Messung von Aktionspotenzialen

Auf dieser Seite wird kurz erklärt, wie man Aktionspotenziale messen kann. Das man dazu genau wie beim Ruhepotenzial eine Messelektrode und eine Referenzelektrode benötigt, sollte wohl klar sein, außerdem einen Verstärker und ein Gerät, das schließlich die gemessenen Werte anzeigt. Beim Ruhepotenzial reichte hierzu noch ein einfacher Voltmeter, weil das Ruhepotenzial sich ja idealerweise im Laufe der Zeit nicht verändert. Beim Aktionspotenzial dagegen verändert sich die Spannung innerhalb von einer oder zwei Millisekunden von -70 mV auf +30 oder sogar +40 mV. Da reicht ein einfaches Voltmeter nicht mehr aus, man benötigt ein sogenanntes Oszilloskop.

Intrazelluläre Messung eines Aktionspotenzials
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Im Prinzip besteht ein solches Oszilloskop aus einem Leuchtschirm, über den von links nach rechts ein Elektronenstrahl wandert. Die Quelle dieses Strahls ist mit Elektromagneten ausgestattet, die den Strahl nach oben oder unten ablenken können, je nach angelegter Spannung. In unserem Beispiel lassen Depolarisationen des Membranpotenzials den Strahl nach oben ausschlagen, Re- und Hyperpolarisierungen nach unten.

Bei der Messung von Aktionspotenzialen gibt es grundsätzlich zwei Methoden, die extrazelluläre und die intrazelluläre Ableitung.

Intrazelluläre Ableitung

Hier wird ähnlich verfahren wir beim Ruhepotenzial. Eine extrem dünn ausgezogene Glasröhre ist mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit gefüllt und mit einem Kabel mit dem Oszilloskop verbunden. Die Spitze dieser Messelektrode (M) wird in die Zelle gestochen. Ein einfacher Draht wird ins Außenmedium gehalten und dient als Referenzelektrode (R).

Auf diese Weise kann man leicht Depolarisierungen und Hyperpolarisierungen der Membran messen. Mit einem Oszilloskop erhält man dann Bilder von Aktionspotenzialen, wie sie in jedem Schulbuch stehen (siehe auch Abb. 1).

Extrazelluläre Ableitung

Dieses Verfahren kommt mit zwei einfachen Elektroden aus. Beide Elektroden werden in das Außenmedium gehalten, die Messelektrode möglichst nahe der Membran.

Extrazelluläre Messung eines Aktionspotenzials
Autor: Ulrich Helmich 2022, Lizenz: siehe Seitenende

Im Ruhezustand der Zelle wird keine Spannung bzw. kein Stromfluss angezeigt.

In der Depolarisierungsphase des Aktionspotenzials fließen nun plötzlich positive Ladungen (Na⁺) in die Zelle, im Außenmedium wird es also negativer. Der Elektronenstrahl des Oszilloskops wird nach unten abgelenkt.

In der Repolarisierungsphase fließen positive Ladungen (K⁺) in das Außenmedium. Die negative Ladung im Außenmedium verschwindet, und es wird für kurze Zeit sogar positiv. Der Elektronenstrahl wird nach oben abgelenkt.

Wenn sich dann das Ruhepotenzial wieder einstellt, wird das Außenmedium wieder neutral, und der Elektronenstrahl befindet sich in seiner ursprünglichen Position.

Der Vorteil dieser extrazellulären Messung ist, dass sie einfacher durchzuführen ist als die intrazelluläre und dass man das Einströmen der Natrium- und das Ausströmen der Kalium-Ionen regelrecht "sehen" kann.