am Puls Biologie 6, Schulbuch

17 Nervensystem Das Aktionspotenzial: Reize aktivieren Neuronen Bisher haben wir das Ruhepotenzial kennen ge- lernt: Ionenpumpen halten ein Konzentrations- ungleichgewicht aufrecht ( k Abb.10a). Wozu dieser Energieaufwand, wenn doch gar nichts passiert? Es geht eben darum, dass die Zelle bereit ist, wenn etwas passiert! Erreicht ein Signal (in Form eines elektrischen Impulses) die Zelle und steigt dadurch das Membranpotenzial um nur 10mV, werden die Tore in den spannungsabhängigen Na + -Kanälen der Membran geöffnet ( k Abb.10b). Das Schwellenpotenzial für ein Aktionspotenzial wird erreicht. Dadurch kommt es zu einem lawinenartigen Einstrom der Na + -Ionen durch die offenen Kanä- le, angetrieben durch die hohe Konzentration ei- nerseits und den positiven Ladungsüberschuss außen andererseits. Als Folge erhöht sich die Spannung um ca. 100mV auf +30mV. Man nennt dies Depolarisation ( k Abb.10c). Schon 1ms danach schließen die Tore der spannungsgesteuerten Na + -Kanäle und der Na + - Einstrom endet. Diese Tore lassen sich dann für einige Millisekunden nicht mehr öffnen (Refraktärzeit 1 ). Etwas später als die Na + -Kanäle öffnen nun die spannungsgesteuerten K + -Kanäle und erlauben einen schnellen Ausstrom von K + -Ionen aus dem Axon. Wie beim Na + zuvor wird dies durch den positiven Ladungsüberschuss, der nun innen herrscht, und die hohe K + -Konzentration ange- trieben. Das Zellinnere wird wieder negativ, diese Phase heißt Repolarisation ( k Abb.10d). Die Spannung hat also wieder den Ausgangs- wert erreicht, dennoch sind die Na + - und K + -Ionen auf den falschen Seiten der Membran. Die Ionen- pumpen stellen nun die Verteilung des Ruhepo- tenzials wieder her ( k Abb.10e), die Membran ist wieder bereit für das nächste Aktionspotenzial. Ein Schwellen- potenzial löst die Öffnung der Na + - Kanäle aus Der starke Einstrom von Na + führt zu einem Anstieg der Spannung um ca. 100mV. Dadurch öffnen sich die K + - Kanäle. Der starke K + -Aus- strom repolarisiert die Zelle Die Ionenpumpen stellt den Ausgangs- zustand wieder her Depolarisation Aktionspotenzial Repolarisation Schwellenwert Ruhepotenzial Membranpotenzial (mV) Zeit 0 30 –70 –55 K + Na + spannungsge- steuerte Na + - Kanäle spannungsge- steuerter K + - Kanal nicht aktivierbare Na + - Kanäle offen sekundär geschlossen und nicht aktivierbar (=refraktär) Oszilloskopschirm Verstärker Axon geschlossen und aktivierbar K + -K anäle Spannungsgesteuerte Na + -Kanäle haben drei mögliche Zustände: Offene K + -Kanäle sind für das Ru- hepotenzial ursächlich. Na + - Kanäle sind geschlossen und aktivierbar. Einige spannungsgesteuerte Na + - Kanäle öffnen sich, der Na + - Einstrom depolarisiert die Mem- bran bis zum Schwellenwert. Na + - Kanäle schließen sich; die span- nungsgesteuerten K + -Kanäle öffnen sich, der K + -Ausstrom repolarisiert die Zelle. Weitere spannungsgesteuerte Na + - Kanäle öffnen sich rasch; der Na + - Einstrom lässt das Zellinnere positiv werden. Die spannungsgesteuerten K + - und Na + - Kanäle sind geschlossen. Die Membran kehrt zum Ruhepotenzial zurück. Die Na + - Kanäle öffnen sich. Abb.10: Aktionspotenzial. Spannungsgesteuerte Na + - und K + -Kanäle in der Membran des Axons bewirken und beenden das Aktionspotenzial. Dieser Spannungsverlauf ist mit einer Elektrode und einem Verstärker messbar. Glossar 1 Refraktärzeit: vom Lateinischen refractus = gehemmt, beschreibt die Zeit, in der die Kanalproteine nicht erregbar sind. Aufgabe E 1 Das Aktionspotenzial läuft immer gleich ab, egal wie hoch das Schwellen- potenzial über dem Schwellenwert liegt („Alles-oder-Nichts-Gesetz“). Wie könnte ein Experiment aussehen, um diese Aussage zu überprüfen (Tipp: siehe Abb.10)? Welchen Grund könnte das haben? Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv