Neurobiologie
Nervenzelle und 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!%Du willst dich einfach zurücklehnen und zuhören? Dann schau dir unser Video zu dem Thema an!

Aktionspotential einfach erklärt

Damit du deine Umwelt wahrnehmen und auf Reize reagieren kannst, müssen deine Nervenzellen%Verlinkung Nervenzelle Erregungen weiterleiten. Die Reizweiterleitung in den Nervenzellen (Neuronen) erfolgt über sogenannte Aktionspotentiale.

Ein Aktionspotential entsteht durch die Veränderung des Potentials (Spannung ) an einer Zellmembran im Vergleich zum Potential in Ruhe. Zu einer Änderung der Spannung kommt es durch das Öffnen und Schließen von Ionenkanälen in der Membran. Die Ionenkanäle werden über die Spannungsänderung durch einen ankommenden elektrischen Reiz gesteuert. 

Das kannst du dir in etwa vorstellen wie bei deinem Laptop. Das Ruhepotential einer Zelle entspricht deinem Laptop im Standby Modus. Wenn du anfangen möchtest zu lernen, musst du ihn anschalten oder aktivieren (= Aktionspotential). Nach getaner Arbeit fährst du ihn wieder herunter. Er erreicht also wieder den Ruhezustand. 

Aktionspotential Definition

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

Aktionspotential Ablauf

Schwellenspannung, Aktionspotential, Ruhepotential, Depolarisierung, Repolarisierung, Hyperpolarisation
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Aktionspotential

%</span><img src="https://dccdn.de/pictures.doccheck.com/images/402/48f/40248f66485526078895d15196cc9eb2/64993/m_1413923891.jpg" alt="Aktionspotential - DocCheck Flexikon" /><span style="color: #ff00ff;"> %Beschriftung: Aktionspotential, Alt-Text: Schwellenspannung, Aktionspotential, Ruhepotential, Depolarisierung, Repolarisierung, Hyperpolarisation %@animation: die Linie für die vier Phasen im Graph bitte in verschiedenen Farben machen (bis zur Schwelle, bis zum Maximum, bis zur Null, Hyperpolarisation/Ruhepotential); zusätzlich noch absolute und relative Refraktärzeit einzeichnen (von Anfang bis Ende Repolarisation =absolute Refraktärzeit, danach; relative Refraktärzeit)

Das Aktionspotential einer Nervenzelle kannst du in fünf Schritten beschreiben: 

  1. Zunächst liegt das Potential einer Zelle in Ruhe (Ruhepotential%Verlinkung) 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. 

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. 

Ruhepotential, Depolarisierung, Repolarisierung, Schwellenpotential, overshoot, undershoot, Hyperpolarisation, Natriumkanäle, Kaliumkanäle, Aktionspotential
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Aktionspotential Phasen

%<strong><a style="color: #ff00ff;" href="https://lh3.googleusercontent.com/proxy/rb9-QJWgRjE5IutxDh9VyDEVjHaD-8koreDBHEDx4KqQ-3L5Ax5ZJ9U-bc0gG4ANOrQk5vGqiycdCKk">Bildlink</a></strong> %Beschriftung: Aktionspotential Ablauf, Alt-text: Ruhepotential, Depolarisierung, Repolarisierung, Schwellenpotential, overshoot, undershoot, Hyperpolarisation, Natriumkanäle, Kaliumkanäle, Aktionspotential %@animation: unterschiedlichere Farben nehmen, anstatt Aufstrich Aktionspotential Overshoot, anstatt Undershoot Hyperpolarisation 

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. 

Das nennst du auch „Alles oder Nichts Gesetz„. Das bedeutet, entweder wird die Reizschwelle überschritten und ein Aktionspotential ausgelöst oder eben nicht. Ein Aktionspotential läuft dann immer gleich ab und wird über das Axon der Nervenzelle weitergeleitet. Es wird also nicht durch die Reizstärke beeinflusst. 

Depolarisation

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. Diesen Vorgang nennst du Depolarisation oder Depolarisierung. 

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

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. Dabei nimmt das Membranpotential wieder ab und nähert sich dem Ruhepotential an. Das nennst du Repolarisation

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%Verlinkung (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! %Thumbnail Ruhepotential

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