Aktionspotential

Unter Aktionspotential (kurz AP – auch elektrische Erregung) versteht man eine vorübergehende, charakteristische Abweichung des Membranpotentials einer biologischen Zelle von ihrem Ruhepotential. Zum Verlauf eines typischen APs gehören: elektrische Auslösbarkeit mit Schwellenpotential, Refraktärzeit, Nachhyperpolarisation, und Fortleitung. Der molekulare Mechanismus eines APs besteht in der Wechselwirkung spannungsempfindlicher Ionenkanäle. Besonders gut sind Aktionspotentiale im Axon von Nervenzellen untersucht. Dort bewirken sie die schnelle Erregungsleitung auch über weite Strecken. Diese APe sind Hauptgegenstand dieses Artikels. Ähnliche Aktionspotentiale bewirken die Muskelkontraktion. Aktionspotentiale kommen aber auch in Einzellern (z. B. bei Pantoffeltierchen ^[1] und Kieselalgen ^[2]), in Algen (z. B. Armleuchteralgen ^[3]) und Gefäßpflanzen (z. B. Mimose ^[4]) vor.

Ein AP kann von etwa einer Millisekunde (in Nerven) dauern bis zu einigen Minuten (in manchen Algen). Ein AP ist ein singuläres Ereignis mit binärem Charakter. Es gibt also keine starken oder schwachen Aktionspotenziale, vielmehr sind es Alles-oder-Nichts-Reaktionen. Sie entstehen typischerweise (aber nicht ausschließlich) am Axonhügel einer Nervenzelle und wandern das Axon entlang. Die Signalstärke, oft in Abhängigkeit einer Reizstärke, wird in der Häufigkeit von Aktionspotenzialen wiedergegeben.

1952 legten Alan Lloyd Hodgkin und Andrew Fielding Huxley ein mathematisches Modell ^[5] vor, das die Entstehung des Aktionspotentials im Riesenaxon des Tintenfisches durch das Wechselspiel verschiedener Ionenkanäle erklärt und unter dem Namen Hodgkin-Huxley-Modell berühmt wurde. Für diese Entdeckung erhielten die beiden Forscher zusammen mit Sir John Carew Eccles 1963 den Nobelpreis für Medizin.

AP breiten sich auch rückwärts über den Zellkörper und die Dendriten aus. Die genaue Funktion dieser rückwärts gerichteten Weiterleitung wird noch untersucht. Axonale Ausbreitung vom Zellkörper zum Endknöpfchen wird auch orthodrom (richtig) genannt und die gegenläufige Weiterleitung antidrom.^[6]

Cytologische Grundlagen

Die Ursachen für die Ausbildung und die besonderen Eigenschaften eines Aktionspotentials sind auf die Eigenschaften verschiedener Gruppen von Ionenkanälen in der Plasmamembran der Zelle zurückzuführen. Ein anfänglicher Reiz aktiviert, sobald er eine bestimmte Schwelle erreicht (ca. −50 mV; sog. Schwellenpotential), und ohne Rücksicht darauf, wie weit er sie übersteigt, eine Kette von Öffnungs- und Schließungsvorgängen der Kanäle, die einen Ionenstrom ermöglichen und damit das Membranpotential verändern. Die Form des Aktionspotentials ist dann, unabhängig von der Stärke des auslösenden überschwelligen Reizes, immer gleichförmig. Diese Änderung des Potentials kann an der nächsten Stelle der Membran wieder eine elektrische Erregung bewirken, was die Grundlage der Erregungsleitung ist.

Beschreibung des Potentialverlaufs

Drei Potenzialverläufe nach verschieden starken Reizen (jeweils bei der Pfeilmarke). Das Ruhepotenzial liegt bei −70 mV (gestrichelte Line). Zwei unterschwellige Reize erhöhen das Membranpotenzial auf maximal −65 bzw. −60 mV. In beiden Fällen kehrt das Membranpotenzial unspektakulär auf seinen Ausgangswert zurück. Nach dem stärksten Reiz entwickelt sich ab dem Schwellwert von −55 mV die als Aktionspotenzial bezeichnete Eigendynamik.

