Das Aktionspotential ist ein grundlegendes Phänomen in der Physiologie von Nerven- und Muskelzellen. Es ermöglicht die schnelle und über weite Strecken verlustfreie Übertragung von Informationen im Körper. Dieser Artikel beleuchtet die verschiedenen Phasen des Aktionspotentials, die zugrunde liegenden Mechanismen und ihre Bedeutung für verschiedene Zelltypen und medizinische Anwendungen.
Einführung in das Aktionspotential
Das Aktionspotential ist eine kurzzeitige, aber drastische Veränderung des Membranpotentials einer Zelle. Es besteht aus einer Depolarisation (Erregung), gefolgt von einer Repolarisation (Erholung). Diese rasche Änderung des elektrischen Potenzials ermöglicht die Signalübertragung entlang von Nervenzellen und die Aktivierung von Muskelzellen.
Definition: Aktionspotential
Ein Aktionspotential ist eine plötzliche Änderung des elektrischen Potenzials entlang der Membran einer Nervenzelle, die das Zellsignal weiterleitet.
Die Phasen des Aktionspotentials im Detail
Ein Aktionspotential durchläuft mehrere charakteristische Phasen, die jeweils durch spezifische Ionenflüsse und Veränderungen des Membranpotentials gekennzeichnet sind.
1. Ruhepotential (Phase 4)
Das Ruhepotential ist der Ausgangszustand der Zelle, bevor ein Aktionspotential ausgelöst wird. In dieser Phase ist das Innere der Zelle im Vergleich zur Außenseite negativ geladen. Das Ruhemembranpotential liegt typischerweise bei etwa -70 mV bis -90 mV.
Lesen Sie auch: Weihnachtslektüre für Demenzpatienten
Ionenkanäle: Während der Ruhephase sind hauptsächlich Kaliumkanäle (K+) geöffnet, die einen Ausstrom von Kaliumionen aus der Zelle ermöglichen. Dies trägt zur Aufrechterhaltung des negativen Ruhemembranpotentials bei. Natriumkanäle (Na+) sind geschlossen, wodurch der Natriumeinstrom in die Zelle minimiert wird. Es sind nur nach extrazellulär gerichtete Kalium- (K+) -Kanäle geöffnet, sodass der Ausstrom von Kalium ein negatives Ruhemembranpotential (ungefähr -90 mV) herstellt.
Aufrechterhaltung des Ruhepotentials: Das Ruhepotential wird durch die Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten, die aktiv Natriumionen aus der Zelle und Kaliumionen in die Zelle transportiert. Dies geschieht unter Energieverbrauch (ATP) und sorgt für die Aufrechterhaltung der Ionenkonzentrationsgradienten, die für das Ruhepotential notwendig sind. Die Konzentration der Kaliumionen ist im Zellinneren hoch, während die Natriumkonzentration außerhalb der Zelle höher ist.
2. Depolarisation (Phase 0)
Die Depolarisation ist die Phase, in der das Membranpotential schnell ansteigt und das Innere der Zelle positiver wird.
Auslösung: Die Depolarisation beginnt, wenn ein Reiz die Zelle erreicht und das Membranpotential über einen Schwellenwert (ca. -50 mV) anhebt. 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.
Natriumeinstrom: Bei Erreichen des Schwellenwerts öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle (Na+), was zu einem schnellen Einstrom von Natriumionen in die Zelle führt. Bei der Stimulation erfolgt eine schnelle Depolarisation über den Zustrom Einstrom von Natrium (Na+) und die Zelle wird positiv geladen (ungefähr 20 mV). 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.
Lesen Sie auch: Demenz Beschäftigungsideen
Ladungsumkehr: Der massive Natriumeinstrom führt zu einer Umkehrung der Ladung an der Zellmembran. Das Innere der Zelle wird positiv geladen (bis zu +30 mV bis +40 mV), während die Außenseite negativ wird.
3. Repolarisation (Phase 1 und 2)
Die Repolarisation ist die Phase, in der das Membranpotential wieder in Richtung des Ruhepotentials absinkt.
Inaktivierung der Natriumkanäle: Kurz nach dem Beginn der Depolarisation inaktivieren sich die Natriumkanäle. Dies stoppt den Natriumeinstrom und verhindert eine weitere Depolarisation. Bevor das Maximum des Membranpotentials erreicht ist, beginnen die Natriumkanäle sich wieder zu schließen.
Kaliumausstrom: Gleichzeitig öffnen sich spannungsabhängige Kaliumkanäle (K+), was zu einem Ausstrom von Kaliumionen aus der Zelle führt. 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.
