Aktionspotential

Unter dem Betriff Aktionspotential werden kurzfristige Änderungen des Membranpotentials im Körper verstanden. Üblicherweise entstehen Aktionspotentiale am Axonhügel der Nervenzellen und sorgen dafür, dass die Reizübertragung stattfinden kann. Das Aktionspotential besitzt einen Spannungsverlauf von -90 mV bis über +30 mv und ist der Gegenpart zum Ruhepotential. Der nachfolgende Artikel erklärt zunächst, was das Aktionspotential ist und welche Aufgaben wie Funktionen es im Körper übernimmt. Zudem werden Beschwerden und Krankheiten vermerkt, welche im Zusammenhang mit dem Aktionspotential stehen, und sämtliche wichtigen Fakten in Listen zusammengefasst.

Was ist das Aktionspotential?

Unter dem Aktionspotential wird ein Körperprozess verstanden, bei welchem eine spontane Ladungsumkehr in den Nervenzellen stattfindet. Nahezu alle Aktionspotentiale entstehen am Axonhügel der Nervenzellen, wobei der Axonhügel immer die Ursprungsstelle der weiterleitenden Fortsätze jeder einzelnen Nervenzelle ist. Um die spontane Landungsumkehr durchzuführen, wandert das Aktionspotential den Nervenfortsatz bzw. das Axon entlang.

Jedes Aktionspotential besitzt eine unterschiedliche Dauer. Zeiträume zwischen einer Millisekunde bis zu einigen Minuten sind hierbei völlig normal. Die Dauer des Aktionspotentials besitzt zugleich keine Auswirkung auf seine Intensität, da diese immer gleich ausgeprägt ist. Somit existiert keine Einteilung in schwache und starke Aktionspotentiale. Dennoch können die Aktionspotentiale in Alles- oder Nichts-Reaktionen untergliedert. Alles-Reaktionen entstehen, wenn der Reiz stark genug ist und somit das Aktionspotential vollständig ausgelöst wird. Nichts-Reaktion hingegen werden durch ein Aktionspotential gegeben, welches überhaupt nicht ausgelöst wurde. Alles- wie Nichts-Reaktionen besitzen beide mehrere Phasen, welche sie durchlaufen müssen.

Das Aktionspotential besitzt einen breiten Raum bezüglich Spannungsverlauf. Der gesamte Spannungsverlauf mit einem Wert zwischen -90 mV und +30 mV umfasst das Aktionspotential. Ein Rückgang zum alten Zustand von -90 mV bestimmt hierbei stets die Untergrenze des Aktionspotentials. Durch das Aktionspotential herrscht somit eine kurzzeitige Umpolarisierung der Ruhepotentiale vor.

Die Dauer des Aktionspotentials richtet sich an die jeweilige Zelle. Eine Herzmuskelzelle beispielsweise besitzt ein Aktionspotential von einigen hundert Millisekunden. Die Dauer wird hierbei von der eigenen Herzfrequenz bestimmt, sodass ihr subjektbezogene Unterschiede auftauchen. Eine Skelettmuskelzelle hingegen besitzt eine deutlich kürzere Aktionspotentialdauer. Mit ein bis zwei Millisekunden beträgt ihre Dauer circa nur ein Hundertstel.

Das Aktionspotential, welches häufig mit ap abgekürzt wird, besitzt generell vier Phasen. IN der ersten Phase beträgt die Spannungsänderung zwischen Zellinnerem und Zelläußerem -90 mV bis zu +30 mV. Dieser Vorgang wird Depolarisation genannt und erzeugt eine kurze Spannungsspitze, die sogenannte initiale Spitze. Die initiale Spitze besitzt eine Spannung von ungefähr +30 mV. Nach Erreichen der initialen Spitze beginnt die zweite Phase. Der Wert sinkt leicht auf ungefähr 0 mV. Hier verbleibt er einige Zeit, sodass diese Phase als Plateauphase bezeichnet wird. Auf die Plateauphase folgt die dritte Phase, in welcher sich die Repolarisation anschließt. Hier kommt zugleich die NatriumKalium-Pumpe zum Einsatz. Zum Schluss wird die vierte Phase bzw. das Ruhepotential initiiert.

