Bioelektrizität in Zellen – Entstehung und Bedeutung

Bioelektrizität in Zellen – Entstehung und Bedeutung Übung

• Beurteile die Aussagen bezüglich der Ionen.

  Tipps

  Geladene Teilchen können nicht einfach durch die Membran diffundieren.

  Merke dir, dass negativ geladene Ionen Anionen sind.

  Lösung

  Wenn ein Atom oder Molekül einen Elektronenmangel oder -überschuss hat, entsteht ein Ion. Es ist also elektrisch geladen. Bei einem Elektronenüberschuss ist das Ion negativ geladen und wird Anion genannt. Hat es einen Elektronenmangel, ist es positiv geladen und heißt Kation. Da die tierische Membran aus einer Lipiddoppelschicht aufgebaut ist, können keine geladenen Teilchen durch diese hindurch. Die geladenen Ionen brauchen also spezielle Kanäle, um die Membran zu passieren. Da aber auch Ionen verschieden geladen sein können (z. B. positiv oder negativ, einfach oder mehrfach geladen) gibt es Kanäle, die nur die entsprechenden Ionen passieren können.

• Bestimme den Ablauf der Erregungsleitung an Nervenzellen.

  Tipps

  Der Ionenfluss kommt durch eine Umverteilung der Ladung zustande.

  Lösung

  Die Erregungsleitung an den Nervenzellen ist für alle tierische Zellen wichtig, um Informationen aufzunehmen und weiterzuleiten. Kommt ein elektrischer Impuls an den Sinneszellen oder am Nervenzellkörper an, so öffnen sich die spannungsgesteuerten Ionenkanäle für einen kurzen Augenblick. Die ungleich verteilten Ionen (Ladungsträger) strömen in die Zelle ein und verändern so das Membranpotential. Auf diese Weise wird die Information nur in eine Richtung am Axon weitergeleitet.

• Definiere die folgenden Begriffe zur Bioelektrizität.

  Tipps

  Damit Spannung entsteht, müssen Ionen ungleichmäßig verteilt sein.

  Lösung

  Strom fließt, wenn die geladenen Teilchen ungleichmäßig verteilt sind. In den tierischen Zellen sind das Anionen und Kationen. Entsteht Spannung an einer Membran, so spricht man von Membranpotential. Dabei trennt die Lipiddoppelschicht der Membran das innere und äußere Milieu. Ein Gleichgewichtspotential entsteht, wenn die Kräfte des Konzentrationsausgleichs und des Ladungsausgleichs gleich groß sind.

• Bestimme unterschiedliche Arten von Ionenkanälen.

  Tipps

  Die spannungsaktivierten Natriumkanäle sind in allen Nervenzellen zu finden. Durch die Veränderung des Membranpotentials öffnen sie sich, sodass an der Zellmembran der Nervenzelle ein verstärkter Ionenfluss stattfindet.

  Die Klassifizierungen können sich überschneiden. Es gibt Natriumkanäle, die spannungsgesteuert sind, und welche, die es nicht sind.

  Lösung

  Ionenkanäle sind Transmembranproteine in der Zellmembran, die der Zelle ermöglichen, in ständigem Kontakt mit dem extrazellulären Raum zu stehen. Die meisten Ionenkanäle haben einen offenen und einen geschlossenen Zustand. Neben unspezifischen Kanälen, die für mehrere Ionen durchlässig sind, gibt es auch selektive Ionenkanäle, die unterschiedlich klassifiziert werden können.

  Eine häufig verwendete Klassifizierung erfolgt nach dem transportierten Ion des Kanals. So werden Kanäle, die für Natrium passierbar sind, als Natriumkanäle bezeichnet, demnach die für Kalium passierbaren Kaliumkanäle usw. Außerdem kann man die Ionenkanäle auch nach der Art der Steuerung einteilen.

  So gibt es spannungsgesteuerte Ionenkanäle, die in jeder Nervenzelle zu finden sind. Sie öffnen sich durch die Veränderung des Membranpotentials. Wenn ein Reiz auf die Nervenzelle trifft, öffnen sie sich durch die veränderte Spannung und ermöglichen die Erregung der Nervenzelle.

  Liganden-gesteuerte Ionenkanäle sind z. B. an den Synapsen der Nervenzellen zu finden. Diese Kanäle haben Rezeptoren, an die die entsprechenden Botenstoffe binden können. Wenn z. B. Acetylcholin an den Acetylcholin-Rezeptor bindet, öffnet sich der Kanal und wird passierbar.

  Mechanisch gesteuerte Kanäle sind in unseren mechanischen Sinneszellen zu finden. Diese Kanäle werden durch mechanische Spannungen aktiviert. Diese können durch Druck und Vibration ausgelöst werden.

• Bestimme den Ort der jeweiligen Ionenkonzentrationen.

  Tipps

  Organische Anionen sind zelleigene Strukturen, die meist zu groß für Kanäle sind.

  Faustregel: Kochsalz (NaCl) nehmen wir von außen auf.

  Lösung

  Damit Elektrizität und damit die Aufnahme und Weitergabe von Information in tierischen Zellen funktioniert, müssen die Ionen ungleich verteilt sein. Im Zellinneren befinden sich mehr K⁺-Ionen und organische Anionen⁻. Das sind zelleigene Strukturen (daher innen), die auch geladen sind und daher nicht durch die Membran diffundieren können. Für die meisten Kanäle sind sie zu groß, weshalb sie für die Bioelektrizität keine große Rolle spielen. Außen befinden sich mehr Na⁺- und innen mehr K⁺-Ionen.

• Bestimme den Aufbau einer Nervenzelle.

  Tipps

  Die Ionenkanäle, durch die die kurzzeitige Änderung des Membranpotentials erfolgen kann, befinden sich im Axon der Nervenzelle.

  Im Soma finden wir den Zellkern der Nervenzelle.

  Die Schwannschen Zellen isolieren das Axon. Die Membran der Nervenzelle liegt nur an den Ranvierschen Schnürringen frei.

  Lösung

  Die Nervenzelle ist das kleinste Bauelement des Nervensystems. Sie besteht aus dem Zellkörper (Soma), den kurzen Fortsätzen (Dendriten) und dem Axon. Durch die kurzen Fortsätze werden Nervenimpulse aufgenommen und über das Axon und über die Synapsen, die sich an den Enden der Fortsätze befinden, zu anderen Nervenzellen oder Muskeln weitergeleitet.

  Das Axon ist für die Entstehung des Impulses von großer Bedeutung, denn an der Zellmembran befinden sich die Ionenkanäle, durch die im Falle einer Erregung der verstärkte Ionenfluss stattfinden kann. Die Axone mancher Nervenzellen sind von der Myelinscheide umgeben, die von den Schwannschen Zellen gebildet wird. In den Zwischenräumen dieser Schwannschen Zellen, also an den Ranvierschen Schnürringen, liegt die Zellmembran des Axons frei.