Das Ruhepotential: Einführung in die Grundlagen des Nervensystems Teach article

Übersetzt von Veronika Ebert. Simulation eines Neurons im Unterricht.

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Abbildung von Dhp1080;
Bildquelle: Wikimedia commons

Das Nervensystem ist einerseits ein faszinierendes, andererseits vermutlich eines der komplexesten Themen im Schulunterricht, vor allem weil es unmöglich ist, an Schulen mit Neuronen zu arbeiten. In diesem Artikel wird ein Experiment beschrieben, bei dem eine Cellophanfolie verwendet wird, um verständlich zu machen, wie das Ruhepotential in einem Neuron hergestellt wird. Das Experiment eignet sich für Schüler/innen von 16-19 Jahren und dauert etwa 90 Minuten.

Ein künstliches Membranpotential

Zur Übertragung von Informationen benötigen Neuronen die Fähigkeit, ein Membranpotential aufrecht zu erhalten: eine Spannungsdifferenz zwischen intrazellulärem und extrazellulärem Medium, das auf den Bereich entlang der Zellmembran beschränkt ist.  Die Spannungsdifferenz eines nicht erregten Neurons wird Ruhepotential genannt. Die Stimulierung des Neurons kann das Ruhepotential verändern, es entsteht ein sogenanntes Aktionspotential: der elektrische Impuls, mit dem das Neuron Informationen überträgt. Bevor das Neuron erneut in er Lage ist zu feuern, muss das Ruhepotential wiederhergstellt werden (Abbildung 1). Doch wie wird das Ruhepotential generiert und aufrecht erhalten? Die Antworten darauf lassen sich teilweise aus den semipermeablen  Eigenschaften der Zellmembran ableiten.

Abbildung 1: Verlauf der Spannungsdifferenz zwischen innen und außen bei der Stimulation eines Neurons. A: Ruhepotential; B: Aktionspotential; C: Wiederherstellung des Ruhepotentials; t: Zeit
Mit freundlicher Genehmigung von Nicola Graf

Zu den Bestandteilen intrazellulärer und extrazellulärer Flüssigkeiten gehören gelöste Ionen, darunter Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl), organische Ionen und, vor allem Kaliumionen (K+). Sobald ein Neuron gefeuert hat, beginnt die Wiederherstellung des Ruhepotentials. In dieser Phase ist die Konzentration der K+-Ionen im Inneren des Neurons größer als außen. Im Gegensatz zu anderen Ionen können K+-Ionen die Membran über spezialisierte, in der Membran eingebettete Känale ungehindert passieren. Durch den Konzentrationsgradienten angetrieben, diffundieren K+-Ionen aus der Zelle, wodurch es zu einer Nettowanderung positiv geladener Ionen kommt (Abbildung 2). Dadurch entsteht eine Spannungsdifferenz über die Membran, wobei das Zellinnere negativer geladen ist als das extrazelluläre Medium. Das ist das Ruhepotential, das bei einem Wert von etwa -70mV liegt.

Abbildung 2: Wenn eine Lösung auf beiden Seiten einer semipermeablen Membran unterschiedlich konzentriert ist (oben), kommt es zu einer ungleichen Verteilung von negativen und positiven Ladungen (unten), die zu einer Spannungsdifferenz führt. Es ist anzumerken, dass die Konzentration der K-Kationen auf einer Seite der Membran größer ist, weil sie von Anionen, die von der Membran umschlossenen sind, angezogen werden.
Mit freundlicher Genehmigung  von Alexander Maar

Obwohl es weitere Faktoren gibt, die für die Entstehung eines Membranpotentials verantwortlich sind, lässt sich der gemeinsame Beitrag des Konzentrationsgradienten und der elektrischen Eigenschaften von Anionen und Kationen unter Verwendung einer Cellophanfolie, die eine semipermeable Membran repräsentiert, leicht veranschaulichen, siehe unten.

Vor dem Experiment sollten mit den Schülerinnen die Grundlagen zur Diffusion und zur Zellmembran und Schülern erarbeitet werden. Arbeitsanleitungen für Experimente zu den Eigenschaften der Zellmembran und zur Diffusion können von einer anderen Webseite mit Materialien herunter geladen werdenw1.

