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Neuronen allgemein

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Zellkem
Synapse
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Neurobiologie •Neuron allgemein, Ruhe-/ Aktionspotenzial, chemische Synapse, Weiterleitung am Axon

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1.1 Denbrit soma 1.2 430 mV TY 440mV+ +20 mV +10 my -10 mV 20mV 30 mV -40 mV+ JSOMV -60 mV -DmV- -80 mV 1. Bio klausur 02 ✓ Zellkem Synapse (synaptischer Mobes verodac Membranpotenzial ахолиидея и Axon Reizeinsatz Ruhepotenzial Spalt) IA MV ranvierscher schnurring 220* myeuinscheicle с което S 33 Ladungsumkerr Repolarisation * Zeit 11.09.2020 Erdknöpfchen t Hyperpolarisation Nowh Schwellwert quis Deta Ruhepotenzial pute A 50 Nachdem das Punepotenzial wieder erreicht neu zu einem AHDONS- worden ist, kann is positiv geschlossen sind nun öffnen und o * De Natrium- potenzial erregt werden. Ein Reiz erreicht Depolarisation, also wird das Zellinnere, welches das Neuron und es entsteht eine beginnende im Ruhepotenzial bei unger ans -70 mV liegt", eine noch größere Depolarisation und führt von ungefähr -30 mV erreicht ist, entsteht positiver als zuvor. Sobald der schwellingt Sogar zu einer völligen Ladungs umkent. Dies passiert, da sion one spannung's abhängigen Natrium kanale, welche im Ruhepotenzial Collständig Madene Matriumionen, durch die elektromoton sche Handle bleiben Hraft und des Konzentrationsgefalles in die bis zum nachosen Zelle strömen. Dies führt zu der völligen. inaktiv, dhe SA sind schließen sich die Mathumti andle and Zeit nennt sich die Kalium Handle offnen sich * Dadurch strömt nalium ins Zellinnere und es gibt eine Re-² Refraktärzeit. polantation ~ Da die Halium tanace langsam albeite SA Strömen menir Haliumionen en als nötig und es hommt sogar zu eine Hyperpolarisation, also sinkt die Ladung Juf ungefähr -80 mV, noch tiefer als das eigentliche Ruhe potential Die Matrium- / Halumpumpe sorgt dafür, dass das Runepotenzial Lieder, unter ATP Einsatz, erreicht sird!* Ruhepotenzial * En Alitions- 1 potential handelt nach dem "Alles oder Nichts" Prinzip, entweder gibt es ein AP odes 1.31 tuins. Es ist digital codiert, Reiz auf dem' also ist die...

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Abschnitt 1 passt zu Diagramm C, da der Amplitude and Hein Atitionspotenzial entstenen kann. Es sendet Axon gesetze wurde im Soma immer gleich die Aktionspotenziale nur ES hoch. Die an den Alonnügel. weiter wo sie dann zu einem oder keinem Atitions potenzial verrechnet werden. Stärkee des lird Reize Jlan durch de Frequenz chargestellt. 2 Abschnitt 3+4 passen zu Diagramm B, da dort ein Atitions potenzial entstent bzys. entstehen kann. Weil der Ruz im Aton gesetzt wurde, strömen die Natriumionen nicht nur in Richtung Endrinopfchen, sondern auch in Richtung tit Soma. Dies passiert, da beide Seiten nicht inaktiv, also bereit sind, ein weiteres Atitions potenzial ent- Stehen zu lassen. Da Abschnitt 3 und 4 beide. auf diesem weg liegen, nommen auch bei beiden Abschnitten Alitionspotenziale an. Abschnitt 2+5 passen zu Diagramm A, da am brisation, jedoch kein Atitions potenzial entstent. Axonnigel und an der Synapse zwar eine Depo- Der Axonhugel vertechnet um ein Neues auslösen Atitions potenzau zu ist zu wenig. An der chemischen Synapse Hann Hönnen. Eines jedo ch menrere Juch kein Aktionspotenzial entstehen, da dort die Ladungsandwing in das soma übergent, welche Zwar eine Depdansation, jedoch turn Atitions- potenzal erreichen kann. 11.4 In Diagramm A sind zwei Graphen zu erken- nen. Außerdem beschreibt die x-Achse die Zeit in ms und die Y-Achse das rembran- potenzial in mv. Graph I beginnt bei -80 mV und steigt nach Einsatz des Reizes, auf fast -40 mv, erreicht den Schwellenwert jedoch nicht, Nach beenden des Reizes sinkt sie Juf -80 mv. Graph I beginnt Sobald der auch bei -80 mu und steigt Reiz eingesetzt wird. Dieser jedoch erreicht im Zeitraum des. Beizes den Schwellen- wert von -40 my und Steigt nach dem Reiz auf bis +40 mv an. Dort Sinkt OS schnell und sinkt sogar terfer als sein Anfangs- wert. Schnell steigt er Aufangs wert von neder -80 ml an. auf seinen steder Bei Graph I konnte kein Atitions potenzial aus- gelöst werden weer nicht den weil Schwellenwert von -40 mu erreicht. Doner bleibt es bei einer lokaln Depolarisation und dadurch, dass kein Atitions potenzial entstand, strömen such keine Kouumionen nach Außen und es entstent Heine Hypospolnisation. Er flacht lediglich