Aktionspotential und Erregungsleitung bei Nervenzellen

Aktionspotential: Phasen

A: Depolarisation und Potentialumkehr: Ein überschwelliger Reiz führt zur Öffnung der spannungsabhängigen Na⁺-Ionenkanäle. Na⁺-Ionen strömen ins Axoninnere, wodurch das Membranpotential depolarisiert wird. Diese Depolarisation bewirkt die weitere Öffnung von Na⁺-Kanälen und einen weiteren Einstrom. Nach etwa 1 ms kommt es zur Potentialumkehr.

B: Repolarisation: Zeitverzögert öffnen sich die spannungsabhängigen K⁺-Ionenkanäle, und K⁺-Ionen strömen aus dem Axon aus. Gleichzeitig sinkt die Na⁺-Permeabilität der Axonmembran, d. h. die Na⁺-Kanäle schließen sich. Das Membranpotential wird wieder negativ.

C: Hyperpolarisation: Die K⁺-Permeabilität sinkt nur langsam, sodass der K⁺-Ausstrom etwas länger anhält. Das Membranpotential sinkt dadurch unter das Ruhepotential (-80 mV) ab.

D: Rückkehr zum Ruhepotential: Die Na-K-Pumpe stellt die ursprüngliche Ionenverteilung wieder her, d. h. K⁺-Ionen werden ins Axon und Na⁺-Ionen aus dem Axon transportiert. Insgesamt ist die Zahl der während eines Aktionspotentials gewanderten Ionen gering, sodass die Na-K-Pumpe schnell wieder einen Ausgleich schaffen kann.

Refraktärzeiten

Relative Refraktärzeit: Zeitspanne nach einem Aktionspotential, in der nur Aktionspotentiale mit verminderter Amplitude ausgelöst werden können.

Absolute Refraktärzeit: Zeitspanne, in der überhaupt keine Aktionspotentiale mehr ausgelöst werden können. Sie begrenzt die Folgefrequenz von Aktionspotentialen auf etwa 500 Impulse pro Sekunde.

Weiterleitung von Aktionspotentialen

Kontinuierliche Erregungsleitung: In marklosen Nervenfasern depolarisiert eine erregte Stelle die Nachbarstelle durch Ionenverschiebung (Kreisströmchen). An den unerregten Membranstellen wird dadurch das Aktionspotential erniedrigt. Spannungsgesteuerte Na⁺-Kanäle öffnen sich und lassen ein neues Aktionspotential entstehen. Die Richtung der Erregungsströme wird durch die Refraktärphasen bestimmt.

Saltatorische Erregungsleitung: In markhaltigen Nervenfasern wirkt das Myelin isolierend. Im Bereich der Schwann-Zellen findet man kaum Na⁺-Kanäle. Aktionspotentiale können nur an den Ranvierschen Schnürringen (Abstand 1–3 mm) entstehen. Die Erregung springt durch Ionenwanderung (Kreisströmchen) zwischen den erregten benachbarten Schnürringen von Schnürring zu Schnürring.

Vorteile der saltatorischen Erregungsleitung

• Höhere Leitungsgeschwindigkeit von 50–100 m/s; schnellere Reaktionen bieten einen Überlebensvorteil.
• Material- und Platzersparnis, da auch dünne myelinisierte Axone eine hohe Leitungsgeschwindigkeit haben.
• Energieersparnis, da die energieverbrauchende Na-K-Pumpe nur an den Ranvierschen Schnürringen arbeiten muss.