich dieser Konzentrationsunterschied nicht aus, sondern bleibt konstant? Wären die Kalium-Ionen ungeladen, würde durch Diffusion ein Konzentrationsausgleich zwischen intrazellulärer und extrazellulärer Kalium-Ionenkonzentration resultieren. Kalium-Ionen weisen jedoch eine positive Ladung auf. Da die Aussenseite der Zelle ebenfalls positiv geladen ist, findet eine Abstossung statt, die dazu führt, dass kein Konzentrationsausgleich hergestellt wird, sondern mehr Kalium-Ionen innerhalb der Zelle verbleiben. 3. Effektiv ist zu beobachten, dass durch die Kalium-Ionenkanäle mehr Kalium-Ionen von intrazellulär nach extrazellulär diffundieren als umgekehrt. Trotzdem bleibt das Membranpotenzial unverändert. Erläutern Sie die Zusammenhänge. Die Kalium-Ionen können frei durch die Kalium-Ionenkanäle diffundieren und so den Gleichgewichtszustand herstellen (Ruhepotenzial). Da die Natrium-Kalium-Ionenpumpe laufend Kalium-Ionen in die Zelle transportiert, diffundieren daher mehr Kalium-Ionen aus der Zelle als in die Zelle hinein. Aufgaben zu Kapitel 3.2 Das Aktionspotenzial 4. 4. Was geschieht, wenn sich die spannungsabhängigen Natriumkanäle öffnen? Wenn sich die Natrium-Kanäle öffnen, wandern Natrium-Ionen (getrieben von Konzentrationsgefälle und vom Membranpotenzial) nach innen. Durch den Einmarsch von positiv geladenen Ionen nimmt das negative Potenzial der Innenseite ab. 5. a) Wie und wann bewegen sich viele Kalium-Ionen aus dem Axon und was ist die Folge? Wie: Kalium-Ionen diffundieren durch die spannungsabhängigen Kaliumkanäle von der höheren zur tieferen Konzentration. Wann: Nach der Bildung eines Aktionspotenzials. Folge: Verschwinden des Aktionspotenzials. 3cN, FS 2015 1 KST HAT Humanbiologie Nervenzelle b) Wie und wann verlassen Natrium-Ionen das Axon und was ist die Folge? Wie: Natrium-Ionen werden durch die Natrium-Kalium-Ionenpumpe (gegen das Konzentrationsgefälle) aus der Zelle befördert. Wann: Dauernd, aber besonders nach einem Aktionspotenzial. Folge: Wiederherstellung des Ruhepotenzials. c) Wo und warum bewegen sich positive Ionen vom aktiven Schnürring zum nächsten? Wo: Im Inneren des Axons Warum: Zum Ladungsausgleich, weil entgegengesetzte Ladungen nebeneinander stehen. 6. Ergänzen Sie die folgenden Aussagen über die Vorgänge am Axon und ordnen Sie diese zeitlich. E] Das Membranpotenzial sinkt unter den Schwellenwert, die Natrium-Kanäle öffnen sich. B] Natrium-Ionen dringen ins Axon ein. C] Die Membran wird von -50 auf 0 mV depolarisiert. A] Ein Aktionspotenzial von ca. +30 mV entsteht. D] Die Natrium-Kanäle schliessen und die Kalium-Kanäle öffnen sich. G] Kalium-Ionen verlassen die Zelle. F] 7. Das Aktionspotenzial verschwindet und es entsteht das Ruhepotenzial von -70 mV. Nennen Sie die unmittelbare Ursache und die direkte Folge folgender Vorgänge am Schnürring eines Axons: a) Verminderung des Ruhepotenzials unter den Schwellenwert Ursache: Ausgleichsstrom von benachbartem Schnürring. Folge: Öffnen von Natriumkanälen. b) Einstrom von Natrium-Ionen Ursache: Öffnen der Natriumkanäle Folge: Bildung eines Aktionspotenzials c) Bildung eines Aktionspotenzials Ursache: Einstrom von Natrium-Ionen Folge: Schliessen der Natrium- und Öffnen der Kalium-Kanäle. Ausgleichsströme zu den benachbarten Schnürringen. d) Ausgleichsströme zu benachbarten Schnürringen Ursache: Ungleiche Ladungen an benachbarten Schnürringen. Folge: Verminderung des Ruhepotenzial am nichterregten Schnürring. 3cN, FS 2015 2 KST HAT Humanbiologie 8. Nervenzelle Im Experiment wird ein präpariertes Axon in der Mitte überschwellig gereizt. Wie unterscheidet sich die Erregungsleitung in diesem Versuch von der unter natürlichen Verhältnissen? Unter natürlichen Verhältnissen läuft das Aktionspotenzial nur vom Axonhügel in Richtung Synapse, da die hinter dem Aktionspotenzial liegenden Bereiche refraktär sind. Bei der experimentellen Reizung in der Mitte des Axons könnte sich die Erregung nach beiden Seiten ausbreiten. 