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Fragen:
Welche Vorgänge bilden das Ruhepotential ?
Durch einen aktiven Transportmechanismus (Natrium-Kalium-Pumpe) werden unter Spaltung von ATP
Na+-Ionen aus der Zelle heraus und gleichzeitig K+-Ionen ins Innere der Zelle transportiert. Es entsteht
eine unterschiedliche Ionenverteilung auf beiden Seiten der Zellmembran, die ohne die
Natrium-Kalium-Pumpe allmählich verschwinden würde. Auf Grund des Konzentrationsgefälles können
K+-Ionen durch die nur für diese durchlässige Membran (selektiv permeabel) nach Außen diffundieren
wodurch ein Überschuß an positiver Ladung entsteht und das Zellinnere wird gegenüber dem
Außenmedium negativ geladen. Die sich aufbauende Membranspannung verhindert ein weiteres austreten
der K+-Ionen. Und es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein (bei ca. -90 mV). Positive und negative
Ladung sind also nur durch die Zellmembran getrennt daher bezeichnet man diese Spannung als
Membranspannung oder Membranpotential.
Bei Sinnes-, Nerven-, und Muskelzellen kann sich das Membranpotential verändern (Erregung). Bei
diesen Zellen bezeichnet man das Membranpotential im unerregten Zustand als Ruhepotential oder
Ruhespannung.
Welche Vorgänge spielen sich bei der Depolarisation während des Aktionspotentials ab?
Die Axonmembran enthält sowohl spannungsgesteuerte Na+- Kanäle, als auch spannungsgesteuerte K+Kanäle (zusätzlich zu den immer geöffneten K+-Kanälen). Wird das Axon aus irgendeinem Grund über
einen bestimmten Wert (Schwellenwert) depolarisiert, öffnen sich Na+- Kanäle und es entsteht im
Zellinneren ein Überschuss an positiver Ladung. Das Zellinnere ist also zu Beginn des Aktionspotentials
gegenüber dem Ruhezustand gerade umgekehrt geladen. Nach 1 – 2ms schließen sich die Na+- Kanäle
wieder, auch wenn die Polarisation noch andauert. Die spannungsgesteuerten K+- Kanäle werden
ebenfalls durch eine Depolarisation geöffnet, sie öffnen und schließen sich aber viel langsamer und
öffnen sich dadurch erst, wenn die Na+- Kanäle sich schon wieder zu schließen beginnen. Durch das
erhöhte Ausströmen von K+-Ionen wird das Ruhepotential bald wieder erreicht, kurzzeitig wird es sogar
stärker negativ (Hyperpolarisation).
Weshalb ist eine gerade gereizte Axonstelle nicht erregbar?
Bei einer gerade gereizten Axonstelle ist das Membranpotential verändert und muss erst wieder in den
Normalzustand versetzt werden. Außerdem können die Na+- Kanäle, die bei einer Depolarisation das
Aktionspotential auslösen, erst nach 1 – 2 ms wieder geöffnet werden (absolute Refraktärzeit).
Wie Lange dauert die Refraktärzeit? Was ist während ihres Andauerns anders gegenüber dem
Normalzustand?
Die absolute Refraktärzeit dauert beim Aktionspotential ca. 1 – 2 ms, beim Endplattenpotential ca. 5 ms.
Während ihres Andauerns sind die Na+-Poren nicht erregbar, während der relativen Refraktärzeit ist der
Schwellenwert erhöht.
Welche Vorgänge spielen sich am Zellkörper und am Axonhügel ab?
Am Zellkörper werden die an den Synapsen der Dendriten eintreffenden Signale durch
Ausgleichsströmchen bis zum Axonhügel weitergeleitet. Es gibt erregende Synapsen, die depolarisieren
und hemmende Synapsen, die hyperpolarisieren. Die von allen Synapsen eintreffenden
Ausgleichsströmchen werden am Axonhügel verrechnet (Summation). Wenn nach der Summation der
Schwellenwert erreicht wird, wird am Axon ein Aktionspotential ausgelöst, das bis zum Axonende
weitergeleitet wird.
Welche Vorgänge laufen während der Phase der Depolarisierung an der gereizten Axonstelle ab?
Die beim Aktionspotential geöffneten Na+-Kanäle schließen sich wieder und die K+-Kanäle öffnen sich,
so das durch den osmotischen Druck K+-Ionen nach außen strömen und einen Ladungsausgleich
bewirken. Danach werden die Na+- und K+- Ionen durch die Natrium–Kalium–Pumpe wieder
zurücktransportiert. Die K+- Kanäle haben sich wieder weitgehend geschlossen.