auf -80 mV wieder ab. Bei Graph II konnte en Atitionspotenzal Qus- gelöst werden da er den Schwellen wert von -40 mv erreicht. Doher Steigt er auf +40 mV und es entstent eine völlige ladungsumkens, da sich die spannungs abhaing gen Mathumkanale diese trieder inaktiviest Kayumkanale und sich die kommt zu haben öffnen Malium nonnte nach tußen Strömen. Daner Sinnt der Graph Schnell. Da die Halium Handle langsam arbeiten arbeiten, Sohueßen sie nicht Schell gening und es zu einer Hyperpola. sation also werden die werte noch frieser am Anfang, um die Ausgingswerte Greder hertustellen arbeitet die Matrium-/ von ATP, dane Halium pumpe unter verblauon bei -80 MV." starten aus dem Ruhepotenz! als endet de Graph ineder Beide Graphen ی) 3 در gut! Toa onne Digitoxin Da die Konzentration verisuft das AP nach gemessen normalen Bedingungen. Da es bel Graph eine Depolarisation gab und kein AP, auch außen die Kurve Feur Nat I nur wird Honzentration nur wenig trefer. jedoch bei Graph II Schnell die Nationen auch ins Zellinnere enstromen, wird doner die Konzentration dieser im Zell Jußereen Schlagastig weniger, steigt jedoch wieder an, sobald das Rune potential wieder hergestellt am Ende Ruhe potentia befinden sich beide grophen Litd. Da am Anfang und herrscht om insting und (In Diagramm & uning neben Monzentration due Nat in ms angegeben. B crird 1.S /Digitoxin beeinflusst die Funktion der Natrium-/ Malium pumpe negativ. Daner Schafft sie es nicht rechtzeitig das Rune potenzial herzustellen. In Diagramm C hann erkennen, dass die. Mat Hinzen. tration nicht von dem Normalwert von o im Ruhepotenzial ausgent, sondern der Reiz gesetzt witol, als die Na Honzentration noch im Minusbereich ist, also noch Hein Rune potenzial erreicht wurde Daher Honnen die Graphen nicht weiter ausschwentein und noch weiter Hommen." den In Diagramin C wind in mmol pro ms angegeben. Minusbereich dure Hat Honzentration) Jedoch gilt Digitoxin nicht nur als Giftstoff, Sondern und auch in der Medizin therapeutisch bei Herzpatienten Herzpatsenten lingesetzt, um Zum Beispiel He 2 sonlag zu verringern. den tokin Da dieses Pightoxin bewirkt, dass die Re- fraktärzeit longer bestent und es allgemein langer dauert ein neves thesions potenzial her Zustellen, Hann es allgemein zus verong- samung versouredener Muskein etc verwendet. und lingesetzt werden. 1.6 Allgemein ist zu beachten, dass zu hone Honzentrationen der Giftfs Digitoxin zum Tod führen können. Schnell Bei einer Dauertherapie mit Digito xinen muss darauf geachtet werden, dass die Dosierung nicht so hoch ist sodass die Natrium-/hali umpumpe homplett aussetzt. Außerdem muss man darauf achten, dass man nicht zu die nächste Einnahme vorbereitet und die wirkungsdauer sieben bis zudlf ver bis zwolf Stunden, je nach Einnahme Lartet, da sonst oue Konzentration zu hoch ~ Sun und man daran Sterber konnte. man bzw. von ab- kann Aktionspotenzial ^ Calciumranale gespaltene Trans- mittes nommen zur erneuten Synthese zurücia ins Endhinipfonen. synaptische Blaschen X jeweiliges Enzym zum spalten der Trans- mitter X Ⓒ Ⓡ Q Daduran verden öffnet und. es EPSP V Spannungsgesteverte Natrium kanale Endknopfchen prasynapbische Membian postsynaptische Membran Transmitter Rezeptoren 1 = Wirkungsort von Nowitschole ✓ due To rezeptorgesteverte •Natriumionentamale Rezeptoren, wodurch Transmitter mole ficle V V Natriumhanale nion ge- Hommt zu keiner Erregung 41/49 ㄴ ES setzt sich auf es für die eigentlichen blockiert ist. Dies passiert, da der Biftstoff und Atropin das Acetylcholin sich vom Aufbau Schr ähneln. ате 2.4 = Wirkungsort von Atropin 10 5 1. Klausur Lk Biologie 12.1 Neurobiologie: Erregungsbildung, Erregungsleitung und die chemische Synapse Emily Aufgabe 1 Weiterleitung am Axon M1 Digitoxine Digitoxine sind Giftstoffe, die man aus dem Roten Fingerhut (Digitalis purpurea), insbesondere aus den Blättern gewinnen kann (vgl. M2). Hieraus werden dann so genannte Herzglykoside hergestellt, die in der Medizin therapeutisch bei Herzpatienten eingesetzt werden, um z.B. den Herzschlag zu verringern. Bei Vergiftungen mit Digitoxinen lassen sich Symptome wie Übelkeit, Erbrechen, Halluzinationen und Koma beobachten. Zu hohe Konzentrationen können zum Tod führen. Bad Berleburg, 11. September 2020 Um die genauen Wirkungsweisen zu erforschen, sind neurophysiologische Messungen an isolierten, unbehandelten sowie mit Digitoxinen behandelten Nervenfasern durchgeführt worden. Diese wurden unterschiedlich stark gereizt. Die Ergebnisse sind im Material 5 