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Aktionspotential

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Aktionspotential

Ein Aktionspotential ist ein elektrisches Signal, das innerhalb einer Zelle weitergeleitet werden kann. Dabei kommt es zu einer temporären Veränderung des Ruhepotentials der jeweiligen Zelle. Dieser kompliziert wirkende Ablauf ist dabei nichts weiter als eine Art Dosentelefon der Zelle. Besonders wichtig ist das Aktionspotential in deinen Nervenzellen (Neuronen). Doch wie funktioniert das eigentlich genau?

Aktionspotential – Ablauf

Ein Aktionspotential entsteht nicht spontan, sondern ist das Ergebnis einer Reihe von Kaskaden.

Meist entsteht ein Aktionspotential als Reaktion auf einen Reiz. Dabei kann es sich um physikalische Reize, wie zum Beispiel Druck, handeln, die direkt auf spezialisierte Sinneszellen wirken. Viel häufiger werden Nervenzellen jedoch durch chemische Reize, also Neurotransmitter, die an Synapsen ausgeschüttet werden, zur Bildung eines Aktionspotentials veranlasst.

Die Generierung des Aktionspotentials

Das Aktionspotential eines Neurons ist eine temporäre Änderung des Ruhepotentials, die sich ausschließlich über das Axon der Nervenzelle ausbreiten kann und an dessen Axonhügel entsteht.

Am Beginn steht eine Reizung des Nervenzellkörpers (Soma) des Neurons. Dort treffen (meist von anderen Neuronen) chemische Signale ein, welche das Soma depolarisieren.

Man spricht von einer Depolarisation des Membranpotentials (Ruhepotential), dem PSP (postsynaptisches Potential) oder genauer dem EPSP (exzitatorisches postsynaptisches Potential).

Wie du vielleicht schon einmal gehört hast, gibt es auch ein IPSP (inhibitorisches Postsynaptisches Potential). Dieses sorgt für eine Hyperpolarisation des Membranpotentials des Somas. Das heißt, die Zelle ist nicht mehr erregbar.

Wenn das EPSP eine bestimmte Schwelle, das sogenannte Schwellenpotential, erreicht, wird am Axonhügel des Neurons ein Aktionspotential ausgelöst. Vorher liegt dort das sogenannte Ruhepotential vor.

Dabei ist die Dauer und Amplitude des Potential immer gleich. Bei einer starken Reizung wird nur die Frequenz der Aktionspotentiale erhöht, nicht aber die Dauer des einzelnen Potentials. Deswegen kann hier von einem Alles-oder-Nichts Prinzip gesprochen werden.

Aktionspotentiale können auch in Muskelzellen entstehen. Dies passiert, wenn eine Erregung zur Bewegung an einem Muskel eintrifft. Der Reiz wird in Form eines Aktionspotentials über die Zellen des Muskels weitergeleitet, was zur Kontraktion dieses führt.

Der Weg des Aktionspotentials

Das Aktionspotential wandert an der Axonmembran entlang bis zum synaptischen Endknöpfchen. Das eintreffende Aktionspotential führt hier dazu, dass Neurotransmitter in den synaptischen Spalt abgegeben werden. Dadurch kann es beim darauffolgenden Neuron am Soma wieder zu einem EPSP kommen und letztendlich dadurch zur Reizweiterleitung.

Aktionspotential Erregungsübertragung Neuron Aktionspotential Neuron StudySmarterAbbildung 1: Erregungsübertragung in einem Neuron

Experimentelle Auslöser eines Aktionspotentials

Ein Aktionspotential kann auch von äußeren Einflüssen ausgelöst werden. Dies funktioniert durch die Reizung des Axons mit einem elektrischen Signal. Mit verschiedenen Experimenten konnte belegt werden, dass ein Aktionspotential tendenziell sowohl in Richtung des Endknöpfchen, als auch in Richtung des Somas der Nervenzelle verlaufen kann. Dies wurde beobachtet, indem ein Axon in seiner Mitte gereizt wurde.

Man kann also sagen, ein Aktionspotential ist nur insofern gerichtet, als dass normalerweise das Aktionspotential am Axonhügel entsteht und deswegen nur in Richtung des Endknöpfchens verlaufen kann.

Verlauf eines Aktionspotentials nach der Ionentheorie

Ein Aktionspotential ist durch eine Ladungsumkehrung an der Axonmembran gekennzeichnet. Während das sich Aktionspotential über die Membran ausbreitet, ändert sich die selektive Durchlässigkeit (Permeabilität) der Membran. Dadurch entsteht die für ein Aktionspotential typische Spannungskurve. Dieser Vorgang wird von der Ionentheorie beschrieben.