Welche biologische Bedeutung kommt der Refraktärzeit bei den natürlichen Abläufen im Neurit
zu?
Durch die kurze Nichtreizbarkeit der spannungsgesteuerten Na+-Kanäle kann an dieser Stelle während
der Refraktärzeit kein Aktionspotential entstehen. Dadurch ergibt sich eine eindeutige Richtung der
Erregungsleitung. Bei efferenter Leitung ist die Richtung vom Axonhügel zum Endknopf.
Erklären Sie inwiefern Atropin die Giftwirkung Alkylphosphat lindert.
Alkylphosphat hemmt die Acetylcholinestrase. Dadurch ergibt sich, daß die Natrium+-Ionenkanäle der
postsynaptischen Membran geöffnet bleiben und eine Dauererregung weiter geleitet wird. Daraus erfolgt
Totalverkrampfung. Atropin blockiert dagegen die Acetylcholinrezeptoren der postsynaptischen
Membran und verhindert so eine Weiterleitung des Aktionspotentials. So kann Atropin die Giftwirkung
von Alkylphosphat vorübergehend stoppen bzw. hemmen.
Welcher quantitative Zusammenhang besteht zwischen Reizstärke, Rezeptorpotential und
Aktionspotential?
Das Rezeptorpotential der Sinneszellen ist proportional oder logarithmisch zur Reizstärke. Die
Stärke/Höhe der Rezeptorpotentiale wird umgesetzt in die Frequenz der Aktionspotentiale, sofern der
Schwellenwert überschritten wird. Damit ist also die Frequenz der Aktionspotentiale proportional oder
logarithmisch zu Reizstärke.
Überlegen Sie, was in der Funktion des Nervensystems anders wäre, wenn es keine Synapsen gäbe
und die Neuronen direkt miteinander verwachsen wären.
Die Erregungsleitung würde direkt vom Gehirn/Rückenmark zu den Organen/Drüsen/Muskeln verlaufen.
Da es aber auch hemmende Synapsen gibt, würde der Wegfall letzterer eine übermäßige Verkrampfung
bzw. Überfunktion bedeuten. Denn nicht alle Erregungen gelangen beim Nervensystem mit Synapsen bis
zu den Muskeln, Drüsen oder Nervenzellen, die angrenzen.
Eine weiter Tatsache macht die Erregungsleitung durch Synapsen unabdingbar: Ein Axon kann Impulse
nach beiden Seiten leiten. Da die Informationsübertragung in Synapsen aber nur in einer Richtung erfolgt,
leiten auch Axone unter natürlichen Bedingungen Impulse immer nur in eine Richtung: Synapsen wirken
als Gleichrichter.
Zeichnen Sie bei Statocysten den zeitlichen Verlauf der Impulsfrequenz bei konstantem Reiz.
Erklären Sie diesen Verlauf in seiner biologischen Bedeutung.
Tonische Sinneszelle
Impulsfrequenz
Impulsfrequenz
Zeit
Klärung: Statocysten bilden den Gleichgewichtssinn. Sie müssen Reize wie das leichte Abweichen aus
der Vertikalen sofort und ständig und in immer gleichbleibender Stärke wahrnehmen. Das Abfallen der
Impulsfrequenz würde bedeuten, daß wir das Gleichgewicht verlieren.
Wie lautet der Name derjenigen Tastsinnesorgane, durch die wir Vibration wahrnehmen? Durch
welche spezielle Eigenschaften dieser Sinneszelle ist die Vibrationswahrnehmung möglich?
Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf der Impulsfrequenz für acht Vibrationsschwingungen in zwei
Sekunden. (Angabe der entsprechenden Größen an den Koordinaten)
Diese Tastsinnesorgane heißen Lamellenkörperchen bzw. phasische Sinnenszellen. Durch das schnelle
Abfallen der Impulsfrequenz bei gleichbleibendem Reiz können wir Vibrationen wahrnehmen. Mit der
Vibration nehmen wir sozusagen die Veränderung des Reizes wahr, da wir ihn immer neu wahrnehmen.
Welcher Typ von Sinneszelle vermittelt Stärke und Dauer des Druckreizes?
Wie heißen die entsprechenden Tastorgane in der Haut?
