Aktionspotential

Aktionspotential, Impuls, spike, kurzzeitige Ladungsumkehr der Membranen von Zellen (außen negativ, innen positiv); kann v.a. bei Nerven-, Sinnes-, Muskel- und manchen Pflanzenzellen als Antwort auf einen Reiz entstehen. Bei Nervenzellen entsteht das A. an der Axonmembran. Durch einen Reiz wird lokal das Ruhepotential depolarisiert, d.h. erniedrigt. Die Höhe der Depolarisation nimmt dabei mit der Reizstärke zu. Nach Beendigung des Reizes bildet sich die Depolarisation, die auf den Ort ihrer Entstehung beschränkt bleibt, zurück. Nur wenn die Depolarisation einen bestimmten Schwellenwert erreicht (das Membranpotential z.B. unter ca. -50 mV sinkt), kommt es zum A. (Alles-oder-Nichts-Regel). Die Entstehung des A. beruht darauf, dass sich die Na⁺-Kanäle in der Axonmembran beim Schwellenwert spannungsgesteuert öffnen. Dadurch strömen Na⁺-Ionen ins Zellinnere, was wiederum die Depolarisation verstärkt und zur Öffnung weiterer Na⁺-Kanäle führt. Das Einströmen weiterer Na⁺-Ionen sorgt schließlich dafür, dass die Membran aufgrund eines Überschusses an positiver Ladung umpolarisiert wird: innen positiv, außen negativ. Bereits nach 1 ms kommt es zur Repolarisation, zur Beendigung des A., weil sich a) die Na⁺-Kanäle wieder schließen und b) sich zeitlich verzögert die spannungsgesteuerten K⁺-Kanäle öffnen,

was zum K⁺-Ausstrom aus der Zelle führt. Anschließend stellt die Na⁺/Ka⁺-Pumpe (⇒ Ionenpumpen) das Ruhepotential wieder her. Erst jetzt kann, nach einer Refraktärzeit, in der die Membran nicht erregbar ist, durch eine Reizung erneut ein A. ausgelöst werden. Bei Sinneszellen (Rezeptoren) kann ein A. durch ein als Antwort auf einen Reiz gebildetes ⇒ Rezeptorpotential, das sich passiv ausbreitet, ausgelöst werden. Das A. erreicht immer die gleiche Höhe (Alles-oder-Nichts-Regel). Die Intensität eines Reizes wird durch die Frequenz der A. codiert: Je stärker ein Reiz ist, desto mehr A. findet man pro Zeiteinheit. Tetrodotoxin, das Gift eines ostasiatischen Kugelfischs, blockiert ebenso wie Lokalanästhetika die spannungsgesteuerten Na⁺-Kanäle; es können daher keine A. mehr gebildet werden. Das A. wird entlang der Nerven- oder Muskelfaser fortgeleitet: ⇒ Erregungsleitung.

    Auch bei Pflanzen kann es als Antwort auf einen Reiz zu einem A. kommen. Der Vorgang entspricht im Wesentlichen dem bei tierischen Nerven- und Muskelzellen. Er beruht auf einer vorübergehenden verstärkten Permeabilität der Membran für Cl^--Ionen, die deshalb aus der Zelle strömen; dadurch wird die Innenseite schließlich positiv. Da in der Folge auch verstärkt K⁺-Ionen ausströmen, kommt es zur Repolarisation.