Das Aktionspotential ist ein grundlegender Prozess in der neuronalen Kommunikation und der Muskelfunktion. Es spielt eine zentrale Rolle im Nervensystem und bei der Signalübertragung. Dieser Artikel befasst sich mit der Definition des digitalen Aktionspotentials im Axon, seinem Ablauf und seiner Bedeutung.
Einführung in die Erregungsleitung
Die Erregungsleitung, auch Reizleitung oder Reizweiterleitung genannt, ist die Weiterleitung elektrischer Signale in Nerven- und Muskelzellen. Sie ermöglicht die schnelle Übertragung von Informationen durch den Körper. Eine Erregung entsteht immer am Axonhügel eines Neurons und wird entlang des Axons weitergeleitet.
Was ist ein Aktionspotential?
Ein Aktionspotential ist eine kurzfristige Umkehrung des elektrischen Potentials 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.
Definition: Aktionspotential
Ein Aktionspotential ist eine plötzliche Änderung des elektrischen Potentials entlang der Membran einer Nervenzelle, die das Zellsignal weiterleitet.
Ablauf eines Aktionspotentials
Der Ablauf eines Aktionspotentials lässt sich in verschiedene Phasen unterteilen:
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Ruhepotential: Die Spannung in der Zelle ist negativ im Vergleich zur Außenseite. Das Ruhepotential einer Zelle liegt bei etwa -70 mV. Die Konzentration der Kaliumionen ist im Zellinneren hoch, während die Natriumkonzentration außerhalb der Zelle höher ist. Die spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumkanäle in der Membran sind zunächst geschlossen. Das Ruhepotential wird maßgeblich vom Gleichgewichtspotential der Kalium-Ionen bestimmt.
Depolarisation: 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. Spannungsabhängige Natriumkanäle öffnen sich, und Natriumionen strömen in die Zelle ein, was zu einer Umkehrung des Membranpotentials führt. Die Innenseite ist jetzt also nicht mehr negativ, sondern positiv geladen. Das ‚Alles-oder-Nichts-Gesetz‘ besagt, dass ein Aktionspotential entweder in voller Größe oder gar nicht auftritt.
Repolarisation: Kaliumkanäle öffnen sich, Kaliumionen strömen aus der Zelle aus, und das Potenzial kehrt zum Ruhewert zurück. Bevor das Maximum des Membranpotentials erreicht ist, beginnen die Natriumkanäle sich wieder zu schließen. 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.
Wiederherstellung des Ruhepotentials: Nach der De- und Repolarisation liegt ein Zustand vor, in welchem sich die Natriumionen auf der Axon Innenseite befinden, die Kaliumionen auf der Außenseite. Damit das Ruhepotential mit der anfänglichen Ionenverteilung wiederhergestellt werden kann, gibt es die Natrium-Kalium-Pumpe. Durch diese werden die Konzentrationen mit Kaliumionen im Axon und Natriumionen außen geschaffen. Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein energieabhängiger Transporter, der bei jedem Pumpvorgang drei Natriumionen nach außen und dafür zwei Kaliumionen in die Zelle pumpt.
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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. Es gibt zwei Phasen:Die absolute Refraktärphase tritt direkt nach Beginn der Depolarisation auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass kein Aktionspotential ausgelöst werden kann. Die relative Refraktärphase tritt nach der Repolarisation ein, hier kann die Zellen bereits wieder erregt werden.
Die Rolle des Axons
Das Axon ist ein langer Fortsatz einer Nervenzelle, der elektrische Signale überträgt. Aktionspotentiale 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: Axon
Ein Axon ist der lange, dünne Fortsatz einer Nervenzelle, der elektrische Impulse zu den Synapsen leitet und entscheidend für die Übertragung von Signalen im Nervensystem ist.
Mechanismus der Reizweiterleitung im Axon
Im Axon wird der Reiz in Form eines Aktionspotentials 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 interessanter Aspekt der saltatorischen Erregungsleitung in myelinisierten Axonen ist die Sprungweise, mit der sich das Aktionspotential von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten bewegt. Diese Leitschaltung ermöglicht es dem Nervensystem, Signale viel schneller zu übertragen als durch einfache fortlaufende Erregungsleitung.
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Physiologische Relevanz
Die Fähigkeit eines Axons, ein Aktionspotenzial zu erzeugen und weiterzuleiten, hat weitreichende physiologische Auswirkungen:
- Die Koordination komplexer Bewegungsabläufe durch schnelle Signalübertragung.
- Die effektive Kommunikation zwischen verschiedenen Teilen des Nervensystems.
- Das Erreichen hoher Reaktionsgeschwindigkeit bei Reflexen.
Aktionspotentiale und Ionenkanäle
Ionenkanäle sind von entscheidender Bedeutung für die Erzeugung und Weiterleitung von Aktionspotentialen. Sie regulieren den Ionenfluss durch die Zellmembran, was für die Veränderung des Membranpotenzials verantwortlich ist.
Aktionspotential Phasen und Ionenkanäle
- Ruhepotential: Die meisten Na+ und K+-Kanäle sind geschlossen, was zu einem stabilen negativen inneren Potenzial führt.
- Depolarisation: Spannungsabhängige Na+-Kanäle öffnen sich plötzlich, was einen Na+-Einstrom und eine schnelle Umkehrung des Membranpotenzials verursacht.
- Repolarisation: Na+-Kanäle schließen, während K+-Kanäle sich öffnen und das Potenzial wieder negativ wird.
- Hyperpolarisation: Durch anhaltenden K+-Ausstrom wird das Potenzial kurzzeitig negativer als das Ruhepotenzial.
Spannungsabhängige Ionenkanäle sind spezialisierte 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.
Analoge und digitale Codierung im Nervensystem
Informationen im Nervensystem werden sowohl analog als auch digital codiert. In den Dendriten und dem Zellkörper der Nervenzelle kommt es zu einer passiven Potenzialverschiebung, bei der die Reizstärke in Form der Amplitude der Potenzialverschiebung codiert wird (analog). Im Axon erfolgt die Codierung digital in Form von Aktionspotentialen. Die Frequenz der Aktionspotentiale ist dabei abhängig von der Reizstärke.
Die Umcodierung in der Neurobiologie zwischen digitalen und analogen Signalen ist sinnvoll, da sie die Vorteile beider Systeme kombiniert und eine präzise neuronale Kommunikation ermöglicht.
Klinische Bedeutung
Aktionspotentiale spielen eine zentrale Rolle in der medizinischen Physiologie. Sie sind wesentlich für die normale Funktion von Nervensystem und Muskeln. 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.
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