Wiederherstellung des negativen Potenzials: Der Ausstrom von Kaliumionen stellt das negative Membranpotential wieder her.
Lesen Sie auch: Leitfaden für Spiele mit Demenz
Frühe Repolarisation (Phase 1): Während dieser Phase öffnet sich eine andere Art von Kaliumkanälen (K+) und ein kurzer Kaliumausstrom repolarisiert die Zelle leicht.
Plateauphase (Phase 2): Fast gleichzeitig mit dem Öffnen von Kaliumkanälen in Phase 1 öffnen sich spannungsgesteuerte, langsame Calciumkanäle (Ca2+), wodurch Calcium in die Zelle fließt. Diese Plateauphase ist besonders in Herzmuskelzellen wichtig.
4. Hyperpolarisation
Die Hyperpolarisation ist eine Phase, in der das Membranpotential kurzzeitig negativer wird als das Ruhepotential.
Verzögerte Schließung der Kaliumkanäle: Die Kaliumkanäle schließen sich nicht sofort, nachdem das Ruhepotential erreicht ist, was zu einem anhaltenden Kaliumausstrom führt. Da das Schließen der Kaliumkanäle länger dauert, als das der Natriumkanäle, kann es sogar zur Unterschreitung des Ruhepotentials kommen.
Unterschreiten des Ruhepotentials: Dieser zusätzliche Kaliumausstrom führt dazu, dass das Membranpotential kurzzeitig unter das Ruhepotential absinkt. Die Spannung sinkt deshalb unter den Ausgangswert.
5. Wiederherstellung des Ruhepotentials
Nach der Hyperpolarisation stellt die Natrium-Kalium-Pumpe die ursprünglichen Ionenkonzentrationen und das Ruhepotential wieder her.
- Aktivität der Natrium-Kalium-Pumpe: Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert aktiv Natriumionen aus der Zelle und Kaliumionen in die Zelle, um die korrekten Ionenkonzentrationen wiederherzustellen. Unter Energieverbrauch pumpt sie Natrium aus der Zelle heraus und Kalium in die Zelle zurück. Somit hält sie das Ruhepotential der Zelle aufrecht.
Refraktärzeiten
Nach einem Aktionspotential durchläuft die Zelle Refraktärzeiten, in denen sie weniger oder gar nicht erregbar ist.
Absolute Refraktärzeit
Während der absoluten Refraktärzeit kann kein neues Aktionspotential ausgelöst werden, unabhängig von der Stärke des Reizes.
- Inaktivierung der Natriumkanäle: Die Natriumkanäle befinden sich in einem inaktivierten Zustand und können nicht geöffnet werden. Kurz nach der Umpolarisierung können sich die Natriumkanäle erstmal gar nicht öffnen.
Relative Refraktärzeit
Während der relativen Refraktärzeit kann ein Aktionspotential ausgelöst werden, aber nur durch einen stärkeren Reiz als normal.
- Wiederherstellung der Natriumkanäle: Einige Natriumkanäle haben sich von der Inaktivierung erholt, aber die Zelle ist noch hyperpolarisiert. 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.
Die Refraktärzeiten sind wichtig, um sicherzustellen, dass Aktionspotentiale nur in eine Richtung weitergeleitet werden und die Frequenz der Aktionspotentiale begrenzt wird. Sie ist wichtig für eine unidirektionale Weiterleitung eines Reizes.
Aktionspotentiale in verschiedenen Zelltypen
Das Aktionspotential variiert in seinem Aussehen und seinen Eigenschaften je nach Zelltyp.
Nervenzellen (Neuronen)
In Nervenzellen ist das Aktionspotential für die schnelle Übertragung von Signalen über lange Strecken verantwortlich.
Ablauf: Ein Aktionspotential entsteht in Nervenzellen durch eine schnelle Änderung des Membranpotenzials. Dies geschieht, wenn spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen und Natriumionen in die Zelle strömen, was zur Depolarisation führt. Anschließend öffnen sich Kaliumkanäle, die Kaliumionen ausströmen lassen und die Zelle repolarisieren.
Ionenkanäle: Ionenkanäle sind entscheidend für die Auslösung von Aktionspotentialen, da sie die selektive Permeabilität der Zellmembran für bestimmte Ionen wie Natrium (Na⁺) und Kalium (K⁺) regulieren.
Neurotransmitter: Neurotransmitter beeinflussen die Entstehung und Weiterleitung von Aktionspotentialen, indem sie an Rezeptoren der postsynaptischen Membran binden. Dadurch öffnen oder schließen sich Ionenkanäle, was die Membranpolarisation verändert.
