Aktionspotential – Entstehung, Ablauf und Bedeutung
Das Aktionspotential ist ein kurzes elektrisches Signal, das Nervenzellen und Muskelzellen nutzen, um Informationen weiterzuleiten. Es ist die Grundlage jeder Nerven- und Muskelaktivität.
Wissenswertes über "Aktionspotential"
Das Aktionspotential ist ein kurzes elektrisches Signal, das Nervenzellen und Muskelzellen nutzen, um Informationen weiterzuleiten. Es ist die Grundlage jeder Nerven- und Muskelaktivität.
Was ist ein Aktionspotential?
Ein Aktionspotential ist ein kurzzeitiger, elektrischer Impuls, der in erregbaren Zellen wie Nervenzellen (Neuronen) und Muskelzellen entsteht. Es handelt sich um eine rasche, charakteristische Veränderung des elektrischen Spannungsunterschieds an der Zellmembran. Dieses Signal ermöglicht die schnelle Kommunikation zwischen Zellen und ist damit die Grundlage nahezu aller Funktionen des Nervensystems sowie der Muskelkontraktion.
Ruhemembranpotential als Ausgangszustand
Im Ruhezustand einer Nervenzelle besteht ein stabiler elektrischer Spannungsunterschied zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle, das sogenannte Ruhemembranpotential. Es beträgt typischerweise etwa -70 Millivolt (mV). Das Zellinnere ist dabei negativ geladen im Vergleich zur Außenseite. Dieser Zustand wird durch spezielle Ionenkanäle und die sogenannte Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten.
Entstehung und Ablauf eines Aktionspotentials
Ein Aktionspotential entsteht, wenn ein ausreichend starker Reiz die Zellmembran über einen bestimmten Schwellenwert hinaus depolarisiert (typischerweise auf etwa -55 mV). Dieser Schwellenwert wird als Reizschwelle bezeichnet. Wird er erreicht, läuft das Aktionspotential nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip ab: Entweder wird das vollständige Signal ausgelöst oder gar keines.
Phase 1: Depolarisation
Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, und positiv geladene Natriumionen (Na⁺) strömen rasch ins Zellinnere. Die Membranspannung steigt schnell von etwa -70 mV auf bis zu +30 bis +40 mV an.
Phase 2: Repolarisation
Die Natriumkanäle schließen sich, während spannungsgesteuerte Kaliumkanäle öffnen. Kaliumionen (K⁺) strömen aus der Zelle heraus, was die Membranspannung wieder in den negativen Bereich bringt.
Phase 3: Hyperpolarisation (Nachpotential)
Die Membranspannung sinkt kurzzeitig unter den Ruhewert (unter -70 mV). In dieser Phase, der sogenannten Refraktärzeit, ist die Zelle vorübergehend nicht erneut erregbar. Anschließend stellt die Natrium-Kalium-Pumpe das Ruhemembranpotential wieder her.
Weiterleitung des Aktionspotentials
Das Aktionspotential wird entlang der Nervenfaser (dem sogenannten Axon) weitergeleitet. Bei myelinisierten Nervenfasern, also Fasern mit einer isolierenden Myelinscheide, springt das Signal von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten. Dieses Prinzip nennt sich saltatorische Erregungsleitung und ermöglicht eine deutlich schnellere Signalübertragung als bei nicht myelinisierten Fasern.
Bedeutung in Medizin und Physiologie
Das Aktionspotential ist für zahlreiche körperliche Funktionen unverzichtbar:
- Nervensystem: Steuerung von Bewegungen, Wahrnehmung, Reflexen und kognitiven Funktionen
- Herz: Koordination des Herzschlags durch elektrische Signale im Herzmuskel
- Skelettmuskulatur: Auslösung von Muskelkontraktionen
- Glatte Muskulatur: Steuerung von Organfunktionen wie der Darmbewegung
Störungen der Aktionspotential-Entstehung oder -Weiterleitung können zu verschiedenen Erkrankungen führen, darunter Epilepsie, Herzrhythmusstörungen, Multiple Sklerose oder Neuropathien.
Klinische Relevanz und Diagnostik
Die elektrische Aktivität von Nerven- und Muskelzellen lässt sich mit verschiedenen medizinischen Verfahren messen und beurteilen:
- Elektroenzephalographie (EEG): Messung der Gehirnaktivität
- Elektromyographie (EMG): Messung der Muskelaktivität
- Elektrokardiographie (EKG): Aufzeichnung der elektrischen Herzaktivität
- Nervenleitgeschwindigkeit (NLG): Beurteilung der Signalweiterleitung peripherer Nerven
Viele Medikamente, wie Lokalanästhetika oder Antiarrhythmika, wirken gezielt auf Ionenkanäle und beeinflussen damit direkt die Entstehung oder Weiterleitung von Aktionspotentialen.
Quellen
- Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM, Siegelbaum SA, Hudspeth AJ. Principles of Neural Science. 5. Auflage. McGraw-Hill, 2013.
- Schmidt RF, Lang F, Heckmann M. Physiologie des Menschen. 31. Auflage. Springer Medizin Verlag, 2010.
- Hille B. Ion Channels of Excitable Membranes. 3. Auflage. Sinauer Associates, 2001.
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