Das Aktionspotential ist ein fundamentaler Prozess in der Neurophysiologie und spielt eine zentrale Rolle bei der Reizweiterleitung in Nervenzellen. Es ermöglicht die schnelle und effiziente Übertragung von Informationen im gesamten Nervensystem. Dieser Artikel beleuchtet die Definition, die einzelnen Phasen, die beteiligten Ionenkanäle und die physiologische Bedeutung des Aktionspotentials.
Was ist ein Aktionspotential?
Unter einem Aktionspotential versteht man die Reizweitergabe an Nervenzellen, die durch eine Veränderung des elektrischen Membranpotentials entsteht. Es handelt sich um eine kurzzeitige Umkehrung des elektrischen Potenzials im Inneren einer Nervenzelle im Vergleich zur Außenseite der Zelle. Dieser Prozess wird auch als Depolarisation bezeichnet und ermöglicht die Übertragung von Signalen entlang der Nervenzellen. Jeder Reiz, den man auch als Erregung bezeichnet, wird durch solche Potentiale weitergegeben, damit er schlussendlich im Gehirn ankommt und interpretiert werden kann. Alle Vorgänge des menschlichen Körpers werden auf diese Weise reguliert. Daher sind die Aktionspotentiale essentiell für das menschliche Leben.
Definition: Ein Aktionspotential ist eine plötzliche Änderung des elektrischen Potenzials entlang der Membran einer Nervenzelle, die das Zellsignal weiterleitet. Eine spontane Ladungsumkehr wird als Aktionspotential (AP) bezeichnet.
Ruhepotential: Die Grundlage für das Aktionspotential
Die Membran einer Nervenzelle ist elektrisch geladen. Man spricht von dem sogenannten Membranpotential. Solange kein Aktionspotential entsteht, spricht man vom Ruhepotential. Dieses liegt bei ungefähr $- 70 mV$. In dieser Ausgangslage sind die spannungsgesteuerten Ionenkanäle der Membran geschlossen. Darüberhinaus besteht keine Ladungsdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren er Membran.
Das Ruhepotential wird dadurch aufrechterhalten, dass Osmose für Einstrom von Natrium-Ionen und auch für Ausstrom von Kalium-Ionen durch die semipermeable Membran sorgt. Die Natrium-Kalium-Pumpe reguliert die Ionenverteilung für das Ruhepotential, indem sie Natrium-Ionen in den extrazellulären und Kaliumionen in den intrazellulären Raum der Nervenzelle pumpt. (3 Na+ raus, 2 K+ rein --> daher ein negatives Vorzeichen beim Ruhepotential, denn es gehen mehr positive Ladungen raus als hinein)
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Für das Ruhepotential, das sich im Gleichgewicht befindet sind zwei Kräfte verantwortlich. Zum einen der Konzentrationsgradient und zum anderen der Ladungsausgleich. Alle Teilchen streben eine Gleichverteilung, also die gleiche Konzentration, an.
Das Ruhepotential ist der normale Spannungszustand einer Nervenzelle ohne Reiz, etwa -70 Millivolt.
Phasen des Aktionspotentials
Ein Aktionspotential kann in mehrere Phasen eingeteilt werden, die durch die Aktivität spezifischer Ionenkanäle definiert sind. Die Phasen gehen fließend ineinander über.
Ruhepotential: In dieser Phase sind die meisten Na+ und K+-Kanäle geschlossen, was zu einem stabilen negativen inneren Potenzial führt. Die Spannung in der Zelle ist negativ im Vergleich zur Außenseite. Während des Ruhepotentials sind alle spannungsabhängigen Ionenkanäle geschlossen.
Depolarisation: Spannungsabhängige Na+-Kanäle öffnen sich plötzlich, was einen Na+-Einstrom und eine schnelle Umkehrung des Membranpotenzials verursacht. Ein Reiz führt zur Öffnung spannungsabhängiger Natrium-Kanäle und zur Depolarisation der Membran. Überschreitet diese den Schwellenwert, so führt dies zur Öffnung weiterer Na+-Kanäle und das Aktionspotential steigt rasch an. Der Anstieg des Membranpotentials über einen Wert von etwa -50 mV führt zur Öffnung spannungsabhängiger Natriumkanäle in der Membran. Die Konzentration von Natriumionen ist außerhalb der Zelle deutlich höher als im Zellinnenraum. So kommt es zu einem schlagartigen Einstrom positiv geladener Natriumionen in das Zellinnere des Axons. Das führt zur Öffnung weiterer Natriumkanäle und stellt somit eine positive Rückkopplung dar. So kommt es sogar zur Ladungsumkehr. Die Innenseite ist jetzt also nicht mehr negativ, sondern positiv geladen.
