Das Aktionspotential - Alles oder Nichts
9. Oktober 2018
Wie in unseren früheren Blogs (Nerven, Schmerz-Übertragung) beschrieben, werden Signale wie z.B. Schmerzen von unseren Nervenzellen erzeugt und übertragen und im Gehirn interpretiert. Doch wie funktioniert diese Signalentstehung genau, wie macht das unser Körper?
Dies geschieht mittels elektrischen Spannungsunterschieden und ist ein spannender und faszinierender Prozess:
Das Ruhe-Membranpotential
In dem wässrigen Milieu unseres Körpers befinden sich Ionen (geladene Atome). Diese können spontan entstehen, wenn Salze (z.B. Kochsalz: Natriumchlorid NaCl) in polaren Lösungsmitteln (wie Wasser H2O) gelöst werden. Es entstehen dabei positive Anionen (im Fall von Kochsalz NaCl einerseits Natriumionen Na+) und negative Kationen (andererseits Chloridionen Cl-). Auch Proteine werden in wässrigem Milieu zu negativ geladenen Kationen.
Wir haben also positive und negative elektrisch geladene Teilchen in uns.
Um es etwas abzukürzen und zu vereinfachen, hier ein paar wichtige Ionen und Facts über ihre Verteilung im menschlichen Körper:
Negative Proteinionen kommen hauptsächlich IN der Zelle vor
Positive Kaliumionen Ka+ kommen ebenfalls hauptsächlich IN der Zelle vor
Positive Natriumionen Na+ kommen hauptsächlich AUSSERHALB der Zelle vor
Unter anderem dadurch kommt es bei allen Zellen zu einem Spannungsunterschied mit einer negativen Ladung zwischen Intrazellulär- (IZR, innerhalb der Zelle) und Extrazellulärraum (EZR, ausserhalb der Zelle).
Dies ist das sogenannte Ruhemembranpotential (oder auch Gleichgewichtspotential).
Dieses Ruhepotential ist bei verschiedenen Zellen unterschiedlich gross. Bei Nerven- und Muskelzellen beträgt sie ca. -70 bis -90 mV.
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Das Aktionspotential
Durch einen externen Reiz (Neurotransmitter oder elek. Signal an die Dendriten) wird die Durchlässigkeit (die sog. Permeabilität) der Zellmembran eines Neurons erst für Natrium- und kurz danach auch für die Kaliumionen verändert; es öffnen sich Kanäle und es kommen Diffusionsprozesse zur Anwendung:
Da es beinahe keine Natriumionen in der Zelle gibt, schiessen diese positiven Na+ -Ionen (als erstes) in den IZR und die Polarität wird dadurch intrazellulär verändert. Dadurch kommt es zu einer Depolarisation der Zelle. Ist der Reiz genug gross und überschreitet die Schwellenspannung (Reizschwelle) von ca. -55mV kommt es zu einer vollständigen Depolarisation der Nervenzelle: Es kommt zu einem Aktionspotential (mit einem Over-Shoot) und einer Alles oder Nichts Antwort der Nervenzelle, wodurch die Spannung kurzzeitig auf ca. +20mV zwischen IZR und EZR ansteigt!
Die Natrium Kanäle für den Na+ Influx werden danach wieder geschlossen.
Das elektrische Signal des Aktionspotentials wird entlang des Axons der Nervenzelle weitergeleitet.
NB: Dieses Aktionspotential, also eine Signalauslösung einer Nervenzelle, wird nur ausgelöst, wenn die Reizschwelle (ca. -55 mV) eines Neurons überschritten wird. Wird die Schwelle nicht erreicht, gibt es trotzdem eine leichte Depolarisation, jedoch nicht nach dem Alles oder Nichts Prinzip und folglich ohne Aktionspotential!! Es wird somit auch kein Signal ausgelöst und weitergeleitet.
Die Repolarisation mit Hyperpolarisation
In der anschliessenden Repolarisationsphase strömen die vielen Kaliumionen durch die länger geöffneten Kanäle (als die für Natrium) weiter aus der Zelle hinaus (wo es wenig Ka+ gibt), wodurch es nach einem Aktionspotential zu einer Hyperpolarisation (auf ca. -100mV) kommt.
Danach werden durch aktive Prozesse mit Hilfe der Na-Ka-Pumpen die ursprünglichen Verteilungen wiederhergestellt (also Na+in den EZR und Ka+ in den IZR) und so relativ schnell wieder die ursprüngliche Ruhespannung von -60 bis -90 mV erreicht wird.
Durch diese Hyperpolarisation wird eine direkt-erneute Reizung mit Auslösung eines Aktionspotentials erschwert (NB: Die Reizschwelle müsste erreicht werden um ein Aktionspotential auszulösen); ein evt. ankommender Reiz müsste also stärker sein als ein normal genügender und auf normale anatomische Wiese kaum möglich! Es gibt keine körpereigenen Reize, welche eine solche Zelle in der Hyperpolarisation erregen könnte.
Dies stellt sicher, dass eine Membran nicht sofort neu erregbar ist, und führt dazu, dass das elektrische Signal an der Membran nur in eine Richtung (unidirektional) weitergeleitet werden kann, dem Axon entlang!! Dies ist ein auch ein Rückkopplungsschutz. Das Aktionspotential muss und wird in eine Richtung weitergetrieben.
Dies alles geschieht in unglaublich schnellen ca. 1-2 mS. Denn ein Nerv muss ja so schnell wie möglich wieder reizbar sein, um weitere Signale zu übermitteln. Und dies geht nur, wenn das Aktionspotential und auch die Hyperpolarisation schnell von statten geht!
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