dargestellt. Weitere Untersuchungen mit verschiedenen Digitoxinen an Nervenzellen haben gezeigt, dass bei einigen Giften der lonentransport an der Axonmembran gestört ist, bei anderen die Erregungsübertragung von einem Neuron zum anderen gehemmt wird. M2 Der Rote Fingerhut Digitalis purpurea M3 So wirkt Digitoxin Digitoxin wirkt drei bis vier Stunden nach der Einnahme und hat eine Wirkdauer von sieben bis zwölf Stunden. Digitoxine beeinflussen die Funktion der Natrium-Kalium-Pumpe negativ. Wenn es direkt in den Blutkreislauf gespritzt wird, tritt die Wirkung schneller ein, nämlich schon nach 25 Minuten bis 2 Stunden. Die Wirkung hält dann vier bis zwölf Stunden an. Pro Tag werden nur sieben Prozent des Digitoxins aus dem Körper ausgeschieden. 1 M4 Modellhafte Darstellung verschiedener Membranpotentiale an einem Neuron, das künstlich überschwellig gereizt wird B Membranpotenzial (mv) Membranpotenzial (mv) Membranpotenzial (mv) 2 Reiz 4 2/5 3/4 A M5 Neurophysiologische Messungen an isolierten Neuronen A Membranpotential B-Natriumionenkonzentration außen ohne Digitoxin C= Natriumionenkonzentration außen mit Digitoxin mV +40 0 -40- 2 -80 mmol Nat-Konzentration mmol -Konzentration EOT 14-Reiz- Reiz- Kurve 1 Graph I Kurve I Kurve I Kurve II Kurve II Graph II Kurve II ms B ms C ms B und C: 0 gibt die normale Nat-Konzentration der extrazellulären Flüssigkeit an 1.1 Skizziere und beschrifte den Bau eines Neurons. 1.2 Zeichne den Graphen der Entstehung eines Aktionspotentials vom Ruhepotential bis zur erneuten Erregbarkeit (vgl. M4 B) und beschreibe kurz die Vorgänge an der Axonmembran, die zu den Spannungsänderungen führen und ordne sie dem Verlauf deines Graphen zu. 1.3 Ordne die im Material 4 dargestellten Membranpotentiale A-C begründet den in M4 Ⓒ bezifferten Abschnitten 1-5 eines künstlich gereizten Neurons zu. (Einer oder mehrere Graphen müssen demnach mehrfach zugeordnet werden!) 14 Interpretiere die Kurven in Diagramm A aus Material 5 und stelle einen Zusammenhang zu den Kurven in Diagramm B aus Material 5 her. 1.5 Gib eine Erklärung für die Wirkung von Digitoxinen. Werte hierzu das Diagramm C aus M5 aus. Begründe in diesem Zusammenhang auch den Einsatz als Medikament. 1.6 Stelle eine kurz begründete Hypothese auf, was bei der Dauertherapie mit Digitoxinen in Bezug auf die Dosierung zu beachten ist. Aufgabe 2 Gift und Gegengift M6 Schwer erkrankter Putin-Kritiker - Wie das nachgewiesene Gift im Körper wirkt Der Kremlkritiker Alexej Nawalny wurde [am 20. August 2020] offenbar mit einer Substanz vergiftet, zu der auch das berüchtigte sowjetische Nervengift Nowitschok gehört. [...] Die Ärzte der Berliner Charité haben im Fall des russischen Oppositionspolitikers Alexej Nawalny Hinweise auf eine Vergiftung gefunden. Die klinischen Befunde würden auf eine Substanz aus "der Wirkstoffgruppe der Cholinesterase-Hemmer" hinweisen, teilte die Charité mit. Die genaue Substanz sei aber bislang nicht bekannt. [...] Auf den Wirkstoffen aus dieser Gruppe basieren einige Medikamente und Insektizide, aber auch Nervengifte wie das in der ehemaligen Sowjetunion entwickelte Nowitschok. Diese Stoffe hemmen das Enzym "Acetylcholinesterase" [im Fall von Nowitschok irreversibel!], das für die normale Funktion des Nervensystems von Menschen, Wirbeltieren und Insekten wichtig ist. [...] Cholinesterase-Hemmer können bei einer Vielzahl von Körperfunktionen Überaktivitäten auslösen, deren akute Folgen tödlich sein können. So können sie Muskelkrämpfe verursachen und anschließend zu Herz- und Atemlähmung führen. Auszüge aus einem Artikel des spiegel.de vom 24.08.2020 M7 Normale Erregungsleitung ohne Einwirkung eines Nervengiftes mV ии mV AP im ankommenden Neuron 1 Acetylcholinkonzentration im EPSP synaptischen Spalt M8a Raumstruktur von Atropin und Acetylcholin: H₂C Atropin M8 Die Wirkung von Atropin Atropin ist das Gift, welches in Pflanzen, wie zum Beispiel der Tollkirsche, vorkommt. Bereits geringe Mengen dieses Giftes können bei oraler Einnahme zu Herzrasen, Schweißausbrüchen und schließlich zum Tode führen. Da es an charakteristischen Stellen seiner Molekülstruktur dem Acetylcholin ähnelt (vgl. Abb. M8a), blockiert es die Acetylcholin-Rezeptoren der Natriumkanäle, die in der postsynaptischen Membran liegen. Dieses Gift führt bei ausreichend hoher Dosis zur Lähmung der Muskeln und schließlich dem Tod durch Atemstillstand. H₂C CH₂ H₂C Acetylcholin OH Schwellenwert 3 mv - AP im Neuron 2 2.1 Zeichne und beschrifte die Abläufe an einer chemischen Synapse. Zeichne auch den Wirkungsort des Giftstoffes Nowitschok ein. 2.2 Zeichne die vier gleichen Situationen wie in M7 dargestellt bei einer Vergiftung durch Nowitschok. 