Biologie · Klasse 12–13 · aktualisiert
Aktionspotenzial: Ablauf, Phasen und Refraktärzeit
Verfolge ein Aktionspotenzial durch Schwelle, Anstieg, Abfall und Refraktärzeit und deute seine Messkurve.
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Kurz gesagt
Ein Aktionspotenzial ist eine kurze Änderung der Membranspannung einer erregbaren Zelle. Nach Erreichen der Schwelle lässt Na⁺-Einstrom die Spannung steigen; K⁺-Ausstrom senkt sie wieder. Eine anschließende Refraktärzeit begrenzt, wann das nächste Signal entstehen kann.
Ein Aktionspotenzial ist eine kurze Spannungsänderung an der Membran einer Nervenzelle. Nach Erreichen der Schwelle wechseln spannungsabhängige Na⁺- und K⁺-Kanäle nacheinander ihren Zustand: Das Potenzial steigt, fällt und unterschreitet den Ruhewert kurz, bevor es sich ihm wieder annähert. Eine Messkurve zeigt diesen zeitlichen Verlauf an einem Membranabschnitt. Sie bildet keine Wanderung einzelner Ionen über die gesamte Axonlänge ab.
Deine Lernziele
Hake ab, was du schon kannst. Löst du alle Aufgaben eines Abschnitts, hakt Mela das Ziel für dich ab.
4 Abschnitte
Vor dem Signal besitzt die Nervenzelle ein Ruhepotenzial: Innen ist die Membran gegenüber außen negativ. Für eine typische Nervenzelle werden ungefähr −70 mV angegeben; je nach Zelle und Bedingungen kann der Wert abweichen, etwa auf −75 mV. Innen ist die K⁺-Konzentration hoch, außen die Na⁺-Konzentration. K⁺ diffundiert durch offene Kanäle nach außen, während große negative Teilchen innen bleiben. Die elektrische Anziehung bremst den weiteren K⁺-Ausstrom. Konzentrationsgefälle, selektive Durchlässigkeit und Ladungstrennung prägen so den Ruhewert.
Ein Reiz macht das Potenzial zunächst weniger negativ. Erreicht die Membran ihre Schwelle, öffnen viele spannungsabhängige Na⁺-Kanäle. Typische Lernwerte liegen ungefähr zwischen −55 mV und −50 mV; die genaue Schwelle hängt von Zelle und Bedingungen ab.
Definition
Membranpotenzial
Das Membranpotenzial vergleicht das elektrische Potenzial auf beiden Seiten einer Zellmembran. Ein negativer Messwert zeigt an, dass die Innenseite gegenüber der Außenseite auf niedrigerem Potenzial liegt.
Merke: Unterhalb der Schwelle entsteht kein Aktionspotenzial. Ab der Schwelle läuft es vollständig ab. Das heißt Alles-oder-Nichts-Prinzip.
Beispiel
- 1Eine Zelle startet bei −70 mV.
- 2Reiz A verändert das Potenzial nur bis −60 mV.
- 3Die Schwelle wird nicht erreicht, deshalb klingt die Änderung wieder ab.
- 4Reiz B hebt das Potenzial bis zur Schwelle von beispielsweise −55 mV.
- 5An der erreichten Schwelle öffnen weitere Na⁺-Kanäle: Ein vollständiges Aktionspotenzial setzt ein.
Teste dich
Nach der Schwellenüberschreitung öffnen spannungsabhängige Na⁺-Kanäle. Da Na⁺ außen höher konzentriert ist, strömt es in die Zelle. Das Innere wird rasch weniger negativ und kurz positiv: Die Membran depolarisiert. Der Na⁺-Einstrom öffnet weitere Na⁺-Kanäle und verstärkt sich dadurch zunächst selbst. Das ist eine positive Rückkopplung. Die Spitze einer typischen Modellkurve kann ungefähr bei +30 mV bis +40 mV liegen. Entscheidend sind der steile Anstieg nach der Schwelle und der kurzzeitige positive Wert.
Definition
Overshoot
Der positive Abschnitt einer Aktionspotenzialkurve heißt Overshoot. Währenddessen liegt das Membranpotenzial über 0 mV und die Innenseite hat gegenüber außen ein positives Potenzial.
Beispiel
- 1Nach Erreichen der Schwelle steigt die Modellkurve steil von etwa −55 mV über 0 mV.
- 2Der Anstieg zeigt eine größere Na⁺-Leitfähigkeit und einen Einstrom von Na⁺ an; die Membran depolarisiert.
- 3Die Kurve stellt Spannung gegen Zeit dar und zeigt nicht die Wanderung einzelner Ionen entlang des Axons.
Teste dich
Na⁺-Kanäle bleiben nicht dauerhaft offen. Noch vor oder am Maximum werden sie geschlossen oder inaktiv. Gleichzeitig öffnen verzögert spannungsabhängige K⁺-Kanäle. K⁺ strömt aus der Zelle; das Innere wird wieder negativer. Das ist die Repolarisation. Weil K⁺-Kanäle verzögert schließen, fällt das Potenzial kurz unter den Ruhewert. Diese Phase heißt Hyperpolarisation.
Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert unter ATP-Verbrauch drei Na⁺ hinaus und zwei K⁺ hinein. So erhält sie die Ionengradienten langfristig; der schnelle Kurvenverlauf beruht vor allem auf dem zeitlichen Wechsel der Kanalzustände. Nach einem Aktionspotenzial ist die Membran in der absoluten Refraktärzeit zunächst nicht erneut erregbar, weil Na⁺-Kanäle inaktiv sind. In der relativen Refraktärzeit ist ein neues Aktionspotenzial mit stärkerem Reiz möglich; die Membran ist häufig noch hyperpolarisiert und K⁺-Kanäle schließen noch. Der Abschnitt hinter der Erregungsfront ist vorübergehend unerregbar, der davor kann erregt werden. Das unterstützt die Vorwärtsrichtung und begrenzt die Folgefrequenz.
