Aktionspotential
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 !
Inhaltsübersicht
Aktionspotential einfach erklärt
Als Aktionspotential bezeichnest du einen Nervenimpuls, der für die Weiterleitung von Reizen verantwortlich ist. Die Übertragung von Reizen findet in Nervenzellen (Neuronen) statt und äußert 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.
Ein Aktionspotential (kurz AP) ist eine vorübergehende Spannungsänderung des Membranpotentials über der Zellmembran. Es dient zur Reizweiterleitung zwischen Nervenzellen (z. B. Neuronen).
Aktionspotential Ablauf
Das Aktionspotential einer Nervenzelle kannst du in fünf Schritten beschreiben:
- Zunächst liegt das Potential einer Zelle in Ruhe (Ruhepotential) bei etwa -70 mV. Ohne Reiz sind alle spannungsgesteuerten Natrium- und Kaliumionenkanäle geschlossen.
- Wenn ein Reiz den Axonhügel eines Neurons erreicht und stark genug ist, wird die Schwellenspannung überschritten.
- Dadurch Öffnen sich die Natriumkanäle und die Spannung steigt bis auf ein Maximum von ca. +30 mV an (Depolarisation).
- Nachdem das Spannungsmaximum erreicht ist, erfolgt durch das Schließen von Natrium- und das Öffnen von Kaliumkanälen die Rückkehr zum Ruhepotential (Repolarisation).
- Dabei wird die Membranspannung oft erst noch negativer, als das ursprüngliche Ruhepotential (Hyperpolarisation), bevor die Zelle zum Ausgangspunkt zurückkehrt.
Übrigens: 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.
Initiationsphase
In der Ausgangssituation liegt das Membranpotential einer Zelle bei etwa -70 mV. Dann bezeichnest du das Membranpotential auch als Ruhepotential. Dabei ist die Innen- im Vergleich zur Außenseite der Zellmembran 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.
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 Innenseite ist jetzt 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 Ruhepotentials 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.
Tipp: Mehr über das Ruhepotential bzw. Ruhemembranpotential einer Zelle, erfährst du in diesem Video !
Aktionspotential — häufigste Fragen
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Was ist ein Aktionspotential?
Ein Aktionspotential ist die Reizweiterleitung über Nervenzellen. Es entsteht durch die elektrische Spannungsänderung des Membranpotentials. Jeder Reiz (Erregung) wird über Nervenzellen zum Gehirn weitergeleitet, wo er dann interpretiert und ausgeführt wird.
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Wie entsteht ein Aktionspotential?
Ein Aktionspotential entsteht, wenn ein Reiz am Axonhügel einer Nervenzelle ankommt. Zuvor wird der Zellkörper depolarisiert, indem sich ein exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP) bildet. Dadurch entsteht am Axonhügel ein Aktionspotential.
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Was ist der Schwellenwert eines Aktionspotentials?
Um ein Aktionspotential auszulösen, muss die Membranspannung einen Schwellenwert von etwa -50 mV erreichen. Somit wird das Ruhepotential unterbrochen und das Aktionspotential am Axonhügel generiert.
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Gibt es auch Aktionspotentiale in Muskelzellen?
Auch in Muskelzellen können Aktionspotentiale entstehen. Dazu wird ein Bewegungsreiz an den Muskel weitergeleitet. Dieser wird dann in Form eines Aktionspotentials zur Kontraktion erregt.
Erregungsleitung
Das Aktionspotential ist ein zentrales Element für die gesamte Erregungsleitung zwischen Nervenzellen. Wie sie genau funktioniert und welche Arten es gibt, erfährst du hier!
