Das Aktionspotential

Wird das Ruhepotential durch einen Reiz „gestört“, bildet sich ein Aktionspotential (AP) aus. Diese Störungen oder Änderungen werden durch das Öffnen und Schließen von spannungsabhängigen Ionenkanälen erzeugt. Eine spontane Ladungsumkehr wird als Aktionspotential (AP) bezeichnet.

Die Axonmembran enthält spannungsabhängige Natrium- und Kalium-Kanäle (nicht vergessen: immer geöffnete Kalium-Kanäle!). Während das Ruhepotential besteht, sind alle spannungsabhängigen Kanäle geschlossen!

Phasen des Aktionspotentials

Ein Reiz stört nun dieses Ruhepotential, es kommt zur Ausbildung eines Aktionspotentials mit folgenden Phasen:

1. Spannungsänderung:
   - Überschreitet die Spannung einen bestimmten Schwellenwert, öffnen sich die spannungsabhängigen Na⁺-Kanäle.
   - Natriumionen strömen ins Axon ein.
   - Das Ruhepotential steigt gegen Null.
2. Depolarisation:
   - Das Membranpotential ändert sich weiter ins Positive = Depolarisation
   - Na⁺-Kanäle öffnen sich alle
   - Überschuss an positiver Ladung im Zytoplasma entsteht
   - Na⁺-Kanäle schließen nach 1–2 ms
3. Repolarisation:
   - Kalium-Kanäle öffnen sich = Rückkehr des Membranpotentials ins Negative = Repolarisation
   - Kaliumionen strömen in den Extrazellularraum
4. Hyperpolarisation:
   Durch Überschneidung der Öffnungszeiträume von Kalium- und Natriumionenkanälen kommt es zu einem größeren Austritt von Kalium.
5. Regeneration:
   Das Ruhepotential wird durch die Tätigkeit der energieverbrauchenden Natrium-Kalium-Pumpe wieder hergestellt.

Die Phasen gehen fließend ineinander über. Während des Ruhepotentials sind alle spannungsabhängigen Ionenkanäle geschlossen. Ein Reiz führt zur Öffnung spannungsabhängiger Natrium-Kanäle und zur Depolarisation der Membran. Überschreitet diese den Schwellenwert, so führt dies zur Öffnung weiterer Na⁺-Kanäle und das Aktionspotential steigt rasch an. Die spannungsabhängigen Na⁺-Kanäle schließen sich nun, wobei sich die K⁺-Kanäle öffnen und so das Membran- wieder zum Ruhepotential zurückführen.

Das Aktionspotential in Stichworten:

• Das Aktionspotential ist eine spontane Ladungsumkehr basierend auf der Permeabilitätsänderung für Ionen durch Tunnelproteine/Kanäle

• Das Aktionspotential bildet sich nach dem „Alles-oder-Nichts-Gesetz“ aus:
• Wird der Schwellenwert überschritten, kommt es immer zu einer vollständigen Ausbildung des AP.
• Wird der Schwellenwert unterschritten, wird kein AP ausgelöst.

• Axongebundene Aktionspotentiale: Es bildet sich nur am Axon ein AP aus, da nur dort spannungsgesteuerte Kanäle vorhanden sind.

• Unidirektionale Weiterleitung: Ein Aktionspotential kann nur in eine Richtung wandern, da die spannungsgesteuerten Kanäle für eine kurze Zeit inaktiv sind. Bidirektionale Weiterleitungen können nur künstlich durch Reizsetzung in der Mitte des Axons ausgelöst werden. Stichwort: Refraktärzeit!

Membranbeschaffenheit des Axons

spannungsabhängige Ionenkanäle für

• Natriumionen
• Kaliumionen

Die Leitfähigkeit für die Ionen variiert im Verlauf des Aktionspotentials. Beim Aktionspotential werden spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle aktiviert und die Membranleitfähigkeit (d.h. die Durchlässigkeit der Membran) für Natrium-Ionen steigt kurzzeitig an. Das Öffnen der spannungsabhängigen Natriumkanäle sorgt für den deutlichen Anstieg des Membranpotentials zu Beginn des Aktionspotentials. Die Natriumionen strömen in die Axonmembran an und wandeln das negative Ruhepotential in ein positives Membranpotential um.( --> Ladungsverteilung an der Membran dreht sich kurzfristig um (innen positiv, außen negativ)). Nach ca. 0,1 ms sinkt Leitfähigkeit für Natriumionen wieder ab, gleichzeitig steigt die Leitfähigkeit für Kaliumionen nun relativ langsam an.

Membran-Leitfähigkeit während des Aktionspotentials. Betrachten Sie die Veränderung der Membranleitfähigkeit für K+ oder Na+. Kennen Sie die Ursache?