Helmichs Biologie-Lexikon

Aktionspotenzial, Phasen

Phasen eines Aktionspotenzials

Hier sehen Sie die einzelnen Phasen eines Aktionspotenzial. Natürlich ist diese Einteilung rein willkürlich, die Übergänge zwischen den einzelnen Phasen erfolgen kontinuierlich.

Phase 1: Ruhepotenzial

Die Zellmembran der Nervenzelle befindet sich im Ruhezustand. Sie ist auf der Innenseite negativ geladen, auf der Außenseite positiv. Bei den meisten Zellen kann man ein Ruhepotenzial zwischen -60 und -90 mV messen. Weitere Einzelheiten siehe "Zustandekommen des Ruhepotenzials".

Phase 2: Unterschwellige Depolarisierung

Durch irgendwelche Reize kommt es zum Öffnen einiger weniger Natrium-Kanäle in der Membran des Axons, und ein paar Natrium-Ionen strömen in die Zelle ein. Dadurch wird die Membran leicht depolarisiert. Bei diesen Reizen kann es sich um Informationen aus der Umwelt des Lebewesens handeln, um chemische Stoffe, die von anderen Zellen abgegeben werden, manchmal einfach auch nur um zufällige Temperaturschwankungen und Ähnliches, von "Reizen" kann man dann eigentlich gar nicht mehr sprechen. Die Nervenzelle besitzt bestimmte Mechanismen, mit denen die eingeströmten Natrium-Ionen wieder nach außen transportiert werden, und alles ist gut, es herrscht wieder das normale Ruhepotenzial.

Phase 3: Überschwellige Depolarisierung

Wird die Zelle stärker und/oder öfter gereizt, strömen mehr Natrium-Ionen in die Zelle. Angetrieben werden die Natrium-Ionen durch zwei Kräfte: Erstens herrscht ein starker Na+-Konzentrationsgradient von Außen nach Innen, und zweitens ist die Membraninnenseite negativ geladen, was die positiven Natrium-Ionen zusätzlich elektrisch anzieht.

Durch das Einströmen der Natrium-Ionen wird die Axonmembran depolarisiert. Sobald das Membranpotenzial einen gewissen Schwellenwert überschreitet, öffnen sich sogenannte elektrisch gesteuerte Natrium-Kanäle. Wie das genau funktioniert, wird auf einer speziellen Vertiefungsseite erläutert (noch in Arbeit!). Das Öffnen dieser elektrisch gesteuerten Natrium-Kanäle bewirkt, dass jetzt noch mehr Natrium-Ionen in die Zelle einströmen. Die Membran wird noch stärker depolarisiert, was zur Folge hat, dass sich noch mehr Natrium-Kanäle öffnen und so weiter. Es handelt sich hier um eine positive Rückkopplung, die auf einer anderen Vertiefungsseite näher erläutert wird.

Phase 4: Peak

Das Membranpotenzial hat seinen maximalen Wert von ca. +30 bis +40 mV erreicht. Die genaue Höhe dieses Wertes hängt von mehreren Faktoren ab, zum Beispiel der Konzentration der Natrium-Ionen im Außenmedium, der Konzentration der Kalium-Ionen im Innenraum und so weiter. Die elektrisch gesteuerten Natrium-Kanäle sind jetzt alle geschlossen, es können keine Natrium-Ionen mehr in die Zelle einströmen.

Phase 5: Repolarisierung

Neben den elektrisch gesteuerten Natrium-Kanälen gibt es auch jede Menge elektrisch gesteuerter Kalium-Kanäle in der Membran des Axons. Diese Kalium-Kanäle öffnen sich gleichzeitig mit den Natrium-Kanälen, aber etwas langsamer als diese. Es dauert daher länger, bis sich alle Kalium-Kanäle geöffnet haben.

Das Öffnen der Kalium-Kanäle führt dazu, dass Kalium-Ionen aus dem Zellinnern nach außen strömen. Auch die Kalium-Ionen werden durch zwei Kräften nach Außen getrieben: Erstens herrscht ein K+-Konzentrationsgradient von Innen nach Außen, zweitens ist die Innenseite der Membran während dieser Phase positiv geladen, die Kalium-Ionen werden also von der Innenseite abgestoßen.

Phase 6: Hyperpolarisierung

Da mehr Kalium-Ionen von Innen nach Außen geströmt sind als zuvor Natrium-Ionen von Außen nach Innen, ist die Axonmembran auf der Innenseite jetzt sogar noch negativer als im Ruhezustand.

Phase 7: Wiederherstellung des Ruhepotenzials

Im Zellplasma befinden sich jetzt viel zu viele Natrium-Ionen, während Kalium-Ionen fehlen. Eine besonderes Protein, nämlich die ATP-getriebene Natrium-Kalium-Pumpe, sorgt jetzt dafür, dass überschüssige Natrium-Ionen nach außen gepumpt werden. Gleichzeitig werden Kalium-Ionen von Außen nach Innen transportiert.

Phase 8: Ruhepotenzial

Wenn die ursprünglichen Konzentrationsverhältnisse durch die Natrium-Kalium-Pumpe wiederhergestellt sind, liegt das Membranpotenzial wieder im Bereich des Ruhepotenzials.