Aktionspotenzial – Grundlage der Informationsweiterleitung

Hallo, mein Name ist Sabine und in diesem Film möchte ich dir das Aktionspotential näher erklären. Mit Hilfe von Aktionspotentialen werden Informationen von einer Nervenzelle zur nächsten geschickt. Als Grundlage solltest du schon alles über das Ruhepotential kennen, denn damit beginnen wir jetzt. Hier siehst du in der Mitte meine schematische Biomembran. Auf der Membranaußenseite befinden sich negativ geladene Chloridionen. Auf der Innenseite organische Anionen. Diese sind beide negativ geladen und stoßen sich daher gegenseitig ab. Zu den Chloridionen auf der Außenseite gehören noch die Natriumionen. Diese sind positiv geladen und werden dargestellt durch die kleinen blauen Quadrate, die du im Bild siehst. Auf der Innenseite gibt es noch die Kaliumionen. Diese sind positiv geladen und werden dargestellt durch die kleinen grünen Quadrate. Diese beiden positiv geladenen Ionen wollen unheimlich gerne ihrem Konzentrationsgefälle folgen und die Membranseite wechseln. Das schaffen aber nur die Kaliumionen, weil entsprechende Kanäle in der Membran dafür geöffnet sind. Daher findest du auch ein paar kleine grüne Quadrate auf der Außenseite der Membran. Dadurch ist die Membran an der Außenseite leicht positiv geladen und auf der Innenseite negativ. Das ist das Ruhepotential. Dazu kommt jetzt eine Grafik, die uns den ganzen Film über begleiten wird. Auf der x-Achse findest du die Zeit, auf der y-Achse die Spannung, gemessen in Millivolt (mV). Das Ruhepotential liegt normalerweise in einem Bereich von -60 bis -80 mV. Das kommt auf die Quelle an, die du hast. Bei einem Aktionspotential wird für 1-2 Millisekunden die Membran komplett umgepolt. Dabei werden Spitzenwerte von bis zu 30 mV erreicht. Wenn ein Reiz auf die Nervenzelle trifft, beginnt die Depolarisation. Unser Ruhepotential wird weniger negativ. Das ist die leicht ansteigende rote Linie. Doch nicht jeder Reiz löst ein Aktionspotential aus und damit eine Erregung. Wenn der Schwellenwert - die blaue, gestrichelte Linie - nicht erreicht wird, gibt es auch kein Aktionspotential. Aber sobald der Schwellenwert "geknackt" wird, gibt es ein Aktionspotential in voller Höhe. Das ist das Alles-oder-nichts-Gesetz. Aktionspotentiale treten aber nur im Axon auf und nicht im Zellkern oder den Dendriten. In der Membran sind spannungsgesteuerte Natrium- und Kaliumkanäle zu finden. Das sind die orangefarbenen und pinkfarbenen Kästchen in meiner Zeichnung.  Beim Ruhepotential sind die spannungsgesteuerten Kanäle geschlossen. Das siehst du an den roten Querstrichen in meiner Zeichnung. Wenn der Schwellenwert überschritten wird, werden die Natriumkanäle geöffnet und die Natriumionen folgen ihrem Konzentrationsgefälle nach innen. Das nennt man Depolarisation. Durch die hineinströmenden Natriumionen werden noch mehr Natriumkanäle geöffnet und es strömen sehr viel mehr Natriumionen nach innen als Kaliumionen nach außen kommen. Somit wird die Membran umgepolt. Dieser schnelle Anstieg ist auch an der anderen Seite zu erkennen und wir erkennen Spitzenwerte von bis zu 30 mV. Danach schließen sich die Natriumkanäle wieder und sind für neue Reize erst mal nicht ansprechbar. Das nennt man Refraktärzeit. Die etwas langsameren Kaliumkanäle öffnen sich jetzt. Die Kaliumionen können jetzt ungestört nach außen gelangen. Das Membranpotential kehrt nun wieder zu seinem Ruhewert zurück. Das nennt man Repolarisation. Die Außenseite ist wieder positiv geladen und die Innenseite negativ. Zwischenzeitlich ist es sogar möglich, dass dieses Potential negativer ist als im Ruhepotential. Das nennt man Hyperpolarisation. Nun werden auch die spannungsgesteuerten Kaliumkanäle wieder geschlossen. Wie dir sicherlich aufgefallen ist, sind noch die Ionen auf der falschen Seite. Deswegen muss die Natrium-Kalium-Pumpe unter Energie, das heißt ATP-Verbrauch, arbeiten. 2 Kaliumionen werden nach innen transportiert, und 3 Natriumionen nach außen. Damit gelangen wir nach und nach wieder bei der Ausgangssituation des Ruhepotentials an. Allgemein zu Aktionspotentialen lässt sich noch sagen, dass Form und Größe immer gleich sind. Je stärker die Erregung, desto kleiner wird der zeitliche Abstand zwischen den Aktionspotentialen. Das heißt, die Information, die die Nervenzelle weiterleiten möchte, ist in der Frequenz der Aktionspotentiale verschlüsselt. Fassen wir das Ganze noch mal zusammen: An der Membran liegt zunächst das Ruhepotential vor. Wenn ein überschwelliger Reiz an der Nervenzelle ankommt, beginnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle zu öffnen. Natriumionen können von der Membranaußenseite zur Innenseite strömen.  Diesen Vorgang nennt man Depolarisation. Die Membran wird umgepolt, das heißt, sie ist außen negativ geladen und innen positiv. Diese Umpolung siehst du an dieser Grafik an der Spannungsänderung von -80 mV zu 30 mV. Die Natriumkanäle werden geschlossen und die Kaliumkanäle öffnen sich. Kaliumionen können nun von innen nach außen strömen und das Membranpotential kommt wieder bei dem negativen Ausgangswert von -80 mV an. Kurz ist sogar dieses Potential negativer geladen im Vergleich zum Ruhepotential. Dies nennt man dann Hyperpolarisation. Um wieder die Ionenverteilung des Ruhepotentials zu erhalten, muss die Natrium-Kalium-Pumpe arbeiten und Natrium- bzw. Kaliumionen wieder auf die richtige Membranseite bringen. Wenn die spannungsgesteuerten Kanäle wieder geschlossen sind, sind sie eine Zeit lang nicht für neue Reize ansprechbar. Diese Zeit nennt man Refraktärzeit. Ich hoffe, dieser Film konnte dir beim Lernen helfen und er hat dir gefallen. Vielen Dank fürs Zusehen und hoffentlich bis bald! Sabine