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Repolarisation: Na+-Kanäle schließen, während K+-Kanäle sich öffnen und das Potenzial wieder negativ wird. Die spannungsabhängigen Na+-Kanäle schließen sich nun, wobei sich die K+-Kanäle öffnen und so das Membran- wieder zum Ruhepotential zurückführen. Gleichzeitig beginnen sich die spannungsgesteuerten Kaliumkanäle zu öffnen. Das Zelläußere ist jetzt im Vergleich zum Inneren der Zellen negativ geladen und die Kaliumkonzentration außerhalb der Zelle ist niedriger.
Hyperpolarisation: Durch anhaltenden K+-Ausstrom wird das Potenzial kurzzeitig negativer als das Ruhepotenzial. Da das Schließen der Kaliumkanäle länger dauert, als das der Natriumkanäle, kann es sogar zur Unterschreitung des Ruhepotentials kommen. weiter Kaliumionen aus der Zelle. Die Spannung sinkt deshalb unter den Ausgangswert.
Refraktärzeit
Nach dem Ablauf des Aktionspotentials kann nicht direkt die nächste Erregung weitergeleitet werden. Es dauert eine kurze Zeit bis eine Zelle wieder erregbar ist. Die Zeit, in der die Kanäle inaktiv sind, heißt Refraktärzeit. Sie ist wichtig für eine unidirektionale Weiterleitung eines Reizes.
Du kannst im Verlauf des Aktionspotentials zwei Phasen der Refraktärzeit unterscheiden. Kurz nach der Umpolarisierung können sich die Natriumkanäle erstmal gar nicht öffnen. Das ist die absolute Refraktärphase. Nach der Repolarisation wird der Schwellenwert zur Öffnung der Kanäle wieder niedriger, bis er wieder auf den Normalwert sinkt. Diese Phase, bei der du stärkere Reize für die Auslösung eines Aktionspotentials benötigst, heißt relative Refraktärzeit.
Das "Alles-oder-Nichts"-Gesetz
Wird das Ruhepotential durch einen Reiz „gestört“, bildet sich ein Aktionspotential (AP) aus. Diese Störungen oder Änderungen werden durch das Öffnen und Schließen von spannungsabhängigen Ionenkanälen erzeugt. Ein am Axonhügel eines Neurons ankommender Reiz erhöht die Spannung an der Zellmembran. Nur wenn dieser Reiz die Spannung über einen Schwellenwert von etwa -50 mV erhöht, wird ein Aktionspotential ausgelöst.
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Unter dem ‚Alles-oder-Nichts-Gesetz‘ verstehst du, dass ein Aktionspotential entweder in voller Größe oder gar nicht auftritt. Das bedeutet, dass die Reizschwelle entweder überschritten und ein Aktionspotential ausgelöst wird oder eben nicht. Aktionspotential = ALLES oder NICHTS! Wird der Schwellenwert unterschritten, wird kein AP ausgelöst. Ein zu schwacher Reiz erreicht nicht den Schwellenwert. Nein, ein starker Reiz kann kein größeres Aktionspotenzial auslösen. Sobald der Schwellenwert erreicht ist, läuft das Aktionspotential immer gleich ab - egal, wie stark der Reiz war.
Ionenkanäle: Schlüsselakteure bei der Entstehung des Aktionspotentials
Ionenkanäle sind von entscheidender Bedeutung für die Erzeugung und Weiterleitung von Aktionspotentialen, da sie die selektive Permeabilität der Zellmembran für bestimmte Ionen wie Natrium (Na⁺) und Kalium (K⁺) regulieren. Sie regulieren den Ionenfluss durch die Zellmembran, was für die Veränderung des Membranpotenzials verantwortlich ist.
- Spannungsabhängige Natriumkanäle: Diese Kanäle öffnen sich bei Erreichen eines bestimmten Schwellenwertes und ermöglichen den schnellen Einstrom von Natriumionen in die Zelle, was zur Depolarisation führt.
- Spannungsabhängige Kaliumkanäle: Diese Kanäle öffnen sich verzögert und ermöglichen den Ausstrom von Kaliumionen aus der Zelle, was zur Repolarisation führt.
Spannungsabhängige Ionenkanäle sind spezialisierten Proteine, die auf Änderungen des elektrischen Membranpotenzials reagieren. Blockaden oder Mutationen dieser Kanäle können erhebliche Auswirkungen auf die Signalübertragung haben und stehen im Zusammenhang mit verschiedenen neurologischen Erkrankungen. Neueste Forschungen untersuchen die Möglichkeit, diese Kanäle genetisch oder pharmakologisch zu regulieren, um therapeutische Ansätze zur Behandlung dieser Erkrankungen zu entwickeln.
Die Rolle des Axons bei der Aktionspotentialleitung
Die Axonmembran enthält spannungsabhängige Natrium- und Kalium-Kanäle (nicht vergessen: immer geöffnete Kalium-Kanäle!). Während das Ruhepotential besteht, sind alle spannungsabhängigen Kanäle geschlossen! Ruhepotential -> alle spannungsabhängigen Ionenkanäle geschlossen. Aktionspotential -> spannungsabhängige Natrium- und Kaliumkanäle werden geöffnet.
