Spannungsabhängige Ionenkanäle: Aktionspotential und Funktion

Einführung

Das Aktionspotential (AP) ist ein elektrisches Signal, das Neuronen zur Kommunikation mit anderen Zellen nutzen. Es ermöglicht die schnelle und effiziente Übertragung von Informationen über teils lange Strecken im Körper. Die Grundlage des Aktionspotentials sind geladene Teilchen (Ionen), insbesondere Natrium (Na+) und Kalium (K+), die in und um die Nervenfaser charakteristisch verteilt sind. Spannungsabhängige Ionenkanäle spielen dabei eine zentrale Rolle, indem sie sich in spezifischer Reihenfolge öffnen und schließen und so die Ionenverteilung während des Aktionspotentials steuern.

Nervenzellen und Informationsweiterleitung

Nervenzellen sind für die Weiterleitung von Reizen im Körper verantwortlich. Sie bestehen aus Dendriten, dem Zellkörper (Soma) mit Zellkern und Organellen, dem Axonhügel und dem Axon. Dendriten empfangen Informationen von anderen Nerven- oder Sinneszellen und leiten sie zum Zellkörper weiter. Am Axonhügel werden die Informationen verrechnet. Das Axon, ein Zellfortsatz, leitet die Informationen weiter. Bei Wirbeltieren ist das Axon von einer Myelinscheide umhüllt, die die Informationsweiterleitung beschleunigt. Unterbrochen wird die Myelinscheide von Ranvierschen Schnürringen, an denen das Axon frei liegt und Ionenkanäle lokalisiert sind.

Das Ruhemembranpotential

Das Ruhemembranpotential (RMP) entsteht durch die ungleiche Konzentration von Natrium- und Kaliumionen innerhalb und außerhalb der Zelle. Im Zellinneren herrscht eine hohe Kaliumkonzentration und eine niedrige Natriumkonzentration, während außerhalb der Zelle das Verhältnis umgekehrt ist. Die Axonmembran ist semi-permeabel und ermöglicht einen gewissen Ionentransport. Im Ruhezustand ist die Membran für Kalium-Ionen gut durchlässig, für Chlorid-Ionen etwas schlechter und für Natrium-Ionen sehr gering. Organische Anionen können die Membran überhaupt nicht passieren.

Kalium-Ionen strömen entlang ihres Konzentrationsgradienten in den extrazellulären Raum, wodurch eine elektrische Spannung entsteht: Innen herrscht ein Überschuss an negativen Ladungen, außen ein Überschuss an positiven Ladungen. Diese Ladungsdifferenz wird zusätzlich durch einströmende Chlorid-Ionen erhöht. Kalium-Ionen strömen jedoch nicht bis zum vollständigen Konzentrationsausgleich nach außen, da die elektrische Spannung dem entgegenwirkt. Es stellt sich ein Gleichgewicht ein.

Eine wichtige Rolle spielt auch die Natrium-Kalium-Pumpe, die aktiv Natrium-Ionen aus der Zelle heraus und Kalium-Ionen in die Zelle hinein transportiert, entgegen ihrem jeweiligen Konzentrationsgradienten. Die Pumpe tauscht drei Natrium-Ionen gegen zwei Kalium-Ionen. Einige Natrium-Ionen gelangen trotzdem durch einen sogenannten Leckstrom in die Zelle, was durch die Natrium-Kalium-Pumpe kompensiert wird, um eine Depolarisation zu verhindern.

Lesen Sie auch: Synaptische Übertragung und Ionenkanäle

Auslösung eines Aktionspotentials

Ein Aktionspotential wird ausgelöst, wenn ein Reiz am Axonhügel eine Veränderung der Ionenkonzentration an der Innen- und Außenseite der Axonmembran bewirkt. Damit ein Aktionspotential ausgelöst wird, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:

1. Der Reiz muss das Membranpotential positiver machen (Depolarisation).
2. Die Reizintensität muss so hoch sein, dass die Depolarisation einen bestimmten Schwellenwert überschreitet (ca. -50 mV).

Einige der Kanäle in der Membran sind spannungsabhängige Ionenkanäle, die erst ab einer bestimmten Spannung für Ionen durchlässig werden. Wird der Schwellenwert erreicht, öffnen sich schlagartig die spannungsgesteuerten Natrium-Ionenkanäle und anschließend auch weitere Kalium-Kanäle. Das Aktionspotential springt dann von Schnürring zu Schnürring (saltatorische Erregungsleitung).

