Aufgabe 4 – Neurobiologie

Nitella gracilis (Abbildung 1) gehört zu den Armleuchteralgen, die am Grund von sauberen, mineralstoffarmen und kalkreichen Süßgewässsern wachsen.

Erstelle eine beschriftete Schemazeichnung des lichtmikroskopischen Bilds einer typischen Pflanzenzelle und nenne Gemeinsamkeiten zum lichtmikroskopischen Bild einer Tierzelle.

3 VP

In Untersuchungen an Nitella-Zellen wurden die in Tabelle 1 dargestellten Ionenkonzentrationen im Vergleich zum umgebenden Süßwasser ermittelt.
Außerdem wurde festgestellt, dass sie wie andere lebende Zellen ein Membranpotenzial aufweisen und dass durch mechanische Reizung Aktionspotenziale ausgelöst werden können (Abbildung 2). Forscher vermuten, dass durch die Aktionspotenziale Stoffwechselvorgänge in der Alge gesteuert werden.

Grüne Pflanzenteile auf hellem Hintergrund, mit feinen, schlanken Stängeln und kleinen Knospen.

Abb. 1: Nitella gracilis

Ion	Zellinneres	Süßwasser
$Cl^-$	$90,7$	$0,9$
$Mg^{2+}$	$17,7$	$1,7$
$Ca^{2+}$	$10,2$	$0,8$
$Na^+$	$10,0$	$0,2$
$K^+$	$54,3$	$0,04$

Tab. 1: Ionenkonzentration im Zellinneren von Nitella-Zellen und im Süßwasser in $\,\text{mmol/L}$

Abb. 2: Aktionspotenzial bei Nitella-Zellen (vereinfacht)

2.1

Zeichne ein Diagramm, das den Verlauf eines Aktionspotenzials an einer Nervenzelle zeigt (Größe ca. ½ Seite), und erläutere die auf molekularer Ebene ablaufenden Vorgänge, die zu diesem Spannungsverlauf führen.

4 VP

2.2

Nenne zwei Gemeinsamkeiten und zwei Unterschiede zwischen dem Aktionspotenzial einer Nervenzelle und dem Aktionspotenzial bei Nitella-Zellen (Abbildung 2).

2 VP

2.3

Gib unter Zuhilfenahme von Tabelle 1 eine mögliche Erklärung, wie der Spannungsverlauf des Aktionspotenzials bei Nitella-Zellen (Abbildung 2) zustande kommen könnte.
Erkläre, wie die in Tabelle 1 dargestellten Ionenkonzentrationen auch nach vielen Aktionspotenzialen aufrechterhalten werden könnten.

4 VP

Unterschiede in der Ionenkonzentration zwischen Zellinnerem und umgebendem Süßwasser führen bei Pflanzenzellen zu osmotischen Vorgängen.
Die Konzentration osmotisch wirksamer Stoffe in Pflanzenzellen lässt sich experimentell ermitteln. In einem Praktikum wurde folgender Versuch mit Kartoffeln durchgeführt:
Ein aus einer großen Kartoffelknolle herausgestanztes zylinderförmiges Stück von $4,0\,\text{cm}$ Länge wurde in ein Reagenzglas mit $25\,\%$ -iger Zuckerlösung gestellt. Nach $48$ Stunden entnahm man den Kartoffelzylinder und maß eine Länge von $3,4\,\text{cm}.$

3.1

Erläutere unter Verwendung entsprechender Fachbegriffe die Vorgänge, die zur Längenveränderung des Kartoffelzylinders geführt haben.

3 VP

3.2

Beschreibe eine Erweiterung des oben beschriebenen Versuchs zu einer Versuchsreihe, mit deren Hilfe man die Konzentration der osmotisch wirksamen Stoffe in Kartoffelzellen näherungsweise bestimmen kann. Erläutere dein Vorgehen und erkläre, weshalb es sinnvoll ist, die Versuchsreihe mehrfach zu wiederholen.

4 VP

20 VP

Bildnachweise [nach oben]

[1]

Christian Fischer, CharaGlobularis, CC BY-SA 3.0

Beschriftete Schemazeichnung einer Pflanzenzelle:

Illustration einer Pflanzenzelle mit Beschriftung der Bestandteile wie Chloroplast, Vakuole und Zellkern.

(Zellwandansätze zu Nachbarzellen, Kernkörperchen, Mitochondrien und Plasmodesmen nicht verlangt. Zellmembran und Tonoplast nur interpretierte Strukturen, die nicht im Lichtmikroskop aufgelöst werden)

Gemeinsamen mit einer Tierzelle:

Zellkern
Zellplasma
(Zellmembran)
(Mitochondrien)

2.1

Diagramm Aktionspotenzialverlauf:

Diagramm eines elektrischen Signals über Zeit, mit Spannung in Millivolt auf der Y-Achse und Zeit in Millisekunden auf der X-Achse.

