Aktionspotenzial und Erregungsfortleitung

Wie die Erregungsübertragung an Synapsen funktioniert, haben wir hier bereits besprochen. Dabei fällt auch der Begriff Aktionspotenzial (auch: Aktionspotential). Dieses „elektrische Signal“, das am Endknöpfchen ankommt, wird dort in ein chemisches Signal umgewandelt.

Was genau ist ein Potenzial?

Stellst du dir das Aktionspotenzial als Stromstoß vor, der durch den Körper rast? Dann bist du zwar nicht ganz auf dem Holzweg, machst es dir aber (leider) zu einfach.

Es geht vielmehr um Änderungen eines bereits bestehenden Potenzials bzw. einer Spannung. Jede Membran hat eine bestimmte elektrische Spannung, die durch ungleichmäßige Verteilung von Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle entsteht. Deshalb spricht man von einer Potenzialdifferenz.

Was ist ein Ruhepotenzial?

Die Membranspannung vieler nicht erregter Nervenzellen liegt bei ca. –70 mV (sprich: Millivolt). Da dies den „normalen“ Ausgangszustand darstellt, wird diese Potenzialdifferenz auch als Ruhepotenzial bezeichnet.

Die Spannung kommt zustande, da manche Ionen die Zellmembran passieren können und manche nicht. Auf der Innenseite überwiegen Kalium-Kationen (K⁺) und negativ geladene organische Anionen, während auf der Außenseite viele Natrium-Kationen (Na⁺) und Chlorid-Anionen (Cl^–) zu finden sind.
Für Na⁺ und Cl^– ist die Leitfähigkeit der Membran gering und für die organischen Anionen ist die Membran gar nicht durchlässig. Nur für K⁺ liegen geöffnete (Kalium-)Kanäle vor, durch die sie (entlang ihres Konzentrationsgefälles) ausströmen können. Dieser Ausstrom bewirkt ein Ladungsgefälle (innen negativ, außen positiv), das ihn begrenzt. Im Gleichgewicht der entgegengesetzten Kräfte liegt ein Potenzial von ca. –70 mV vor.

Und was ist nun ein Aktionspotenzial?

Ein Aktionspotenzial stellt eine kurzzeitige Änderung des Membranpotenzials durch eine Ladungsumkehr an der Membran dar. Diese sogenannte Erregungswelle ist für die Informationsübermittlung bei Nervenzellen entscheidend.

Wie läuft ein Aktionspotenzial ab

Die verschiedenen Phasen der Erregungswelle und der Ablauf eines Aktionspotenzials zeigt dir auch das unten verlinkte Video. Zur Funktion einer Synapse schau dir einfach den Beitrag dazu an.

Zu Beginn des Ablaufs liegt an der Membran das Ruhepotenzial (siehe oben) vor.

Depolarisationsphase

Wird die Axonmembran bis auf einen Schwellenwert (bei etwa –50 mV) depolarisiert (z. B. durch ein Aktionspotenzial an einer benachbarten Membranstelle oder durch Reizung des Neurons), öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle. Na+-Ionen strömen in die Zelle ein und verstärken dadurch die Depolarisation (durch positive Rückkopplung) bis auf ein positives Membranpotenzial von etwa 30 mV.

Alles-oder-nichts-Regel

Wird der Schwellenwert von etwas überschritten, wird das Aktionspotenzial ausgelöst. Das sogenannte „Alles-oder-nichts-Gesetz“ besagt hierbei, dass ein Aktionspotenzial immer vollständig ausgeprägt ist oder gar nicht ausgelöst wird (wenn der Schwellenwert nicht erreicht wird).

Repolarisationsphase

Zeitverzögert öffnen sich Kaliumkanäle, während sich die Natriumkanäle rasch wieder schließen. Schnell ausströmende K⁺-Ionen kehren die Ladungsverhältnisse um und bewirken eine Rückkehr zum Ruhepotenzial.

Hyperpolarisation

Da sich die Kaliumkanäle erst leicht verzögert wieder schließen, kommt es zu einem relativ großen Kalium-Ausstrom – und zu einer Repolisation noch unter den Wert des Ruhepotenzials (< –70 mV). Dabei spricht man von einer Hyperpolarisation.

Natrium-Kalium-Pumpe

Um das Ruhepotenzial wiederherzustellen und auf Dauer zu erhalten, gibt es in der Zellmembran die Natrium-Kalium-Pumpe. Dieses Enzym pumpt unter Energieverbrauch K⁺ in die Zelle und Na⁺ aus der Zelle heraus.

Einfach erklärt: Biologie-Lernvideo zum Aktionspotenzial

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Du hast noch Fragen zur Erregungsübertragung? Dann schau doch hier:

Bau und Funktion einer chemischen Synapse

…oder in einem der STARK Kompakt-Wissen Chemie!