Zusammenfassung zum Aktionspotential

 

  • spontane Ladungsumkehr der Nervenzellen
  • entstehen am Axonhügel der Nervenzellen
  • durchwandern Axon
  • besitzt unterschiedlich lange Dauer – einige Millisekunden bis Minuten
  • keine Einteilung in schwache und starke Aktionspotentiale – nur Alles- und Nichts-Reaktionen
  • besitzt großen Spannungsverlauf – von -90 mV über +30 mV zurück zu -90 mV
  • sorgt für kurzzeitige Umpolarisierung der Ruhepotentiale
  • besitzt vier unterschiedliche Phasen

 

Die neuronale Signalübertragung im zentralen Nervensystem

Das Aktionspotential ist Bestandteil der neuronalen Signalübertragung im zentralen Nervensystem. Die Nerven besitzen hierbei die Hauptaufgabe, Informationen zu übertragen und somit unter anderem Reaktionen im Körper hervorzurufen. Um dies zu tun, besitzt der Großteil der Nervenzellen zwei Typen an spezialisierten Fortsätzen. Das Axon, welches für das Aktionspotential zuständig ist, leitet die Informationen von dem Zellkörper weg und zu anderen Nervenzellen hin. Hingegen werden über die Dendriten Informationen empfangen und an den Zellkörper weitergeleitet. Dendriten ähneln hierbei stark den Zweigen eines Baumes. Die zwei Neuronen sind nicht direkt miteinander verbunden. Zwischen ihnen liegen die Synapsen, über welche einige bestimmte Nervenzellen eine Verbindung mit anderen tausenden Nervenzellen aufbauen können.

Die neuronale Signalübertragung im zentralen Nervensystem funktioniert mittels zwei „Sprachen“, der elektrischen und der chemischen Sprache. Die „Sprachen“ agieren jedoch nicht getrennt voneinander, sondern Gehen ineinander über. Wird zunächst eine Nervenzelle erregt, wird das Aktionspotential aktiviert, da die Informationen als elektrischer Impuls, welcher das Aktionspotential letztendlich ist, das Axon entlang zur Synapse. Da die Kontaktstellen der Nervenzellen durch einen schmalen Spalt getrennt sind und sich somit nicht berühren können, kann die empfangene Botschaft somit nicht weitergegeben werden. Um die Weiterleitung der Botschaft zu ermöglichen, muss sich das elektrische in ein chemisches Signal umwandeln. Hierbei werden Neurotransmitter freigesetzt, sobald das Aktionspotential die Synapse erreicht.

Das nun umgewandelte Signal ist in der Lage, den synaptischen Spalt zu durchwandern und zur anderen Seite zu gelangen, sodass die Botschaft an die Rezeptoren weitergegeben werden kann. Diese funktionieren nach dem sogenannten Schlüssel-Schloss-Prinzip. Die Neurotransmitter können zudem erregt sein. Erregte Neutransmitter lösen wiederum ein Aktionspotential aus, wobei die Information erfolgreich übermittelt wurde. Handelt es sich jedoch um hemmende Nervenbotenstoffe, wird die Weiterleitung von Aktionspotentialen erschwert oder sogar gänzlich unterbrochen. Die Übertragung von elektronischen Informationen sowie ihre Umwandlung in chemische Botenstoffen bilden letztendlich das Grundprinzip der neuronalen Signalübertragung, welches sich im gesamten zentralen Nervensystem befindet.