Ausgehend vom Ruhemembranpotential, das bei Neuronen je nach Zelltyp zwischen −90 und −70 mV liegt, werden vier Phasen des Aktionspotentials unterschieden:

1. In der Initiationsphase treibt ein Reiz die negative Spannung in Richtung null (Depolarisation). Dies kann langsam oder schnell geschehen und ist unterhalb des Schwellenpotentials umkehrbar. Solch ein Reiz kann ein sich räumlich näherndes Aktionspotential sein oder ein postsynaptischer Ionenstrom.^[7]
2. Falls das Schwellenpotenzial überschritten wird, beschleunigt sich die Depolarisation stark (Aufstrich). Das Membranpotenzial wird sogar positiv (Overshoot).
3. Auf das Maximum bei +20 bis +30 mV folgt die Rückkehr in Richtung Ruhepotential (Repolarisation).
4. In vielen Neuronen wird das Ruhepotenzial zunächst unterschritten, bis z.B. −90 mV, und schließlich von negativeren Werten her erreicht. Dies wird als Hyperpolarisation oder hyperpolarisierendes Nachpotential bezeichnet. Während der Hyperpolarisation kann noch kein weiteres Aktionspotential ausgelöst werden, woraus sich die Maximalfrequenz von Aktionspotentialfeuer ergibt (der Begriff Feuern wird auch in wissenschaftlicher Literatur für das Generieren von Aktionspotentialen benutzt).

Ein Aktionspotential dauert etwa 1–2 ms in Neuronen, kann sich aber auch über einige hundert Millisekunden (im Herzen) erstrecken.

Bereits während der Repolarisation befindet sich die Zelle in der Refraktärphase. Während dieser Phase kann zunächst kein (absolute Refraktärzeit, ca. 0,5 ms) und danach nur mit erhöhtem Reiz (erhöhtes Schwellenpotential innerhalb der relativen Refraktärzeit, ca. 3,5 ms) ein weiteres Aktionspotential erzeugt werden.

Ursachen des Aktionspotentials

Die Erklärung setzt das Verständnis der im Artikel zum Ruhemembranpotential vorgestellten Entstehung eines Ruhemembranpotentials voraus. Kurz zusammengefasst sind folgende Faktoren für das Ruhemembranpotential verantwortlich:

• chemische- und elektrische Gradienten von Ionen
• Selektive Permeabilität von Ionenkanälen.
• Ionenpumpen - insbesondere Natrium-Kalium-Pumpen

Eigenschaften der Ionenkanäle

Wie im Artikel über das Ruhemembranpotential beschrieben, verfügen Zellen über eine Reihe von Ionenkanälen. Für das tierische Aktionspotential sind vor allem bestimmte für Natrium- bzw. Kalium-Ionen spezifische Ionenkanäle verantwortlich. Diese Kanäle öffnen sich in Abhängigkeit vom Membranpotential, d. h. sie sind spannungsaktiviert. In Ruhe ist das Membranpotential negativ.

So ist beispielsweise ein spannungsabhängiger Natriumkanal (Na_v-Kanal) (aufgrund seiner Eigenschaft auch als schneller Natriumkanal bezeichnet) beim Ruhemembranpotential geschlossen und aktivierbar. Bei Depolarisation über einen kanalspezifischen Wert erfolgt eine Konformationsänderung. Der Kanal wird dadurch durchlässig für Ionen und geht in den Zustand offen über. Der Kanal bleibt aber trotz anhaltender Depolarisation nicht offen, sondern wird innerhalb weniger Millisekunden unabhängig vom Membranpotential wieder geschlossen. Das geschieht meist durch einen im Zytoplasma liegenden Teil des Kanalproteins, die Inaktivierungsdomäne, die sich gleich einem „Stöpsel“ in den Kanal setzt und diesen verstopft. Diesen Zustand bezeichnet man als geschlossen und inaktiviert. Der Übergang in den Zustand geschlossen und aktivierbar ist nur nach einer Hyperpolarisation (oder vollständiger Repolarisation bei Herzmuskelzellen) möglich, der Übergang vom Zustand geschlossen und inaktiviert zum Zustand offen ist im vereinfachten Modell nicht möglich.

