Refraktärzeit

Begriff und biologische Bedeutung

Als Refraktärzeit bezeichnet man in Biologie und Medizin den Zeitraum nach der Auslösung eines Aktionspotentials, in dem eine Nervenzelle oder ein Zellverband vorübergehend nicht erneut auf einen Reiz reagieren kann. Ein Aktionspotential ist eine elektrische Erregung der Zellmembran. Die Refraktärzeit entsteht, weil die für die Erregung wichtigen spannungsabhängigen Natrium-Kanäle nach ihrer Öffnung zunächst nicht sofort wieder einsatzbereit sind.

Ein Aktionspotential wird durch das Öffnen spannungsabhängiger Natrium-Kanäle in der Membran des Axons einer Nervenzelle ausgelöst. Danach schließen die betroffenen Kanäle selbstständig und liegen zunächst in einem inaktivierten, geschlossenen Zustand vor. Durch den Ausstrom von Kalium-Ionen wird die Membran repolarisiert, also wieder in Richtung ihres Ausgangszustands verändert. Erst wenn die Membranspannung unter −50 mV gesunken ist, können die Natrium-Kanäle wieder aktiviert werden.

Man unterscheidet zwei Phasen:

• Die absolute Refraktärzeit ist der Zeitraum, in dem unabhängig von der Stärke eines Reizes kein neues Aktionspotential ausgelöst werden kann. Ursache ist, dass die spannungsabhängigen Natrium-Kanäle inaktiviert und geschlossen sind. Sie dauert bei Skelettmuskeln beziehungsweise klassischen Nervenzellen etwa 2 ms, bei Myokardzellen etwa 300 ms. Myokardzellen sind Zellen des Herzmuskels.

• In der relativen Refraktärzeit sind infolge der fortschreitenden Repolarisation bereits mehrere, aber noch nicht alle Natrium-Kanäle wieder aktivierbar. Ein neues Aktionspotential ist deshalb möglich, benötigt jedoch eine höhere Reizstärke. Außerdem sind seine Amplitude, also seine maximale Größe, und die Steilheit der Depolarisation, also der Anstieg der Membranspannung, vermindert. Diese Phase dauert etwa 1,5 ms zusätzlich.

Die Refraktärzeit begrenzt die maximale Frequenz von Aktionspotentialen eines Neurons auf circa 500 Hertz. Außerdem verhindert sie eine retrograde Erregungsweiterleitung, also die Weiterleitung der Erregung zurück in den bereits erregten Abschnitt.

Bedeutung in der Kardiologie

In der Kardiologie ist die Refraktärzeit besonders für Herzmuskelzellen und Herzschrittmacher wichtig. Damit sich ein Herzschrittmacher nicht durch eigene Signale selbst stimuliert und der noch vorhandene Eigenrhythmus des Herzens möglichst weit zugelassen wird, deaktiviert er die Signalerkennung, das sogenannte Sensing, in seinen einzelnen Kanälen für eine bestimmte Zeit. Dabei unterscheidet man zwischen der ventrikulären Refraktärzeit der Herzkammern und der atrialen Refraktärzeit der Vorhöfe.

Bei Herzmuskelzellen ist die Refraktärzeit wegen der Plateauphase des Aktionspotentials deutlich länger als bei Neuronen. Sie beträgt etwa 300 Millisekunden. Diese lange Refraktärzeit schützt das Herz vor einer zu schnellen Folge unkoordinierter Kontraktionen, die durch kreisende Erregungen entstehen können. Eine solche gefährliche Folge ist Kammerflimmern, bei dem der Kreislauf zum Stillstand kommen kann.