Das Aktionspotential ist ein fundamentaler Prozess in der Neurobiologie, der die Grundlage für die schnelle und gezielte Weiterleitung von elektrischen Signalen in Nervenzellen bildet. Es ermöglicht die Reizübertragung im menschlichen Körper und ist somit essenziell für zahlreiche Körperfunktionen. Dieser Artikel beleuchtet detailliert den Ablauf des Aktionspotentials, seine verschiedenen Phasen und die zugrunde liegenden Mechanismen.
Grundlagen: Ionenverteilung und Membranpotential
Um den Ablauf des Aktionspotentials zu verstehen, ist es wichtig, die Grundlagen der Ionenverteilung und des Membranpotentials zu kennen. Intra- und extrazelluläre Flüssigkeiten weisen unterschiedliche Konzentrationen von Ionen auf, insbesondere von Natrium (Na+), Kalium (K+), Chlorid (Cl-) und Proteinen. Kaliumkanäle sind leicht durchlässig ("leaky"), während Natriumkanäle im Ruhezustand geschlossen sind. Diese unterschiedliche Ionenverteilung führt zu einer Polarisation der Membran, wobei das Zellinnere negativ und das Zelläußere positiv geladen ist. Das Ruhepotential beträgt etwa -70 mV. Die Natrium-Kalium-Pumpe trägt maßgeblich zur Aufrechterhaltung des Ruhepotentials bei.
Die Rolle der Ionenkanäle
Ionenkanäle spielen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung und Weiterleitung von Aktionspotentialen. Es gibt verschiedene Arten von Ionenkanälen, darunter spannungsgesteuerte und ligandengesteuerte Kanäle. Spannungsgesteuerte Kanäle öffnen und schließen sich in Abhängigkeit von der Membranspannung, während ligandengesteuerte Kanäle durch die Bindung spezifischer Moleküle (Liganden) aktiviert werden.
Die Phasen des Aktionspotentials
Der Ablauf des Aktionspotentials lässt sich in mehrere charakteristische Phasen unterteilen:
1. Ruhepotential
Die Nervenzelle befindet sich in einem Ruhezustand bei etwa -70 mV. In dieser Phase sind die meisten Natriumkanäle geschlossen, während einige Kaliumkanäle geöffnet sind, was zu einem geringen Ausstrom von Kaliumionen führt.
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2. Reizaufnahme und Depolarisation
Reize aus der Umwelt, chemische Stoffe oder Temperaturschwankungen werden von den Dendriten der Nervenzelle aufgenommen. Wird ein Schwellenwert von etwa -50 mV überschritten, öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle. Natriumionen strömen in die Zelle, wodurch das Zellinnere positiver wird. Dieser Prozess wird als Depolarisation bezeichnet.
Wichtig: Der Reiz muss über dem Schwellenwert liegen, um ein Aktionspotenzial auszulösen. Hier gilt das "Alles-oder-Nichts-Prinzip": Wird der Schwellenwert nicht erreicht, erfolgt keine Reaktion.
3. Positive Rückkopplung und Overshoot
Die Depolarisation führt zu einer weiteren Öffnung von Natriumkanälen, was einen noch stärkeren Einstrom von Natriumionen zur Folge hat. Dieser Mechanismus wird als positive Rückkopplung bezeichnet und ist entscheidend für die schnelle und vollständige Depolarisation der Membran. Das Membranpotential erreicht seinen maximalen Wert von +30 mV bis +40 mV. Dieser Zustand wird als Overshoot bezeichnet.
4. Repolarisation
Kurz nach dem Erreichen des Peaks schließen sich die Natriumkanäle und die langsameren Kaliumkanäle öffnen sich. Kaliumionen strömen aus der Zelle, wodurch das Zellinnere wieder negativer wird. Dieser Prozess wird als Repolarisation bezeichnet.
5. Hyperpolarisation
Die Kaliumkanäle schließen sich nur verzögert (nach ca. 1-2 ms). In dieser Zeit fließen weitere Kaliumionen aus der Zelle, sodass die Spannung unter das Ruhepotential sinkt. Dieser Zustand wird als Hyperpolarisation bezeichnet.