In der Literatur wird auch beschrieben, dass ein geschlossener und inaktivierter Kanal nach Repolarisierung zunächst kurzzeitig im Zustand offen vorliegt, bevor er durch die Konformationsänderung direkt nach geschlossen aktivierbar übergeht. In jedem Fall erfolgt die Wiederaktivierung nur nach einer Hyperpolarisation (oder vollständiger Repolarisation bei Herzmuskelzellen), ein Übergang inaktiviert nach offen ist bei depolarisierter Membran nicht möglich.

Nicht alle Kanäle öffnen sich gleichzeitig bei demselben Wert des Membranpotentials. Vielmehr ist die Wahrscheinlichkeit eines Kanals, in einen bestimmten Zustand überzugehen, spannungsabhängig. Aus der rein statistischen Verteilung stellt sich ein Gleichgewicht ein, so dass eine größere Zahl von Kanälen in der Summe sehr gut das oben geschilderte Modell erfüllt.

Auch ist der Zeitaufwand, um von einem Zustand in den anderen überzugehen, kanalspezifisch. Im geschilderten Natriumkanal läuft die Konformationsänderung von geschlossen nach offen in weniger als einer Millisekunde ab, während ein vergleichbarer Kaliumkanal Zeit in der Größenordnung von 10 ms benötigt.

Abgesehen von der Spannung gibt es noch eine Reihe weiterer, oft chemische Faktoren zum Öffnen bzw. Schließen der Kanäle. Für das Aktionspotential sind davon nur noch zwei von gewisser (siehe unten) Bedeutung. Zum einen sind die einwärtsgleichrichtenden Kaliumkanäle (K_ir) zwar an sich nicht regelbar. Es gibt jedoch niedermolekulare, positiv geladene Stoffe wie das Spermin, die bei ausreichender Depolarisation die Kanalporen verstopfen können (Kanalblock, Porenblock). Ein weiterer Mechanismus betrifft Kaliumkanäle, die öffnen, wenn intrazellulär Calciumionen (normalerweise intrazellulär in sehr niedriger Konzentration) an sie binden.

Ablauf des Aktionspotentials

Ausgangslage

In der Ausgangslage befindet sich die Zelle in Ruhe und weist ihr Ruhemembranpotential auf. Die Natriumkanäle sind nahezu alle geschlossen, nur bestimmte Kaliumkanäle sind geöffnet, die Kaliumionen bestimmen das Ruhemembranpotential. Bei allen Ionenbewegungen wird Richtung und Stärke durch die elektrochemischen Triebkräfte für die jeweiligen Ionen bestimmt. Vor allem Natriumionen strömen schnell in die Zelle, sobald sich die Kanäle dafür öffnen.

Initiationsphase

Unterschiedliche Ionenverteilung im Neuron während Aktionspotentials.

Während der Initiationsphase muss durch einen Reiz das Membranpotential zunehmen, bis die Depolarisation einen bestimmten Schwellenwert erreicht. Das kann durch die Öffnung von postsynaptischen Ionenkanälen (Na⁺, Ca²⁺) oder durch ein elektrotonisch weitergeleitetes (Aktions)potential aus einer benachbarten Membranregion geschehen.