9. Beschreiben Sie, welche Vorgänge am Neuron durch das einfache Modell verdeutlicht werden und üben Sie Modellkritik. Im Modell wird das ankommende Aktionspotenzial am Schnürring durch die umfallenden Dominosteine verdeutlicht. Die Ausgleichsströme unter der Gliazelle wird dadurch symbolisiert, dass der letzte Dominostein den Holzstab unter der Halterung verschiebt und die Dominosteine dahinter umstösst. Da die Steine vor der Halterung erst aufgerichtet werden müssen, kann der Holzstab keine Wirkung rückwärts haben (entsprechend Refraktärphase). Im Modell können die Verteilungen und Ströme der verschiedenen Ionen sowie die Ionenkanäle und deren Zustände (geschlossen, offen, inaktiv) nicht dargestellt werden. Als weitere Modellkritik wäre zu sehen, dass ein nächstes Funktionieren erst möglich ist, wenn „eine Kraft von aussen“ gewirkt hat (Mensch muss die steine wieder aufstellen), während das Neuron durch die Eigenschaften der Biomembran und die Ionenverteilungen „von selbst“ bei entsprechenden Energiezufuhr wieder funktionstüchtig wird. 10. Erklären Sie, weshalb die saltatorische Erregungsleitung weniger Energie benötigt als die kontinuierliche. Bei der saltatorischen Fortleitung wird das Aktionspotenzial auf einer gleich langen Strecke gegenüber dem kontinuierlichen Auslösen bei nicht myelinisierten Axonen seltener ausgelöst. Der Energiebedarf hängt jedoch nicht direkt von der Auslösung, sondern von der ATP verbrauchenden Natrium-Kalium-Ionenpumpe ab, deren Pumprate von der intrazellulären Na+- und der extrazellulären K+-Ionenkonzentration abhängt. Aufgaben zu Kapitel 4 Synapsen 11. Beschreiben Sie stichwortartig A] den Lebenslauf eines Transmitter-Moleküls o Bereitstellung des Transmitter-Moleküls im synaptischen Endknöpfchen o Transport in einem Vesikel zur präsynaptischen Membran o Ausschüttung in den synaptischen Spalt o Diffusion zur postsynaptischen Membran o Bindung an einen Rezeptor o Abbau im Spalt und/oder Aufnahme ins Endknöpfchen 3cN, FS 2015 3 KST HAT Humanbiologie Nervenzelle B] die Wirkung des Transmitters Der Transmitter bewirkt an der postsynaptischen Membran o das Öffnen von Natriumkanälen, o und somit den Einstrom von Natrium-Ionen, o sodass das postsynaptische Membranpotenzial reduziert wird und unter Umständen am Axonhügel ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. 12. Erklären Sie den Unterschied zwischen den Natrium-Ionenkanälen in der Axonmembran und am synaptischen Spalt. Die Ionenkanäle in der Axonmembran sind spannungsgesteuert, reagieren also auf das die Ladungsverteilung der Umgebung. In der postsynaptischen Membran (auf den Dendriten und im Bereich des Zellkörpers) hingegen befinden sich Natrium-Ionenkanäle welche gleichzeitig Rezeptorproteine darstellen. Die Transmittermoleküle passen wie ein Schlüssel zum Schluss zu diesen Rezeptoren. Dies führt zu einer Formveränderung des Rezeptors was der Öffnung des Ionenkanals gleichkommt. 13. Beschreiben Sie mit Stichworten, was nervöse Erregungen an folgenden Orten bedeuten: A] Am Axon Serie von Aktionspotenzialen mit bestimmter Frequenz B] Im Endknöpfchen des Axons Ausschüttung von Transmitter C] An der postsynaptischen Membran Bindung des Transmitters an Rezeptoren, Öffnen der Natrium-Kanäle, Einstrom von Natrium-Ionen, Verminderung des postsynaptischen Membranpotenzials um einen bestimmten Betrag 14. Welche Bedingung muss erfüllt sein, damit ein Neuron, an dem mehrere Synapsen gleichzeitig aktiv sind, eine Erregung weiterleitet? Das Membranpotenzial am Axonhügel muss den Schwellenwert unterschreiten. 3cN, FS 2015 4 KST HAT
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