Die Ionentheorie, nach ihren Entdeckern auch Hodgkin-Huxley-Modell, beschreibt die Entstehung des Ruhe- und Aktionspotentials an Zellmembranen. Nach dieser Theorie ist das Ruhepotential eine Folge der spezifischen Ionenverteilung innerhalb und außerhalb einer selektiv durchlässigen Membran. Das Aktionspotential kommt dann durch eine Öffnung von Ionenkanälen zustande.

In der Abbildung 2 siehst du den zeitlichen Spannungsverlauf einen Aktionspotentials an einer Zellmembran.

Aktionspotential Verlauf des Aktionspotentials Aktionspotential Ablauf StudySmarterAbbildung 2: Ablauf des Aktionspotentials

1. Die Depolarisation

Von einer Depolarisation spricht man, wenn sich ein Potential vermindert. In diesem Fall reduziert sich die Ladungsdifferenz zwischen der Innen- und Außenseite der axonalen Membran. Dies geschieht, wie oben erwähnt, durch ein EPSP des Somas.

Nun hat das Ruhepotential, welches am Axon ohne einen Reiz vorliegt, ungefähr einen Wert von -70 mV. Dabei ist es wichtig zu wissen, dass dabei außen an der Axonmembran Natrium- (Na+) und Chloridionen (Cl-) zugegen sind. Im Inneren der Membran finden sich Kaliumionen (K+) und organische Anionen (A-). Die Gesamtladungen innerhalb und außerhalb der Zelle sind dabei nahezu ausgeglichen. Durch Natrium-Kalium-Pumpen wird jedoch ein konstantes Ionenungleichgewicht aufrechterhalten. Das Ruhepotential wird dabei maßgeblich vom Gleichgewichtspotential der Kalium-Ionen bestimmt.

Wenn das ESPS am Axonhügel eintrifft, wird die Membran des Axonhügel bereits leicht depolarisiert. Wird so ein Schwellenpotential von etwa -55 mV erreicht, öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle und Natrium-Ionen strömen über die Axonmembran in die Nervenzelle ein. Durch den Einstrom der positiven Ladung wird das Membranpotential positiver und liegt an seinem Höhepunkt (engl. peak) zwischen +30 mV und +40 mV. Es hat also eine Ladungsumkehr stattgefunden.

2. Die Repolarisation

Nachdem durch die Depolarisation das Membranpotential an seinem Peak einen deutlich positiven Wert angenommen hat, sinkt die Durchlässigkeit der Axonmembran für Na+ wieder. Es öffnen sich nun die spannungsgesteuerten Kaliumionenkanäle. Dadurch strömen Kaliumionen vom Axoninneren nach außen. Da positiv geladene Ionen aus dem Axon strömen, wird das Membranpotenial negativer. Dies bezeichnet man als Repolarisation.

3. Die Hyperpolarisation

Der verstärkte Ausstrom von Kalium-Ionen führt dazu, dass das Ruhepotential von -70 mV oft kurzzeitig unterschritten wird. Es kann sogar bis zu -100 mV erreichen, wird also noch negativer. Dies liegt daran, dass die spannungsabhängigen Kaliumkanäle träge auf das Erreichen des Ruhepotentials reagieren und sich erst mit einer leichten Verzögerung wieder schließen.

4. Die Wiederherstellung des Ruhepotentials

Nun liegt nach der De- und Repolarisation ein Zustand vor, in welchem sich die Natriumionen auf der Axon Innenseite befinden, die Kaliumionen auf der Außenseite. Damit das Ruhepotential mit der anfänglichen Ionenverteilung wiederhergestellt werden kann, gibt es die Natrium-Kalium-Pumpe. Durch diese werden die Konzentrationen mit Kaliumionen im Axon und Natriumionen außen geschaffen.

Bei der Natrium-Kalium-Pumpe handelt es sich um einen energieabhängigen Transporter. Dieser pumpt bei jedem Pumpvorgang drei Natriumionen nach außen und dafür zwei Kaliumionen in die Zelle. Somit ist eine energieabhängige Rückkehr zum Ruhepotential gewährleistet.

5. Die Refraktärzeit

Vielleicht hast du im Zusammenhang mit dem Aktionspotential schon von der Refraktärzeit gehört. Dabei handelt es sich um einen Schutz vor Übererregung eines Neurons.

Als Refraktärzeit wird der Zeitraum nach Ablauf eines Aktionspotentials bezeichnet, in dem am Axon kein neues Aktionspotential ausgelöst werden kann.

Die absolute Refraktärphase

Die absolute Refraktärphase tritt direkt nach Beginn der Depolarisation auf und ist dadurch gekennzeichnet, dass kein Aktionspotential ausgelöst werden kann. Dabei ist die Stärke des eintreffenden Reizes egal. Es kann kein Aktionspotential generiert werden, da die Natriumionenkanäle sich noch nicht regeneriert haben. Der Schwellenwert für das Auslösen eines Potentials steigt ins Unendliche.