Phasen des Aktionspotentials

Der Verlauf eines Aktionspotentials lässt sich in fünf Phasen einteilen:

1. Ruhepotential: Das Membranpotential beträgt etwa -70 mV. Die spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumkanäle sind geschlossen. Die Konzentration der Kaliumionen ist im Zellinneren hoch, während die Natriumkonzentration außerhalb der Zelle höher ist.
2. Depolarisation: Ein Reiz, der am Axonhügel ankommt, erhöht die Spannung an der Zellmembran. Überschreitet die Spannung einen Schwellenwert von etwa -50 mV, öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle. Natriumionen strömen entlang des Ladungs- und Konzentrationsgradienten ins Axon, was zu einer weiteren Öffnung von Natriumkanälen führt (positive Rückkopplung). Es kommt zur Ladungsumkehr, die Innenseite der Membran wird positiv.
3. Repolarisation: Bevor das Maximum des Membranpotentials erreicht ist, beginnen sich die Natriumkanäle wieder zu schließen. Gleichzeitig öffnen sich spannungsgesteuerte Kaliumkanäle. Kaliumionen strömen aus der Zelle, wodurch das Membranpotential wieder sinkt. Das Zelläußere ist jetzt im Vergleich zum Inneren der Zelle negativ geladen.
4. Hyperpolarisation: Da sich die Kaliumkanäle langsamer schließen als die Natriumkanäle, kann es kurzzeitig zur Unterschreitung des Ruhepotentials kommen. Es strömen weiterhin Kaliumionen aus der Zelle, die Spannung sinkt unter den Ausgangswert.
5. Refraktärzeit: Nach dem Ablauf des Aktionspotentials kann nicht direkt die nächste Erregung weitergeleitet werden. Es dauert eine kurze Zeit, bis die Zelle wieder erregbar ist. In dieser Zeit befinden sich die spannungsgesteuerten Ionenkanäle in der Refraktärzeit, in der sie nicht wieder geöffnet werden können. Es gibt zwei Phasen der Refraktärzeit:
   • Absolute Refraktärzeit: Kurz nach der Umpolarisierung können sich die Natriumkanäle überhaupt nicht öffnen.
   • Relative Refraktärzeit: Nach der Repolarisation wird der Schwellenwert zur Öffnung der Kanäle wieder niedriger, bis er wieder auf den Normalwert sinkt. In dieser Phase sind stärkere Reize für die Auslösung eines Aktionspotentials notwendig.

Damit die Zelle bereit für ein neues Aktionspotential ist, muss die ursprüngliche Ionenverteilung wiederhergestellt werden. Dies geschieht durch die Natrium-Kalium-ATPase, die unter Energieverbrauch Natrium aus der Zelle heraus und Kalium in die Zelle zurückpumpt und so das Ruhepotential aufrechterhält.

Alles-oder-Nichts-Gesetz

Das Aktionspotential folgt dem Alles-oder-Nichts-Gesetz. Das bedeutet, dass ein Aktionspotential entweder in voller Größe oder gar nicht auftritt. Sobald der Schwellenwert überschritten ist, läuft das Aktionspotential immer gleich ab, unabhängig von der Stärke des Reizes. Ein zu schwacher Reiz erreicht nicht den Schwellenwert und löst kein Aktionspotential aus.

Lesen Sie auch: Synaptische Ionenkanäle

Die Rolle von Spannungsabhängigen Ionenkanälen

Spannungsabhängige Ionenkanäle sind integrale Membranproteine, die sich bei Änderungen des Membranpotentials öffnen oder schließen. Sie sind selektiv für bestimmte Ionen (z.B. Natrium, Kalium, Calcium) und ermöglichen deren Durchtritt durch die Zellmembran.

Struktur von Spannungsabhängigen Natriumkanälen

Spannungsgesteuerte Natrium-Kanäle sind Proteine, die aus vier Domänen (I, II, III und IV) bestehen. Jede Domäne besteht aus sechs Alpha-Helices. Jeweils eine der sechs Helices (die vierte) ist positiv geladen und fungiert als Spannungssensor. Die vier Domänen sind so angeordnet, dass sie einen hydrophilen Kanal ins Zellinnere bilden, durch den Natrium-Ionen passen können.

Bestandteile des Natriumkanals:

• Selektivitätsfilter: Das "aktive Zentrum" des Natriumkanals. Hier muss sich das Natrium-Ion nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip hineinsetzen, um weiterbefördert zu werden.
• Spannungssensor: Die positiv geladenen Aminosäuren, die beweglich im Natriumkanal eingelagert sind. Bei negativer Ladung der Membraninnenseite befindet sich der Spannungssensor weiter "unten", näher zur Innenseite der Membran.
• Tor: Eine Verengung des Kanals, die das Ion passieren muss. Die Aminosäuren dieses Tors sind mit dem Spannungssensor mechanisch verbunden. Wenn der Spannungssensor nach "oben" wandert, werden die Aminosäuren des Tors weiter auseinander gezogen, und das Tor öffnet sich.
• Inaktivierungstor: Ein "Pfropfen", der den Kanal auf der Membraninnenseite komplett verschließen kann.

