Aktionspotential: Phasen, Ionenkanäle und Erregungsleitung

1. Ruhepotential

• Ca. −70 mV (Neurone), −90 mV (Kardiomyozyten), −60 mV (glatte Muskulatur).
• Entsteht durch ungleichmäßige Ionenverteilung: hohe K⁺-Konzentration innen, hohe Na⁺- und Cl⁻-Konzentration außen.
• Wird aufrechterhalten durch die Na⁺/K⁺-ATPase (3 Na⁺ aus der Zelle heraus, 2 K⁺ hinein) + K⁺-Leak-Kanäle.
• Nernst-Gleichung für K⁺: E_K ≈ −90 mV; für Na⁺: E_Na ≈ +60 mV.
• Die Goldmann-Gleichung berücksichtigt die Permeabilität aller Ionen.

2. Phasen des neuronalen AP

3. Ionenkanäle

• Schnelle Na⁺-Kanäle: 3 Zustände (geschlossen – aktiviert – inaktiviert); Aktivierung ab −55 mV; Inaktivierung nach ~1 ms.
• L-Typ-Ca²⁺-Kanäle (langsam): Herz (Plateau), glatte Muskulatur; Wirkort von Blockern (Verapamil, Diltiazem, Amlodipin).
• K⁺-Kanäle: verzögerter Kanal (delayed rectifier), schnelle und calciumaktivierte K⁺-Kanäle (BK, SK).
• HCN-Kanäle (funny channels) – im Sinusknoten; I_f-Strom der langsamen diastolischen Depolarisation.
• Ligandengesteuerte Kanäle: nAChR, GABA_A, NMDA, AMPA – an Synapsen.

4. Alles-oder-Nichts-Gesetz

• Erreicht der Reiz den Schwellenwert, wird ein AP mit voller Amplitude ausgelöst.
• Liegt er unter dem Schwellenwert, entsteht nur eine lokale, graduierte Antwort, kein AP.
• Die Amplitude des AP hängt nicht von der Reizstärke ab (im Gegensatz zu Rezeptor- und synaptischen Potentialen).
• Informationskodierung erfolgt über die Frequenz (Rate Coding) und Muster der Impulserzeugung.

5. Refraktärzeit

• Absolute Refraktärzeit – während der Depolarisation und frühen Repolarisation; Na⁺-Kanäle sind inaktiviert → kein Reiz kann ein neues AP auslösen.
• Relative Refraktärzeit – nach Rückkehr zum Ruhepotential, aber K⁺-Kanäle sind noch aktiv → es ist ein stärkerer Reiz erforderlich.
• Begrenzt die maximale AP-Frequenz (bis zu 1000 Hz in einigen Neuronen).
• In Kardiomyozyten dauert die Refraktärzeit fast während des gesamten AP an (200+ ms) → Tetanisierung ist unmöglich.

6. Erregungsausbreitung

• Unmyelinisierte Fasern: Depolarisation eines Punktes → lokale Ausgleichsströme → Depolarisation des benachbarten Abschnitts. Leitungsgeschwindigkeit 0,5–2 m/s.
• Myelinisierte Fasern: Das AP „springt“ von Schnürring zu Schnürring (saltatorische Erregungsausbreitung); Na⁺-Kanäle sind an den Schnürringen konzentriert. Geschwindigkeit bis zu 120 m/s.
• Faserdurchmesser: ↑ Durchmesser → ↑ Leitungsgeschwindigkeit (Aα 70–120 m/s; Aβ 30–70; Aδ 5–30; C 0,5–2).
• Myelin wird von Schwann-Zellen (PNS) und Oligodendrozyten (ZNS) gebildet.

7. AP in Kardiomyozyten

• Phase 0 (schnelle Depolarisation): Na⁺-Einstrom (Arbeitsmyozyten) oder L-Typ-Ca²⁺-Einstrom (Sinus- und AV-Knoten).
• Phase 1 (frühe Repolarisation): schnelles Ausströmen von K⁺.
• Phase 2 (Plateauphase): Gleichgewicht aus Ca²⁺-Einstrom und K⁺-Ausstrom – ausschließlich charakteristisch für das Myokard.
• Phase 3 (Repolarisation): Ca²⁺-Kanäle schließen sich, K⁺ strömt weiterhin aus.
• Phase 4 (Ruhephase): −90 mV in Arbeitsmyozyten; in Schrittmachern — langsam diastolische Depolarisation (If, danach T-Typ-Ca²⁺-Kanäle).