Die relative Refraktärphase

Während der relativen Refraktärphase, die nach der Repolarisation eintritt, kann die Zellen bereits wieder erregt werden. Es sind jedoch stärkere Reize nötig und das Aktionspotential fällt insgesamt schwächer aus. Der Schwellenwert nähert sich wieder dem Normalwert an.

Bei den Herzmuskelzellen ist die absolute Refraktärphase mit bis zu 250 ms deutlich höher als die normaler Skelettmuskelzellen. Dort liegt sie bei rund 1 bis 2 ms. Diese lange Refraktärzeit ist ein Schutzmechanismus, um eine gerichtete Erregung der Herzmuskelzellen zu ermöglichen. Dadurch wird ein produktiver Herzschlag ermöglicht, der gezielt Blut durch den Körper pumpt.

Aktionspotential - Das Wichtigste

  • ein Aktionspotential ist ein elektrisches Signal, welches der Erregungsübertragung im Nervensystem dient
  • Aktionspotentiale können auf natürlichen oder experimentellen Wege hervorgerufen werden
  • nur ab einem Schwellenwert wird das Aktionspotential nach dem Alles-oder-Nichts Prinzip ausgelöst
  • die Reihenfolge der Schritte des Aktionspotentials lauten: Depolarisation – Repolarisation – Hyperpolarisation – Ruhepotential
  • Natriumionenkanäle und Kaliumionenkanäle an der Axonmembran lassen ein Aktionspotential entstehen
  • während der Refraktärzeit ist eine Nervenzelle nicht, oder nur sehr schwer erregbar

Häufig gestellte Fragen zum Thema Aktionspotential

Das Aktionspotential bewirkt die Weiterleitung einer Information durch das Axon der Nervenzelle. 

Ein Aktionspotential entsteht durch einen Reiz, der am Axonhügel der Nervenzelle eintrifft. Vorher entsteht ein sogenanntes exzitatorisches postsynaptisches Potential (EPSP), wodurch der Zellkörper depolarisiert wird. Dies führt am Axonhügel zur Generierung des Aktionspotentials.

Das Aktionspotential ist ein Nervensignal, durch das Informationen am Axon weitergeleitet werden und an die nächste Nervenzelle weitergegeben werden können.  

Das erste Aktionspotential des Neurons entsteht am Axonhügel. Wenn man in der Reizweiterleitung das erste ausgelöste Aktionspotential festlegen möchte, ist dieses das Aktionspotential, welches von einer Sinneszelle ausgelöst wird. Sinneszellen nehmen die Umwelt wahr und leiten diese Reize über Aktionspotentiale an das zentrale Nervensystem weiter. 

Finales Aktionspotential Quiz

Frage

Was ist das Aktionspotenzial?

Antwort anzeigen

Antwort

  • beschreibt die plötzliche Änderung des Ruhepotenzials, sodass die Membraninnenseite des Axons kurzfristig positiv gegenüber der Außenseite geladen ist (Ladungsumkehr), um die Erregung einer Nerven-, Sinnes- oder Muskelzelle weiterleiten zu können
  • Aktionspotenziale sind daher entscheidend für die Reizübertragung in Lebewesen


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Frage

Welche 2 Möglichkeiten gibt es ein Aktionspotenzial auszulösen?

Antwort anzeigen

Antwort

  1. Natürliche Auslöser
  2. Experimentelle Auslöser
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Frage

Was löst natürlich ein Aktionspotenzial aus?

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Antwort

Unter natürlichen Bedingungen lösen physikalische oder chemische Reize in einer Sinneszelle diese Potenzialänderung aus

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Frage

Wie läuft ein natürlicher Auslöser ab?

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Antwort

  • Die erzeugte Erregung wandert über die Sinneszelle bis zu ihrem Endknöpfchen
  • Über das Endknöpfchen steht die Sinneszelle in Kontakt mit einer Nervenzelle
  • In dieser sog. Synapse erfolgt die Erregungsübertragung auf das Neuron auf chemischem Wege
  • Im Dendriten oder Zellkörper des nachgeschalteten Neurons ändert sich daraufhin das Ruhepotenzial, es entsteht ein postsynaptisches Potenzial (PSP)
  • Die PSPs, die durch Erregungsübertragung in vielen Synapsen erzeugt werden, pflanzen sich (unter Abschwächung) zum Anfang des Axons, dem Axonhügel, fort und lösen dort ein Aktionspotenzial aus
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Frage

Was passiert, nachdem das Aktionspotenzial natürlich ausgelöst wurde?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Das Aktionspotenzial wandert (ohne Abschwächung) über das Axon bis in die Endknöpfchen der Nervenzelle und wird dann synaptisch auf eine weitere Nervenzelle oder eine Muskelzelle übertragen


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Frage

Wie wird das Aktionspotential experimentell ausgelöst?

