Neurobiologie
Erregungsleitung
 – Video

Das Aktionspotential beschreibt die Änderung des Membranpotentials einer Zelle während der Erregungsleitung. Wie die Kurve des Aktionspotentials aussieht und wie es genau abläuft, erfährst du hier und in unserem Video !

Aktionspotential einfach erklärt

Als Aktionspotential bezeichnest du einen Nervenimpuls, der für die Weiterleitung von Reizen verantwortlich ist. Die Übertragung von Reizen finden in Nervenzellen (Neuronen) statt und äußern sich als Änderung des Membranpotentials. Genauer gesagt steigt die Spannung an der Zellmembran im Vergleich zum Ruhepotential an.

Zu einer Änderung der Spannung kommt es durch das Öffnen und Schließen von spannungsgesteuerten Ionenkanälen in der Membran . Das funktioniert so: Kommt ein elektrischer Reiz an einer Nervenzelle an, ändert sich die Spannung und die Ionenkanäle öffnen sich. Dadurch lösen sie ein Aktionspotential aus. Das wird wiederum an die nächste Nervenzelle weitergegeben.

Merke: Alle Reize (Erregungen), die du wahrnimmst, werden über Aktionspotentiale von Nervenzelle zu Nervenzelle weitergegeben, bis sie schließlich zum Gehirn gelangen.

Aktionspotential Definition

Ein Aktionspotential (auch Aktionspotenzial) ist eine vorübergehende Abweichung des Membranpotentials einer Zelle vom Ruhepotential. 

Aktionspotential Ablauf

Das Aktionspotential einer Nervenzelle kannst du in fünf Schritten beschreiben: 

  1. Zunächst liegt das Potential einer Zelle in Ruhe (Ruhepotential ) bei etwa -70 mV. Ohne Reiz sind alle spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumionenkanäle geschlossen. 
  2. Wenn ein Reiz den Axonhügel eines Neurons erreicht und stark genug ist, wird die Schwellenspannung überschritten. 
  3. Dadurch Öffnen sich die Natriumkanäle und die Spannung steigt bis auf ein Maximum von ca. +30 mV an (Depolarisation). 
  4. Nachdem das Spannungsmaximum erreicht ist, erfolgt durch das Schließen von Natrium- und das Öffnen von Kaliumkanälen die Rückkehr zum Ruhepotential (Repolarisation).
  5. Dabei wird die Membranspannung oft erst noch negativer, als das ursprüngliche Ruhepotential (Hyperpolarisation), bevor die Zelle zum Ausgangspunkt zurückkehrt.
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Aktionspotential


Die verschiedenen Schritte verlaufen sehr schnell hintereinander. So dauert ein Aktionspotential in den Nervenzellen nur ca. 2 Millisekunden. 

Aktionspotential Phasen

Du siehst, dass du den Verlauf eines Aktionspotentials in fünf verschiedene Phasen einteilen kannst. Dazu gehören:

  • die Initiationsphase
  • die Depolarisation
  • die Repolarisation
  • die Hyperpolarisation
  • und die Refraktärphase.

Schauen wir uns die einzelnen Abschnitte jetzt genauer an. 

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Aktionspotential Phasen

Initiationsphase

In der Ausgangsituation liegt das Membranpotential einer Zelle bei etwa -70 mV. Dann bezeichnest du das Membranpotential auch als Ruhepotential. Dabei ist das Zellinnere also im Vergleich zu Außen negativ geladen. Die Konzentration der Kaliumionen ist im Zellinneren hoch, während die Natriumkonzentration außerhalb der Zelle höher ist. Die in der Membran liegenden spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumkanäle sind zunächst geschlossen. Spannungsgesteuert bedeutet, dass die Kanäle auf Spannung reagieren und abhängig davon geschlossen oder geöffnet sind. 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. Alle elektrischen Erregungen, die unter diesem Wert liegen, lösen kein Aktionspotential aus und werden daher auch nicht weitergeleitet. 

Alles oder Nichts Gesetz

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. Wird der Schwellenwert erreicht, beeinflusst die Reizstärke den Ablauf des Aktionspotentials nicht.

Depolarisation

Unter der Depolarisation oder auch Depolarisierung verstehst du die Anstiegsphase des Aktionspotentials. Sie wird dann ausgelöst, wenn die Spannung den Schwellenwert erreicht.

Das funktioniert so: 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. Dadurch steigt das Potential gegen Null an.

Das führt zur Öffnung weiterer Natriumkanäle und stellt somit eine positive Rückkopplung dar. So kommt es sogar zur Ladungsumkehr. Die Zelle ist jetzt im Inneren also nicht mehr negativ, sondern positiv geladen. Das bezeichnest du als „overshoot“ oder Umpolarisierung

Repolarisation

Die Repolarisation ist die Phase des Aktionspotentials, bei der sich das Membranpotential wieder dem Ruhepotential nähert. Sie findet nach der Depolarisation statt und läuft folgendermaßen ab:

Bevor das Maximum des Membranpotentials erreicht ist, beginnen die Natriumkanäle sich wieder zu schließen. Gleichzeitig beginnen sich die spannungsgesteuerten Kaliumkanäle zu öffnen. Das passiert zeitversetzt zu den Natriumkanälen, da ihre Öffnung deutlich langsamer stattfindet.

Das Zelläußere ist jetzt im Vergleich zum Inneren der Zellen negativ geladen und die Kaliumkonzentration außerhalb der Zelle ist niedriger. Daher strömen die positiv geladenen Kaliumionen aus der Zelle heraus, sodass die Innenseite der Membran wieder negativ wird. 

Hyperpolarisation

Da das Schließen der Kaliumkanäle länger dauert, als das der Natriumkanäle, kann es sogar zur Unterschreitung des Ruhepotenzials kommen. Bis die Kanäle vollständig geschlossen sind, diffundieren weiter Kaliumionen aus der Zelle. Die Spannung sinkt deshalb unter den Ausgangswert. Das bezeichnest du als Hyperpolarisation.

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. Das liegt daran, dass erst die Natriumkanäle wieder aktiviert werden müssen. Die Zeit in der die Kanäle inaktiv sind, heißt Refraktärzeit. Sie ist wichtig für eine unidirektionale Weiterleitung eines Reizes. Ein Reiz kann also immer nur vom Zellkörper in Richtung der Synapse geleitet werden und nicht zurück. 

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. In dieser Phase ist außerdem auch die Amplitude eines Aktionspotentials geringer. 

Ruhepotential und Aktionspotential

Damit die Zelle bereit für ein neues Aktionspotential ist, muss die ursprüngliche Ionenverteilung wieder hergestellt werden. Das übernimmt die Natrium-Kalium-Pumpe (Natrium-Kalium-ATPase). Unter Energieverbrauch pumpt sie Natrium aus der Zelle heraus und Kalium in die Zelle zurück. Somit hält sie das Ruhepotential der Zelle aufrecht. Wenn du mehr darüber erfahren möchtest, was genau das Ruhepotential/Ruhemembranpotential einer Zelle ist und wie es entsteht, gibt es hier das passende Video für dich! 

Zum Video: Ruhepotential
Zum Video: Ruhepotential

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