Funktionen und Aufgaben des Aktionspotentials

Das Aktionspotential besitzt als wesentliche Aufgabe die Weiterleitung von elektronischen Informationen an die Nervenzellen. Bevor das Aktionspotential ausgelöst wird, befinden sich sämtliche Zellen im zentralen Nervensystem in einem Ruhezustand. Während nahezu alle Natriumkanäle geschlossen sind, sind ein Teil der Kaliumkanäle geöffnet. Die Kaliumione jedoch bewegen sich weiterhin, sodass die Zellen imstande sind, das sogenannte Ruhemembranpotential aufrechtzuerhalten, welches eine Spannung von ungefähr -70 mV besitzt. Bei einer Messung der Spannung im Inneren Axons würde infolgedessen ein negatives Potential von -70 mV festgestellt werden. Die niedrige Spannung beruht auf einem Ladungsungleichgewicht der Ionen, welches sich im Raum außerhalb der Zellflüssigkeit und der Zelle befindet.

Die Dendriten, aufnehmende Nervenzellenfortsätze, nehmen sämtliche empfangene Reize auf und leiten sie automatisch zum Axonhügel weiter. Die Weiterleitung geschieht immer über den Zellkörper. Bevor die Reize eintreffen, besitzt das Ruhemembranpotential denselben Wert. Erst mit dem Eintreffen des Reizes ändert sich letztendlich das Ruhemembranpotential, sodass ein Aktionspotential ausgelöst wird. Jedoch muss der Schwellenwert am Axonhügel überschritten werden, um ein Aktionspotential erfolgreich auslösen zu können. Erst am einem Spannungswert bzw. einer Erhöhung von 20 mV auf -50 mV des Membranpotentials kann der Schwellenwert erreicht werden. Bei einem niedrigeren Membranpotential von beispielsweise -55mv wird die Alles-oder-Nichts-Reaktion verursacht, sodass die Weiterleitung der Informationen nicht stattfinden kann.

Am Axonhügel einer Nervenzelle entsteht infolgedessen ein Aktionspotential, welches die Voraussetzung für Reizübertragungen darstellt. Sobald der Schwellenwert überschritten wurde, öffnen sich die Natriumkanäle, welche sich in der Zelle befinden. Durch die geöffneten Natriumkanäle können positiv geladene Natriumionen einströmen. Hierbei steigt das Ruhepotential weiter an. Mit der Öffnung der Natriumkanäle schließen die Kaliumkanäle sich gleichzeitig, sodass eine Umpolarisierung entsteht. Durch die Umpolarisierung ist der Raum, welcher sich im Inneren des Axons befindet, für kurze Zeit positiv geladen. In der Fachsprache wird diese Phase häufig als Overshoot bezeichnet.

Das Membranpotential besitzt ein maximales Fassungsvermögen. Jedoch schließen sich die Natriumkanäle bereits vor dem Erreichen des Maximums wieder. Sobald die Natriumkanäle wieder geschlossen sind, öffnen sich die Kaliumkanäle, wodurch die Kaliumionen aus der Zelle hinausströmen kann. Als Folge entsteht eine Repolarisation. Hierbei nähert sich das Membranpotential wieder dem Ruhepotential an, sodass kurzzeitig eine sogenannte Hyperpolarisation auftritt. Bei dieser sinkt das Membranpotential unter -70 mV Spannung. Die Hyperpolarisation, welche den Beinamen Refraktärzeit trägt, dauert jedoch nur circa zwei Millisekunden. Während die Refraktärzeit anhält, kann gleichzeitig kein Aktionspotential ausgelöst werden. Würde neben der Hyperpolarisation ein Aktionspotential durchgeführt, würden die Zellen sich übererregen, sodass der Körper von sich aus eine solche Übererregbarkeit verhindert.

