Aufgabe 3 - Nervenzelle: Membranpotenziale und Er… · Abitur NRW Biologie LK · Haupttermin 2023

Erläutern Sie, wie die Signaltransduktion an der Haarzelle abläuft (Material B). Stellen Sie ein Verfahren dar, mit dem sich Ionenströme durch Ionenkanäle untersuchen lassen.

Lösung: Signaltransduktion: - An der Spitze der Stereozilien befinden sich mechanisch gesteuerte Kaliumionen-Kanäle, die im Ruhezustand geschlossen sind. - Durch Schallwellen gerät die Lymphflüssigkeit in Schwingung, wodurch die Stereozilien ausgelenkt und die Tip-Links gedehnt werden. Dies öffnet die mechanisch gesteuerten Kaliumionen-Kanäle. - Wegen der höheren K⁺-Konzentration in der Endolymphe im Vergleich zum Cytoplasma strömen K⁺-Ionen in die Zelle ein, was zu einer Depolarisation (Rezeptorpotenzial) führt. Methode (z. B. Patch-Clamp-Technik): - Eine feine Glasmikropipette (Saugkapillare) mit Messelektrode wird dicht auf die Membran aufgesetzt, sodass idealerweise nur ein einzelner oder wenige Ionenkanäle erfasst werden. - Nach Anlegen eines Unterdrucks schließt die Membran elektrisch isolierend ab. Über die Änderung der Stromstärke bei Reizung können Ionenflüsse durch den Kanal präzise gemessen werden.

Fassen Sie die Ergebnisse aus Abbildung 3 zusammen.

Lösung: - Bei geringer Auslenkung kommt es zu einem kurzen und niedrigen Ionenfluss durch den Kaliumionen-Einstrom (kurzer Peak von ca. -0,2 nA). - Bei stärkerer Auslenkung kommt es zu einem wesentlich höheren (bis ca. -0,7 nA) und länger anhaltenden Ionenfluss. - Bei starker Auslenkung bleibt der Ionenfluss nicht über die gesamte Reizdauer konstant maximal, sondern nimmt nach dem anfänglichen Maximum leicht ab (Adaptation).

Skizzieren Sie jeweils ein Rezeptorpotential der Haarzelle für eine geringe und eine starke Auslenkung der Stereozilien (Materialien B und C).

Lösung: Skizze der Rezeptorpotenziale im Koordinatensystem (Membranpotenzial über der Zeit): - Beide Potenziale starten am Ruhepotenzial. - Skizze A (geringe Auslenkung): Ein kurzes, geringfügig depolarisierendes Rezeptorpotenzial mit geringer Amplitude. - Skizze B (starke Auslenkung): Ein deutlich länger anhaltendes Rezeptorpotenzial mit merklich höherer Amplitude, das nach dem Reizende wieder zum Ruhepotenzial zurückkehrt.

Erklären Sie, wie die Erregung an die nachgeschaltete Nervenzelle weitergegeben wird (Material B).

Lösung: - Durch den Kaliumionen-Einstrom depolarisiert die Haarzelle. - Infolge der Depolarisation öffnen sich spannungsgesteuerte Calciumionen-Kanäle in der Membran, woraufhin Ca²⁺-Ionen in die Zelle einströmen. - Der erhöhte intrazelluläre Ca²⁺-Spiegel veranlasst mit Neurotransmittern gefüllte Vesikel, mit der präsynaptischen Membran zu verschmelzen und Transmitter in den synaptischen Spalt freizusetzen. - Die Transmitter diffundieren über den synaptischen Spalt und binden an Rezeptorproteine der nachgeschalteten Hörnervenfaser. - Dies bewirkt eine Veränderung der Ionenpermeabilität (Kationeneinstrom) der postsynaptischen Membran und erzeugt ein erregendes postsynaptisches Potenzial (EPSP).

Stellen Sie den zeitlichen Ablauf eines Aktionspotentials in Form eines Fließschemas dar.

Lösung: Depolarisation bis zum Schwellenwert → Öffnung spannungsabhängiger Natriumionen-Kanäle → Einstrom von Natriumionen → Ladungsumkehr (Depolarisation/Overshoot) → Inaktivierung der Natriumionen-Kanäle (Stopp des Natriumeinstroms) → Öffnung spannungsabhängiger Kaliumionen-Kanäle → Ausstrom von Kaliumionen → Repolarisation und Hyperpolarisation → Verschluss der Kaliumionen-Kanäle → Ladungsausgleich (Wiederherstellung des Ruhepotenzials).

Begründen Sie, warum die Frequenz der Aktionspotentiale von der Reizstärke abhängt (Materialien B und C).

Lösung: - Je stärker der akustische Reiz, desto größer ist die Auslenkung der Stereozilien und desto länger bleiben die mechanosensitiven K⁺-Kanäle geöffnet. - Amplitude und Dauer des Rezeptorpotenzials in der Haarzelle steigen proportional zur Reizintensität. - Ein größeres und längeres Rezeptorpotenzial führt zu einem verstärkten Ca²⁺-Einstrom und einer erhöhten Menge freigesetzter Neurotransmitter in den synaptischen Spalt. - Die erhöhte Transmittermenge bewirkt an der postsynaptischen Hörnervenfaser einen größeren Kationeneinstrom und damit ein EPSP höherer Amplitude und Dauer. - Dadurch wird der Schwellenwert zur Auslösung von Aktionspotenzialen am Axonhügel der Nervenzelle schneller und über längere Zeit überschritten, sodass Aktionspotenziale mit höherer Frequenz generiert werden (Frequenzcodierung).