Axon: Aktionspotenziale sind fundamentale Prozesse, die im Axon einer Nervenzelle ablaufen und für die Leitung von Nervenimpulsen verantwortlich sind. Diese Impulse ermöglichen die Kommunikation zwischen Nervenzellen und sind essenziell für das Nervensystem.
Muskelzellen
In Muskelzellen löst das Aktionspotential die Muskelkontraktion aus.
Skelettmuskelzellen: Haben mittellange Aktionspotentiale.
Herzmuskelzellen: Haben längere Aktionspotentiale. Das Aktionspotential tritt in allen Herzzellen auf, sein Aussehen variiert jedoch je nach Zelltyp.
Schrittmacherzellen
Schrittmacherzellen, wie sie im Sinusknoten des Herzens vorkommen, erzeugen spontan Aktionspotentiale, die den Herzrhythmus steuern.
Automatizität: Die Automatizität der Zellen im Sinusknoten erklärt sich dadurch, dass diese Zellen einen langsamen Natriumeinstrom (Na+) nach intrazellulär aufweisen, sobald sie ihren Ruhezustand erreichen.
Ablauf: Wenn Natrium in die Zelle strömt, wird die Zellmembran allmählich positiver. Wenn das Membranpotenzial dadurch seinen Schwellenwert von -40 mV erreicht, wird das Aktionspotential ausgelöst und die Zelle depolarisiert. Dies geschieht, indem bei -40 mV spannungsgesteuerte Calciumkanäle (Ca2+) öffnen, sodass positiv geladene Calciumionen in die Zelle strömen und das Membranpotential schlagartig anheben (Depolarisation). Daraufhin öffnen sich nach extrazellulär gerichtete Kaliumkanäle (K+), was das Membranpotential wieder absenkt, also zu einer Repolarisation der Zelle führt. Der Zyklus wiederholt sich dann selbst.
Calciumkanäle: Hierbei spielt der Ca2+-Einstrom über L-Typ Calciumkanäle eine signifikante Rolle, da Natriumkanäle weniger dominierend sind als in anderen Zellen.
Das Elektrokardiogramm (EKG)
Das Aktionspotential spielt eine zentrale Rolle bei der Erstellung eines Elektrokardiogramms (EKG).
Aufzeichnung elektrischer Ströme: Während der De- und Repolarisation fließen Ionen (Na+ [Natrium], K+ [Kalium] und Ca2+ [Calcium]) über die Zellmembran hin und her. Da Ionen elektrisch geladen sind, erzeugt ihre Bewegung einen elektrischen Strom. Alle Gewebe und Flüssigkeiten, die das Herz umgeben, enthalten Ionen, was bedeutet, dass sie als elektrische Leiter wirken können. Folglich werden die im Myokard erzeugten elektrischen Ströme bis zur Haut übertragen, wo sie durch Elektroden abgeleitet werden können.
EKG-Kurve: Der Elektrokardiograph (EKG-Gerät) zeichnet diese elektrischen Ströme auf und stellt sie als Elektrokardiogramm (EKG) dar. Die erste Auslenkung der Kurve (fortan Welle genannt) ist die P-Welle, die der Erregung (Depolarisation) der Vorhöfe entspricht. Die Repolarisation der Vorhöfe ist normalerweise nicht sichtbar, da sie zeitlich mit der Erregung (Depolarisation) der Ventrikel zusammenfällt, die wesentlich größere elektrische Potentiale erzeugt und daher überwiegt. Die ventrikuläre Depolarisation ist als QRS-Komplex sichtbar. Der QRS-Komplex besteht aus drei Zacken: Q, R und S. Die Unterschiede in der Richtung dieser Zacken sind auf Änderungen der Richtung der elektrischen Potentiale während der ventrikulären Depolarisation zurückzuführen. Die T-Welle repräsentiert die schnelle Repolarisationsphase (Phase 2).
Klinische Bedeutung
Das Verständnis des Aktionspotentials ist entscheidend für die Diagnose und Behandlung verschiedener Erkrankungen.
Herzrhythmusstörungen: 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.
Neurologische Erkrankungen: Mutationen in Ionenkanälen können zu verschiedenen neurologischen und muskulären Erkrankungen führen.
Schmerzbehandlung: Die Entwicklung von Medikamenten zur Behandlung von Schmerzzuständen basiert auf dem Verständnis der Aktionspotentiale.
Technologien zur Messung von Aktionspotentialen
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.
tags: #grobe #eines #aktionspotentials