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

2. Erläutern Sie, wie in der Haarzelle die Signaltransduktion abläuft (Material B).

Lösung: An der Spitze der Stereozilien befinden sich mechanisch gesteuerte Kaliumionen-Kanäle, die im Ruhezustand geschlossen sind. Durch das Eintreffen eines akustischen Reizes gerät die Lymphflüssigkeit in Schwingung, wodurch die Stereozilien ausgelenkt und die verbindenden Tip-Links gestreckt werden. Dies bewirkt das mechanische Öffnen der Kaliumionen-Kanäle. Da die Endolymphe eine höhere K⁺-Konzentration als das Zellinnere aufweist, strömen Kaliumionen entlang ihres Konzentrationsgefälles in die Haarzelle ein, was zu einer Depolarisation der Haarzelle führt.

2. Stellen Sie ein Verfahren dar, mit dem sich Ionenströme durch Ionenkanäle untersuchen lassen.

Lösung: Patch-Clamp-Technik: Eine feine Glassaugkapillare mit Messelektrode wird dicht auf die Zellmembran aufgesetzt und leicht angesaugt, sodass ein Membranfleck mit idealerweise einzelnen Ionenkanälen isoliert wird. Bei Reizung oder Spannungsänderung kann der Ionenfluss durch die Kanäle als minimale Stromstärkeänderung hochpräzise gemessen werden.

2. Fassen Sie die Ergebnisse zusammen, die Abbildung 3 zeigt.

Lösung: Bei geringer Auslenkung der Stereozilien kommt es zu einem sehr kurzen und betragsmäßig geringen K⁺-Ionenstrom (ca. −0,2 nA). Bei starker Auslenkung fließt ein deutlich höherer Ionenstrom (bis ca. −0,7 nA) über einen wesentlich längeren Zeitraum. Der Strom bleibt während der starken Auslenkung nicht völlig konstant, sondern nimmt nach einem anfänglichen Peak leicht ab (Adaption).

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

Lösung: Skizze in einem vollständig beschrifteten Koordinatensystem (y-Achse: Membranpotential mit Ruhepotential und 0; x-Achse: Zeit): - Bei geringer Auslenkung (A): Ein kurzer Ausschlag geringer Amplitude oberhalb des Ruhepotentials. - Bei starker Auslenkung (B): Ein deutlich höherer, länger anhaltender depolarisierender Ausschlag, der erst nach Ende der Auslenkung wieder zum Ruhepotential abfällt.

3. Erklären Sie anhand von Material B die Erregungsweiterleitung auf die der Haarzelle nachgeschaltete Nervenzelle.

Lösung: Die durch den K⁺-Einstrom ausgelöste Depolarisation der Haarzelle führt an der basalen Membran zur Öffnung spannungsgesteuerter Calciumionen-Kanäle. Calciumionen (Ca²⁺) strömen aus der Perilymphe in die Zelle ein. Der Anstieg der intrazellulären Ca²⁺-Konzentration bewirkt die Fusion neurotransmittergefüllter Vesikel mit der präsynaptischen Membran und die Exozytose der Transmitter in den synaptischen Spalt. Die Transmittermoleküle binden postsynaptisch an Rezeptorproteine der Hörnervenfaser, verändern deren Ionenpermeabilität und lösen ein erregendes postsynaptisches Potential (EPSP) aus.

3. Stellen Sie den Ablauf eines Aktionspotentials über die Zeit in Form eines Fließschemas dar.

Lösung: Depolarisation bis zum Schwellenwert → Öffnung spannungsabhängiger Natriumionen-Kanäle → rapider Einstrom von Natriumionen → Ladungsumkehr (Overshoot/Depolarisationsphase) → Inaktivierung der Natriumionen-Kanäle und Stopp des Natriumeinstroms → zeitverzögerte Öffnung spannungsabhängiger Kaliumionen-Kanäle → Ausstrom von Kaliumionen → Repolarisation und kurzzeitige Hyperpolarisation → Verschluss der Kaliumionen-Kanäle → Wiederherstellung des Ruhepotentials (Ladungsausgleich / Na⁺/K⁺-Pumpe).

3. Begründen Sie, warum die Frequenz der Aktionspotentiale von der Stärke des Reizes abhängt (Materialien B und C).

Lösung: Je stärker der akustische Reiz ist, desto stärker werden die Stereozilien ausgelenkt und desto weiter bzw. länger öffnen sich die mechanisch gesteuerten K⁺-Kanäle. Dadurch entsteht ein Rezeptorpotential mit größerer Amplitude und Dauer. Infolge der stärkeren und längeren Depolarisation strömen vermehrt Calciumionen in die Haarzelle ein, was zu einer verstärkten Ausschüttung von Neurotransmittern in den synaptischen Spalt führt. An der postsynaptischen Membran der Hörnervenfaser bewirkt die höhere Transmitterkonzentration ein größeres und länger anhaltendes EPSP. Dadurch wird die Schwellenspannung am Axonhügel der Hörnervenfaser über einen längeren Zeitraum überschritten und nach Ablauf der Refraktärphase wiederholt erreicht, sodass eine höhere Frequenz von Aktionspotentialen ausgelöst wird (Umcodierung von Amplituden- in Frequenzcodierung).