1. Typ: Phasisch-tonische Sinneszellen messen die Intensität und Dauer eins Druckreizes. Die
Merkelschen Sinneszellen sind die entsprechenden Tastorgane der Haut.
Begründen Sie, inwiefern das typische Reagieren dieser beiden Sinneszellen notwendig ist für die
beiden unterschiedlichen Sinneswahrhnehmungen.
Gleichgewicht ist ein Dauerzustand, daher sind tonische Sinneszellen zu dessen Wahrnehmung
notwendig, da sie im zeitlichen Verlauf ihrer Impulsfrequenz exakt den Reizkurvenverlauf wiedergeben.
Vibrationswahrnehmung ist die Wahrnehmung einer (?) Reizänderung. Phasische Sinneszellen sind
notwendig, da nur sie auf eine schnelle und wiederholte Reizänderung reagieren.
Welches sind die Haupteile für die Funktionen eines Linsenauges? Wie entstehen sie in der
Embryonalentwicklung bei jeweils Kopffüßlern und Säugetieren? (Stichworte)
Durch welche Gewebe- und Baueigenschaften werden beim Linsenauge die drei
Hauptsehleistungen verwirklicht?
Haupteile für die Funktionen des Linsenauges: Die Linse ermöglicht ein scharfes Bildsehen und flexible
Entfernungseinstellung. Die Pupille reguliert den Lichteinfall je nach Bedarf und ermöglicht ein helles
Bild. Auf der Rückwand des Glaskörpers, bzw. dem Augenhintergrund (Netzhaut) wird von den
Sinneszellen und dem Sehpurpur ein auf dem Kopf stehendes Bild wahrgenommen.
Entstehung: Bei Wirbeltieren entsteht das Linsenauge aus Ektoderm, es entsteht aus dem Neuralrohr,
bzw. aus dem Gehirn durch Abschnürung. Nur die Linse entsteht aus Haut.
Bei den Kopffüßlern entsteht das ganze Auge aus Haut (Epidermis) durch Abschnürung und Einstülpung.
Beide Organes sind also analog und entstehen durch konvergente Entwicklung.
Was geschieht an einer hemmenden Synapse?
Wovon hängt die Transmittermenge ab, die an der Synapse einer primären Sinneszelle
ausgeschüttet wird?
Erklären Sie die Bedeutung der jeweiligen Radien von Na- und Ka-Ionen für das Zustandekommen
des Ruhepotentials.
Wie unterscheidet sich der Bau der Membran von Axonen mit und ohne Schwannsche Scheide?
Welche beiden Stoffe können innerhalb der Vorgänge an einer Synapse Dauererregung
hervorrufen? Wie wird im Normalfall eine solche jeweils vermieden.
Was versteht man unter der Reizschwelle einer Sinneszelle?
Die Geschwindigkeit der Erregungsleitung an einer Nervenfaser hängt von verschiedenen
Bedingungen ab.
Nennen Sie diese Bedingungen, die eine schnellere Erregungsleitung ermöglichen. Begründen Sie
jede Angabe.
Die folgenden Bedingungen ermöglichen eine schnelelre Erregnungsleitung:
a) großer Querschnitt der Axone: Da bei Axonen mit einem großen Querschnitt der elektrische
Widerstand des Außen- und Innenmediums geringer ist, leiten diese Axone die Aktionspotentiale
besser als solche mit kleinem Querschnitt.
b) verschiedene Temperatur: Die Wanderungsgeschwindigkeit der Kalium- und Natiumionen ist
temperaturabhängig. Durch eine höhere Temperatur wird der energieverbrauchende
Stoffwechselumsatz beschleunigt.
c) Abhängigkeit vom Aufbau des Axons: Erfolgt die Erregungsleitung in einem Axon mit
Schwannscher Scheide, so läuft diese mit größerer Geschwindigkeit ab als bei Axonen ohne diese
Scheide.
Das menschliche Nervensystem verfügt sowohl über kurze als auch lange Nervenfasern. Wo im
menschlichen Körper finden sich kurze, wo sehr lange Nervenfasern, und welche Aufgabe erfüllen
diese jeweils?
Kurze Nervenfasern finden sich im Gehiern und Rückenmark. Sie haben die Funktion als
Schaltneurone. Lange Nervenfasern findet man zwischen Gehirn und Muskeln bzw. zwischen
Rückenmark und Muskeln. Ihre Funktion als Motoneurone besteht in der Erregung von Muskeln
(efferente Leitung?)