Sobald die Regulierung vorbei ist, besitzt die NatriumKalium-Pumpe wieder eine Spannung von -70 mV. Ebenfalls ist die Reizerregung des Reizes wieder möglich. Gleichzeitig wird es dem Aktionspotential ermöglicht, von einem Axonabschnitt zum nächsten weitergeleitet zu werden. Der vorhergehende Abschnitt jedoch befindet sich noch immer in der Refraktärzeit, sodass die Reizweiterleitung immer nur einseitig geschehen kann und eine Rückleitung verhindert wird. Die Reizweiterleitung findet kontinuierlich statt, ist gleichzeitig aber eher langsam.

Hingegen findet sie saltatorische Reizweiterleitung schneller statt. Be ihr werden die Axone mit einer sogenannten Myelinscheide umhüllt, welche die Wirkungsart eines Isolationsbands besitzt. Die Myelinscheide ist jedoch nicht durchgehend, sondern immer wieder unterbrochen. Die Unterbrechungen tragen den Fachnamen Schnürringe. Bei der saltatorischen Reizweiterleitung geschieht die Weiterleitung nicht in einem Stück, da das Aktionspotential von einem Schnürring zum nächsten springt. Durch diese quasi stattfindenden kontinuierlichen Sprünge ist die Fortleitungsgeschwindigkeit in der Lage, stark anzusteigen. Sowohl die normale wie saltatorische Reizweiterleitung besitzen beide ein Aktionspotential als Grundlage für die Reizweiterleitung, sodass jegliche Körperfunktionen auf dieser Weiterleitung basieren.

Zusammenfassung der Funktionen und Aufgaben des Aktionspotentials

 

  • wesentliche Aufgabe Weiterleitung der elektronischen Informationen an die Nervenzellen
  • wird ausgelöst und ist nicht automatisch aktiv
  • ohne Aktionspotential keine Weiterleitung der Informationen möglich
  • Reizweiterleitung langsam oder schnell – saltatorische Reizweiterleitung mit Myelinscheide

 

Krankheiten und Beschwerden des Aktionspotentials

Bezüglich Krankheiten und Beschwerden des Aktionspotentials können zunächst die Myelinscheiden der Nervenzellen angegriffen werden. Durch diesen Angriff werden die sensiblen Scheiden zerstört, sodass eine gravierende Störung bei der Reizweiterleitung auftritt. Ist die Myelinschicht nicht mehr vorhanden, verlieren die Reize bei der Weiterleitung einen Teil ihrer Ladung. Die Nerven werden zwar weitergeleitet, doch benötigten deutlich mehr Ladung, damit die einzelnen Unterbrechungen der Myelinschicht des Axons erregt werden können.

Handelt es sich nur um leichte Myelinschichtschäden, wird das Aktionspotential verzögert erzeugt. Starke Schäden allerdings können dafür sorgen, dass die Erregungsweiterleitung komplett unterbrochen wird, da in diesem Fall das kein einziges Aktionspotential ausgelöst werden kann.

Genetische Defekte wie etwa die Charcot-Marie-Tooth-Krankheit oder Morbus Krabbe sind in der Lage, die Myelinscheiden zu beeinträchtigen. Auch Multiple Sklerose sorgt für eine Demyelinisierung. Bei Betroffenen, welche unter Multiple Sklerose leiden, greifen die körpereigenen Abwehrzellen die Myelinscheiden an und zerstören sie dabei. Der Angriff bezieht sich auf unterschiedliche Zellen, sodass unter anderem eine allgemeine Schwäche, Lähmungen, Spastiken, Sehstörungen oder Sensibilität- und Sprachstörungen auftreten können.

Der Natriumkanal hingegen wird von der sehr selten auftretenden Erkrankung Paramyotonia congenita befallen. Die Natriumionen können auch während des geschlossenen Natriumkanal in die Zellen eindringen, sodass dort ein Aktionspotential ausgelöst wird. Dies geschieht ebenfalls, wenn überhaupt kein Reiz vorhanden ist. Folglich sind die Nerven dauerangespannt, sodass vermehrte Muskelspannungen bzw. eine Myotonie auftritt. Bewegt sich der Betroffene willkürlich, ist eine deutlich verzögerte Erschlaffung der Muskulatur bemerkbar.

