Tetrodotoxin, Kalium und das Aktionspotenzial – eine Messreihe interpretieren
Im Schülerlabor der Universität Rostock messen Oberstufenschüler:innen das Membranpotenzial kultivierter Rattenneurone mit intrazellulären Mikroelektroden. Zuerst wird das Ruhepotenzial bei unterschiedlichen extrazellulären Kaliumkonzentrationen erfasst, danach wird mit einem kurzen Strompuls ein Aktionspotenzial ausgelöst. Die intrazellulären Konzentrationen betragen [K⁺]ᵢ = 140 mmol/L und [Na⁺]ᵢ = 14 mmol/L, die extrazelluläre Natriumkonzentration liegt in den Ansätzen A, B und D bei 145 mmol/L; in Ansatz C wurde sie halbiert.
| Ansatz | [K⁺] außen | Ruhepotenzial | Spitzenwert des Aktionspotenzials |
|---|---|---|---|
| A | 5 mmol/L | −70 mV | +35 mV |
| B | 10 mmol/L | −60 mV | +25 mV |
| C | 5 mmol/L, [Na⁺] halbiert | −70 mV | +12 mV |
| D | 5 mmol/L + 1 µmol/L Tetrodotoxin (TTX) | −70 mV | kein Aktionspotenzial |
Eine Schülerin erklärt: „TTX hemmt die Natrium-Kalium-Pumpe. Dadurch verliert die Zelle ihr Ruhepotenzial, und es kommt kein Aktionspotenzial mehr zustande.“
1. Erklären Sie die Ruhepotenzialwerte der Ansätze A und B mithilfe der Ionenverteilung. Berechnen Sie dazu die Kalium-Gleichgewichtspotenziale mit E = 61 mV · log([K⁺]außen/[K⁺]innen) und vergleichen Sie sie mit den Messwerten.
Read the worked answer
Berechnung: E_K(A) = 61 mV · log(5/140) = 61 mV · (−1,45) ≈ −88 mV; E_K(B) = 61 mV · log(10/140) = 61 mV · (−1,15) ≈ −70 mV.
Vergleich: Gemessen wurden −70 mV (A) und −60 mV (B). Beide Messwerte liegen positiver als das jeweilige Kalium-Gleichgewichtspotenzial. Das ist erwartbar, weil die Membran im Ruhezustand nicht ausschließlich kaliumpermeabel ist: Eine geringe Natrium-Leitfähigkeit und die elektrogene Wirkung der Natrium-Kalium-Pumpe verschieben das Ruhepotenzial in Richtung positiverer Werte (Goldman-Gleichung).
Richtung stimmt, Betrag nicht: Die Erhöhung von [K⁺]außen von 5 auf 10 mmol/L verringert den Konzentrationsgradienten und damit den Kaliumausstrom; die Zelle depolarisiert. Erwartet wären etwa +18 mV, gemessen wurden +10 mV. Auch diese Abweichung spricht dafür, dass weitere Ionenleitfähigkeiten und die Pumpe beteiligt sind. Die Messreihe stützt das Modell also qualitativ, quantitativ bleibt eine Lücke, die man nur mit weiteren Messungen (z. B. Variation von [Na⁺]außen oder Pumpenhemmern) schließen könnte.
2. Erklären Sie die Spitzenwerte in den Ansätzen C und D und widerlegen Sie die Erklärung der Schülerin.
Read the worked answer
Der Spitzenwert des Aktionspotenzials nähert sich dem Natrium-Gleichgewichtspotenzial: E_Na = 61 mV · log(145/14) ≈ +62 mV. Bei halbierter extrazellulärer Natriumkonzentration sinkt die treibende Kraft: E_Na(C) = 61 mV · log(72,5/14) ≈ +44 mV. Der gemessene Wert von +12 mV liegt darunter, weil der Spitzenwert kein echtes Gleichgewicht ist – spannungsgesteuerte Natriumkanäle inaktivieren bereits, während Kaliumkanäle öffnen und repolarisieren.
TTX bindet von außen an die Pore spannungsgesteuerter Natriumkanäle und blockiert sie. Der schnelle, regenerative Natriumeinstrom, der die Depolarisation selbst verstärkt, entfällt – es entsteht kein Aktionspotenzial.
Widerlegung: Genau das zeigen die Daten. In Ansatz D bleibt das Ruhepotenzial mit −70 mV unverändert. Wäre die Natrium-Kalium-Pumpe gehemmt, müsste sich das Ruhepotenzial verändern (langsame Depolarisation, weil die Gradienten zusammenbrechen). TTX wirkt also selektiv auf die spannungsgesteuerten Natriumkanäle, nicht auf die Pumpe. Die Behauptung der Schülerin wird durch ihre eigene Messreihe widerlegt.
3. Beurteilen Sie, ob diese Messreihe belegt, dass die Repolarisation ausschließlich durch Kaliumausstrom erfolgt. Schlagen Sie eine ergänzende Messung vor.
Read the worked answer
Nein, der Beleg fehlt. Die Tabelle enthält nur Ruhepotenziale und Spitzenwerte; der Verlauf der Repolarisation wurde gar nicht erfasst. Die Variation von [K⁺]außen zeigt einen Einfluss auf das Ruhepotenzial, nicht auf die Repolarisation. Aus einer Wirkung auf die eine Größe folgt nicht zwingend eine Wirkung auf die andere.
Zudem ist ein „ausschließlich“ ein Allsatz, der mit einer einzigen Versuchsreihe grundsätzlich nicht zu belegen ist. Die Daten sind mit dem Modell vereinbar, beweisen es aber nicht.
Ergänzende Messung: Man müsste spannungsgesteuerte Kaliumkanäle pharmakologisch blockieren (z. B. mit Tetraethylammonium oder 4-Aminopyridin) und prüfen, ob die Repolarisation verlangsamt oder verhindert wird. Ergänzend würde eine Voltage-Clamp-Messung die Ionenströme während der einzelnen Phasen direkt sichtbar machen. Erst wenn nach Kaliumblockade die Repolarisation ausbleibt, wäre die Hypothese gestützt.