8. Blocker und Medikamente

• Lokalanästhetika (Lidocain, Bupivacain) — Na⁺-Kanal-Blockade von innen, wirkt stärker auf aktive und inaktivierte Zustände (use-dependent).
• Antiarrhythmika nach Vaughan-Williams:
• — IA (Chinidin) — verlangsamen Phase 0, verlängern das AP.
• — IB (Lidocain, Mexiletin) — schwach, verkürzen das AP.
• — IC (Flecainid, Propafenon) — verlangsamen stark, verändern das AP nicht.
• — II (β-Blocker), III (Amiodaron, Sotalol — K⁺-Block), IV (Ca²⁺-Blocker).
• Antikonvulsiva: Carbamazepin, Phenytoin, Lamotrigin — Na⁺-Kanal-Blockade.
• Tetrodotoxin (Kugelfisch), Saxitoxin — Na⁺-Kanal-Blockade.

9. Kanalopathien

• Long-QT-Syndrom (LQT): Mutationen von K⁺-Kanälen (KCNQ1, KCNH2/HERG) oder Na⁺-Kanälen (SCN5A); Risiko für Torsade de pointes.
• Brugada-Syndrom: SCN5A — erhöht das Risiko für ventrikuläre Tachykardie.
• Hyperkaliämische periodische Paralyse: SCN4A-Mutation.
• Hypokaliämische periodische Paralyse: CACNA1S.
• Episodische Ataxie Typ 1: KCNA1.
• Familiäre hemiplegische Migräne: CACNA1A.
• Myotonia congenita (Becker-Typ): CLCN1.

10. Demyelinisierung

• Multiple Sklerose — autoimmune Demyelinisierung im ZNS.
• Guillain-Barré-Syndrom — akute entzündliche Demyelinisierung des PNS.
• Chronische inflammatorische demyelinisierende Polyneuropathie (CIDP).
• Hereditär: Charcot-Marie-Tooth (Typ 1 — demyelinisierend).
• Wirkung: Verlangsamung des AP, Leitungsblock, Dispersion → klinische Symptome (Parese, Sensibilitäts- und Sehstörungen).

11. Klinische Messungen

• EEG — Summenaktivität der Kortex-Elektrizität; Diagnose von Epilepsie, Enzephalopathien.
• EKG — Summen-AP von Kardiomyozyten.
• ENMG — Nervenstimulation + Registrierung des Muskel-AP; Leitungsgeschwindigkeit, Dekrement (Myasthenie), Amplitude.
• Evozierte Potenziale (visuell, auditiv, somatosensorisch) — integrale Beurteilung afferenter Bahnen.
• Patch-Clamp — Registrierung von Strömen durch einzelne Kanäle (Forschungsmethode).

12. FAQ

Warum gibt es in Kardiomyozyten ein Plateau?
Wegen des Ca²⁺-Einstroms durch L-Typ-Kanäle, der ~200 ms dauert und den K⁺-Ausstrom ausgleicht. Dies sorgt für ausreichende Kontraktionszeit, Refraktärität und verhindert Tetanus.

Wie selektiert Lidocain erkrankte Kardiomyozyten?
Use-dependent Blockade: Das Medikament bindet bevorzugt an aktivierte und inaktivierte Na⁺-Kanäle. Bei häufiger Depolarisation (Tachiarhythmie) — mehr Bindung, stärkere Wirkung.

Warum ist Hyperkaliämie gefährlich?
↑ Extrazelluläres K⁺ → Ruhemembranpotential-Depolarisation → Na⁺-Kanäle inaktivieren sich → Erregbarkeit sinkt → Asystolie und Fibrillation (bei ≥ 7 mmol/l).

Worin unterscheidet sich Multiple Sklerose vom Guillain-Barré-Syndrom?
MS ist eine chronische ZNS-Erkrankung (Oligodendrozyten-Demyelinisierung), schubförmig-remittierend. GBS ist eine akute PNS-Polyneuropathie (Schwann-Zellen), aufsteigende Schwäche, oft nach Infektion.

Was ist eine use-dependent Blockade?
Das Medikament wirkt stärker auf häufig aktivierte Kanäle. Dies sorgt für Selektivität: Antiarrhythmika beeinflussen Tachiarhythmien stärker als den Normalrhythmus.

Siehe auch: Arhythmien · Multiple Sklerose · Epilepsie · Guillain-Barré-Syndrom · Physiologie-Katalog