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6. Refraktärzeit
Während dieser kurzen Phase (ca. 2 ms) ist kein neues Aktionspotenzial möglich. Die Natriumkanäle sind inaktiv, was bedeutet, dass sie geschlossen sind und keine Natriumionen in die Zelle lassen können. Daher können während dieser Phase keine neuen Reize beantwortet werden. Die Natriumkanäle bleiben inaktiv, bis die Zelle zum Ruhepotenzial zurückkehrt, wodurch sie wieder reaktionsfähig wird.
7. Rückkehr zum Ruhepotential
Die Natrium-Kalium-Pumpen stellen das ursprüngliche Ruhepotential von -70 mV wieder her. Diese Pumpen transportieren Natriumionen aus der Zelle und Kaliumionen in die Zelle, wodurch die ursprüngliche Ionenverteilung wiederhergestellt wird.
Die Bedeutung des Axonhügels
Die hohe Dichte spannungssensitiver Natriumkanäle am Axonhügel senkt die Schwelle für die Auslösung eines Aktionspotentials. Dadurch benötigt ein Reiz weniger Stärke, um das Schwellenpotential zu erreichen und ein Aktionspotential zu initiieren, was die Erregungsleitung effizienter macht.
Erregungsleitung: Kontinuierlich vs. Saltatorisch
Die Erregungsleitung entlang des Axons kann auf zwei Arten erfolgen: kontinuierlich und saltatorisch.
Kontinuierliche Erregungsleitung
Bei der kontinuierlichen Erregungsleitung breitet sich das Aktionspotential kontinuierlich entlang des gesamten Axons aus. Diese Art der Erregungsleitung ist langsamer und energieaufwendiger als die saltatorische Erregungsleitung.
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Saltatorische Erregungsleitung
Bei der saltatorischen Erregungsleitung "springt" das Aktionspotential von Ranvierschem Schnürring zu Ranvierschem Schnürring. Ranviersche Schnürringe sind Unterbrechungen der Myelinscheide, die das Axon umgibt. Die Myelinscheide isoliert das Axon und verhindert den Ionenfluss, wodurch die Erregungsleitung beschleunigt wird. Die saltatorische Erregungsleitung ist schneller und energieeffizienter als die kontinuierliche Erregungsleitung.
Die Rolle der Synapsen
Die chemische Synapse ermöglicht die Signalübertragung zwischen Nervenzellen. An der Synapse wird das elektrische Signal des Aktionspotentials in ein chemisches Signal umgewandelt, indem Neurotransmitter freigesetzt werden. Diese Neurotransmitter binden an Rezeptoren auf der postsynaptischen Zelle und lösen dort ein neues Aktionspotential aus oder hemmen dessen Entstehung.
Störungen der Erregungsübertragung
Störungen der Erregungsübertragung können zu verschiedenen neurologischen Erkrankungen führen. Ein Beispiel hierfür ist die Multiple Sklerose, bei der die Myelinscheide der Nervenfasern zerstört wird, was zu einer Verlangsamung oder Blockierung der Erregungsleitung führt. Auch Nervengifte wie Nowitschok können die Erregungsübertragung stören, indem sie beispielsweise die Funktion von Acetylcholinesterase hemmen, einem Enzym, das den Neurotransmitter Acetylcholin abbaut.
Arbeitsblätter zum Aktionspotential
Arbeitsblätter sind ein nützliches Werkzeug, um den Ablauf des Aktionspotentials zu erlernen und zu vertiefen. Sie können beispielsweise Aufgaben zur Beschriftung von Diagrammen, zur Beschreibung der verschiedenen Phasen des Aktionspotentials oder zur Erklärung der Rolle der Ionenkanäle enthalten. Es gibt zahlreiche Arbeitsblätter zum Thema Aktionspotential, die für verschiedene Klassenstufen und Lernziele geeignet sind.
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