Aktionspotential in Nervenzellen

Das Aktionspotential ist ein zentraler Mechanismus der Erregungsleitung in Nervenzellen. Es beschreibt die kurzzeitige, aber signifikante Änderung des Membranpotentials, die zur Weiterleitung von Informationen entlang des Axons führt.

Definition: Ein Aktionspotential ist eine Weiterleitung einer elektrischen Erregung durch Veränderung des Membranpotentials in einer Nervenzelle.

Voraussetzungen für die Entstehung eines Aktionspotentials:

1. Vorhandensein eines Ruhepotentials
2. Spannungsgesteuerte Natrium- und Kalium-Ionenkanäle
3. Konzentrationsgefälle für Natrium-Ionen (außen höher) und Kalium-Ionen (innen höher)

Das Aktionspotential durchläuft mehrere charakteristische Phasen:

1. Ruhepotential: Das Membranpotential beträgt -70mV.

2. Unterschwellige Depolarisierung:

   • Reize von umliegenden Nervenzellen werden über Dendriten und Soma zum Axonhügel geleitet.
   • Einige Natrium-Ionenkanäle öffnen sich.
   • Ein Schwellenwert (ca. -50mV) muss erreicht werden, um ein Aktionspotential auszulösen.

Highlight: Das "Alles-oder-Nichts-Gesetz" besagt, dass ein Aktionspotential nur ausgelöst wird, wenn der Schwellenwert überschritten wird. Unterhalb des Schwellenwerts erfolgt keine Reaktion.

3. Überschwellige Depolarisierung:

   • Mehr spannungsabhängige Natrium-Ionenkanäle öffnen sich.
   • Natrium-Ionen strömen ins Zellinnere, die Spannung wird positiver.

4. Depolarisation/Peak:

   • Massive Einströmung von Natrium-Ionen aufgrund des Konzentrationsgradienten.
   • Das Membranpotential erreicht kurzzeitig positive Werte (Overshoot).

5. Repolarisierung:

   • Natrium-Ionenkanäle inaktivieren und schließen sich.
   • Kalium-Ionenkanäle öffnen sich, Kalium-Ionen strömen aus der Zelle.
   • Das Membranpotential kehrt zum Ruhewert zurück.

6. Hyperpolarisierung:

   • Kurzzeitiges Unterschreiten des Ruhepotentials aufgrund des verzögerten Schließens der Kalium-Ionenkanäle.

Example: Ein typisches Aktionspotential dauert etwa 1-2 Millisekunden und durchläuft einen Spannungsbereich von etwa -70mV bis +40mV und zurück.

Die Natrium-Kalium-Pumpe spielt eine wichtige Rolle bei der Wiederherstellung der Ionenkonzentrationen nach einem Aktionspotential, um die Zelle für weitere Erregungen vorzubereiten.

Aktionspotential und seine Phasen

Das Aktionspotential durchläuft mehrere charakteristische Phasen, die für die Signalweiterleitung essentiell sind.

Definition: Ein Aktionspotential ist eine elektrische Erregung durch Veränderung des Membranpotentials, die der Signalweiterleitung dient.

Highlight: Das "Alles-oder-nichts-Gesetz" besagt, dass ein Aktionspotential nur dann ausgelöst wird, wenn der Schwellenwert von etwa -50mV erreicht wird.

Example: Bei der überschwelligen Depolarisation öffnen sich spannungsabhängige Natrium-Ionenkanäle, wodurch Natrium-Ionen ins Zellinnere strömen.

Ruhepotential und Ionenverteilung in Nervenzellen

Das Ruhepotential einer Nervenzelle ist ein fundamentaler Zustand, der die Basis für die Erregungsleitung bildet. Es entsteht durch die ungleiche Verteilung von Ionen innerhalb und außerhalb der Zellmembran.

Definition: Das Ruhepotential ist das Membranpotential einer nicht erregten Nervenzelle, das durch Konzentrationsunterschiede der Ionen zwischen Extrazellularraum und Cytoplasma entsteht.

Die Hauptakteure bei der Entstehung des Ruhepotentials sind:

1. Kalium-Ionen $K+$: Hohe Konzentration im Zellinneren
2. Natrium-Ionen $Na+$: Hohe Konzentration im Extrazellularraum
3. Chlorid-Ionen $Cl-$: Höhere Konzentration außerhalb der Zelle
4. Organische Anionen $A-$: Verbleiben im Zellinneren

Die selektiv permeable Membran der Nervenzelle spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung des Ruhepotentials. Sie erlaubt Kalium-Ionen leicht nach außen zu diffundieren, während Natrium- und Chlorid-Ionen nur schwer nach innen gelangen können.

Highlight: Das Ruhepotential einer Nervenzelle beträgt typischerweise etwa -70mV, wobei das Zellinnere negativ gegenüber dem Extrazellularraum geladen ist.

Vier Hauptfaktoren tragen zur Entstehung und Aufrechterhaltung des Ruhepotentials bei:

1. Diffusion (Brown'sche Molekularbewegung)
2. Elektrostatische Abstoßung
3. Membranpermeabilität (passiv, ohne Energieverbrauch)
4. Pumpmechanismus (aktiv, mit Energieverbrauch)

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein essentieller aktiver Mechanismus, der das Ruhepotential stabilisiert. Sie transportiert unter ATP-Verbrauch drei Natrium-Ionen nach außen und zwei Kalium-Ionen nach innen, um den Natrium-Leckstrom auszugleichen und das negative Membranpotential aufrechtzuerhalten.

Vocabulary: Der Natrium-Leckstrom bezeichnet das langsame Einströmen von Natrium-Ionen durch die Membran ins Zellinnere, auch wenn die spezifischen Natriumkanäle geschlossen sind.

Die Kombination aus chemischem und elektrischem Gradienten, bekannt als elektrochemischer Gradient, führt zu einem Fließgleichgewicht, bei dem sich die Diffusion von Kalium-Ionen nach außen und innen ausgleicht.