Aufgabe Vorschlag A - Aufgabe 2 · Abitur Hessen Biologie GK 2022

Thema: Nervenzelle, Membranpotenziale und Sinneszellen · Aus der Prüfung GK (2022)

Aufgabenstellung

Material 1: Das Aktionspotenzial der Herzmuskelzelle eines Menschen

Das Herz hat die Aufgabe, das Blut durch den Körper zu pumpen. Dazu muss sich die Herzmuskulatur abwechselnd kontrahieren und entspannen. Dies wird durch die rhythmische elektrische Aktivität der einzelnen Herzmuskelzellen gesteuert. Jeder reguläre Herzschlag wird ausgelöst von einem spontanen elektrischen Impuls, der von einer spezialisierten Gruppe von Zellen im Herzen, den sogenannten Schrittmacherzellen, ausgeht. Von dort breitet sich der Impuls sehr schnell über alle Herzmuskelzellen aus. Jede einzelne Herzmuskelzelle besitzt in ihrem Inneren Eiweißstrukturen, die sich auf dieses Aktionspotenzial hin zusammenziehen. Dadurch kontrahiert die Zelle und leistet somit ihren Beitrag zur Kontraktion des gesamten Herzmuskels. Ähnlich wie in Nervenzellen verändert sich auch an den einzelnen Herzmuskelzellen die Membranspannung in charakteristischer Weise, so dass man hier ebenfalls von Aktionspotenzialen (AP) spricht. Ein Aktionspotenzial wird ausgelöst, indem ein bereits erregter Bereich des Herzmuskels an einer benachbarten Stelle eine lokale Depolarisation bewirkt. Wird der Schwellenwert, der bei einer Herzmuskelzelle bei ca. –70 mV liegt, überschritten, läuft die weitere Änderung des Membranpotenzials selbsttätig ab. Während des Aktionspotenzials werden verschiedene Ionenkanäle in einer genau festgelegten Reihenfolge aktiviert. Die folgende Abbildung zeigt den charakteristischen Verlauf des Membranpotenzials an einer Herzmuskelzelle nach Erregung zum Zeitpunkt Null sowie die Rolle einiger beteiligter Ionenkanäle. Das Aktionspotenzial kann in verschiedene Phasen eingeteilt werden.

Hinweis

Die Ionenverteilung einer ruhenden Herzmuskelzelle entspricht ungefähr der einer Nervenzelle. Die Calcium-Ionenkonzentration ist außerhalb der Zelle erheblich höher als innerhalb.

Die Ionenströme für Kalium-Ionen resultieren aus der Aktivität mehrerer verschiedener Kalium-Ionenkanäle.

2 Stellen Sie die Zusammenhänge zwischen den Phasen 0 bis 4 eines Herzaktionspotenzials und den Ionenströmen unter Berücksichtigung der Konzentrationsgradienten der am Aktionspotenzial beteiligten Ionen dar. Nennen Sie zwei wesentliche Unterschiede zwischen einem neuronalen Aktionspotenzial und einem Herzaktionspotenzial. (Material 1) [18 BE]

Aufgabenstellung: Aufgabe Vorschlag A - Aufgabe 2 · Abitur Hessen Biologie GK 2022

Lösung

Nach den offiziellen Korrekturhinweisen

Stellen Sie die Zusammenhänge zwischen den Phasen 0 bis 4 eines Herzaktionspotenzials und den Ionenströmen unter Berücksichtigung der Konzentrationsgradienten der am Aktionspotenzial beteiligten Ionen dar.

Lösung: Phase 0: Erreicht ein elektrischer Impuls eine Herzmuskelzelle, kommt es schlagartig zur Depolarisation der Zellmembran bis auf ca. +30 mV, da das kurz andauernde Öffnen von spannungsgesteuerten Natrium-Ionenkanälen einen Einstrom von Natrium-Ionen in Richtung des Konzentrationsgradienten bewirkt. Phase 1: Hier erfolgt eine erste schnelle Repolarisation auf ca. 0 mV, da durch die kurzzeitig geöffneten Kalium-Ionen-Kanäle Kalium-Ionen in Richtung des Konzentrationsgradienten ausströmen. Phase 2: Zu Beginn der Phase 2 (nach ca. 10 ms) sind Calcium-Ionenkanäle geöffnet und Calcium-Ionen strömen in Richtung des Konzentrationsgradienten in die Herzmuskelzelle ein, so dass das Membranpotenzial kurzfristig etwas ansteigt (Depolarisation). Nach ca. 80 ms diffundieren wenige Kalium-Ionen in Richtung des Konzentrationsgradienten nach außen, so dass das Membranpotenzial weiterhin im positiven Bereich liegt und nur langsam abfällt. Im weiteren Verlauf der Phase 2, die insgesamt ca. 250–300 ms andauert, steigt der Kalium-Ionenausstrom weiterhin an. Dieser überwiegt zunehmend den Calcium-Ioneneinstrom, deshalb kommt es allmählich zu einer weiteren langsameren Repolarisation. Phase 3: Die beschleunigte Repolarisation kommt durch den Kalium-Ionenausstrom in den Extrazellulärraum durch geöffnete Kalium-Ionenkanäle bei geschlossenen Calcium-Ionenkanälen zustande. Phase 4: Das Ruhepotenzial (bei ca. –90 mV) ist nach ca. 310 ms wieder erreicht. Die Konzentrationsverhältnisse für Natrium-, Kalium- und Calcium-Ionen werden durch eine Natrium-Kalium-Ionenpumpe und eine Calcium-Ionenpumpe wieder hergestellt.

Nennen Sie zwei wesentliche Unterschiede zwischen einem neuronalen Aktionspotenzial und einem Herzaktionspotenzial.

Lösung: Mögliche Unterschiede (zwei zu nennen): - Dauer: Neuronales Aktionspotenzial ca. 1–2 ms; Herzaktionspotenzial ca. 400 ms. - Repolarisation: Beim neuronalen AP einstufig von kurzer Dauer; beim Herzaktionspotenzial zweistufig (erste kurz, zweite langanhaltende Plateauphase). - Spannungsabhängiger Calcium-Ioneneinstrom: Beim neuronalen AP nicht vorhanden; beim Herzaktionspotenzial vorhanden. - Hyperpolarisation: Beim neuronalen AP vorhanden; beim Herzaktionspotenzial nicht vorhanden.

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