Unter dem Begriff Aktionspotenzial versteht man einen Erregungszustand am Axon einer Nervenzelle. Normalerweise herrscht dort das Ruhepotenzial, also ein Membranpotenzial um die -70 mV (Innenseite negativ geladen gegenüber der Außenseite des Axons). Eine aktivierte Nervenzelle muss jedoch Informationen weiterleiten, und dies geschieht durch die Aktionspotenziale.
Ein Aktionspotenzial verläuft in mehreren Phasen.
Auf diesen Seiten der Neurobiologie-Abteilung meiner Homepage beschreibe ich sehr ausführlich die verschiedenen Phasen eines Aktionspotenzials. Diese Seiten richten sich vor allem an Schüler(innen) der Stufe Q1 und Q2, aber auch durchaus an Studierende in den Anfangssemestern.
An dieser Stelle nur eine kurze Zusammenfassung:
Zu Beginn eines Aktionspotenzials findet eine leichte Depolarisierung statt. Erst wenn die Depolarisierung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, der oft bei -30 mV liegt, kommt es zur schnellen Ausbildung eines Aktionspotenzials. Das Membranpotenzial schießt hier innerhalb von 1 bis 2 ms auf einen Wert von +30 mV hoch. Ursache für diese überschwellige Depolarisierun ist das schlagartige Eindringen vieler Natrium-Ionen durch spannungsgesteuerte Natriumkanäle.
Kurze Zeit später findet eine Repolarisierung des Membranpotenzials statt, weil viele Kalium-Ionen durch spannungsgesteuerte Kaliumkanäle aus dem Zellplasma austreten. Dieser Ausstrom ist so heftig, dass die Zellmembran für kurze Zeit sogar hyperpolarisiert wird.
Anschließend sorgt die Natrium-Kalium-Pumpe für eine Wiederherstellung der ursprünglichen Konzentrationsverhältnisse und damit für die Neueinstellung des Ruhepotenzials.
Dauer eines Aktionspotenzials
An den meisten Nervenzellen dauert das ganze Aktionspotential nur etwa 1 ms[1]. An Muskelzellen dauert ein Aktionspotenzial etwas länger, ca. 3 bis 4 ms. Ein Extremfall sind Herzmuskelzellen, hier kann ein Aktionspotenzial 150–300 ms dauern[1, 2].
Alles-oder-Nichts-Gesetz
Halbe Aktionspotenziale gibt es nicht. Ein Aktionspotenzial wird entweder vollständig gebildet (Peak bei +30 mV) oder gar nicht. Daher spricht man hier auch vom Alles-oder-Nichts-Gesetz des Aktionspotenzial-Bildung.
Weiterleitung von Aktionspotenzialen
Aktionspotenziale werden mit hoher Geschwindigkeit am Axon weitergeleitet, teils mit mehreren Metern pro Sekunde. Die Weiterleitung erfolgt folgendermaßen:
Ein Aktionspotenzial an einer Stelle des Axons bewirkt eine überschwellige Depolarisierung an den linken und rechten Nachbarbereichen. Angenommen, das Aktionspotenzial wandert von links nach rechts. Dann befindet sich der linke Nachbarbereich noch in der Refraktärphase, kann also kein neues Aktionspotenzial ausbilden. Im rechten Nachbarbereich wird dagegen durch die überschwellige Depolarisierung ein neues Aktionspotenzial ausgelöst. Auf diese Weise pflanzt sich ein Aktionspotenzial immer weiter in Richtung synaptisches Endknöpfchen fort.
Quellen:
- Dudel, Menzel, Schmidt: Neurowissenschaft, Heidelberg 2001.
- Schmidt, Schaible, Neuro- und Sinnesphysiologie, Heidelberg 2006.