Aktionspotential

Synonyme

Nervenimpuls, Erregungspotential, spike, Erregungswelle, action potential, elektrische Erregung

Definition

Das Aktionspotential ist eine kurze Änderung des Membranpotentials einer Zelle von ihrem Ruhepotential. Es dient der Weiterleitung einer elektrischen Erregung und ist somit elementar für die Reizübertragung.

Physiologie

Um das Aktionspotential zu verstehen, muss man sich erst einmal über das Ruhepotential einer Zelle gewahr werden. Jede erregbare Zelle im Ruhezustand besitzt ein solches. Es entsteht durch den Ladungsunterschied zwischen der Innen- und Außenseite der Zellmembran und es hängt von der jeweiligen Zelle ab, in welcher Höhe dieses liegt. In der Regel schwanken die Werte zwischen -50 mV und -100 mV. Die meisten Nervenzellen besitzen ein Ruhepotential von -70mv, das heißt, im Ruhezustand ist die Innenseite der Zellmembran gegenüber der Außenseite der Zellmembran negativ geladen. Wir schauen uns die Entstehung eines Aktionspotentials nun anhand einer Nervenzelle an. Hier bewirken Aktionspotentiale eine schnelle Erregungsleitung im Körper über weite Strecken hinweg.

Ausgangslage

Die Zelle weist ein Ruhemembranpotential auf, welches durch die Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten wird.

Initiationsphase

Eine Erregung, ausgelöst durch einen Reiz, erreicht die Zelle. Durch einströmende Natriumionen wird das Innere der Zelle positiver. Wenn ein bestimmter Schwellenwert überschritten wird (im Falle der Nervenzelle ca. – 50mV) wird ein Aktionspotential ausgelöst. Dies funktioniert nach dem „Alles-oder-Nichts-Prinzip“. Das heißt „ein bisschen Aktionspotential“ gibt es nicht, entweder es entsteht, oder nicht. Die Form des Aktionspotentials ist nach Überschreiten des Schwellenwertes, unabhängig von der Stärke des Reizes, immer gleichförmig.

Depolarisation

Ist der Schwellenwert überschritten, öffnen sich auf einen Schlag viele Natriumkanäle an der Zellmembran und von außen strömen viele Natriumionen auf einmal in das Zellinnere. Die Zelle wird innen positiv mit bis zu ca. +20 bis + 30 mV. Dieses Ereignis wird auch „Aufstrich“ oder „Overshoot“ genannt.

Repolarisation

Nachdem das Maximum des Aufstrichs erreicht wurde, beginnen die Natrium-Kanäle sich wieder zu schließen. Dafür öffnen sich Kalium-Kanäle, womit positiv geladene Kaliumionen aus der Zelle strömen und das Innere der Zelle wieder negativer wird.

Hyperpolarisation

Infolge der Repolarisation wird das Ruhepotential meist zunächst unterschritten und kann Werte bis zu – 90 mV erreichen, zum Beispiel bei einer Nervenzelle mit einem Ruhepotential von -70 mV. Dies wird auch hyperpolarisierendes Nachpotential genannt. Es entsteht dadurch, dass die Kaliumkanäle sich langsamer wieder schließen und somit mehr positiv geladene Kaliumionen aus der Zelle hinausströmen.

Das ursprüngliche Verhältnis wird daraufhin durch die Natrium-Kalium-Pumpe wiederhergestellt, welche unter Energieaufwand drei Natriumionen aus der Zelle heraustransportiert und im Gegenzug zwei Kaliumionen in die Zelle befördert.

Wichtig für das Aktionspotential ist noch die sogenannte Refraktärphase. Sie entsteht dadurch, dass, nachdem das Aktionspotential ausgelöst wurde, die Natriumkanäle für eine kurze Zeit noch inaktiv sind. Somit kann während der „absoluten Refräktärzeit“ kein weiteres Aktionspotential und während der „relativen Refraktärzeit“ nur bedingt ein weiteres Aktionspotential ausgelöst werden.

Ein Aktionspotential dauert etwa 1-2 Millisekunden in Nervenzellen. In einer Herzmuskelzelle kann es sogar mehrere hundert Millisekunden betragen.

