Abituraufgabe zur Na⁺/K⁺-Pumpe

NRW, Bio-GK 2007

Die folgende Aufgabe kam im April 2007 im Zentralabitur NRW als Aufgabe GK-Bio HT 1 zur Auswahl.

1. Stellen Sie dar, wodurch das Ruhepotenzial am Axon einer Nervenzelle entsteht und erklären Sie die Funktion des ATP bei seiner Aufrechterhaltung.

2. Werten Sie auf der Grundlage des Materials die Befunde zur Giftwirkung von Sambunigrin begründend aus. Zeichnen Sie dazu auch den zu erwartenden Verlauf des Membranpotenzials in das vorbereitete Diagramm ... ein und begründen Sie Ihre Entscheidung.

3. Erläutern Sie ... die Auswirkungen des Insektids Bladafum auf die Informationsübertragung an der Synapse...

Zur Aufgabe 1

Die erste Aufgabe war sehr einfach. Die Schüler(innen) sollten kurz die Ionentheorie des Ruhepotenzial darstellen, also vor allem auf die Kalium-Ionen und die großen organischen Anionen eingehen und darlegen, wie es zu einer Membranspannung kommt. Dann wurde erwartet, dass die Schüler(innen) auf das Problem der Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials eingehen und als Lösung für dieses Problem die Natrium-Kalium-Pumpe präsentieren und kurz beschreiben (ohne Einzelheiten).

Eine ausführliche Darstellung des Aktionspotenzials war hier fehl am Platz und brachte den Schüler(innen) keine Bewertungspunkte.

Zur Aufgabe 2

Die zweite Aufgabe war fast noch einfacher. Zunächst sollte eine Graphik beschrieben werden, die man in vielen Büchern, Zeitschriften und im Internet leicht findet, wenn man die Suchworte Sambunigrin und ATP bei Google eingibt. Hier ein Bildschirmphoto meines Browsers, der gerade eine solche Abbildung gefunden hat:

In der Abiturklausur wurden die Abbildungen 1 und 2 als Material präsentiert, während die Abbildung 3 den Schüler(innen) vorenthalten wurde. Sie sollten im Rahmen der Aufgabenstellung eine entsprechende Kurve selbst zeichnen.

Die ersten Punkte gab es für eine korrekte Beschreibung der ersten Abbildung. Hier sollten die Schüler(innen) auch die konkreten ATP-Konzentrationen angeben. Weitere Punkte gab es für die Beschreibung der zweiten Abbildung. Auch hier wurde erwartet, dass die Konzentrationen angegeben wurden.

Die nächsten Punkte gab es für die korrekte Zeichnung des Membranpotenzials, und für die Begründung der Zeichnung gab es dann die letzten Punkte.

Dieser Teil der Aufgabe war gar nicht so einfach für einen Teil der Schüler(innen). Mit einem ganz naiven Ansatz konnte man die meisten Punkte gewinnen: Wenn durch den Ausfall der Natrium-Kalium-Pumpe Natrium-Ionen in das Zellinnere eindringen und Kalium-Ionen ausströmen, werden die Konzentrationsgradienten langsam abgebaut. Die Innenkonzentrationen gleichen sich langsam an die Außenkonzentrationen an. Wenn aber keine Konzentrationsgradienten mehr vorhanden sind, entfällt auch die Ursache für das Ruhepotenzial. Das Membranpotenzial müsste also langsam auf den Wert 0 ansteigen.

Wer dagegen gut auf das Thema Aktionspotenzial vorbereitet war - wie zum Beispiel meine eigenen Schüler(innen), hatte zum Teil erhebliche Probleme. Die Graphik 2 besagt doch, dass durch den Giftstoff Natrium-Ionen in die Zelle eindringen, während Kalium-Ionen nach außen fließen. Genau das passiert aber auch während eines Aktionspotenzials. Zuerst öffnen sich Natrium-Kanäle, und Natrium-Ionen strömen ein, und anschließend öffnen sich Kalium-Kanäle, so dass Kalium-Ionen aus der Zelle herausströmen können. Daher war es zunächst gar nicht abwegig, zu behaupten, dass durch den Giftstoff ein Aktionspotenzial ausgelöst wird. Bei einer näheren Betrachtung hätte sich diese Hypothese dann natürlich als unsinnig herausgestellt. Bei einem echten Aktionspotenzial finden die beiden Prozesse ja nacheinander statt und nicht gleichzeitig wie bei der Sambunigrin-Wirkung.

Zur Aufgabe 3

Diese Aufgabe hatte nichts mehr mit der Natrium-Kalium-Pumpe zu tun und wird daher hier nicht weiter diskutiert.