Aktionspotenzial: Mechanismen, Phasen und Erregbarkeitssdynamik

Analyse des Aktionspotenzials in erregbaren Geweben: Ruhepotential, Rolle von Natrium- und Kaliumkanälen, Depolarisations- und Repolarisationsphase, Erregbarkeitsänderungen und Refraktärperioden.

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Das Ruhepotential als Grundlage der Erregung

Das Aktionspotenzial ist eine kurzzeitige Änderung des Zellmembranpotenzials von negativ zu positiv als Reaktion auf einen Reiz. Damit es entsteht, muss sich die Zelle ursprünglich im Zustand des Ruhepotentials befinden — einer negativen Membranspannung von etwa −70 mV.

Die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials wird durch drei Schlüsselmechanismen gewährleistet:

Reiz und kritischer Depolarisationswert

Jede Einwirkung auf eine Zelle wird als Reiz bezeichnet. Nach ihrer Stärke werden Reize in zwei Kategorien unterteilt:

Beim Erreichen des KDW öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle, was ein vollständiges Aktionspotenzial auslöst.

Phasen des Aktionspotenzials

Die Entwicklung des Aktionspotenzials umfasst mehrere aufeinanderfolgende Phasen:

  1. Lokale Antwort — eine geringfügige Verschiebung des Membranpotentials in Richtung KDW bei Einwirkung eines schwachen Reizes.
  2. Depolarisation — ein lawinenartiger Einstrom von Na⁺-Ionen durch geöffnete spannungsabhängige Natriumkanäle; das Membranpotential wird schnell positiv.
  3. Inaktivierung der Natriumkanäle — ein eingebauter „Sensor“ des Kanals schließt diesen beim Erreichen eines positiven Werts, wodurch der Na⁺-Einstrom gestoppt wird.
  4. Repolarisation — Öffnung spannungsabhängiger Kaliumkanäle, K⁺-Ausstrom aus der Zelle und rasche Wiederherstellung der negativen Ladung.
  5. Nachpotentiale — langsame Rückkehr zum Ausgangswert durch die Aktivität der Na⁺/K⁺-ATPase; häufig kommt es zu einer Hyperpolarisation, bei der das Membranpotential vorübergehend negativer wird als das Ruhepotential.

Nach seiner Entstehung an einem Punkt breitet sich das Aktionspotenzial über die gesamte Membran aus, was die Erregung der Zelle und die Signalübertragung auf benachbarte Strukturen gewährleistet.

Grafische Komponenten des Aktionspotenzials

Im Diagramm des Aktionspotenzials lassen sich charakteristische Abschnitte unterscheiden:

Die Begriffe Depolarisation, Repolarisation und Hyperpolarisation beschreiben die Richtung der Ladungsänderung: von Minus zu Plus, zurück bzw. über das ursprüngliche negative Niveau hinaus.

Erregbarkeitsdynamik und Refraktärperioden

Erregbarkeit — die Fähigkeit einer Zelle, auf einen Reiz mit der Erzeugung eines Aktionspotenzials zu reagieren. Sie ist umso höher, je näher das Membranpotential am KDW liegt, und verändert sich gesetzmäßig während des gesamten Zyklus:

Schlüsselpunkte

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