Was ist Aktionspotential?

Potential oder Potentialdifferenz tritt auf, wenn zwischen zwei Punkten ein Unterschied in der elektrischen Ladung besteht. Dieser Ladungsunterschied ist normalerweise auf eine Konzentration von entgegengesetzt geladenen Ionen an jedem Punkt zurückzuführen. Aktionspotential tritt auf, wenn sich die Potentialdifferenz über die Membran einer Nervenzelle, die sich entlang der Länge der Zelle ausbreitet, plötzlich und stark ändert.

Wenn ein Nervenimpuls nicht übertragen wird, hat das Innere der Nervenzelle eine negative und das Äußere eine positive Ladung. Es soll sich in seinem Ruhezustand befinden, daher ist die Potentialdifferenz zu diesem Zeitpunkt das Ruhepotential. Der Ladungsunterschied ist auf die Menge an Ionen zurückzuführen, die sich in der Zelle und in ihrer Umgebung befinden. Bei Nervenzellen ist die Potentialdifferenz auf Natrium- und Kaliumionen zurückzuführen.

Alle Nervenimpulse sind ionischer Natur. Wenn sich die Nervenzelle in Ruhe befindet, gibt es auf beiden Seiten der Membran unterschiedliche Konzentrationen der Kalium- und Natriumionen. Dieser Unterschied wird durch Natrium-Kalium-Pumpen in der Membran aufrechterhalten. Diese Pumpe pumpt Natriumionen aus der Zelle und Kaliumionen in die Zelle.

Kalium- und Natriumionen diffundieren aufgrund der Konzentrationsunterschiede auf beiden Seiten über die Membran. Kaliumionen können leicht aus der Zelle diffundieren, aber die Membran ist relativ undurchlässig für eindiffundierende Natriumionen. Das Gesamtergebnis ist, dass das Innere der Nervenzelle eine negative Ladung relativ zur Außenseite der Zelle aufweist.

Wenn die Nervenzelle stimuliert und ein Impuls ausgelöst wird, kehrt sich die Situation vorübergehend um. Das Innere der Zelle wird positiv und das Äußere negativ. Diese plötzliche Umkehrung des Ruhepotentials, die den Impuls begleitet, ist das Aktionspotential. Ein Aktionspotential ist extrem kurzlebig, also ist ein Impuls tatsächlich eine Welle der Depolarisation oder Aktionspotentiale, die entlang der Zelle verlaufen.

Während eines Impulses wird die Zellmembran für Natriumionen durchlässig. Die Natriumionen haben eine sehr hohe Konzentration außerhalb der Membran, so dass sie schnell in die Zelle diffundieren. Dies geschieht sehr schnell und kehrt das Ruhepotential um. Bei so vielen positiven Ionen, die sich jetzt in der Zelle befinden, ist das Innere gegenüber dem Äußeren positiv geladen.

Natriumionen können durch Ionenkanäle in die Zelle gelangen. Wenn die Zelle ruht, bleiben die Ionenkanäle geschlossen und verhindern, dass Natriumionen in die Zelle gelangen. Wenn sie durch einen Impuls angeregt werden, öffnen sie sich und lassen die Natriumionen einströmen. Auf diese Weise breiten sich Aktionspotentiale und Impulse von selbst aus. Das Aktionspotential in einem Bereich der Membran stimuliert den folgenden Bereich, wodurch sich die Ionenkanäle öffnen. Dies wiederum eröffnet ein Aktionspotential, das dann den folgenden Bereich anregt und so weiter.

Wenn die Natriumionen in die Zelle eintreten, verlassen sie die Kaliumionen. Dies ist der Beginn des Wiederherstellungsprozesses, bei dem das Innere der Zelle beginnt, seine negative Ladung wiederzugewinnen. Nachdem das Aktionspotential die Zellmembran passiert und sich entlangbewegt hat, schließen sich die Ionenkanäle und die Membran wird für Natriumionen undurchlässig. Die Natrium-Kalium-Pumpe pumpt die Natriumionen wieder heraus und Kaliumionen hinein, wodurch das Ruhepotential wiederhergestellt wird.