Aktionspotential am Herzen

Die Grundlage der elektrischen Erregungsbildung am Herzen ist das sogenannte Aktionspotential. Es stellt die biologisch zeitlich begrenzte Veränderung einer elektrischen Spannung über der Zellmembran dar, welches in einer Muskelaktion, in diesem Fall dem Herzschlag, endet. Mit einer Dauer von etwa 200 bis 400 Millisekunden in Abhängigkeit von der jeweiligen Herzfrequenz, sprich der Anzahl der Herzschläge pro Minute, ist das Aktionspotential am Herzen länger als jenes einer Skelettmuskel- beziehungsweise Nervenzelle. Hierdurch wird das Herz vor einer Übererregung geschützt.

Ausgehend von einem gewissen Ruhepotential, einer Grundspannung von etwa minus 90 Millivolt, die an den Membranen der Zellen anliegt, durchläuft das Aktionspotential am Herzen vier Phasen der Erregungsbildung. Um die elektrische Spannung an der Außenseite der Zellen zu ändern, arbeiten unterschiedliche Ionenkanäle miteinander zusammen. Hierbei handelt es sich meist um Transporteiweiße, die sich in der Haut der Zellen befinden und unterschiedliche kleinste geladene Teilchen über ihre Membran transportieren. Dadurch wird die elektrische Spannung an der Zelle verändert und so das Aktionspotential am Herzen gebildet.

In der ersten Phase, der sogenannten Depolarisationsphase, nimmt die Transportfähigkeit für positiv geladene Natriumteilchen zu. Diese strömen nun in das Innere der Zellen und führen zu einer Zunahme der Spannung von etwa minus 90 Millivolt bis hin zu plus 30 Millivolt.

Durch Verlagerung der elektrischen Ladung in den positiven Bereich werden spezifische Calciumkanäle am Herzen geöffnet. Es kommt folglich zu einem Einstrom von Calciumteilchen in die Herzzellen. Diese zweite Phase stellt die für das Herz typische lang dauernde Plateauphase dar. Hier wird die Erregung getragen und verhindert unter anderem den Eintritt zusätzlich überflüssiger Aktionspotentiale. Es sichert die kontrollierte Pumpleistung des Herzens und schützt vor Herzrhythmusstörungen.

In der dritten Phase, der Repolarisationsphase, kehrt die elektrische Spannung langsam in Richtung des Ruhepotentials von minus 90 Millivolt zurück. Durch einen energieverbrauchenden Prozess, werden entgegen des Konzentrationsgefälles über der Zelle, aktiv die eingeströmten Natriumteilchen wieder nach draußen und ausgeströmte Kaliumteile wieder zurück in die Zelle transportiert. Und zwar solange, bis sich das ursprüngliche Ruhepotential wieder eingependelt hat. Die Zelle ist nun bereit für ein neues Aktionspotential.

Aktionspotential am Sinusknoten

Der Erregungsursprung des Aktionspotentials am Herzen liegt im sogenannten Sinusknoten. Dieser befindet sich im rechten Herzvorhof nahe der Einmündung der oberen Hohlvene, welche das Blut aus dem oberen Körperkreislauf zum Herzen transportiert.

Der Sinusknoten besteht aus modifizierten Muskelzellen, die die, für die Erregung notwendigen Aktionspotentiale entstehen lassen. Sie bilden somit den natürlichen Schrittmacher unseres Herzens. Es handelt sich hierbei um schnell erregbare Zellen mit einer Eigenfrequenz von etwa 60 bis 80 Schlägen pro Minute. Diese Eigenfrequenz lässt sich in Form des Pulses registrieren.

Von dort ausgehend nimmt das entstandene Aktionspotential über bestimmte anatomische Strukturen seinen Lauf, um in der Arbeitsmuskulatur des Herzens in einer Kontraktion, einem Herzschlag, zu münden. Die Anzahl der Schläge pro Minute kann an die Belastung des Menschen angepasst werden. Der Sympathikus, ein autonomes Nervensystem, das vor allem bei steigender Belastung aktiviert wird, führt zu einer Zunahme der eintreffenden Aktionspotentiale.
Wird das Gegenteil, der sogenannte Parasympathikus aktiviert, der vor allem in Ruhephasen des Körpers eine Rolle spielt, wird die Anzahl der Aktionspotentiale zum Herzen hin gedrosselt. Der Herzschlag verlangsamt sich. Auch Medikamente und körpereigene Hormone, wie Adrenalin, nehmen Einfluss auf dieses System.

Weitere Informationen zum Thema Aktionspotential

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Qualitätssicherung durch: Dr. Nicolas Gumpert      |     Letzte Änderung: 03.01.2018
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