Aktionspotenzial – Grundlage der Informationsweiterleitung

Aktionspotenzial – Grundlage der Informationsweiterleitung Übung

• Benenne die Membranpotentiale einer menschlichen Nervenzelle.

  Tipps

  Das Ruhepotential einer menschlichen Nervenzelle liegt bei etwa - 70 mV.

  Bei einem Aktionspotential kommt es zu einer kurzfristigen Änderung der elektrischen Spannung an der Membran einer Nervenzelle von etwa - 70 mV auf + 30 mV.

  Hier siehst du einen unterschwelligen Reiz an der Membran einer Nervenzelle. Ein Aktionspotential kann nur durch einen überschwelligen Reiz ausgelöst werden. Der Schwellenwert wird oft durch eine gestrichelte Linie gekennzeichnet.

  Lösung

  Das Ruhepotential einer menschlichen Nervenzelle liegt bei etwa - 70 mV.
  
  Reizt man das Axon einer Nervenzelle in einem Experiment geringfügig, sodass sich das Membranpotenzial kurzzeitig auf etwa - 50 mV verringert, stellt sich schnell wieder der Ausgangszustand ein.
  
  Erst bei einem stärkeren Reiz, der das Schwellenpotential überschreitet (in Grafiken oft als gestrichelte Linie dargestellt), kehren sich die Spannungsverhältnisse innerhalb weniger Millisekunden um und ein Aktionspotenzial wird ausgelöst.
  
  Ein Aktionspotenzial ist eine Potenzialumkehr, genauer gesagt eine kurzfristige Änderung der elektrischen Spannung an der Membran einer Nervenzelle.
  
  Das sogenannte Alles-oder-nichts-Prinzip sagt in diesem Zusammenhang aus, dass ein Aktionspotenzial nur ausgelöst wird, wenn der Reiz überschwellig ist – dann aber in vollem Umfang.
  
  So sorgt ein Aktionspotential dafür, dass Informationen in Form von elektrischer Erregung über Nervenzellen weitergeleitet werden können.

• Beschreibe die Ionenströme beim Aktionspotential.

  Tipps

  Hier siehst du die geöffneten spannungsgesteuerten Natrium-Ionenkanäle nach einem überschwelligen Reiz.

  Hier siehst du die zeitverzögerte Öffnung der spannungsgesteuerten Kalium-Ionenkanäle.

  Hier siehst du eine Natrium-Kalium-Pumpe.

  Lösung

  Ein Aktionspotential entsteht durch einen überschwelligen Reiz. Daraufhin öffnen sich zuerst die spannungsgesteuerten Natrium-Ionenkanäle und Natrium-Ionen diffundieren in die Zelle rein. Das Membranpotential wird positiv.
  
  Die spannungsgesteuerten Kalium-Ionenkanäle öffnen sich kurz darauf und Kalium-Ionen strömen aus der Zelle raus. Das Membranpotential wird wieder negativ und das Ruhepotential wieder hergestellt.
  
  Größtenteils wird die Ionenverteilung des Ruhepotentials durch die Diffusion der Ionen durch die Natrium- und Kalium-Ionenkanäle wiederhergestellt. Parallel arbeitet aber auch die Natrium-Kalium-Pumpe unter ATP-Verbrauch daran.

• Erläutere die Phasen des Aktionspotentials anhand der Ionenströme.

  Tipps

  Durch Stromreize kann sich das Ruhepotential kurzfristig verändern. Die Membran wird depolarisiert.

  Der gelbe Abschnitt (steigender Graph) stellt die Phase der Depolarisation der Membran dar. Bei einem überschwelligem Reiz kommt es zur Potentialumkehr und ein Aktionspotential wird ausgelöst. Diese Phase ist geprägt von den spannungsgesteuerten Natrium-Kanälen.

  Der lila Abschnitt (abfallender Graph) stellt die Phase der Repolarisation dar. Sie ist praktisch die Rückabwicklung der Depolarisation. Diese Phase ist geprägt von den spannungsgesteuerten Kalium-Kanälen.

  Der blaue Abschnitt (zunächst weiter abfallender Graph) stellt die Phase der Hyperpolarisation dar. Hyper- stammt aus dem Griechischen und bedeutet über, zu viel oder übermäßig.

  Der grüne Abschnitt stellt das Ruhepotential dar. Dieses wird vor allem durch Natrium- und Kalium-Kanäle aufgebaut. Die Ionenverteilung im Ruhepotential ist die Ausgangssituation für die Ionenströme des Aktionspotentials:
  

  • zunächst befinden sich Natrium-Ionen in hoher Konzentration außerhalb der Zelle
  • Kalium-Ionen befinden sich in hoher Konzentration innerhalb der Zelle
  • da die Zellmembran vor allem für Kalium-Ionen selektiv permeabel ist, strömen diese entlang des Konzentrationsgefälles aus der Zelle raus und bauen so eine Spannung auf - das Ruhepotential.