Merke: Bei der Depolarisation steigt das Potenzial durch Na⁺-Einstrom. Bei der Repolarisation fällt es durch K⁺-Ausstrom. Bei der Hyperpolarisation fällt es kurz unter den Ruhewert, weil K⁺-Kanäle verzögert schließen.
Beispiel
- 1Vom positiven Höchstwert fällt die Kurve in den negativen Bereich und kurz unter −70 mV.
- 2Im Abfall sind die Na⁺-Kanäle geschlossen oder inaktiv, während K⁺ durch geöffnete Kanäle ausströmt.
- 3Das Tal unter dem Ruhewert passt zu K⁺-Kanälen, die erst verzögert schließen.
Definition
Absolute Refraktärzeit
Nach dem Öffnen sind spannungsabhängige Na⁺-Kanäle für kurze Zeit inaktiv. In dieser absoluten Refraktärzeit lässt sich am betreffenden Membranabschnitt auch mit einem sehr starken Reiz kein weiteres Aktionspotenzial auslösen.
Teste dich
Lies bei einer unbekannten Potenzialkurve zuerst die Achsen: gewöhnlich steht die Zeit in ms auf der waagerechten und die Membranspannung in mV auf der senkrechten Achse. Suche dann Ruhewert, Schwelle, Anstieg, Abfall und Tal. Ordne jedem Abschnitt Kanalzustand, Ionenstrom und Spannungsfolge zu. Ein Aktionspotenzial kann in Modellkurven etwa 1–2 ms, 2 ms oder 5 ms dauern. Lies daher die tatsächliche Zeitachse ab, statt einen einzigen Dauerwert vorauszusetzen.
Beispiel
- 1Eine Modellkurve beginnt bei −70 mV, überschreitet bei −55 mV die Schwelle, steigt auf +35 mV, fällt auf −80 mV und kehrt zu −70 mV zurück.
- 2Bei −70 mV liegt der Ruhewert.
- 3Ab ungefähr −55 mV öffnen verstärkt Na⁺-Kanäle; die Schwelle ist erreicht.
- 4Beim Anstieg bis +35 mV depolarisiert die Membran und wird kurz innen positiv.
- 5Beim Abfall strömt K⁺ aus und die Membran repolarisiert.
- 6Bei −80 mV liegt sie kurz unter dem Ruhewert und ist hyperpolarisiert.
- 7Danach nähert sie sich wieder dem Ausgangswert von −70 mV.
- 8+35 mV ist hier ein Beispielwert zwischen ungefähren Spitzenwerten von +30 mV und +40 mV.
Beispiel: So gehst du vor
- 1Beginne mit den Achsen: Üblicherweise steht die Zeit in ms waagerecht und das Membranpotenzial in mV senkrecht.
- 2Bestimme den nahezu konstanten negativen Ruhewert der Kurve.
- 3Suche den Schwellenwert, ab dem der steile Anstieg einsetzt.
- 4Erkläre den Anstieg durch geöffnete Na⁺-Kanäle und Na⁺-Einstrom.
- 5Ordne den Abfall der Inaktivierung von Na⁺-Kanälen und dem K⁺-Ausstrom durch geöffnete K⁺-Kanäle zu.
- 6Das Tal entsteht, weil K⁺-Kanäle nach dem Erreichen des Ruhewerts noch kurz offen sind.
- 7Beachte die Refraktärzeit: In der absoluten Phase ist kein neues Aktionspotenzial möglich; in der relativen Phase braucht es einen stärkeren Reiz.
- 8Lies Ruhewert, Schwelle, Spitze und Dauer an der jeweiligen Kurve ab, denn die Werte hängen von Zelle und Bedingungen ab.
Teste dich
Alles auf einen Blick
Aktionspotenzial
Voraussetzung
Ruhepotenzial und Schwellenüberschreitung
Depolarisation
Na⁺-Einstrom
Repolarisation
K⁺-Ausstrom
Hyperpolarisation
verzögertes Schließen der K⁺-Kanäle
Refraktärzeit
vorübergehend keine oder geringere Erregbarkeit
Auswertung
Kurvenabschnitt mit Kanalzustand und Ionenstrom verbinden
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
Eine Messkurve am Axon deuten
- 1Die Kurve beginnt bei einem negativen Ruhewert und steigt nach der Schwelle steil an.
- 2Den Anstieg ordnest du geöffneten Na⁺-Kanälen und Na⁺-Einstrom zu.
- 3Beim Abfall werden Na⁺-Kanäle inaktiv; geöffnete K⁺-Kanäle lassen K⁺ ausströmen.
- 4Das kurze Tal unter dem Ruhewert zeigt verzögert schließende K⁺-Kanäle.
Fehler finden
Zwei überschwellige Reize vergleichen In einer Zeile steckt ein Fehler. Tippe sie an.
Fehler in Zeile 3Richtig: Ein stärkerer überschwelliger Reiz vergrößert die typische Amplitude des einzelnen Aktionspotenzials nicht; er kann die Frequenz verändern.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Beim Aufstrich strömt in die Zelle. Bei der Repolarisation strömt aus der Zelle. Das kurze Unterschreiten des Ruhewerts heißt . Die Natrium-Kalium-ATPase transportiert pro Arbeitszyklus 3 Na⁺ nach außen und 2 K⁺ nach innen.
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
Übung mit Feedback