Ruhemembranpotential und Ablauf des Aktionspotentials
Wie Kaliumkanäle das Ruhepotential halten und wie spannungsgesteuerte Natrium- und Kaliumkanäle ein Aktionspotential mit Refraktärzeit und fester Amplitude erzeugen.
Das Wichtigste in Kürze
- Das Aktionspotential ist eine kurze, gleichförmige Umpolung der Membran erregbarer Zellen, getragen von spannungsgesteuerten \(\ce{Na+}\)- und \(\ce{K+}\)-Kanälen.
- Das Ruhemembranpotential entsteht durch \(\ce{K+}\)-Ausstrom durch offene Kaliumkanäle bei hoher intrazellulärer \(\ce{K+}\)-Konzentration.
- Die Pore des \(\ce{Na+}\)-Kanals bildet eine Polypeptidkette mit vier Domänen; Depolarisation verschiebt den Spannungssensor S4 und öffnet den Kanal ohne Neurotransmitter.
- Depolarisation beruht auf \(\ce{Na+}\)-Einstrom, Repolarisation auf Inaktivierung der Natriumkanäle und \(\ce{K+}\)-Ausstrom; die Nachhyperpolarisation folgt aus der verzögerten Abnahme der \(\ce{K+}\)-Leitfähigkeit.
- Der Na⁺-Kanal zykliert geschlossen-aktivierbar → offen → inaktiviert → geschlossen-aktivierbar; die Inaktivierung der \(\ce{Na+}\)-Kanäle bedingt die absolute Refraktärzeit.
- Nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip ist die Amplitude unabhängig von Reizstärke und Myelinisierung.
Worum es geht
Nervenzellen übertragen Information als kurze elektrische Impulse, die Aktionspotentiale. Ihr Ablauf folgt aus wenigen Ionenströmen durch spezialisierte Kanäle in der Membran. Für die Pharmazie ist das Grundwissen, denn Lokalanästhetika wie Lidocain blockieren genau diese Natriumkanäle.
Erregbare Zellen
Erregbarkeit heißt: Eine Zelle beantwortet einen ausreichend starken Reiz mit einem Aktionspotential. Erregbar sind vor allem Nerven- und Muskelzellen. Beim Neuron entsteht das Aktionspotential am Axonhügel und läuft dann das Axon entlang bis zur Synapse. Die allgemeinen Grundlagen findest du unter Spannungsgesteuerte Kanäle und Aktionspotential. Hier geht es um die Anwendung auf das Neuron.
Der Ablauf dauert nur etwa 1 bis 2 ms. In Ruhe liegt die Membran bei etwa −70 mV. Erreicht eine Depolarisation die Schwelle von etwa −55 mV, folgt ein steiler Aufstrich. Das Potential schießt kurz in den positiven Bereich, den Overshoot bis etwa +30 mV. Danach fällt es in der Repolarisation zurück und sinkt in der Nachhyperpolarisation kurz unter den Ruhewert.
Am Herzen verläuft das Aktionspotential deutlich länger und mit Plateau. Das behandelt die Seite Aktionspotential des Arbeitsmyokards.
Ruhemembranpotential
Erregbare Zellen enthalten innen viel \(\ce{K+}\) und besitzen in Ruhe offene Kaliumkanäle. Kalium strömt deshalb entlang seines Konzentrationsgefälles nach außen. Zurück bleiben negative Ladungen im Zellinneren. So entsteht das negative Ruhemembranpotential durch Kaliumausstrom. Wie sich daraus Gleichgewichtspotentiale berechnen, steht unter Ionenverteilung und Ruhemembranpotential.
Natrium und Calcium sind in Ruhe nicht die Ursache des Potentials. Ihre Kanäle sind dann weitgehend geschlossen. Ein \(\ce{Na+}\)-Einstrom würde die Membran gerade umgekehrt depolarisieren. Er gehört deshalb zum Aktionspotential, nicht zur Ruhe.
Spannungsgesteuerte Natriumkanäle
Ionenkanäle lassen sich auf verschiedene Weise steuern. Erregbare Zellen besitzen spannungsgesteuerte Kanäle, die auf eine Änderung der Membranspannung reagieren. Deshalb löst bei ihnen eine Depolarisation ein Aktionspotential aus.
Der wichtigste Vertreter ist der spannungsgesteuerte \(\ce{Na+}\)-Kanal. Seine Pore bildet eine einzige Polypeptidkette, die α-Untereinheit. Sie durchspannt die Plasmamembran mehrfach: in vier Domänen I bis IV mit je sechs Helices S1 bis S6. Die Schleifen zwischen S5 und S6 kleiden die Pore aus. Die Helix S4 trägt viele positive Ladungen und dient als Spannungssensor. Anders aufgebaut ist der spannungsgesteuerte \(\ce{K+}\)-Kanal. Er setzt sich aus vier getrennten Untereinheiten zusammen.