Erläutern Sie die verschiedenen Aufgaben von Synapsen (Erwartet werden 3 Angaben).
Die Verbindungsstellen zwischen zwei Neuronen bezeichnet man als Synapsen.
a) Synapsen können Informationen übertragen, indem dort eine Umschaltung von sensiblen auf
motorische Nervenfasern erfolgt.
b) Sie können Gleichrichterfunktion (Ventilwirkung) ausüben. Axone könnten die Impulse prinzipielle
nach beiden Sieten leiten. Die Wirkung der Synapsen liegt darin, daß Impulse nur nach einer Richtung
übertragen werden.
c) Die ersten an einer Synapse eintreffenen Aktionspotentiale erhöhen die Wirkung der nachfolgenden.
Somit wird der Weg für die nachfolgenden Aktionspotentiale durch die bereits vorausgegangenen
gebahnt (Bahnung)
d) Bei den hemmenden Synapsen wird durch Überträgerstoffe die Auslösung eines Aktionspotentials am
Ursprung des Axons erschwert (Hemmung).
Fertigen Sie eine Skizze einer Synapse und beschriften Sie die für die Funktion der Synapse
wichtigen Bestandteile. Beschreiben Sie ferner das Funktionsschema einer Synapse.
Skizze solle einschließliche Beschriftung die folgenden Merkmale aufweisen:
a) präsynaptische und postsnyptische Membran
b) Rezeptoren an der membran
c) Vesikel mit Transmitter (?)
d) Mitochondrien (?)
Die Funktion z. B. einer neuromuskulären Synapse: Kommt ein Aktionspotential über den Neuriten an
der Synapse an, so platzen die Vesikel an der Endköpfchenmembran. Aus den synaptischen Bläschen
wird Acetylcholin freigesetzt. Dieses diffundiert in sehr kurzer Zeit in den synaptischen Spalt. Die Poren
der postsynaptischen Membran werden dann geöffnet, wenn der Transmitter an der Außenseite der
Membran an Rezeptoren gebunden wird. Durch unterschiedliche Wanderung von Kalium- und
Natriumionen kommt es zu einem Endplattenpotential. Erreicht dieses Endplattenpotential den
Schwellenwert, so löst es in der Umgebung der Endplatte ein normales Aktionspotential aus. Dieses
breitet sich über die Muskelfaser aus und veranlaßt sie zur Kontraktion. Enzyme, welche die
Tranmittermoleküle spalten, bewirken nach kurzer Zeit, daß die Rezeptoren wieder frei werden und die
Poren sich schließen.
Ein gasförmiger Reizstoff (z. B. Alkylphosphat) hemmt die enzymatische Spaltung des
Acetylcholins. Welche Auswirkung hat dieses Gift auf die Atemmuskulatur?
Werden die Rezeptoren der postsynaptischen Membran dauernd besetzt, so führt dies in der Folge zu
Krämpfen. Wird die Atemmuskulatur dauernd gereizt, so kann dies zu einem Atemstillstand führen.
Beschreiben Sie den Vorgang der Erregungsübertragung an einer Synapse.
Die Erregung (Aktionspotential) erreicht den Axonendknoten und bewirkt dort ein kurzes Öffnen der
Calciumporen. Dies führt zu einem Einstrom von Calciumionen in das Zellinnere. Es wird die Freisetzung
des Transmitters Actylcholin (A) aus den präsynaptischen Bläschen bewirkt. Dieser Diffusionsvorgang
dauert ca. 0,1 ms.
Das A verbindet sich nach der Diffusion durch den synaptischen Spalt mit einem spezifischen Rezeptor.
Dadurch wird die susynaptische Membran durchlässig für Natriumionen. Die Depolarisation bewirkt ein
Aktionspotential an der postsynaptischen Membran (?), und dieses führt zur Kontraktion des Muskel
(wenn es sich um Synapsen zwischen Axon und Dendrit handelt, kann kein Aktionspotential entstehen
sonder nur Ausgleichsströmchen?). Durch das Enzym Cholinesterase wird A gespalten. Die Spaltstücke
lösen sich vom Rezeptor (ich würde sagen: können sich nicht mehr an die Rezeptoren binden?),
diffundieren durch den Spalt zurück und werden in den Axonknoten wieder aufgenommen. Unter
Energieverbrauch werden die Spaltstücke wieder zusammengesetzt und dann in den präsynaptischen
Bläschen gespeichert.