Funktionsweise von Spannungsabhängigen Natriumkanälen

1. Geschlossen: Im Ruhezustand ist das Tor des Natriumkanals geschlossen. Die Natrium-Ionen können zwar den Selektivitätsfilter passieren, das Tor ist aber verschlossen.
2. Offen: Bei einer Depolarisierung der Membran auf ca. -50 mV schwächt sich die negative Ladung auf der Membraninnenseite ab. Der Spannungssensor wird nicht mehr so stark von der Innenseite angezogen und "wandert" nach oben. Da der Spannungssensor mechanisch mit den Torflügeln verbunden ist, öffnet sich das Tor, und Natrium-Ionen können mit dem Konzentrationsgefälle nach innen diffundieren.
3. Inaktiviert: Wird die Membran im Verlauf des Aktionspotenzials noch stärker depolarisiert, bleibt das Tor zwar zunächst noch geöffnet, aber das Inaktivierungstor verschließt den Kanal. Nun können keine Natrium-Ionen mehr in die Zelle eindringen. Das Inaktivierungstor bleibt solange verschlossen, bis die Kalium-Natrium-Pumpe die ursprünglichen Ionenkonzentrationen wieder hergestellt hat. Dann öffnet sich das Inaktivierungstor, während sich das eigentliche Tor wieder schließt, denn der Spannungssensor registriert, dass auch das ursprüngliche Membranpotenzial wieder hergestellt ist.

Bedeutung von Ionenkanälen

Ionenkanäle spielen eine entscheidende Rolle in verschiedenen zellulären Prozessen:

• Aufrechterhaltung des Ruhemembranpotentials: Durch selektiven Ionentransport tragen sie zur Aufrechterhaltung des elektrischen Gradienten über die Zellmembran bei.
• Erzeugung von Aktionspotentialen: Spannungsabhängige Ionenkanäle sind essentiell für die Depolarisation und Repolarisation der Membran während eines Aktionspotentials.
• Zelluläre Signalwege: Calciumkanäle ermöglichen den Einstrom von Calciumionen, die als Second Messenger in vielen Signalwegen fungieren.
• Informationsweiterleitung: Das Aktionspotential ist ein zentrales Element für die gesamte Erregungsleitung zwischen Nervenzellen.

Arten von Ionenkanälen

In der Zellmembran kommen verschiedene Typen von Ionenkanälen vor, die jeweils spezifische Eigenschaften besitzen und deren Aktivierung verschieden geregelt wird:

Lesen Sie auch: Blockade von Ionenkanälen

• Ligandengesteuerte Ionenkanäle (ligandenabhängige Ionenkanäle): Diese Kanäle öffnen sich als Reaktion auf die Bindung eines Liganden (z.B. Neurotransmitter, Hormone) an den Kanal. Ein Beispiel ist der Nikotinazetylcholinrezeptor im neuromuskulären Übergang, der durch Azetylcholin geöffnet wird und positive Ionen durch die Membran lässt, was zu einer Depolarisation und Muskelkontraktion führt.
• Spannungsgesteuerte Ionenkanäle (spannungsabhängige Ionenkanäle): Diese Kanäle reagieren auf Änderungen im elektrischen Membranpotential der Zelle. Sie besitzen einen Spannungssensor. In Nervenzellen sind die spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumkanäle die Hauptakteure bei der Erzeugung und Weiterleitung von Aktionspotentialen.
• Calciumkanäle: Diese Kanäle ermöglichen den Durchtritt von Calciumionen durch die Zellmembran. Es gibt spannungsgesteuerte und ligandengesteuerte Calciumkanäle. Calciumionen sind als Second Messenger an vielen zellulären Prozessen beteiligt, darunter die Aktivierung von Enzymen, die Modulation der Genexpression und die Kontrolle der Zellteilung und des Zelltods.

Ionenkanalblocker

Die Aktivität von Ionenkanälen kann durch Ionenkanalblocker beeinflusst werden. Diese Substanzen können den Ionenfluss durch die Kanäle hemmen oder blockieren. Beispiele für Ionenkanalblocker sind:

• Lokalanästhetika (z.B. Lidocain, Novocain): Blockieren spannungsabhängige Natriumkanäle und unterdrücken so die Schmerzempfindung.
• Beta-Blocker (z.B. Propranolol): Blockieren die Beta-Rezeptoren im Herzmuskel, was zu einer Verlangsamung der Herzfrequenz und einem Absinken des Blutdrucks führt.

Die Entwicklung und Anwendung von Ionenkanalblockern hat in der Medizin zu bedeutenden Fortschritten geführt und ermöglicht die gezielte Beeinflussung der Funktion von Ionenkanälen als therapeutische Strategie für verschiedene Erkrankungen.

tags: #spannungsabhangige #ionenkanale #aktionspotential