Der Kanal öffnet, wenn die Potentialdifferenz über der Membran abnimmt, also bei Depolarisation. Das veränderte elektrische Feld verschiebt die geladenen S4-Helices. Diese Bewegung löst eine Konformationsänderung des Proteins aus, und die Pore geht auf. Man kann sich S4 wie einen Schieber vorstellen, den das Feld bewegt.
Dieser Steuermechanismus wird im Examen gerne gefragt. Entscheidend ist, dass allein die Spannung den Kanal öffnet. Acetylcholin und andere Neurotransmitter wirken dagegen an ligandengesteuerten Kanälen der Synapse, die auf der Seite zu Rezeptoren erklärt werden. Natrium fließt passiv durch die offene Pore. Es gelangt also anders als bei der Endocytose ohne Vesikel in die Zelle. Auch Cotransporter und der \(\ce{Na+}\)/\(\ce{Ca^2+}\)-Austauscher sind eine andere Proteinklasse, denn sie koppeln Ionen aneinander und tauschen sie aus. Gap Junctions wiederum sind feste Verbindungen zwischen zwei Zellen und entstehen nicht durch das Öffnen dieser Kanäle.
Weil jede lokale Depolarisation benachbarte Natriumkanäle öffnet, tragen diese Kanäle die Weiterleitung des Aktionspotentials entlang des Axons. Wie schnell das geht, behandelt die Seite zur Erregungsleitung.
Depolarisation und Repolarisation
Ist die Schwelle erreicht, öffnen viele spannungsgesteuerte \(\ce{Na+}\)-Kanäle gleichzeitig. Die \(\ce{Na+}\)-Leitfähigkeit steigt steil an. Natrium strömt entlang seines Konzentrations- und Ladungsgefälles ein. Dieser \(\ce{Na+}\)-Einstrom treibt die schnelle Depolarisation bis in den Overshoot. Jeder Einstrom depolarisiert weiter und öffnet weitere Kanäle. So schaukelt sich der Aufstrich selbst auf.
Die Repolarisation hat zwei Ursachen. Erstens nimmt die \(\ce{Na+}\)-Leitfähigkeit schnell wieder ab, weil die Natriumkanäle inaktivieren. Zweitens öffnen verzögert spannungsgesteuerte Kaliumkanäle. Der \(\ce{K+}\)-Ausstrom bringt positive Ladung nach außen und senkt das Potential wieder. Er ist die überwiegende Ursache der Repolarisation. Die \(\ce{K+}\)-Leitfähigkeit steigt also in dieser Phase an.
Wie die Abbildung zeigt, bleibt die \(\ce{K+}\)-Leitfähigkeit länger erhöht als nötig. Ihre Abnahme erfolgt verzögert. Deshalb strömt noch Kalium aus, wenn das Ruhepotential schon erreicht ist. Das Potential nähert sich dem Kalium-Gleichgewichtspotential und sinkt kurz unter −70 mV. Diese Nachhyperpolarisation endet, sobald die zusätzlichen Kaliumkanäle geschlossen sind.
Die Zuordnung der Ströme zu den Phasen ist besonders prüfungsrelevant. Depolarisation beruht auf \(\ce{Na+}\)-Einstrom durch steigende \(\ce{Na+}\)-Leitfähigkeit, Repolarisation auf \(\ce{K+}\)-Ausstrom bei steigender \(\ce{K+}\)-Leitfähigkeit. Weder Calcium- noch Kaliumkanäle erzeugen den neuronalen Aufstrich.
Die \(\ce{Na+}\)/\(\ce{K+}\)-ATPase ist an der schnellen Repolarisation nicht wesentlich beteiligt. Sie arbeitet viel zu langsam und hält über viele Aktionspotentiale hinweg nur die Konzentrationsgradienten aufrecht.
Inaktivierung und Refraktärzeit
Der spannungsgesteuerte \(\ce{Na+}\)-Kanal kennt drei Zustände. Sie folgen in einem festen Kreislauf aufeinander.
- Geschlossen-aktivierbar: In Ruhe ist die Pore zu, kann aber öffnen.
- Offen: Depolarisation öffnet den Kanal innerhalb von Bruchteilen einer Millisekunde.
- Inaktiviert: Bei anhaltender Depolarisation verschließt die intrazelluläre Schleife zwischen Domäne III und IV die Pore.
- Zurück zu aktivierbar: Erst die Repolarisation zum Ruhepotential bringt den Kanal wieder in den geschlossen-aktivierbaren Zustand.