Bei der Paramyotonia congenita kann auch der umgekehrte Weg auftreten. Hier lässt der Natriumkanal keine Natriumionen in die Zelle, obwohl ein Erreger vorhanden ist. Ein Aktionspotential ist nur verzögert möglich oder wird in manchen Fällen gar nicht ausgelöst, sodass die Reaktion auf den Reiz ausbleibt. Hieraus resultieren Sensibilitätsstörungen, Lähmungen oder Muskelschwäche. Da bei beiden Formen der Paramyotonia congenita niedrige Temperaturen das Auftreten der Symptome begünstigt, sollte ein Auskühlen der Muskulatur tunlichst vermieden werden.

Zusammenfassung der Krankheiten und Beschwerden des Aktionspotentials

 

  • Angriff auf und Zerstörung der Myelinscheiden
  • gravierende Störungen bei der Reizweiterleitung
  • leichte und schwere Myelinschichtschäden – verzögertes bzw. nicht vorhandenes Aktionspotential
  • Genetische Effekte wie Carchot-Marie-Tooth-Krankheit, Morbus krabbe und Multiple Sklerose – verursachen verschiedene Symptome und Erkrankungen wie Lähmungen und Störungen
  • Paramyotonia congenital in beiden Ausführungen

 

Fragen und Antworten zum Aktionspotential

 

Weshalb wird das Aktionspotential nur in eine Richtung weitergeleitet?

Während der Refraktärzeit lässt sich das Axon bzw. die Nervenzelle nicht erregen. Dieser Zustand hält solange an, bis das Potential wiederaufgebaut ist. Währenddessen pflanzt sich die Erregung allerdings auf beide Seiten hin entlang des Axons fort. Aus diesem Grund kann die Erregung nicht zurückschlagen, sondern muss sich entlang des Nervs begeben.

Was ist der Unterschied zwischen einem Aktionspotential und einem Membranpotential?

Das Membranpotential herrscht eine Ionenverlagerung vor. Beispielsweise kann dadurch außerhalb der Nervenzelle eine negative Ladung bestehen, welche in eine positive Ladung umgewandelt wird. Eine Umwandlung in die andere Richtung ist ebenfalls möglich. Ein Membranpotential befindet sich in den Mitochondrien und an Nervenzellen. Das Aktionspotential jedoch sorgt dafür, dass der Ladungsunterschied für einen kurzen Zeitraum aufgehoben wird. Der Ladungsunterschied wird durch einen Ionentransport neutralisiert. Dies geschieht durch die Aktivierung von spannungsabhängigen Kanälen. Das Aktionspotential bewegt sich infolgedessen entlang der Membran, an welcher zuvor der Ladungsunterschied vorherrschte.

Was passiert bei einem Aktionspotential, wenn der Schwellenwert nicht erreicht wird?

Um ein Aktionspotential zu initiieren, muss ein bestimmter Schwellenwert erreicht werden. Dieser befindet sich zwischen 20 mV und -50 mV Spannung. Wird dieser Schwellenwert jedoch nicht erreicht, wird das Aktionspotential nicht ausgelöst, da die Erregung nicht weitergeleitet wird. Das Aktionspotential agiert hierbei nach dem Alles-oder-Nicht-Prinzip, sodass eine Weiterleitung nur geschehen kann, wenn der notwendige Schwellenwert erreicht wird.

Unser Fazit zum Aktionspotential

Das Aktionspotential ist ein wichtiger Körperprozess, da er maßgeblich an der Weiterleitung der Reize in den Nervenzellen beteiligt ist. Würde ein Aktionspotential nicht ausgelöst werden, könnten die Informationen, welche normalerweise durch die Nerven wandern, nicht weitergegeben werden, was wiederum starke körperliche Störungen verursachen kann.

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