  Lösung

  Das Ruhepotential ist die Ausgangssituation für die Ionenströme des Aktionspotentials. Es wird vor allem durch Natrium- und Kalium-Kanäle aufgebaut. Es kommt im Ruhepotential zu folgender Ionenverteilung:
  

  • zunächst befinden sich Natrium-Ionen in hoher Konzentration außerhalb der Zelle
  • Kalium-Ionen befinden sich in hoher Konzentration innerhalb der Zelle
  • da die Zellmembran vor allem für Kalium-Ionen selektiv permeabel ist, strömen diese entlang des Konzentrationsgefälles aus der Zelle raus und bauen so eine Spannung auf - das Ruhepotential.

  
  Bei der Depolarisation kehrt sich das Membranpotential um:
  

  • spannungsgesteuerte $\ce{Na^+}$-Kanäle offen
  • $\ce{Na^+}$-Ionen strömen in die Zelle

  
  Bei der Repolarisation wird das Membranpotential wieder negativ:
  

  • spannungsgesteuerte $\ce{K^+}$-Kanäle öffnen sich zeitverzögert
  • $\ce{K^+}$-Ionen strömen aus der Zelle

  
  Bei der Hyperpoarisation sinkt das Membranpotential unterhalb des Ruhepotentials:
  

  • $\ce{K^+}$-Kanäle schließen nur langsam
  • $\ce{K^+}$-Ionen strömen weiter aus der Zelle heraus

  
  Das Ruhepotential liegt bei etwa - 70 mV:
  

  • Ionenverteilung in Ruhe wird mit Hilfe der Ionenkanäle und Ionen-Pumpe (wieder)hergestellt

  
  In der Refraktärzeit sind die Bereiche des Axons (Zellfortsatz) für neue Reize nicht mehr ansprechbar:
  

  • spannungsgesteuerte $\ce{Na^+}$-Kanäle geschlossen

• Kennzeichne die verschiedenen Phasen des Aktionspotentials.

  Tipps

  Der gelbe Kurvenausschnitt zeigt die Phase der Potentialumkehr.

  Der lila Kurvenausschnitt ist praktisch die Rückabwicklung der Potentialumkehr.

  Lösung

  Das Aktionspotential unterteilt sich in folgende Phasen:
  

  • gelber Abschnitt der Kurve: Depolarisation - das Membranpotential ändert sich kurzfristig auf etwa + 30 mV
  • lila Abschnitt der Kurve: Repolarisation - das Membranpotential wird wieder negativ, um das ursprüngliche Membranpotential wieder herzustellen
  • blauer Abschnitt der Kurve: Hyperpolarisation - das Membranpotential sinkt kurzfristig unter die Werte des Ruhepotentials
  • grüner Abschnitt der Kurve: Ruhepotential - das Membranpotential pendelt sich bei etwa - 70 mV ein

• Gib die Membranspannung beim Aktionspotential nach einem überschwelligem Reiz an.

  Tipps

  Bei einem überschwelligem Reiz kehrt sich die Polarität der Zellmembran um.

  Das Ruhepotential einer menschlichen Nervenzelle liegt bei etwa - 70 mV.

  Lösung

  Das Ruhepotential einer menschlichen Nervenzelle liegt bei etwa - 70 mV.
  
  Erst bei einem stärkeren Reiz, der einen bestimmten Schwellenwert, etwa - 40 mV, überschreitet, kehren sich die Spannungsverhältnisse an der Membran des Axons innerhalb einer Millisekunde um – ein Aktionspotenzial wird ausgelöst.
  
  Das sogenannte Alles-oder-nichts-Prinzip sagt in diesem Zusammenhang aus, dass ein Aktionspotenzial nur ausgelöst wird, wenn der Reiz überschwellig ist. Das bedeutet, das Membranpotenzial verändert sich sehr schnell bis zu einem Wert von + 30 mV.

• Vervollständige die Aussagen zum Aktionspotential.

  Tipps

  Hier siehst du den typischen Verlauf eines Aktionspotentials.

  Lösung

  Form und Größe eines Aktionspotenzials sind immer gleich. Unterschiedlich starke Reize führen also nicht zu unterschiedlich starken Aktionspotenzialen. Sondern es gilt: je stärker ein Reiz, desto kleiner wird der zeitliche Abstand zwischen mehreren Aktionspotenzialen. Die Frequenz der Aktionspotenziale verschlüsselt also wichtige Informationen – je stärker ein Reiz desto höher die Frequenz.