Erhöht sich das Membranpotential um 20 mV (beispielsweise von −70 auf −50 mV), tritt der Porenblock der K_ir-Kanäle durch Spermin ein, was die nachfolgende sehr schnelle Depolarisation und das Erreichen des Schwellenwerts der Natriumkanäle ermöglicht, die sonst durch ausströmende Kaliumionen, die in Richtung des Ruhepotentials wirken würden, zumindest vermindert würden.

Aufstrich und Overshoot

Bei −60 mV fangen die spannungsabhängigen Natriumkanäle Na_V an, in den offenen Zustand überzugehen. Natriumionen, die mit ihrer hohen Außenkonzentration weit von ihrem elektrochemischen Gleichgewicht entfernt sind, strömen ein, die Zelle depolarisiert, dadurch werden weitere spannungsempfindliche Kanäle geöffnet; noch mehr Ionen können einströmen: Der schnelle Aufstrich führt zum Overshoot (Umpolarisierung). Die „explosionsartige“ Depolarisierung nach Überschreiten des Schwellenwerts beruht auf positiver Rückkopplung.

Beginn der Repolarisation

Noch bevor das Potentialmaximum erreicht ist, beginnen die Na_V-Kanäle zu inaktivieren. Zugleich kommen die spannungsabhängigen Kaliumkanäle K_V ins Spiel; K⁺-Ionen strömen aus der Zelle heraus. Sie haben zwar ihre Schwelle bei ähnlichen Werten, brauchen aber wesentlich länger für das Öffnen, womit sie jetzt erst langsam beginnen. Während des Maximums der Na-Leitfähigkeit sind die Kaliumkanäle gerade erst zur Hälfte geöffnet und erreichen ihr Maximum, wenn fast alle Na-Kanäle schon inaktiviert sind. Dadurch liegt das Na-Maximum etwas vor dem Spannungsmaximum, während das K-Maximum in die Phase der steilsten Repolarisation fällt.

Repolarisation

Während der Repolarisation nähert sich das Potential wieder dem Ruhepotential an. Die K_V schließen, der Porenblock der K_ir wird aufgehoben, was wichtig für die Stabilisierung des Ruhepotentials ist. Die Na_V-Kanäle werden langsam wieder aktiviert.

Nachhyperpolarisation

In vielen Zellen (vor allem Neuronen) ist noch eine Hyperpolarisation zu beobachten. Sie erklärt sich durch eine auch weiterhin noch erhöhte Kaliumleitfähigkeit, wodurch das Potential noch näher am Kaliumgleichgewichtspotential liegt. Die Leitfähigkeit ist höher, weil während des Aktionspotentials eingeströmte Calciumionen entsprechende Kaliumkanäle öffnen, und normalisiert sich erst, wenn der Calciumspiegel wieder absinkt. Auch eine erhöhte Pumprate der Natrium-Kalium-Pumpe kann einen Beitrag zur Hyperpolarisation leisten.

Refraktärzeit

Nach dem Abklingen des Aktionspotentials ist das Axon für eine kurze Zeit nicht mehr erregbar. Bei den Arbeitsmyokardzellen des Herzens ist diese Phase – dort auch „Plateauphase“ genannt – besonders lang, was auf den sog. „langsamen Calcium-Einstrom“ zurückgeführt wird. (Dieser Umstand ist wichtig, um ein „Zurücklaufen“ der Erregung zu verhindern (Unidirektionalität)). Diese Dauer, die Refraktärzeit, ist bestimmt durch die Zeit, die die Na_V zur Wiederaktivierung benötigen. Während der absoluten Refraktärphase kurz nach dem Overshoot, wenn die Repolarisation noch im Gange ist, können diese Kanäle überhaupt nicht wieder öffnen. Man sagt auch, der Schwellenwert liegt bei unendlich. Während der relativen Refraktärphase benötigt man stärkere Reize und erhält schwächere Aktionspotentiale. Hier bewegt sich der Schwellenwert von unendlich wieder auf seinen normalen Wert zu.