Inaktivierung ist ein spannungsabhängiger, reversibler Zustand des \(\ce{Na+}\)-Kanals, in dem die Pore trotz Depolarisation verschlossen bleibt. Ein inaktivierter Kanal lässt sich durch erneute Depolarisation nicht unmittelbar öffnen.
Die Inaktivierung ist also ein normaler Schritt im Zyklus. Der Kanal altert dabei nicht und muss nicht neu synthetisiert werden. Seine Erholung hängt nur vom Membranpotential ab. Weder der Verschluss der Kaliumkanäle noch ein Kontakt mit der \(\ce{Na+}\)/\(\ce{K+}\)-ATPase reaktiviert ihn.
Aus diesem Zyklus folgt die Refraktärzeit. In der absoluten Refraktärzeit sind die Natriumkanäle offen oder inaktiviert. Dann löst auch ein beliebig starker Reiz kein neues Aktionspotential aus. Ursache ist die Inaktivierung der \(\ce{Na+}\)-Kanäle, nicht eine der \(\ce{K+}\)-Kanäle. In der relativen Refraktärzeit sind schon einige Natriumkanäle wieder aktivierbar. Ein stärkerer Reiz kann dann erneut ein Aktionspotential auslösen. Nach Ablauf der Refraktärzeit sind alle Kanäle wieder geschlossen-aktivierbar. Die Refraktärzeit ist eine Eigenschaft der erregbaren Membran. Mit der Erholung einer Synapse nach Transmitterausschüttung hat sie nichts zu tun. Mehr dazu unter Refraktärzeit und Fortleitung.
Alles-oder-nichts-Prinzip
Unterschwellige Reize lösen kein Aktionspotential aus. Überschwellige Reize lösen immer ein gleich großes aus, denn ab der Schwelle läuft die Natriumkanal-Kaskade von selbst ab. Die Amplitude ist deshalb unabhängig von der Reizstärke. Das nennt man Alles-oder-nichts-Prinzip.
Auch die Myelinscheide ändert daran nichts. Sie beschleunigt die Leitung, vergrößert aber die Amplitude einzelner Aktionspotentiale nicht.
Die Reizstärke steckt nicht in der Höhe, sondern in der Frequenz der Aktionspotentiale. Ein stärkerer Reiz erzeugt mehr Impulse pro Sekunde, jeder gleich hoch.
Quiz
Aussage 1
Die Pore des spannungsgesteuerten \(\ce{Na+}\)-Kanals wird von einer einzigen Polypeptidkette mit vier Domänen gebildet.
Die α-Untereinheit durchspannt die Membran in vier Domänen mit je sechs Helices. Der \(\ce{K+}\)-Kanal besteht dagegen aus vier getrennten Untereinheiten.
Aussage 2
Ein inaktivierter Natriumkanal lässt sich durch eine besonders starke Depolarisation sofort wieder öffnen.
Inaktivierte Kanäle sind nicht unmittelbar zu öffnen. Erst die Repolarisation zum Ruhepotential macht sie wieder geschlossen-aktivierbar.
Aussage 3
Bei der Erregungsleitung im Axon öffnet Acetylcholin die spannungsgesteuerten Natriumkanäle.
Diese Kanäle öffnen allein durch Depolarisation über eine Konformationsänderung. Acetylcholin wirkt an ligandengesteuerten Kanälen der Synapse.
Aussage 4
Ein doppelt so starker überschwelliger Reiz erzeugt am selben Axon ein Aktionspotential mit gleicher Amplitude.
Nach dem Alles-oder-nichts-Prinzip ist die Amplitude unabhängig von der Reizstärke. Ein stärkerer Reiz erhöht nur die Impulsfrequenz.
Aussage 5
Der steile Aufstrich des neuronalen Aktionspotentials entsteht durch das Öffnen spannungsgesteuerter Kaliumkanäle.
Der Aufstrich beruht auf dem Öffnen von \(\ce{Na+}\)-Kanälen und \(\ce{Na+}\)-Einstrom. Der \(\ce{K+}\)-Ausstrom bewirkt die Repolarisation.
Aussage 6
Die absolute Refraktärzeit beruht darauf, dass die spannungsgesteuerten \(\ce{Na+}\)-Kanäle offen oder inaktiviert sind.
Solange keine Natriumkanäle aktivierbar sind, kann kein Reiz ein neues Aktionspotential auslösen. Die Kaliumkanäle sind dafür nicht verantwortlich.
Aussage 7
Die Nachhyperpolarisation entsteht, weil die \(\ce{K+}\)-Leitfähigkeit nach der Repolarisation nur verzögert abnimmt.
Die Kaliumkanäle bleiben länger offen, Kalium strömt weiter aus und das Potential sinkt kurz unter den Ruhewert.
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