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18.9: Aktionspotenziale
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Aktionspotenziale
 

PROTOKOLLE

18.9: Aktionspotenziale

Überblick

Neuronen kommunizieren durch das Abfeuern von Aktionspotentialen. Dabei handelt es sich um elektrochemische Signale, die sich entlang des Axons ausbreiten. Diese Signale führen zur Freisetzung von Neurotransmittern an den Axon-Terminals. So werden Informationen durch das Nervensystem übertragen. Ein Aktionspotential ist eine spezifische “Alles-oder-nichts”-Änderung des Membranpotentials, die zu einer schnellen Spannungsspitze führt.

Das Membranpotenzial in Neuronen

Neuronen haben typischerweise ein Ruhemembranpotential von etwa-70 Millivolt (mV). Wenn sie Signale, z.B. von Neurotransmittern oder Sinnesreizen, empfangen, kann ihr Membranpotential je nach Art des Reizes hyperpolarisieren (negativer werden) oder depolarisieren (positiver werden).

Wenn die Membran bis zu einem bestimmten Schwellenpotential depolarisiert wird, öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle (Na+) als Reaktion darauf. Na+ weist dann außerhalb der Zelle eine höhere Konzentration als innerhalb der Zelle auf, so dass es beim Öffnen der Kanäle einströmt und sich in seinem elektrochemischen Gradienten nach unten bewegt. Wenn positive Ladung einströmt, wird das Membranpotential noch stärker depolarisiert. Das öffnet wiederum weitere Kanäle öffnet. Dadurch steigt das Membranpotential schnell auf einen Spitzenwert von ca. +40 mV an.

An der Spitze des Aktionspotentials wird das Potential durch mehrere Faktoren wieder nach unten reguliert. Der Zufluss von Na+ verlangsamt sich, weil die Na+ Kanäle beginnen, sich zu inaktivieren. Wenn das Innere der Zelle positiver wird, gibt es weniger elektrische Anziehung, welche die Na+-Ionen nach innen zieht. Die anfängliche Depolarisation löst auch die Öffnung von spannungsgesteuerten Kaliumkanälen (K+) aus, die sich jedoch langsamer öffnen als die Na+ Kanäle. Sobald diese K+ Kanäle sich während des Spitzenwertes des Aktionspotentials öffnen, strömt K+ aus der Zelle und senkt seinen elektrochemischen Gradienten. Der reduzierte Zufluss positiver Ladung von Na+ kombiniert mit dem Abfluss positiver Ladung von K+ senkt das Membranpotential schnell ab.

Für eine kurze Zeit nach einem Aktionspotential ist die Membran im Vergleich zum Ruhepotential hyperpolarisiert. Dies wird als Refraktärzeit bezeichnet. In dieser Zeit ist die Zelle nicht in der Lage, ein neues Aktionspotential zu erzeugen. So wird verhindert, dass sich das Aktionspotential in einer Zelle rückwärts bewegt.

Myelinscheiden erhöhen die Leitfähigkeit

Spezialisierte Gliazellen verlängern lange Fortsätze, die sich um neuronale Axone wickeln. Im ZNS sind das Oligodendrozyten, während es imPNS Schwann-Zellen sind. Diese Umwicklung sorgt für eine Isolierung, die das Austreten des Stroms auf seinem Weg entlang des Axons verhindert. Zusätzlich werden die elektrischen Signale durch passiven, positiven Stromfluss in den myelinisierten Regionen nach unten in die myelinisierten Axone weitergeleitet. Spannungsgesteuerte Na+und K+Kanäle finden sich nur in den Lücken zwischen dem Myelin, an den Ranver-Schnürringen. Dort lösen sie die Regeneration des Aktionspotentials an jedem Knoten aus. Auf diese Weise erscheint es, als würde das Aktionspotential am Axon an den Knoten “herunterspringen”. Dieser Prozess heißt saltatorische Erregungsleitung.

Die gigantischen Nerven des Tintenfisches

John Z. Young, ein Zoologe und Neurophysiologe, entdeckte, dass der Tintenfisch Nervenzellen mit Axonen besitzt, die viel breiter sind als die Neuronen von Säugetieren. Diese Nerven steuern schnelle Fluchtmanöver, die durch die schnelleren Aktionspotentiale, die nur durch die größeren Axonen ermöglicht werden, erleichtert werden. Der größere Durchmesser der Axone ermöglichte erste Studien und Beschreibungen der ionischen Mechanismen, die an einem Aktionspotential beteiligt sind. Die Pionierarbeit an dem Riesennerv des Atlantischen Kalmars wurde in den 1950er Jahren von Alan Hodgkin und Andrew Huxley geleistet. Gemeinsam beschrieben sie die Permeabilität der axonalen Membranen für Natrium-und Kaliumionen und konnten das Aktionspotential anhand ihrer Elektrodenaufzeichnungen quantitativ rekonstruieren.


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