2.3 Erläutere begründet, worauf die Wirkung des Nervengiftes Nowitschok auf den Organismus beruht und warum das Gift tödlich wirken kann. 2.4 Zeichne die vier gleichen Situationen wie in M7 dargestellt bei einer Vergiftung durch Atropin. Bewerte nun begründet, ob sich Atropin besonders als Gegengift bei einer Vergiftung mit Nowitschok eignen könnte. 4 VIEL ERFOLG! Name: Aufgabe 1.1: 1 2 3 1 2 1. Klausur Lk Biologie 12.1 Neurobiologie: Erregungsbildung, Erregungsleitung und die chemische Synapse 3 Emily Rothemes 2 Aufgabe 1.2: Anforderungen zeichnet eine sinnvolle Skizze eines Neurons und beschriftet Zellkörper (Soma) Dendrit Axon Axonhügel erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: Anforderungen Der Prüfling Der Prüfling zeichnet einen sinnvollen Graphen (vglbar mit M4 28). beschreibt Aufgabe 1.3: Ruhepotential: Zellinneres negativ geladen (ca. -70mV), für K liegt ein dynamisches Gleichgewicht vor, da sich die EMK und die Kraft des Konzentrationsgefälles ausgleichen; spannungsabhängige Na-Kanäle geschlossen✔ Depolarisierung durch Reiz öffnen sich erst einige, dann immer mehr Na-Kanäle Na-Einstrom aufgrund des Konzentrationsgefalles und der EMK, durch diese positive Rückkopplung kommt es zur Ladungsumkehr (bis ca. +50mV) . Repolarisation: bei ca. +50mV schließen die Na-Kanäle, ein massiver K-Ausstrom findet statt (beide Kräfte zeigen nun für K nach außen), der das Zellinnere wieder negativ werden lässt Hyperpolarisation: z.T. ist K-Ausstrom so stark, dass das Ruhepotential unterschritten erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: Nat/K-Pempe wird Erst mit Erreichen eines neuerlichen RP ist die Membran wieder erregbar, da die Na*- Kanäle nach der Refraktärzeit wieder aktiv sind Anforderungen Myelinscheide ranvierscher Schnürring Endknöpfchen Synapse Der Prüfling ordnet die Membranpotentiale folgendermaßen zu 3 und 4 =B, da sich ein AP in beide Richtungen ausdehnt, da sich durch die Reizung von außen kein Teil der Axonmembran in der Refraktärphase befindet V. 5 = A, da nach Erreichen des AP am Endknöpchen das Signal auf chemischem Wege die Synapse überwindet und zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran führt, wo das Signal analog abgebildet wird 2= = A oder B, je nachdem ob man dem Bereich zum Soma (= A) oder dem Axonhügel (= B) zuordnet, da sich am Soma fast keine Na-Kanäle befinden, wird das AP abgeschwächt (A) abgebildet, sonst Erklärung wie bei 3 & 4 V 1 = C, da sich der Reiz mit Entfernung vom Axonhügel immer mehr abschwächt, wird bei 1 vermutlich nur noch das RP zu messen sein (ggf. auch A, bei hinreichender Begründung) erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: maximal erreichbars Punktzah 3 4 (2) 7 maximal erreichbare Punktzahl 2 10 (2) 12 maximal erreichbare Punkta 8 (2) 8 erreichte Punktzah 3 4 7 erreichte Punktzah 2 ^ 9 erreichte Punktzahl 7 Vd 7 Aufgabe 1.4: 1 2 3 4 1 2 3 4 Aufgabe 1.5: Anforderungen 1 Interpretiert Diagramm A wie folgt: 2 benennt Achsenbeschriftung bei Kurve i steigt das Membranpotential nur bis zu einem Wert von etwa -40mV an, s wird also kein AP ausgelöst, da der Schwellenwert nicht erreicht wird bel Kurve ll sehen wir den typischen Verlauf eines AP durch überschwellige Reizung erkennt in Diagramm B: benennt Achsenbeschriftung Kurve I zeigt eine wesentlich geringere Verminderung der Konzentration von Natriumionen auf der Außenseite als Kurve Il V folglich strömen bei I weniger Na-Ionen von außen nach innen die Zahl der geöffneten Na-Kanäle ist in Kurve I somit geringer als in f stellt folgende Zusammenhänge her. erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: Der Prüfling Anforderungen Reiz I war ein schwacher Reiz, der nur wenige Na'-Kanäle öffnete und somit kein hervorrief, daher sank die Natriumionenkonzentration außen auch nur gering Reiz il war ein überschwelliger Retz, der viele Na-Kanäle öffnete und somit ein AP hervomief, daher sank die Natriumionenkonzentration außen auch stark · Aufgabe 1.6: Der Prüfling erklärt, dass sich die Natriumionerkonzentration in der extrazellulären Flüssigkeit deutlich vermindert hat (deutlich unter dem O-Wert liegt) sowohl bei einem unterschwelligen als auch bei einem überschwelligen Reiz nur noch sehr wenig Natrium in die Zelle gelangt kaum mehr erkennt (auch mithilfe von M3), dass die Digitoxine die Funktion der