Biomembranen

Spannungsgesteuerte Kanäle und Aktionspotential

Wie spannungsgesteuerte Natrium- und Kaliumkanäle durch Öffnen und Schließen das Aktionspotential erzeugen.

Prüfungsrelevanz: gut zu wissen ✓ gelesen
Das Wichtigste in Kürze5 Punkte
  • Das Aktionspotential ist eine kurze Umkehr des Membranpotentials erregbarer Zellen, erzeugt durch spannungsgesteuerte Ionenkanäle.
  • Spannungsgesteuerte Kanäle sitzen vor allem in Neuronen und Muskelzellen und ändern während des Aktionspotentials ihre Leitfähigkeit.
  • Wird das Schwellenpotential (etwa −50 mV) erreicht, öffnen \(\ce{Na+}\)-Kanäle und der \(\ce{Na+}\)-Einstrom depolarisiert bis etwa +30 mV.
  • Die Repolarisation beruht hauptsächlich auf dem verzögerten \(\ce{K+}\)-Ausstrom, während die \(\ce{Na+}\)-Kanäle inaktivieren.
  • Nach der relativen Refraktärzeit ist die Amplitude unabhängig von der Reizstärke (Alles-oder-Nichts-Prinzip).

Worum es geht

Ein Aktionspotential ist eine kurze, gleichförmige Umkehr des Membranpotentials. Mit ihm geben Nerven- und Muskelzellen Signale weiter. Es baut auf dem Ruhemembranpotential auf, und Lokalanästhetika wie Lidocain blockieren genau die Kanäle, die es auslösen.

Spannungsgesteuerte Ionenkanäle

Ein spannungsgesteuerter Ionenkanal ist ein Ionenkanal, der sich abhängig vom Membranpotential öffnet oder schließt. Ein Spannungssensor im Protein registriert dazu die Ladungsverteilung an der Membran. Solche Kanäle sitzen vor allem in den Membranen von Neuronen und Muskelzellen.

Während eines Aktionspotentials ändern sie ihre Leitfähigkeit für bestimmte Ionen. Genau diese Änderung erzeugt das Aktionspotential und leitet es weiter. Deshalb bilden und leiten nur erregbare Zellen wie Nerven- und Muskelzellen Aktionspotentiale. Den Bau der Nervenzelle behandelt Neurone und Gliazellen.

Ablauf

Am Anfang steht eine kleine Depolarisation, etwa durch einen Reiz. Erreicht sie das Schwellenpotential, öffnen sich schlagartig viele spannungsgesteuerte \(\ce{Na+}\)-Kanäle. Ab diesem Wert verstärkt sich der Vorgang selbst. Der Ablauf mit typischen Werten einer Nervenzelle:

  1. Ruhe: Das Membranpotential liegt bei etwa −70 mV.
  2. Schwelle: Bei etwa −50 mV öffnen die \(\ce{Na+}\)-Kanäle. Jeder Einstrom depolarisiert weiter und öffnet weitere Kanäle.
  3. Depolarisation: \(\ce{Na+}\) strömt entlang seines elektrochemischen Gradienten ein. Das Potential steigt bis etwa +30 mV (Overshoot).
  4. Repolarisation: Die \(\ce{Na+}\)-Kanäle inaktivieren. Verzögert öffnen spannungsgesteuerte \(\ce{K+}\)-Kanäle, und \(\ce{K+}\) strömt aus der Zelle.
  5. Nachhyperpolarisation: Die \(\ce{K+}\)-Kanäle schließen langsam. Das Potential sinkt kurz unter den Ruhewert und kehrt dann zurück.

Kurve des Membranpotentials über etwa drei Millisekunden mit Anstieg von −70 mV über die Schwelle bei −50 mV bis +30 mV, anschließendem Abfall unter den Ruhewert und Rückkehr.

Phasen des Aktionspotentials: Der \(\ce{Na+}\)-Einstrom depolarisiert, der \(\ce{K+}\)-Ausstrom repolarisiert.

Die Form der Kurve folgt aus den Leitfähigkeiten. Die \(\ce{Na+}\)-Leitfähigkeit steigt sehr schnell und fällt durch Inaktivierung rasch wieder ab. Die \(\ce{K+}\)-Leitfähigkeit steigt verzögert und hält länger an.

Zwei Kurven über die Zeit: eine schmale, frühe Spitze für Natrium und eine breitere, spätere Erhebung für Kalium.

Leitfähigkeitsänderungen: Die \(\ce{Na+}\)-Leitfähigkeit steigt schnell und fällt durch Inaktivierung, die \(\ce{K+}\)-Leitfähigkeit folgt verzögert.
⚠️ Achtung: Richtung der Ionenströme

Bei der Repolarisation strömt \(\ce{K+}\) aus der Zelle heraus, nicht hinein. Beide Ionen folgen ihrem Gradienten: \(\ce{Na+}\) ist außen angereichert, \(\ce{K+}\) innen.

Am Herzen laufen Aktionspotentiale mit anderen Phasen ab, siehe Aktionspotential des Arbeitsmyokards.

Alles-oder-Nichts-Prinzip

Bleibt eine Depolarisation unter der Schwelle, entsteht kein Aktionspotential. Wird die Schwelle erreicht, läuft es immer vollständig ab. Ein stärkerer Reiz erzeugt also kein höheres Aktionspotential. Das ist das Alles-oder-Nichts-Prinzip. Man kann es sich wie einen Lichtschalter vorstellen, der nur an oder aus kennt.

Die gleiche Amplitude gilt nach Ablauf der relativen Refraktärzeit. Davor sind noch nicht alle \(\ce{Na+}\)-Kanäle wieder aktivierbar, und das Aktionspotential fällt kleiner aus. Mehr dazu steht bei Refraktärzeit und Fortleitung. Die Reizstärke steckt deshalb nicht in der Höhe, sondern in der Frequenz der Aktionspotentiale.

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Aussage 1

Nach Ablauf der relativen Refraktärzeit erzeugt ein stärkerer überschwelliger Reiz ein Aktionspotential mit größerer Amplitude.

Nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip ist die Amplitude dann unabhängig von der Reizstärke. Die Reizstärke wird über die Frequenz verschlüsselt.

Aussage 2

Ein Aktionspotential wird ausgelöst, wenn eine Depolarisation das Schwellenpotential überschreitet und dadurch spannungsgesteuerte \(\ce{Na+}\)-Kanäle öffnen.

An der Schwelle öffnen viele \(\ce{Na+}\)-Kanäle, der \(\ce{Na+}\)-Einstrom verstärkt die Depolarisation selbst.

Aussage 3

Die Repolarisation eines Nervenaktionspotentials beruht hauptsächlich darauf, dass \(\ce{K+}\) in die Zelle einströmt.

\(\ce{K+}\) strömt entlang seines Gradienten aus der Zelle aus. Dieser \(\ce{K+}\)-Ausstrom repolarisiert die Membran.

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