Aufgaben 17 Nervensystem Das Aktionspotenzial: Reize aktivieren Neuronen Bisher haben wir das Ruhepotenzial kennengelernt: Ionenpumpen halten ein Konzentrationsungleichgewicht aufrecht (kAbb. 10 a). 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 15mV, werden die Tore in den spannungsabhängigen Na+-Kanälen der Membran geöffnet (kAbb. 10b). Das Schwellenpotenzial für ein Aktionspotenzial wird erreicht. Dadurch kommt es zu einem lawinenartigen Einstrom der Na+-Ionen durch die offenen Kanäle, angetrieben durch die hohe Konzentration einerseits und den positiven Ladungsüberschuss außen andererseits. Als Folge erhöht sich die Spannung um ca. 100mV auf +30mV. Man nennt dies Depolarisation (kAbb. 10 c). 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 (Refraktärzeit1). 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 angetrieben. Das Zellinnere wird wieder negativ, diese Phase heißt Repolarisation (kAbb. 10d). Die Spannung hat also wieder den Ausgangswert erreicht, dennoch sind die Na+- und K+-Ionen auf den falschen Seiten der Membran. Die Ionenpumpen stellen nun die Verteilung des Ruhepotenzials wieder her (kAbb. 10 e), die Membran ist wieder bereit für das nächste Aktionspotenzial. 1 Refraktärzeit: refractus (lat.) = gehemmt; beschreibt die Zeit, in der die Kanalproteine nicht erregbar sind Ein Schwellenpotenzial 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 Steuerung und Regelung Jedes Aktionspotenzial ist gleich stark, dennoch kann das Nervensystem ja unterschiedlich starke Reize weiterleiten (zB ist nicht jeder Schmerz gleich stark, oder jede Wärmeempfindung). Nervenzellen schaffen das durch Frequenzmodulation: Je stärker ein Signal, desto schneller hintereinander entstehen die Aktionspotenziale. Der starke K+-Ausstrom repolarisiert die Zelle Die Ionenpumpe stellt den Ausgangszustand wieder her Depolarisation Aktionspotenzial Repolarisation Schwellenwert Ruhepotenzial Membranpotenzial (mV) Zeit 0 30 –70 –55 K+ Na+ spannungsgesteuerte Na+-Kanäle spannungsgesteuerter K+-Kanal nicht aktivierbare Na+-Kanäle offen sekundär geschlossen und nicht aktivierbar (=refraktär) Oszilloskopschirm Verstärker Axon geschlossen und aktivierbar K+-Kanäle Spannungsgesteuerte Na + -Kanäle haben drei mögliche Zustände: Offene K+-Kanäle sind für das Ruhepotenzial ursächlich. Na+-Kanäle sind geschlossen und aktivierbar. Einige spannungsgesteuerte Na+- Kanäle öffnen sich, der Na+- Einstrom depolarisiert die Membran bis zum Schwellenwert. Na+-Kanäle schließen sich; die spannungsgesteuerten 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. 1 E Das Aktionspotenzial läuft immer gleich ab, egal wie hoch das Schwellenpotenzial über dem Schwellenwert liegt („Alles-oder-Nichts-Gesetz“). Wie könnte ein Experiment aussehen, um diese Aussage zu überprüfen (Tipp: siehe Abbildung 10)? Welchen Grund könnte das haben? Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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