Natrium-Kalium-Pumpe stören, die Konzentrationen von Natrium und Kalium sich daher ausgleichen und so auch außerhalb der Zelle eine deutlich geringere Natriumkonzentration vorherrscht und Natrium in das Axon einströmt und folglich das RP gestört ist und kein weiteres AP am nächsten Neuron ausgelöst werden kann. vermutet, dass sich die Digitoxine daher verlangsamend auf das Herz wirken, da sie die Reizweiterleitung hemmen. erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: Anforderungen Der Prüfling bezieht sich auf M3 und erkennt, dass sich die Digitoxine nur sehr langsam im Körper abbauen und somit eine lange Wirkungszeit haben und schlussfolgert daher, dass nach einer höheren Anfangsdosis die Folgedosen geringer sein müssen, um einen ausreichenden Wirkspiegel im Blut zu erhalten und eine gefährliche Überdosierung zu verhinder. erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: Aufgabe 1 insgesamt maximal erreichbare Purstru 3 3 4 maximal erreichbare Punktza 2 4 7₂ 4 (2) 7 10 2 (2) 8 masmal erreichbare Punkta 4 (2) erreichte Punktzah ✔ 3 49 3 10 erreichte Punktzah 2 2 K / کی erreichts Punktzah 3 ✓ 3 41

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Abschnitt 1 passt zu Diagramm C, da der Amplitude and Hein Atitionspotenzial entstenen kann. Es sendet Axon gesetze wurde im Soma immer gleich die Aktionspotenziale nur ES hoch. Die an den Alonnügel. weiter wo sie dann zu einem oder keinem Atitions potenzial verrechnet werden. Stärkee des lird Reize Jlan durch de Frequenz chargestellt. 2 Abschnitt 3+4 passen zu Diagramm B, da dort ein Atitions potenzial entstent bzys. entstehen kann. Weil der Ruz im Aton gesetzt wurde, strömen die Natriumionen nicht nur in Richtung Endrinopfchen, sondern auch in Richtung tit Soma. Dies passiert, da beide Seiten nicht inaktiv, also bereit sind, ein weiteres Atitions potenzial ent- Stehen zu lassen. Da Abschnitt 3 und 4 beide. auf diesem weg liegen, nommen auch bei beiden Abschnitten Alitionspotenziale an. Abschnitt 2+5 passen zu Diagramm A, da am brisation, jedoch kein Atitions potenzial entstent. Axonnigel und an der Synapse zwar eine Depo- Der Axonhugel vertechnet um ein Neues auslösen Atitions potenzau zu ist zu wenig. An der chemischen Synapse Hann Hönnen. Eines jedo ch menrere Juch kein Aktionspotenzial entstehen, da dort die Ladungsandwing in das soma übergent, welche Zwar eine Depdansation, jedoch turn Atitions- potenzal erreichen kann. 11.4 In Diagramm A sind zwei Graphen zu erken- nen. Außerdem beschreibt die x-Achse die Zeit in ms und die Y-Achse das rembran- potenzial in mv. Graph I beginnt bei -80 mV und steigt nach Einsatz des Reizes, auf fast -40 mv, erreicht den Schwellenwert jedoch nicht, Nach beenden des Reizes sinkt sie Juf -80 mv. Graph I beginnt Sobald der auch bei -80 mu und steigt Reiz eingesetzt wird. Dieser jedoch erreicht im Zeitraum des. Beizes den Schwellen- wert von -40 my und Steigt nach dem Reiz auf bis +40 mv an. Dort Sinkt OS schnell und sinkt sogar terfer als sein Anfangs- wert. Schnell steigt er Aufangs wert von neder -80 ml an. auf seinen steder Bei Graph I konnte kein Atitions potenzial aus- gelöst werden weer nicht den weil Schwellenwert von -40 mu erreicht. Doner bleibt es bei einer lokaln Depolarisation und dadurch, dass kein Atitions potenzial entstand, strömen such keine Kouumionen nach Außen und es entstent Heine Hypospolnisation. Er flacht lediglich auf -80 mV wieder ab. Bei Graph II konnte en Atitionspotenzal Qus- gelöst werden da er den Schwellen wert von -40 mv erreicht. Doher Steigt er auf +40 mV und es entstent eine völlige ladungsumkens, da sich die spannungs abhaing gen Mathumkanale diese trieder inaktiviest Kayumkanale und sich die kommt zu haben öffnen Malium nonnte nach tußen Strömen. Daner Sinnt der Graph Schnell. Da die Halium Handle langsam arbeiten arbeiten, Sohueßen sie nicht Schell gening und es zu einer Hyperpola. sation also werden die werte noch frieser am Anfang, um die Ausgingswerte Greder hertustellen arbeitet die Matrium-/ von ATP, dane Halium pumpe unter verblauon bei -80 MV." starten aus dem Ruhepotenz! als endet de Graph ineder Beide Graphen ی) 3 در gut! Toa onne Digitoxin Da die Konzentration verisuft das AP nach gemessen normalen Bedingungen. Da es bel Graph eine Depolarisation gab und kein AP, auch außen die Kurve Feur Nat I nur wird Honzentration nur wenig trefer. jedoch bei Graph II Schnell die Nationen auch ins Zellinnere enstromen, wird doner die Konzentration dieser im Zell Jußereen Schlagastig weniger, steigt