Material

Für jede Gruppe aus 2-4 Schüler/innen wird benötigt:

  • 300 ml 0,01 M Kaliumchlorid(KCl) -Lösung
  • 100 ml 0,1 M Kalumchlorid(KCl)-Lösung
  • destilliertes Wasser
  • Voltmeter
  • Elektroden (chlorierter Silberdraht)
  • Glasschale (200–300 ml)
  • Trichter
  • Cellophanfolie
  • Gummiband
  • Stativ mit drei Klemmen
  • zwei Kabel mit Krokodilsteckern
  • Pipetten
  • Schere

Durchführung

Vor Beginn des Experiments sollte mit den Schüler/innen diskutiert werden, wie es in einer Zelle überhaupt zu einer Spannungsdifferenz kommen kann, und welche Zellbestandteile dafür verantworlich sind. Das Ruhepotential sollte kurz besprochen werden. Dann sollten die Schüler/innen folgendes machen:

  1. Fülle die Glassschale mit etwa 200 ml 0.01 M Kaliumchlorid(KCl)-Lösung, die dem extrazellulären Medium der Membran entspricht.
Image courtesy of Alexander Maar
Image courtesy of Alexander Maar
  1. Schneide ein Stück Cellophanfolie, groß genug um den Auslass des Trichters zu bedecken, aus und spüle das Cellophan mit destilliertem Wasser ab, um es flexibler zu machen. Das Cellophan fungiert als semipermeable Membran.
Image courtesy of Alexander Maar
Image courtesy of Alexander Maar
  1. Wickle ein Stück Cellophan dicht um den Auslass des Trichters und dichte mit einem Gummiband ab.
Image courtesy of Alexander Maar
Image courtesy of Alexander Maar
  1. Befestige den Trichter so am Stativ, dass der Auslass des Trichters in die KCl-Lösung in der Glasschale eintaucht.
Image courtesy of Alexander Maar
Image courtesy of Alexander Maar
  1. Gib mit einer Pipette 0.1 M KCl-Lösung in den Trichter bis der Flüssigkeitsspiegel innerhalb und außerhalb des Trichters gleich hoch ist. Die Lösung im Trichterinneren entspricht dem intrazellulären Medium.
Image courtesy of Alexander Maar
Image courtesy of Alexander Maar
  1. Schließe die zwei Elektroden mit Krokodilklemmen an das Voltmeter. Tauche die Elektrode, die mit der Kathode verbunden ist, in die Flüssigkeit in der Glasschale und fixiere sie mit einer Klemme. Tauche die zweite Elektrode, die mit der Anode verbunden ist, in die Lösung innerhalb des Trichters.
Image courtesy of Alexander Maar
Mit freundlicher Genehmigung von Alexander Maar

Diskussion und weiterführende Untersuchungen

Fragen an Ihre Schüler/innen und Schüler:

  • Welche Spannung wird das Voltmeter vermutlich zeigen? Einige Schüler/innen werden vermutenn, dass es einen positiven Messwert liefern wird, wie das Aktionspotential. Das Voltmeter sollte dabei auf etwa 200 mV eingestellt werden.
  • Innerhalb von etwa 10 Sekunden wird die Spannung sinken und sich nach ungefähr 5 Minten bei -50mV—60mV einpendeln.
  • Wodurch wird die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Lösungen verursacht? Warum stellt sich ein negativer Wert ein? Was wäre passiert, wenn die Lösung in der Glasschale die konzentriertere der beiden Lösungen gewesen wäre?
  • Warum haben die Membran und die beiden Lösungen zu einer ungleichen Ionenverteilung geführt?

