Aktionspotenzial Mindmap

Das Thema verstehen

Das Aktionspotenzial ist die kurzzeitige, charakteristische elektrische Spannungsänderung an der Membran von Nerven- und Muskelzellen, mit der Erregungen weitergeleitet werden. Die Mindmap ordnet die wichtigsten Bausteine: das Ruhepotenzial als Ausgangslage, die Schwellenwertbildung, den zeitlichen Ablauf von Depolarisation und Repolarisation, die Rolle der Natrium-Kalium-Pumpe sowie die Erregungsleitung mit und ohne Myelinscheide. So lässt sich die Reizleitung im Nervensystem strukturiert erfassen.

Vom Ruhepotenzial zum Schwellenwert
An der ruhenden Nervenzelle besteht ein Ruhepotenzial von etwa −70 mV. Es entsteht durch unterschiedliche Ionenkonzentrationen beidseits der Membran und durch die Natrium-Kalium-Pumpe, die pro Umlauf drei Natrium-Ionen nach außen und zwei Kalium-Ionen nach innen transportiert. Da die Membran in Ruhe vor allem für Kalium durchlässig ist, strömen Kalium-Ionen bevorzugt aus der Zelle und verstärken die Ladungstrennung. Reizt man die Zelle, verschieben eingehende positive Ladungen das Potenzial. Erst wenn der Schwellenwert von etwa −55 mV erreicht wird, öffnen sich spannungsaktivierte Natriumkanäle in großer Zahl und das Aktionspotenzial beginnt. Kleinere Reizschwankungen darunter klingen dagegen rasch wieder ab.

Ablauf und All-or-nothing-Prinzip
Nach dem Überschreiten des Schwellenwertes strömen Natrium-Ionen massiv ein, das Membranpotenzial kippt in den positiven Bereich. Anschließend schließen sich die Natriumkanäle, während Kaliumkanäle öffnen und das Potenzial durch Kaliumausstrom wieder absinken lassen. Kurzzeitig liegt das Potenzial unter dem Ruhepotenzial, man spricht von Hyperpolarisation. Wichtig ist das All-or-nothing-Prinzip: Ein Aktionspotenzial hat immer dieselbe Amplitude, sofern der Schwellenwert erreicht wird. Die Reizstärke wird daher nicht durch die Höhe, sondern durch die Frequenz der Aktionspotenziale codiert. Während der Refraktärphase kann die Zelle nur eingeschränkt erneut erregt werden, was eine Überlagerung einzelner Signale verhindert und die maximale Entladungsfrequenz begrenzt.

Erregungsleitung und Rolle des Myelins
Ein Aktionspotenzial breitet sich aus, weil lokale Ströme benachbarte Membranabschnitte depolarisieren und dort neue Aktionspotenziale auslösen. In unmyelinisierten Fasern geschieht dies kontinuierlich Punkt für Punkt, was relativ langsam ist. Bei myelinisierten Axonen isolieren die Myelinscheiden die Membran weitgehend; die Erregung springt von einem Ranvierschen Schnürring zum nächsten, man spricht von saltatorischer Leitung. Dadurch werden deutlich höhere Leitungsgeschwindigkeiten erreicht. Die Geschwindigkeit hängt zudem vom Faserdurchmesser ab: dickere Fasern leiten schneller. Erkrankungen, die Myelin schädigen, können die Leitung erheblich verlangsamen, weshalb dieser Mechanismus auch medizinisch bedeutsam ist.

Von der Nervenfaser zur Synapse
Am Ende eines Axons angelangt, überträgt das Aktionspotenzial die Information auf die nächste Zelle. Am präsynaptischen Endknöpfchen öffnen spannungsaktivierte Kalziumkanäle, Kalzium-Ionen strömen ein und veranlassen Vesikel, ihre Neurotransmitter in den synaptischen Spalt auszuschütten. Die Botenstoffe binden an Rezeptoren der Postsynapse und lösen dort entweder eine erregende oder eine hemmende Potenzialänderung aus. Ob die Folgezelle selbst ein Aktionspotenzial bildet, entscheidet die Summierung dieser Signale am Axonhügel. Diese chemische Übertragung erklärt, warum Synapsen im Gegensatz zur elektrischen Leitung der Nervenfaser veränderbar sind, etwa durch Gewöhnung oder Bahnung bei wiederholter Aktivität.