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Aktionspotenzial

OberschuleBiologieHodgkin-Huxley-Modell des Riesenaxons des Tintenfischs: Natrium-, Kalium- und Leckströme durch spannungsgesteuerte Kanäle

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Über dieses Experiment

Jeder Gedanke und jeder Herzschlag beruht auf Aktionspotenzialen: kurzen Spannungsspitzen, die durch Nerven- und Muskelzellen rasen. Im Ruhezustand ist das Innere eines Neurons etwa 65 mV negativer als außen. Ein kleiner Reiz bewirkt fast nichts, doch sobald die Spannung einen Schwellenwert überschreitet, öffnen sich die Natriumkanäle schlagartig, Natrium strömt ein und das Zellinnere wird für eine Millisekunde positiv, bevor Kaliumkanäle den ursprünglichen Zustand wiederherstellen. Reizen Sie das Riesenaxon des Tintenfischs, das Hodgkin und Huxley untersuchten, bestimmen Sie den Schwellenwert, untersuchen Sie die Refraktärzeit und blockieren Sie die Kanäle mit Toxinen.

Lernziele

  • Beschreiben Sie das Ruhepotenzial und die Spannungsänderungen während eines Aktionspotenzials
  • Erklären Sie Depolarisation und Repolarisation anhand der Natrium- und Kaliumkanäle
  • Erklären Sie das Alles-oder-nichts-Prinzip des Aktionspotenzials und das Konzept eines Schwellenwerts
  • Erklären Sie die Refraktärzeit und warum sie dafür sorgt, dass sich Impulse nur in eine Richtung ausbreiten
  • Sage die Wirkung von Medikamenten und Toxinen voraus, die Ionenkanäle blockieren

Anleitung

  1. 1Drücke auf „Unterhalb der Schwelle“ und dann auf „Knapp oberhalb der Schwelle“. Vergleiche die beiden Kurven. Gibt es ein Aktionspotenzial mit halber Größe?
  2. 2Erhöhe den Reizstrom von 8 auf 30 µA/cm². Wird das Aktionspotenzial größer?
  3. 3Stelle das untere Diagramm auf „Leitfähigkeiten“ um. Welche Kanäle öffnen sich zuerst, die Natrium- oder die Kaliumkanäle? Welche schließen sich zuerst?
  4. 4Drücke auf „Zwei schnelle Impulse“. Warum löst der zweite Impuls kein Aktionspotenzial aus? Vergrößere den zeitlichen Abstand zwischen den Impulsen, bis es dazu kommt.
  5. 5Blockiere die Natriumkanäle schrittweise. Ab welchem Punkt treten keine Aktionspotenziale mehr auf?
  6. 6Blockiere stattdessen die Kaliumkanäle. Wie verändert sich die Form des Aktionspotenzials?

Das Modell

Hodgkin-Huxley-Gleichung für das Membranpotenzial
Jedes Tor öffnet und schließt sich mit Raten, die von der Spannung abhängen (für h und n gilt dieselbe Form)
Nernst-Gleichung für das Gleichgewichtspotenzial jedes Ions

Annahmen

  • Ein kleiner Abschnitt der Membran eines Riesenaxons des Tintenfischs bei 6,3 °C, mit den ursprünglichen Ratengleichungen von 1952, angepasst, sodass das Ruhepotenzial −65 mV beträgt.
  • E_Na = +50 mV und E_K = -77 mV. Die Ionenkonzentrationen ändern sich während einiger Aktionspotenziale nicht.
  • Die Gleichungen werden mit einem Runge-Kutta-Verfahren vierter Ordnung und Zeitschritten von 0,01 ms gelöst. Das Patch ist homogen, daher breitet sich der Impuls hier nicht entlang eines Axons aus.
  • Das Blockieren eines Anteils der Kanäle senkt die maximale Leitfähigkeit um denselben Anteil, wie es TTX und TEA tun.

Im Unterricht ausprobieren

  1. Q1Erklären Sie, warum das Innere der Membran am Höhepunkt des Aktionspotenzials positiv wird.
  2. Q2Warum kann der Spitzenwert niemals über E_Na liegen?
  3. Q3Warum führt ein stärkerer Reiz nicht zu einem größeren Aktionspotenzial? Wie codiert das Nervensystem stattdessen einen stärkeren Reiz?
  4. Q4Während der absoluten Refraktärzeit kann kein Reiz ein neues Aktionspotenzial auslösen. Welches Gate ist dafür verantwortlich?
  5. Q5Kugelfische enthalten Tetrodotoxin (TTX). Erklären Sie, warum der Verzehr eines schlecht zubereiteten Kugelfischs dazu führen kann, dass eine Person nicht mehr atmen kann.

Häufig gestellte Fragen

Wofür stehen m, h und n?

Sie geben den Anteil der geöffneten Tore an. m ist das schnelle Aktivierungstor des Natriumkanals, h sein langsameres Inaktivierungstor und n das Aktivierungstor des Kaliumkanals. Ein Natriumkanal leitet nur dann, wenn seine drei m-Tore geöffnet und sein h-Tor nicht geschlossen ist.

Warum Tintenfische?

Das Riesenaxon des Tintenfischs ist bis zu 1 mm dick, breit genug, dass Hodgkin und Huxley in den 1940er-Jahren einen Draht hineinschieben konnten. Ihre Messungen brachten ihnen 1963 den Nobelpreis ein, und ihre Gleichungen bilden bis heute eine Grundlage der Neurowissenschaften.

Warum sinkt die Spannung nach dem Spike unter das Ruhepotenzial?

Kaliumkanäle schließen sich langsam, sodass einige Millisekunden lang mehr von ihnen geöffnet sind als im Ruhezustand. Die Spannung wird näher an E_K herangezogen, das negativer ist als das Ruhepotenzial. Dieses Unterschwingen wird Hyperpolarisation genannt.