Wie bei echten Neuronen, beruht auch das Experiment auf zwei Faktoren: einem Konzentrationsgradienten und den semipermeablen Eigenschaften der Cellophanfolie. Die Cellophanfolie ist – genauso wie die Membran eines Neurons für K+-Ionen durchlässig, und für Cl-Ionen praktisch nicht. In Folge dessen kommt es – genauso wie im Neuron – zu einer zunehmenden Nettodiffusion von K+-Ionen vom Trichter (0.1 M KCl) in die Glasschale (0,01 M KCl). Wenn die Cellophanfolie nicht perforiert wird, wird das Potential der Lösung im Trichter negativer. Der Startpunkt des Voltmeters bei 200 mV ist willkürlich gewählt, um am Schluss einen Wert zu erhalten, der dem echten Membranpotential nahe kommt.

Obwohl das Modell realistisch ist, deckt es nicht alle Aspekte der Entstehung und Aufrechterhaltung des Ruhepotentials ab. In der extra- und intrazellulären Flüssigkeit von Neuronen gibt es neben K+– und Cl -Ionen noch weitere Ionen, und zusätzliche Mechanismen bestimmen die Durchlässigkeit der Membran. Nichtsdestotrotz bietet das Experiment eine gute Möglichkeit die Qualität des Modells zu diskutieren und andere Aspekte der Neurobiologie wie Ionenkanäle, die Natrium-Kalium-Pumpe und das Aktionspotential einzuführen.

Alternativ können die Schüler/innen hypothetische Szenarien diskutieren, z.B. die Verwendung anderer Lösungen, die Nutzung von Membranen mit anderen Eigenschaften oder andere KCl-Konzentrationen.

Download

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Web References

  • w1 – Das Arbeitsblatt zu den Eigenschaften der Zellmembran und zur Diffusion durch Membranen kann von einer anderen Webseite mit Materialien heruntergeladen werden.

Resources

  • Nähere Informationen zur Elektrochemie und zum Membranpotential finden Sie bei:
  • Allgemeine Informationen zur Neurobiologie finden sich bei Neuroscience Online, einem elektronischen Lehrbuch der Neurowissenschaften.
  • Hintergrundinformationen finden Sie bei:
    • Shepherd GM (1983) Neurobiology. New York, USA: Oxford University Press. ISBN: 978-0195088434
  • Eine einfache Erklärung des Ruhe- und Aktionspotentials bietet die Neuroscience for Kids website.

Author(s)

Dr Claas Wegner ist ein Mitglied der Abteilung für Biologiedidaktik der Universität Bielefeld und Lektor für pädagogische Praxis in diesem Bereich. Er gründete die Kolumbus-Kids, ein Projekt der Universität Bielefeld für den Biologieuntericht für hochbegabte Schüler/innen. Er unterrichtet als Oberstudienrat auch Biologie und Physik am Ratsgymnasium Bielefeld.

Dr, Roland Kern ist seit 1996 ein engagiertes Mitglied der Abteilung für Neurobiologie an der Universität Bielefeld. Er vermittelt  als Lektor für Physiologie von Mensch und Tier neurobiologische Inhalte an Studenten und Studentinnen der Naturwissenschaften.

Jennifer Kahleis ist Absolventin der Biologie, Chemie und Erziehungswissenschaften an der Universität Bielefeld. Sie arbeitete während ihrer Masterarbeit als akademische Assistentin an der Abteilung für Biologiedidaktik und absolviert derzeit ihr Unterrichtspraktikum.

Alexander Maar studiert Erziehungswissenschaften gemeinsam mit Englisch und Biologie für die Sekundarstufe. Er arbeitet als Studienassistent an der Abteilung für Biologiedidaktik der Universität Bielefeld.


Review

Einfache Modelle können sehr nützlich sein, um komplexe Prozesse der Natur zu verstehen. Dieser Artikel beschreibt ein Experiment zur Aufklärung der Funktionsweise von Neuronen. Das Experiment eignet sich zur Bearbeitung in Gruppen, da alle benötigen Materialien leicht erhältlich sind und die Arbeitsanleitung gut verständlich ist.

Die Experimente eignen sich, um verschiedene Gebiete der Biologie, Physik und Chemie zu verbinden.

Für Interessierte, die ihr Wissen zu diesem Thema vertiefen wollen, werden bei den Webreferenzen auch Anleitungen für begleitende Experimente angeboten.


Mireia Güell Serra, Spanien




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