Das Axon ist ein langer Fortsatz einer Nervenzelle, der elektrische Signale überträgt. Aktionspotenziale entstehen im Axonhügel und wandern entlang des Axons bis zu den synaptischen Endknöpfchen. Dabei öffnen sich spannungsabhängige Ionenkanäle, die einen Fluss von Ionen ermöglichen, was zur Fortleitung des elektrischen Impulses beiträgt.
Definition: Ein Axon ist der lange, dünne Fortsatz einer Nervenzelle, der elektrische Impulse zu den Synapsen leitet. Es ist entscheidend für die Übertragung von Signalen im Nervensystem.
Im Axon wird der Reiz in Form eines Aktionspotenzials weitergeleitet. Dies erfolgt durch eine Serie von Depolarisationen entlang der Axonmembran, die die saltatorische Erregungsleitung ermöglicht. Diese Art der Signalübertragung ist besonders effizient und schnell, insbesondere in Axonen, die von einer Myelinscheide umgeben sind.
Ein faszinierender Aspekt der saltatorischen Erregungsleitung in myelinisierten Axonen ist die Sprungweise, mit der sich das Aktionspotenzial von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten bewegt. Diese Leitschaltung ermöglicht es dem Nervensystem, Signale viel schneller zu übertragen als durch einfache fortlaufende Erregungsleitung. Diese Effizienz spielt eine entscheidende Rolle bei schnellen Reaktionszeiten und komplexen motorischen Funktionen.
Axongebundene Aktionspotentiale: Es bildet sich nur am Axon ein AP aus, da nur dort spannungsgesteuerte Kanäle vorhanden sind. Unidirektionale Weiterleitung: Ein Aktionspotential kann nur in eine Richtung wandern, da die spannungsgesteuerten Kanäle für eine kurze Zeit inaktiv sind. Bidirektionale Weiterleitungen können nur künstlich durch Reizsetzung in der Mitte des Axons ausgelöst werden. Stichwort: Refraktärzeit!
Physiologische Relevanz der Aktionspotentiale
Die Fähigkeit eines Axons, ein Aktionspotenzial zu erzeugen und weiterzuleiten, hat weitreichende physiologische Auswirkungen. Es ermöglicht:
- Die Koordination komplexer Bewegungsabläufe durch schnelle Signalübertragung.
- Die effektive Kommunikation zwischen verschiedenen Teilen des Nervensystems.
- Das Erreichen hoher Reaktionsgeschwindigkeit bei Reflexen.
- Die Übertragung von Informationen durch das Nervensystem.
- Steuern Muskelkontraktionen, einschließlich Herzschlag.
- Spielen eine Rolle in Rechenprozessen im Gehirn.
Aktionspotentiale sind wichtig, weil sie das Aktionspotential ist ein zentrales Element für die gesamte Erregungsleitung zwischen Nervenzellen.
Aktionspotentiale in Schrittmacherzellen
Schrittmacherzellen, wie die des Herzens, erzeugen und steuern Aktionspotenziale auf eine einzigartige Weise. Diese Zellen sind für das Spontanität von Herzschlägen verantwortlich und funktionieren ohne externe nervöse Eingaben.
Definition: Schrittmacherzellen sind spezialisierte Herzmuskelzellen, die automatisch elektrische Impulse erzeugen, um den Herzrhythmus zu steuern.
Die Phasen eines Aktionspotenzials in Schrittmacherzellen sind:
- Langsame Depolarisation: Hierbei spielt der Ca2+-Einstrom über L-Typ Calciumkanäle eine signifikante Rolle, da Natriumkanäle weniger dominierend sind als in anderen Zellen.
- Repolarisation: Erneut übernimmt der K+-Ausstrom, der das Potenzial zum negativen Ruhezustand zurückbringt.
Klinische Bedeutung von Aktionspotentialen
Die Existenz und Funktion von Aktionspotentialen dienen als Grundlage für viele medizinische Diagnosen und Therapien. Sie sind wichtig für:
- Die Diagnose von neurologischen Erkrankungen, z.B. Epilepsie.
- Das Verständnis und die Behandlung von Herzrhythmusstörungen.
- Die Entwicklung von Medikamenten zur Behandlung von Schmerzzuständen.
Bei der Untersuchung von Herzrhythmusstörungen werden die Aktionspotenziale der Herzmuskelzellen analysiert. Hierbei schaut man, ob es Abweichungen gibt, die auf eine mögliche Erkrankung hindeuten könnten.
Um Aktionspotenziale zu messen, werden spezielle Technologien eingesetzt. Diese umfassen Elektrophysiologie in Laborumgebungen sowie nicht-invasive Techniken in der klinischen Praxis, wie das EKG für das Herz oder das EEG für das Gehirn. Die Messung dieser elektrischen Signale hilft Medizinern, präzise Diagnosen zu stellen und individuelle Behandlungspläne zu entwickeln.
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