Schwellenpotential

Meist wird für die Auslösung eines Aktionspotentials das Überschreiten eines bestimmten Schwellenpotentials verantwortlich gemacht, ab dem die Natriumkanäle nach Art eines internen Vergleiches lawinenartig aktiviert werden. Trotz aller Bemühungen eine solche Feuerschwelle zu finden, kann kein fester Spannungswert angegeben werden, der ein Aktionspotential bedingt. Stattdessen feuern Neurone unter einem relativen breiten Band von auslösenden Membranspannungen. Daher ist die Neurowissenschaft von der Vorstellung eines festen Schwellenpotentials abgekommen. Systemtheoretisch lässt sich die Entstehung des Aktionspotentials am ehesten durch eine Bifurkation zwischen passiver und Aktionspotentialdynamik, wie es beispielsweise beim Hodgkin-Huxley-Modell der Fall ist, beschreiben. Trotzdem ist es, auch in der Fachliteratur, durchaus üblich, weiterhin von einer Feuerschwelle zu sprechen, um den grauen Bereich zwischen Ruhe und Aktionspotential zu kennzeichnen.

Besondere tierische Aktionspotentiale

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Außer durch spannungsaktivierte Natriumkanäle können Aktionspotentiale im Herzmuskel oder in Purkinjezellen durch spannungsaktivierte Calciumkanäle ausgelöst werden.

Pflanzliche Aktionspotentiale

Prinzipiell sind Zellen von Pflanzen und Pilzen^[8] auch elektrisch erregbar. Der Hauptunterschied zum tierischen Aktionspotential besteht darin, dass die Depolarisierung nicht durch Eintritt von positiven Natriumionen geschieht, sondern durch Ausfluss von negativen Chloridionen ^{[9] [10] [3]}. Zusammen mit dem darauffolgenden Ausfluss von positiven Kaliumionen, der gleichermaßen in tierischen wie in pflanzlichen Zellen die Repolarisierung bewirkt, bedeutet dies für Pflanzenzellen einen osmotischen Verlust an Salz (KCl), wohingegen das tierische Aktionspotential durch gleiche Mengen von Natriumeinstrom und Kaliumausstrom in der Summe osmotisch neutral ist. Die Koppelung von elektrischen und osmotischen Ereignissen beim pflanzlichen Aktionspotential ^[11] legt nahe, dass elektrische Erregbarkeit bei den gemeinsamen, einzelligen Vorfahren von Tier- und Pflanzenzellen der Regulierung des Salzhaushalts unter veränderlichen Salinitätsbedingungen diente, während die osmotisch neutrale Fortleitung von Signalen durch tierische Vielzeller mit nahezu konstanter Salinität eine evolutionär jüngere Errungenschaft darstellt.^[12] Demnach hat sich die Signalfunktion von Aktionspotentialen in einigen Gefäßpflanzen (beispielsweise Mimosa pudica) unabhängig von derjenigen in tierischen Zellen herausgebildet.

Einzelnachweise

Quellen

• Stefan Silbernagl, Agamemnon Despopoulos: Taschenatlas der Physiologie, 2003, Thieme Verlagsgruppe, ISBN 3-13-567706-0 (6. Auflage)

Weblinks

• Informationsvermittlung durch elektrische Erregung – Artikel zur axonalen Weiterleitung eines AP bei zytologie-online.net
• AP oder das Aktionspotential – Prinzip des AP in Wort und Animation bei fsbio-hannover.de

Animationen und Videos

• Aktionspotenzial Fortleitung – Flash-Animation in 4 Stufen bei informatik.uni-ulm.de
• Ionenströme bei einem Aktionspotenzial – Flash-Animation zum Ablauf eines AP bei u-helmich.de
• Aktionspotential – detailliertes Video über das AP bei youtube
• Aktionspotential- Weiterleitung – Video über die Weiterleitung des AP über das Axon bei youtube