jedoch wieder an, sobald das Rune potential wieder hergestellt am Ende Ruhe potentia befinden sich beide grophen Litd. Da am Anfang und herrscht om insting und (In Diagramm & uning neben Monzentration due Nat in ms angegeben. B crird 1.S /Digitoxin beeinflusst die Funktion der Natrium-/ Malium pumpe negativ. Daner Schafft sie es nicht rechtzeitig das Rune potenzial herzustellen. In Diagramm C hann erkennen, dass die. Mat Hinzen. tration nicht von dem Normalwert von o im Ruhepotenzial ausgent, sondern der Reiz gesetzt witol, als die Na Honzentration noch im Minusbereich ist, also noch Hein Rune potenzial erreicht wurde Daher Honnen die Graphen nicht weiter ausschwentein und noch weiter Hommen." den In Diagramin C wind in mmol pro ms angegeben. Minusbereich dure Hat Honzentration) Jedoch gilt Digitoxin nicht nur als Giftstoff, Sondern und auch in der Medizin therapeutisch bei Herzpatienten Herzpatsenten lingesetzt, um Zum Beispiel He 2 sonlag zu verringern. den tokin Da dieses Pightoxin bewirkt, dass die Re- fraktärzeit longer bestent und es allgemein langer dauert ein neves thesions potenzial her Zustellen, Hann es allgemein zus verong- samung versouredener Muskein etc verwendet. und lingesetzt werden. 1.6 Allgemein ist zu beachten, dass zu hone Honzentrationen der Giftfs Digitoxin zum Tod führen können. Schnell Bei einer Dauertherapie mit Digito xinen muss darauf geachtet werden, dass die Dosierung nicht so hoch ist sodass die Natrium-/hali umpumpe homplett aussetzt. Außerdem muss man darauf achten, dass man nicht zu die nächste Einnahme vorbereitet und die wirkungsdauer sieben bis zudlf ver bis zwolf Stunden, je nach Einnahme Lartet, da sonst oue Konzentration zu hoch ~ Sun und man daran Sterber konnte. man bzw. von ab- kann Aktionspotenzial ^ Calciumranale gespaltene Trans- mittes nommen zur erneuten Synthese zurücia ins Endhinipfonen. synaptische Blaschen X jeweiliges Enzym zum spalten der Trans- mitter X Ⓒ Ⓡ Q Daduran verden öffnet und. es EPSP V Spannungsgesteverte Natrium kanale Endknopfchen prasynapbische Membian postsynaptische Membran Transmitter Rezeptoren 1 = Wirkungsort von Nowitschole ✓ due To rezeptorgesteverte •Natriumionentamale Rezeptoren, wodurch Transmitter mole ficle V V Natriumhanale nion ge- Hommt zu keiner Erregung 41/49 ㄴ ES setzt sich auf es für die eigentlichen blockiert ist. Dies passiert, da der Biftstoff und Atropin das Acetylcholin sich vom Aufbau Schr ähneln. ате 2.4 = Wirkungsort von Atropin 10 5 1. Klausur Lk Biologie 12.1 Neurobiologie: Erregungsbildung, Erregungsleitung und die chemische Synapse Emily Aufgabe 1 Weiterleitung am Axon M1 Digitoxine Digitoxine sind Giftstoffe, die man aus dem Roten Fingerhut (Digitalis purpurea), insbesondere aus den Blättern gewinnen kann (vgl. M2). Hieraus werden dann so genannte Herzglykoside hergestellt, die in der Medizin therapeutisch bei Herzpatienten eingesetzt werden, um z.B. den Herzschlag zu verringern. Bei Vergiftungen mit Digitoxinen lassen sich Symptome wie Übelkeit, Erbrechen, Halluzinationen und Koma beobachten. Zu hohe Konzentrationen können zum Tod führen. Bad Berleburg, 11. September 2020 Um die genauen Wirkungsweisen zu erforschen, sind neurophysiologische Messungen an isolierten, unbehandelten sowie mit Digitoxinen behandelten Nervenfasern durchgeführt worden. Diese wurden unterschiedlich stark gereizt. Die Ergebnisse sind im Material 5 dargestellt. Weitere Untersuchungen mit verschiedenen Digitoxinen an Nervenzellen haben gezeigt, dass bei einigen Giften der lonentransport an der Axonmembran gestört ist, bei anderen die Erregungsübertragung von einem Neuron zum anderen gehemmt wird. M2 Der Rote Fingerhut Digitalis purpurea M3 So wirkt Digitoxin Digitoxin wirkt drei bis vier Stunden nach der Einnahme und hat eine Wirkdauer von sieben bis zwölf Stunden. Digitoxine beeinflussen die Funktion der Natrium-Kalium-Pumpe negativ. Wenn es direkt in den Blutkreislauf gespritzt wird, tritt die Wirkung schneller ein, nämlich schon nach 25 Minuten bis 2 Stunden. Die Wirkung hält dann vier bis zwölf Stunden an. Pro Tag werden nur sieben Prozent des Digitoxins aus dem Körper ausgeschieden. 1 M4 Modellhafte Darstellung verschiedener Membranpotentiale an einem Neuron, das künstlich überschwellig gereizt wird B Membranpotenzial (mv) Membranpotenzial (mv) Membranpotenzial (mv) 2 Reiz 4 2/5 3/4 A M5 Neurophysiologische Messungen an isolierten Neuronen A Membranpotential B-Natriumionenkonzentration außen ohne Digitoxin C= Natriumionenkonzentration außen mit Digitoxin mV +40 0 -40- 2 -80 mmol Nat-Konzentration mmol -Konzentration EOT 14-Reiz- Reiz- Kurve 1 Graph I Kurve I Kurve I Kurve II Kurve II Graph II Kurve II ms B ms C ms B und C: 0 gibt die normale Nat-Konzentration der extrazellulären Flüssigkeit an 1.1 Skizziere und beschrifte den Bau eines Neurons. 