Physiologie des Aktionspotenzials und der Synapsen

Grundlagen des Aktionspotenzials

Ein Aktionspotenzial ist ein elektrisches Signal in Neuronen. Es beschreibt die Veränderung des Membranpotenzials von einem negativen zu einem positiven Wert. Nur Zellen mit der Eigenschaft der Erregbarkeit können Aktionspotenziale generieren. Diese Zellen sind in der Lage, die Membranleitfähigkeit durch elektrische Ströme zu ändern und so zu kommunizieren.

Messung und Signalübertragung

Ein Oszilloskop dient zur Messung des Aktionspotenzials; es verstärkt das Signal und speichert die elektrische Aktivität der Zellen. Nervenzellen kommunizieren miteinander sowie mit anderen Zellen durch elektrische und chemische Signale. Diese Signale werden durch Proteinstrukturen ermöglicht, die sogenannten Ionenkanäle.

Ionenkanäle und Transportmechanismen

Aktionspotenziale werden zeitlich begrenzt generiert, da sich die Zelle zeitweise im Ruhezustand befindet. Dies hängt von der Durchlässigkeit der Membran für Ionen ab.

• Natrium-Kalium-Pumpe (Na+/K+-ATPase): Aktiver Transport, bei dem Ionen gegen den Konzentrationsgradienten unter Verbrauch von ATP bewegt werden.
• Ionenkanäle: Transmembranproteine in der Zellmembran, die passiv entlang des Gradienten wirken.
• Ligandengesteuerte Kanäle: Diese Kanäle werden durch chemische Reize (Neurotransmitter) aktiviert.
• Spannungsgesteuerte Kanäle: Öffnen sich bei einer Änderung der elektrischen Spannung (z. B. von -70 mV auf -50 mV).
• Mechanisch gesteuerte Kanäle: Öffnen sich durch mechanische Reize oder Dehnung der Membran.
• Phosphorylierungsabhängige Kanäle: Enzyme im Zytoplasma (Kinasen) fügen Phosphatgruppen ein, um Kanäle zu öffnen oder zu schließen (Phosphatase).

Pharmakologische Einflüsse

Ein Agonist ist eine exogene Substanz (z. B. ein Medikament), die die Wirkung eines Neurotransmitters imitiert. Ein Antagonist blockiert die Wirkung und verhindert das Öffnen der Kanäle. Irreversible Antagonisten (z. B. Gifte von Skorpionen oder Schlangen) blockieren Ionenkanäle dauerhaft und führen zu Lähmungen.

Phasen und Schwellenwerte

Das Gleichgewichtspotenzial für Kalium liegt bei etwa -92,3 mV. Die Natrium-Kalium-Pumpe und die Kalium-Leckkanäle halten das Membranpotenzial stabil.

• Depolarisation: Einstrom von Natrium, die Membran wird positiver.
• Repolarisation: Ausstrom von Kalium zur Wiederherstellung des Gleichgewichts.
• Hyperpolarisation: Die Membran wird negativer als das Ruhepotenzial.
• Reizschwelle: Der kleinste Wert, der benötigt wird, um Natriumkanäle zu öffnen.
• Refraktärzeit: Zeitraum, in dem kein neues Aktionspotenzial ausgelöst werden kann (absolut) oder ein stärkerer Reiz nötig ist (relativ).

Synaptische Kommunikation

Die Erregbarkeit ermöglicht es dem Neuron, elektrische Signale über das Axon zu verbreiten. Man unterscheidet verschiedene Signalwege:

• Parakrine Signale: Kurzstreckenkommunikation zu benachbarten Zellen (chemische Synapse).
• Autokrine Signale: Die freigesetzte Substanz wirkt auf die Zelle selbst.
• Elektrische Synapsen: Direkte Verbindung zwischen Zellen, Moleküle passieren direkt das Zytoplasma.
• Chemische Synapsen: Übertragung via Neurotransmitter über den synaptischen Spalt.

Bei einer Synapse strömt Kalzium ein, woraufhin Vesikel mit dem aktiven Bereich verschmelzen und ihren Inhalt freigeben (Exozytose). Die Neurotransmitter wirken auf die postsynaptische Zelle. Anschließend werden die Vesikel durch Endozytose (unter Beteiligung von Clathrin) recycelt.