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Neurobiologie

Von der Ionenverteilung bis zur Sinneszelle — erst den Zusammenhang finden, dann die Lösung.

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Aufgabenblock — AFB II

Zehn Aufgaben, in denen Wissen aus mehreren Unterkapiteln zusammenkommt: Befunde erklären, Verrechnung durchspielen, Signalwege einordnen. Drei gestufte Tipps helfen beim Ansatz.

A1
Ionen verschieben das Ruhepotenzial
AFB II

Leiten Sie für jede Veränderung ab, wie sich das Ruhepotenzial eines Axons (−70 mV) verschiebt.

Setzen Sie in jeder Zeile das passende Kreuz — hier ist es genau eins pro Zeile. Enter setzt und löscht.
Veränderungnegativerweniger negativpraktisch unverändert
Die K⁺-Konzentration außen steigt von 5 auf 20 mmol/L.
In die Membran werden zusätzliche K⁺-Leckkanäle eingebaut.
Die wenigen offenen Na⁺-Leckkanäle werden blockiert.
Zusätzliche Na⁺-Leckkanäle öffnen sich.
Tetrodotoxin blockiert die spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle.
Mehr K⁺-Leitfähigkeit oder weniger Na⁺-Leckstrom bringen das Potenzial näher an E(K⁺) ≈ −90 mV. Ein kleineres K⁺-Gefälle oder mehr Na⁺-Leckstrom depolarisieren. Die spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle sind in Ruhe geschlossen — ihr Blocker ändert das Ruhepotenzial kaum.
Das Ruhepotenzial liegt nahe E(K⁺) ≈ −90 mV; der Na⁺-Leckstrom verschiebt es nach oben — je größer die Durchlässigkeit eines Ions, desto stärker sein Einfluss.
Wird das Konzentrationsgefälle für K⁺ kleiner, strömt weniger K⁺ aus.
negativer: mehr K⁺-Kanäle, Na⁺-Leck blockiert · weniger negativ: K⁺ außen erhöht, mehr Na⁺-Leck · unverändert: TTX.
Lösung anzeigen
Das Ruhepotenzial ist ein Kompromiss: K⁺ zieht es Richtung −90 mV, der kleine Na⁺-Leckstrom macht es weniger negativ. Zusätzliche K⁺-Leckkanäle oder blockierte Na⁺-Leckkanäle verschieben das Gewicht zu K⁺ — das Potenzial wird negativer. Mehr Na⁺-Leck oder ein kleineres K⁺-Gefälle (mehr K⁺ außen) depolarisieren. TTX blockiert nur die spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle, die in Ruhe ohnehin geschlossen sind; das Ruhepotenzial bleibt, nur APs werden unmöglich.
A2
Lidocain beim Zahnarzt
AFB II
Material: Betäubung vor dem Bohren

Die Zahnärztin spritzt das Lokalanästhetikum Lidocain in die Nähe des Nervs, der den Zahn versorgt. Lidocain blockiert spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle von Axonen. Nach wenigen Minuten spürt die Patientin am Zahn nichts mehr; nach einigen Stunden kehrt das Gefühl zurück.

Begründen Sie, warum der Zahn nach der Spritze taub ist: Markieren Sie alle zutreffenden Aussagen.

Mehrere Antworten sind richtig. Markieren Sie alle zutreffenden und klicken Sie dann auf „Prüfen“.
Ohne offene spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle keine Depolarisationsphase — der Nerv leitet nicht mehr. Das Ruhepotenzial beruht auf Leckkanälen und bleibt; die Wirkung ist deshalb vollständig umkehrbar, wenn Lidocain abgebaut ist.
Welche Phase des AP hängt von spannungsgesteuerten Na⁺-Kanälen ab?
Lidocain wirkt am Nerv, nicht an der Sinneszelle und nicht an einer Synapse.
Drei Aussagen stimmen: kein AP, Meldung erreicht das Gehirn nicht, Ruhepotenzial bleibt.
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Lidocain blockiert die spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle der Axone. Ein Reiz im Zahn kann Sinneszellen noch erregen, doch im betäubten Nervenabschnitt entsteht kein neues AP: Die Depolarisation durch Ausgleichsströme reicht nicht, weil der lawinenartige Na⁺-Einstrom fehlt. Die Erregung erreicht das Gehirn nicht, der Zahn ist taub. Das Ruhepotenzial hängt von K⁺-Leckkanälen ab und bleibt erhalten; eine Synapse ist nicht beteiligt.
A3
Ein Motoneuron wägt ab
AFB II
Material: Vier Synapsen an einem Motoneuron (Modellwerte)

Ruhepotenzial −70 mV, Schwellenwert −50 mV. Am Axonhügel bewirken die erregenden Synapsen A und B je +6 mV, die erregende Synapse C +9 mV und die hemmende Synapse D −5 mV. Vereinfachend addieren sich gleichzeitige PSP vollständig.

Erläutern Sie die Verrechnung am Axonhügel, indem Sie in jeder Situation die richtige Karte wählen.

Spielen Sie den Weg Schritt für Schritt durch: Was ist jetzt richtig? Nur die richtige Karte bringt Sie weiter.
    EPSP gehen positiv, IPSP negativ in die Summe am Axonhügel ein. Gleichzeitige PSP verschiedener Synapsen addieren sich räumlich, dicht folgende PSP derselben Synapse zeitlich; das Ergebnis entscheidet, ob der Schwellenwert erreicht wird.
    Starten Sie jedes Mal bei −70 mV und addieren Sie mit Vorzeichen.
    Zeitliche Summation: Dieselbe Synapse liefert zwei EPSP, die sich addieren.
    Endwerte: −58, −49, −54, −45 mV.
    Lösung anzeigen
    A und B summieren sich räumlich auf −58 mV — noch 8 mV unter dem Schwellenwert. Mit C erreicht die Summe −49 mV, ein AP entsteht. Das IPSP von D senkt die Summe auf −54 mV; das AP bleibt aus. Feuert C zweimal dicht hintereinander, kommt durch zeitliche Summation ein weiteres EPSP von 9 mV hinzu: −45 mV, die Hemmung wird überwunden. Real addieren sich PSP nicht ganz vollständig; das Modell zeigt das Prinzip.