1.2 Zeichne den Graphen der Entstehung eines Aktionspotentials vom Ruhepotential bis zur erneuten Erregbarkeit (vgl. M4 B) und beschreibe kurz die Vorgänge an der Axonmembran, die zu den Spannungsänderungen führen und ordne sie dem Verlauf deines Graphen zu. 1.3 Ordne die im Material 4 dargestellten Membranpotentiale A-C begründet den in M4 Ⓒ bezifferten Abschnitten 1-5 eines künstlich gereizten Neurons zu. (Einer oder mehrere Graphen müssen demnach mehrfach zugeordnet werden!) 14 Interpretiere die Kurven in Diagramm A aus Material 5 und stelle einen Zusammenhang zu den Kurven in Diagramm B aus Material 5 her. 1.5 Gib eine Erklärung für die Wirkung von Digitoxinen. Werte hierzu das Diagramm C aus M5 aus. Begründe in diesem Zusammenhang auch den Einsatz als Medikament. 1.6 Stelle eine kurz begründete Hypothese auf, was bei der Dauertherapie mit Digitoxinen in Bezug auf die Dosierung zu beachten ist. Aufgabe 2 Gift und Gegengift M6 Schwer erkrankter Putin-Kritiker - Wie das nachgewiesene Gift im Körper wirkt Der Kremlkritiker Alexej Nawalny wurde [am 20. August 2020] offenbar mit einer Substanz vergiftet, zu der auch das berüchtigte sowjetische Nervengift Nowitschok gehört. [...] Die Ärzte der Berliner Charité haben im Fall des russischen Oppositionspolitikers Alexej Nawalny Hinweise auf eine Vergiftung gefunden. Die klinischen Befunde würden auf eine Substanz aus "der Wirkstoffgruppe der Cholinesterase-Hemmer" hinweisen, teilte die Charité mit. Die genaue Substanz sei aber bislang nicht bekannt. [...] Auf den Wirkstoffen aus dieser Gruppe basieren einige Medikamente und Insektizide, aber auch Nervengifte wie das in der ehemaligen Sowjetunion entwickelte Nowitschok. Diese Stoffe hemmen das Enzym "Acetylcholinesterase" [im Fall von Nowitschok irreversibel!], das für die normale Funktion des Nervensystems von Menschen, Wirbeltieren und Insekten wichtig ist. [...] Cholinesterase-Hemmer können bei einer Vielzahl von Körperfunktionen Überaktivitäten auslösen, deren akute Folgen tödlich sein können. So können sie Muskelkrämpfe verursachen und anschließend zu Herz- und Atemlähmung führen. Auszüge aus einem Artikel des spiegel.de vom 24.08.2020 M7 Normale Erregungsleitung ohne Einwirkung eines Nervengiftes mV ии mV AP im ankommenden Neuron 1 Acetylcholinkonzentration im EPSP synaptischen Spalt M8a Raumstruktur von Atropin und Acetylcholin: H₂C Atropin M8 Die Wirkung von Atropin Atropin ist das Gift, welches in Pflanzen, wie zum Beispiel der Tollkirsche, vorkommt. Bereits geringe Mengen dieses Giftes können bei oraler Einnahme zu Herzrasen, Schweißausbrüchen und schließlich zum Tode führen. Da es an charakteristischen Stellen seiner Molekülstruktur dem Acetylcholin ähnelt (vgl. Abb. M8a), blockiert es die Acetylcholin-Rezeptoren der Natriumkanäle, die in der postsynaptischen Membran liegen. Dieses Gift führt bei ausreichend hoher Dosis zur Lähmung der Muskeln und schließlich dem Tod durch Atemstillstand. H₂C CH₂ H₂C Acetylcholin OH Schwellenwert 3 mv - AP im Neuron 2 2.1 Zeichne und beschrifte die Abläufe an einer chemischen Synapse. Zeichne auch den Wirkungsort des Giftstoffes Nowitschok ein. 2.2 Zeichne die vier gleichen Situationen wie in M7 dargestellt bei einer Vergiftung durch Nowitschok. 2.3 Erläutere begründet, worauf die Wirkung des Nervengiftes Nowitschok auf den Organismus beruht und warum das Gift tödlich wirken kann. 2.4 Zeichne die vier gleichen Situationen wie in M7 dargestellt bei einer Vergiftung durch Atropin. Bewerte nun begründet, ob sich Atropin besonders als Gegengift bei einer Vergiftung mit Nowitschok eignen könnte. 