LOGIN | NEU REGISTRIEREN

Schule > Biologie > Menschen > Neurobiologie - Aktionspotenzial und Ruhepotenzial erklärt

Ruhepotential und Aktionspotential

Aufnahme und Weiterleitung von Reizen sind an elektrische Vorgänge gekoppelt, die das Vorhandensein beweglicher Ladungsträger wie Ionen voraussetzt. Änderungen der Membranspannung der Nervenzelle übermitteln die Informationen.

Ruhepotential

Das Messen des Membranpotentials ist mit winzigen Mikroelektroden möglich. Bei der intrazellulären Ableitung der Spannung wird eine Messelektrode in das Axon eingestochen. Die Bezugselektrode bleibt im Außenmedium, der extrazellulären Flüssigkeit, die die Nervenzelle umgibt. Über einen Verstärker sind die Elektroden mit dem Oszilloskop verbunden, das den Spannungsverlauf anzeigt.
Am ungereizten Axon besteht zwischen der Innenseite des Zellmembran und der Zelloberfläche eine elektrische Spannung, die als Ruhepotential bezeichnet wird.
Eine Spannung ist eine elektrische Potentialdifferenz (Natura Neurobiologie und Verhalten, Ernst Klett Verlag, Stuttgart, 1997).

Beim Ruhepotenzial ergibt sich gegenüber dem Außenmedium eine Potenzialdifferenz von 60 bis 90mV (Millivolt) je nach Tierart. Membranpotentiale finden sich in Pflanzen-, Tier- und Menschenzellen. Die extrazelluläre Spannung wird als Null gemessen. Die negative Spannung liegt innen, das Ruhepotenzial wird demnach mit -60 bis -90mV angegeben.
Nach der Ionentheorie ist die Ursache des Ruhepotenzials die unterschiedliche innerhalb und außerhalb der Nervenzelle sowie die selektive Durchlässigkeit der Membran für verschiedene Ionen. Innerhalb des Neurons ist die Konzentration der Kaliumionen (K ) und der Protein-Anionen hoch, während außen die Konzentration der Natriumionen (N ) und der Chloridionen (Cl) hoch ist. Im ungereizten Zustand ist die Membran für K Ionen gut , für Na Ionen sehr schlecht und für Protein Anionen gar nicht durchlässig. Solche Membranen, die wasserlösliche Ionen nicht passieren lassen, wohl aber Wassermoleküle, nennt man semipermeabel. Aufgrund der unterschiedlichen Ionenkonzentration besteht zwar ein Diffusionsgefälle , doch nur die K Ionen können durch die Membran nach außen. Es ergibt sich also außen ein Überschuss an positiven Ionen.
In Wirklichkeit strömen verlangsamt auch andere Ionen durch die Membran, sodass Konzentrationsunterschiede allmählich ausgeglichen und das Membranpotential abgebaut wird. Mit Hilfe von Trägermolekülen in der Membran (Ionenpumpen) hält das Neuron das Ruhepotential aufrecht. Die Na-K-Pumpe, ein Membranprotein, transportiert unter Energieverbrauch (ATP) Na Ionen nach außen und K Ionen nach innen.

Aktionspotenzial

Wird die Axonmembran stark genug gereizt (depolarisiert), nimmt die Durchlässigkeit für Na Ionen kurzzeitig stark zu. Spannungsabhängige Na Kanäle in der Membran öffnen sich, Na Ionen strömen in die Zelle, die Spannung zwischen innen und außen geht auf null zurück, die Ladungsverhältnisse werden sogar umgekehrt. Aus dem Oszilloskop erkennt man den typischen Verlauf eines Aktionspotentials:

Depolarisation: Das Ruhepotential wird bis zu einem Schwellenwert erniedrigt,
die Ladung verringert sich bis hin zur Ladungsumkehr.

Repolarisation: Das Ruhepotential wieder aufgebaut. Dazu werden die Na
Kanäle wieder geschlossen, K Kanäle öffnen sich.

Hyperpolarisation: Der erhöhte K Ausstrom schießt kurzzeitig etwas über
den des Ruhewertes hinaus, sodass die Spannung
vorübergehend niedriger als -80mV ist.

Aktionspotentiale werden nur ausgelöst, wenn ein bestimmter Schwellenwert erreicht ist. Stärkere Depolarisation verändert den Verlauf nicht, das Aktionspotential folgt dem ALLES-ODER-NICHTS Gesetz. Ein einzelnes Aktionspotential dauert 1-2 Millisekunden (ms). Die Zeit von der Öffnung der Na Kanäle bis zur Wiederherstellung des Ruhepotentials wird als Refraktärzeit bezeichnet. In dieser Zeit kann kein neues Aktionspotential entstehen.

Download: PDF, DOC