Erläuterung der Vorgänge auf molekularer Ebene:

Depolarisationsphase: Es erfolgt eine Depolarisation der Membran durch eine Reizung bis zum Schwellenwert. Wird dieser Schwellenwert überschritten, öffnen sich die spannungsgesteuerten $Na^+$ -Ionenkanäle. Es kommt zu einem schnellen und starken $Na^+$ -Ioneneinstrom, da eine positive Rückkopplung stattfindet (Diffusion gemäß Konzentrationsgefälle). Dadurch kommt es zu einer Umpolung der Membran bzw. der Membranspannung von ca. $- 70\,\text{mV}$ auf bis $+ 30\,\text{mV}.$

Repolarisationsphase: Durch die Öfnnung der $K^+$ -Ionenkanäle wird ein schneller $K^+$ -Ionenausstrom bewirkt (Diffusion gemäß Konzentrationsgefälle). Es findet eine Repolarisierung der Membran statt, wobei es kurzzeitg zur Hyperpolarisation kommen kann. Es folgt die Schließung der spannungsgesteuerten $K^+$ -Ionenkanäle. Das Ruhepotenzial ist nun wieder erreicht.

2.2

Gemeinsamkeiten:

Ruhepotenzial mit negativer Membranspannung
im Prinzip ein ähnlicher Kurvenverlauf des Aktionspotenzial mit Depolarisation, Ladungsumkehr und Repolarisation

Unterschiede (zwei erforderlich):

mit ca. $230\,\text{mV}$ größere Amplitude
keine Hyperpolarisation
mit ca. $10\,\text{s}$ wesentlich längere Dauer des Aktionspotenzials
mit ca. $-190\,\text{mV}$ deutlich niedrigere Ruhemembranspannung
keine Schwellenspannung erkennbar

2.3

Mögliche Erklärung des Spannungsverlaufs bei Nitella-Zellen:

Depolarisationsphase: Ein Reiz bewirkt die Öffnung der $Cl^-$ -Ionenkanäle. Der negative Ladungsüberschuss im Inneren muss geringer werden, deswegen kann es sich nur um Chloridionen handeln. Es folgt ein starker $Cl^-$ -Ionenausstrom entlang des Konzentrations- und Ladungsgefälles bis zur Umpolung der Membran und daraufhin die Schließung der $Cl^-$ -Ionenkanäle.
Repolarisationsphase: Die spannungsgesteuerten Kationenkanäle öffnen sich zeitverzögert. Es kommt zum Kationenausstrom (z.B. von $K^+$ -Ionen) entlang des Konzentrationsgefälles, bis die Ausgangsspannung wieder erreicht ist.

Depolarisation und Repolarisation beruhen hier beide auf Ionenausstrom, da alle Ionensorten in Tab. 1 im Zellinneren konzentrierter sind als außerhalb der Zelle.

Mögliche Erklärung für die Aufrechterhaltung der Ionenkonzentrationen:
Um die Konzentrationsunterschiede des Zellinneren- und äußeren aufrechzuerhalten, müssen die Ionen durch aktiven Transport wieder nach Innen transportiert werden, d.h. unter Energieaufwand (ATP) gegen das Konzentrationsgefälle.

3.1

Erläuterung der Vorgänge:
Die hypertonische $25\,\%$ -ige Zuckerlösung hat eine höhere Konzentration als die gelösten (osmotisch aktiven) Stoffe im Zellinneren (hypotonische Lösung). Die Zellmembran der Kartoffelzelle ist semipermeabel bzw. selektiv permeabel und daher nur für Wassermoleküle durchlässig. Zuckermoleküle und andere osmotisch aktive Stoffe in der Zelle sind hingegen nicht durchlässig. Im Zellinneren ist die Wasserkonzentration größer als in der Zuckerlösung, deswegen besteht für Wasser ein Konzentrationsgefälle von innen nach außen. Es kommt zur Diffusion durch eine selektiv permeable Membran, also zur Osmose. Hierbei diffundiert Wasser entlang des Konzentrationsgefälles durch die Zellmembran in die Zuckerlösung. Es kommt zu einem (Netto-) Wasserausstrom, wodurch die Zellen schrumpfen und sich der Kartoffelzylinder verkürzt. "Netto" bedeutet hierbei, dass pro Zeiteinheit mehr Wassermoleküle aus der Zelle diffundieren als in die umgekehrte Richtung.

3.2

Erweiterung des Versuchs:
Ausgehend von der $25\,\%$ -igen Zuckerlösung wird eine Reihe von Zuckerlösungen in Reagenzgläsern angesetzt, deren Konzentrationen absteigen. Unter ansonsten gleichen Versuchsbedingungen wird außerdem jeweils ein $4,0\,\text{cm}$ langer Kartoffelzylinder in die Gläser gelegt.

Erläuterung des Vorgehens:
Die Kartoffelzylinder werden nach $48$ Stunden aus den Gläsern entnommen und vermessen. Die Zuckerlösung, die keine oder die geringste Längenveränderung des Zylinders aufweist, ist (nahezu) isotonisch. Das bedeutet die Zuckerkonzentration entspricht hier etwa der Konzentration der osmotisch wirksamen Stoffe im Zellinneren. Es findet kein Nettowasserstrom statt, also gleichen sich Wassereinstrom und Wasserausstrom in dieser Lösung.

Erklärung der mehrfachen Wiederholungen:
Bei der Durchführung von Einzelexperimenten und -messungen kann es zu Zufallseffekten (z.B. Kartoffelzylinder vom Rand oder Zentrum der Kartoffel), Experimentfehlern (z.B. verschiedene Kartoffelsorten, Alter der Kartoffeln) oder Mess- und Ablesefehlern kommen, welche nicht zu vermeiden sind. Für belastbarere und aussagekräftigere Ergebnisse ist es sinnvoll die Versuchsreihe mehrfach zu wiederholen und aus den Messwerten statistische Durchschnittswerte zu berechnen (arithmetische Mittelung).