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Antwort

  • Es wird ein Axon durch einen kleinen Stromstoß gereizt
  • Die Stromzufuhr führt zur Verringerung des Membranpotenzials, das Ruhepotenzial ist weniger negativ
  • Da die Polarisierung der beiden Membranseiten abgeschwächt ist, spricht man von Depolarisation
  • Bei unterschwelliger Reizung (schwachen Stromstößen) erfolgt eine geringe Potenzialabnahme
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Frage

Was wird  lokales Potenzial genannt?

Antwort anzeigen

Antwort

Da diese Depolarisation auf den Ort der Reizung beschränkt bleibt wird sie lokales Potenzial genannt

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Frage

Wann läuft die Änderung des Membranpotenzials selbsttätig weiter?

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Antwort

  • Die Erhöhung der Reizstärke führt zu entsprechend höheren lokalen Potenzialen
  • Wird durch einen Reiz bestimmter Stärke (Reizschwelle) das Schwellenpotenzial (– 40 bis – 50 mV) erreicht oder überschritten, läuft die Änderung des Membranpotenzials selbsttätig weiter
Frage anzeigen

Frage

Was passiert bei einer Potenzialumkehr?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Die Membraninnenseite ist kurzzeitig positiv gegenüber der Außenseite geladen
  • Da dieses Potenzial als Erregung weitergeleitet werden kann, nennt man es Aktionspotenzial
  • Das Anlegen von noch größeren Reizströmen führt zu keiner Erhöhung des Aktionspotenzials: Das Aktionspotenzial ist ein Alles-oder-Nichts-Signal, es wird entweder vollständig ausgelöst oder gar nicht
  • Es erreicht bei stärkeren Reizströmen jedoch schneller nach Reizbeginn seinen Spitzenwert


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Frage

Wie ist der Verlauf eines Aktionspotenzials nach der Ionentheorie?

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Antwort

  1. Depolarisation und Potenzialumkehr
  2. Repolarisation
  3. Hyperpolarisation
  4. Rückkehr zum Ruhepotenzial
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Frage

Wie läuft die Depolarisation und Potenzialumkehr ab?

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Antwort

  • Ein überschwelliger Reiz führt zu einer ersten Depolarisation der Membran
  • In der Membran des Axons befinden sich Na+-Ionenkanäle (Tunnelproteine, die nur Natriumionen durchlassen können), die im Ruhezustand geschlossen sind
  • Durch die Verringerung des Membranpotenzials verändert sich die räumliche Gestalt (Konformation) der Proteine, sodass die Kanäle geöffnet werden
  • Die Öffnung der Ionenkanäle bewirkt eine plötzliche Zunahme der Permeabilität der Membran für Natriumionen
  • Entsprechend dem Ladungs- und Konzentrationsgefälle strömen Natriumionen ins Axoninnere und bewirken durch ihre positive Ladung eine zunehmende Depolarisation (wie eine weitere Reizung)
  • Dies erhöht die Na+-Permeabilität weiter
  • Dieser Aufschaukelungsprozess mit positiver Rückkopplung führt zu einem explosionsartigen Einstrom von Natriumionen und dadurch schließlich zur Potenzialumkehr nach ca. 1 ms
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Frage

Wie läuft die Repolarisation ab?

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Antwort

  • Zeitlich verzögert steigt durch die Depolarisation auch die Permeabilität der Membran für Kaliumionen durch Öffnung spannungsabhängiger K+-Ionenkanäle
  • Zu diesem Zeitpunkt sinkt die Na+-Permeabilität bereits wieder
  • Dadurch verlassen erstens positive Ladungen in großer Zahl (K+-Ionen) das Axoninnere und zweitens gelangen immer weniger positive Ladungen (Na+-Ionen) hinein, sodass das Membranpotenzial wieder negative Werte erreicht


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Frage

Wie läuft die Hyperpolarisation ab?

Antwort anzeigen

Antwort

Da die gesteigerte K+-Permeabilität nur langsam wieder auf den normalen Wert absinkt, ist der Kaliumionen-Ausstrom so groß, dass die Repolarisation kurzfristig sogar über das Ruhepotenzial hinausgeht

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Frage

Wie läuft die Rückkehr zum Ruhepotenzial ab?

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Antwort

  • Um die Ausgangskonzentrationen an Kaliumionen innerhalb und an Natriumionen außerhalb der Nervenzelle (bzw. des Axons) wiederherzustellen, werden durch die Natrium-Kalium-Pumpe Natriumionen aus der Zelle heraus befördert und dabei Kaliumionen in die Zelle gebracht
  • Die Zahl der Ionen, die während eines Aktionspotenzials die Membran passieren, ist nur sehr gering
  • Die Änderung der Ionenverteilung kann daher durch die Pumpe schnell ausgeglichen werden


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