4 VIEL ERFOLG! Name: Aufgabe 1.1: 1 2 3 1 2 1. Klausur Lk Biologie 12.1 Neurobiologie: Erregungsbildung, Erregungsleitung und die chemische Synapse 3 Emily Rothemes 2 Aufgabe 1.2: Anforderungen zeichnet eine sinnvolle Skizze eines Neurons und beschriftet Zellkörper (Soma) Dendrit Axon Axonhügel erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: Anforderungen Der Prüfling Der Prüfling zeichnet einen sinnvollen Graphen (vglbar mit M4 28). beschreibt Aufgabe 1.3: Ruhepotential: Zellinneres negativ geladen (ca. -70mV), für K liegt ein dynamisches Gleichgewicht vor, da sich die EMK und die Kraft des Konzentrationsgefälles ausgleichen; spannungsabhängige Na-Kanäle geschlossen✔ Depolarisierung durch Reiz öffnen sich erst einige, dann immer mehr Na-Kanäle Na-Einstrom aufgrund des Konzentrationsgefalles und der EMK, durch diese positive Rückkopplung kommt es zur Ladungsumkehr (bis ca. +50mV) . Repolarisation: bei ca. +50mV schließen die Na-Kanäle, ein massiver K-Ausstrom findet statt (beide Kräfte zeigen nun für K nach außen), der das Zellinnere wieder negativ werden lässt Hyperpolarisation: z.T. ist K-Ausstrom so stark, dass das Ruhepotential unterschritten erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: Nat/K-Pempe wird Erst mit Erreichen eines neuerlichen RP ist die Membran wieder erregbar, da die Na*- Kanäle nach der Refraktärzeit wieder aktiv sind Anforderungen Myelinscheide ranvierscher Schnürring Endknöpfchen Synapse Der Prüfling ordnet die Membranpotentiale folgendermaßen zu 3 und 4 =B, da sich ein AP in beide Richtungen ausdehnt, da sich durch die Reizung von außen kein Teil der Axonmembran in der Refraktärphase befindet V. 5 = A, da nach Erreichen des AP am Endknöpchen das Signal auf chemischem Wege die Synapse überwindet und zu einer Depolarisation der postsynaptischen Membran führt, wo das Signal analog abgebildet wird 2= = A oder B, je nachdem ob man dem Bereich zum Soma (= A) oder dem Axonhügel (= B) zuordnet, da sich am Soma fast keine Na-Kanäle befinden, wird das AP abgeschwächt (A) abgebildet, sonst Erklärung wie bei 3 & 4 V 1 = C, da sich der Reiz mit Entfernung vom Axonhügel immer mehr abschwächt, wird bei 1 vermutlich nur noch das RP zu messen sein (ggf. auch A, bei hinreichender Begründung) erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: maximal erreichbars Punktzah 3 4 (2) 7 maximal erreichbare Punktzahl 2 10 (2) 12 maximal erreichbare Punkta 8 (2) 8 erreichte Punktzah 3 4 7 erreichte Punktzah 2 ^ 9 erreichte Punktzahl 7 Vd 7 Aufgabe 1.4: 1 2 3 4 1 2 3 4 Aufgabe 1.5: Anforderungen 1 Interpretiert Diagramm A wie folgt: 2 benennt Achsenbeschriftung bei Kurve i steigt das Membranpotential nur bis zu einem Wert von etwa -40mV an, s wird also kein AP ausgelöst, da der Schwellenwert nicht erreicht wird bel Kurve ll sehen wir den typischen Verlauf eines AP durch überschwellige Reizung erkennt in Diagramm B: benennt Achsenbeschriftung Kurve I zeigt eine wesentlich geringere Verminderung der Konzentration von Natriumionen auf der Außenseite als Kurve Il V folglich strömen bei I weniger Na-Ionen von außen nach innen die Zahl der geöffneten Na-Kanäle ist in Kurve I somit geringer als in f stellt folgende Zusammenhänge her. erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: Der Prüfling Anforderungen Reiz I war ein schwacher Reiz, der nur wenige Na'-Kanäle öffnete und somit kein hervorrief, daher sank die Natriumionenkonzentration außen auch nur gering Reiz il war ein überschwelliger Retz, der viele Na-Kanäle öffnete und somit ein AP hervomief, daher sank die Natriumionenkonzentration außen auch stark · Aufgabe 1.6: Der Prüfling erklärt, dass sich die Natriumionerkonzentration in der extrazellulären Flüssigkeit deutlich vermindert hat (deutlich unter dem O-Wert liegt) sowohl bei einem unterschwelligen als auch bei einem überschwelligen Reiz nur noch sehr wenig Natrium in die Zelle gelangt kaum mehr erkennt (auch mithilfe von M3), dass die Digitoxine die Funktion der Natrium-Kalium-Pumpe stören, die Konzentrationen von Natrium und Kalium sich daher ausgleichen und so auch außerhalb der Zelle eine deutlich geringere Natriumkonzentration vorherrscht und Natrium in das Axon einströmt und folglich das RP gestört ist und kein weiteres AP am nächsten Neuron ausgelöst werden kann. vermutet, dass sich die Digitoxine daher verlangsamend auf das Herz wirken, da sie die Reizweiterleitung hemmen. erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: Anforderungen Der Prüfling bezieht sich auf M3 und erkennt, dass sich die Digitoxine nur sehr langsam im Körper abbauen und somit eine lange Wirkungszeit haben und schlussfolgert daher, dass nach einer höheren Anfangsdosis die Folgedosen geringer sein müssen, um einen ausreichenden Wirkspiegel im Blut zu erhalten und eine gefährliche Überdosierung zu verhinder. erfüllt ein weiteres aufgabenbezogenes Kriterium: Aufgabe 1 insgesamt maximal erreichbare Purstru 3 3 4 maximal erreichbare Punktza 2 4 7₂ 4 (2) 7 10 2 (2) 8 masmal erreichbare Punkta 4 (2) erreichte Punktzah ✔ 3 49 3 10 erreichte Punktzah 2 2 K / کی erreichts Punktzah 3 ✓ 3 41