Aktionspotenzial einfach erklärt: Ruhepotenzial, Depolarisation und Repolarisation

Wenn du deine Hand von einer heißen Herdplatte wegziehst, geschieht das in Sekundenbruchteilen. Möglich machen das elektrische Signale in den Nervenzellen: Aktionspotenziale. Sie sind eines der Kernthemen der Neurobiologie in der Oberstufe und werden fast immer anhand eines Diagramms geprüft.

Das Ruhepotenzial

Eine Nervenzelle in Ruhe ist innen negativ geladen gegenüber außen – die Spannung beträgt etwa –70 mV. Dieses Ruhepotenzial entsteht durch eine ungleiche Verteilung von Ionen: Innen sind viele Kalium-Ionen (K⁺) und negativ geladene Proteine, außen viele Natrium-Ionen (Na⁺) und Chlorid-Ionen (Cl⁻). In Ruhe sind vor allem Kaliumkanäle geöffnet. K⁺ strömt entlang seines Konzentrationsgefälles nach außen, bis die entstehende Spannung den weiteren Ausstrom bremst. Die Natrium-Kalium-Pumpe hält die Konzentrationsunterschiede unter Energieverbrauch (ATP) aufrecht.

Der Ablauf des Aktionspotenzials

• Reiz und Schwellenwert: Ein Reiz verschiebt die Spannung in positive Richtung. Wird der Schwellenwert (etwa –50 mV) erreicht, wird ein Aktionspotenzial ausgelöst.
• Depolarisation: Spannungsgesteuerte Natriumkanäle öffnen sich, Na⁺ strömt schnell ein. Die Spannung steigt bis auf etwa +30 mV.
• Repolarisation: Die Natriumkanäle schließen sich und werden inaktiviert, spannungsgesteuerte Kaliumkanäle öffnen sich. K⁺ strömt aus, die Spannung sinkt.
• Hyperpolarisation: Die Kaliumkanäle schließen sich langsam, die Spannung sinkt kurz unter das Ruhepotenzial.
• Rückkehr zum Ruhepotenzial: Die ursprüngliche Spannung stellt sich wieder ein.

Das gesamte Aktionspotenzial dauert nur etwa 1–2 Millisekunden.

Das Alles-oder-nichts-Prinzip

Ein Aktionspotenzial wird entweder vollständig ausgelöst oder gar nicht. Seine Höhe hängt nicht von der Reizstärke ab. Die Stärke eines Reizes wird stattdessen über die Frequenz codiert: Ein starker Reiz löst mehr Aktionspotenziale pro Sekunde aus.

Die Refraktärzeit

Direkt nach einem Aktionspotenzial kann kein neues ausgelöst werden (absolute Refraktärzeit), weil die Natriumkanäle inaktiviert sind. Danach ist ein stärkerer Reiz nötig (relative Refraktärzeit). Die Refraktärzeit sorgt dafür, dass sich die Erregung nur in eine Richtung ausbreitet.

Die Erregungsleitung

An marklosen Axonen wandert das Aktionspotenzial kontinuierlich entlang der Membran – relativ langsam. An markhaltigen Axonen sind die Axone von einer isolierenden Myelinscheide umgeben, die an den Ranvierschen Schnürringen unterbrochen ist. Das Aktionspotenzial „springt“ von Schnürring zu Schnürring (saltatorische Erregungsleitung) – bis zu 100 m/s schnell.

Das Diagramm deuten

In Prüfungen wird oft ein Spannungs-Zeit-Diagramm vorgelegt. Wichtig ist, jeden Abschnitt der Kurve einem Vorgang an den Ionenkanälen zuzuordnen: Anstieg = Na⁺-Einstrom, Abfall = K⁺-Ausstrom, Unterschwingen = verzögertes Schließen der K⁺-Kanäle.

Typische Fehler

• Die Natrium-Kalium-Pumpe als Ursache der Depolarisation nennen – sie ist zu langsam und stellt nur die Konzentrationen wieder her.
• Na⁺ und K⁺ in den Phasen vertauschen.
• Behaupten, stärkere Reize erzeugten höhere Aktionspotenziale.

Teste dich selbst

1. Welche Ionen strömen bei der Depolarisation ein? – Lösung: Natrium-Ionen (Na⁺).
2. Was passiert bei der Repolarisation? – Lösung: K⁺ strömt aus, die Spannung sinkt.
3. Wie wird die Reizstärke codiert? – Lösung: über die Frequenz der Aktionspotenziale.
4. Warum ist die Erregungsleitung an markhaltigen Axonen schneller? – Lösung: saltatorisch – das Signal springt von Schnürring zu Schnürring.

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