1. Grundlagen
Ein Aktionspotential ist ein fundamentaler elektrochemischer Vorgang, der auf Basis von Ionenbewegungen durch eine Membran die Grundlage für die Signalübertragung des Nervensystems bildet.
In einem simplifizierten Neuron finden wir Kaliumkanäle, Natriumkanäle und Natrium-Kalium-ATPasen (Natrium-Kalium-'Pumpen'). Kalium-Ionen liegen innerhalb der Zelle etwa 20-fach höher konzentriert vor als außerhalb, Natrium-Ionen sind dagegen außerhalb der Zelle etwa 10-fach höher konzentriert als innerhalb.
Das Aktionspotential beginnt mit einem Ruhezustand, in welchem die Membran unseres Modellneurons ausschließlich Permeabilität für Kalium-Ionen zeigt. Das Membranpotential entspricht in diesem Zustand also dem physiologischen Kalium-Potential von -80 mV. Das Kalium-Potential ergibt sich durch die unterschiedlichen Konzentrationen bzw. Aktivitäten aus der Nernst-Gleichung (siehe hierzu den Beitrag 'Elektrochemisches Potential').
Für Natrium-Ionen besteht ein Konzentrationsgefälle zwischen Extra- und Intrazellularraum und damit eine elektrochemische Triebkraft. Sobald Natriumkanäle spannungsbedingt geöffnet werden, strömen Natrium-Ionen in das Zellinnere und kehren das Membranpotential in den positiven Bereich, bis der Wert des Natrium-Potentials von 62 mV annähernd erreicht wird.
Der Begriff 'Schwellenwert' beschreibt jenes Membranpotential, bei dem ausreichend spannungsabhängige Natriumkanäle aktiviert werden, um die Membranpermeabilität für Natrium-Ionen über diejenige für Kalium-Ionen anzuheben. Erst durch Erreichen dieses Schwellenwertes, kommt es zu einer Depolarisation ('Alles-oder-nichts-Prinzip' des Aktionspotentials.
Das Membranpotential trägt infolge des Natriumeinstroms einen positiven Wert. Hierdurch entsteht gegenläufig eine starke elektrochemische Triebkraft für Kalium-Ionen, welche, sobald die Natriumkanäle schließen, aus der Zelle herausströmen und das Membranpotential wieder dem Kalium-Potential von -80 mV angleichen. Da die spannungsbedingt geöffneten Kaliumkanäle die Membranpermeabilität im Vergleich zu der des anfänglichen Ruhezustandes zusätzlich erhöhen, ergibt sich eine Hyperpolarisation, bevor der anfängliche Ruhezustand wieder eintritt.
In der Realität nimmt das Membranpotential nicht die Modellwerte unseres simplifizierten Neurons an, da sich hier zusätzlich eine Vielzahl weiterer Einflussfaktoren bemerkbarmacht. Das Ruhemembranpotential entspricht in der Praxis nicht exakt dem Kalium-Potential von -80 mV, sondern liegt leicht darüber bei etwa -70 mV, während bei der Depolarisation Werte zwischen 30 und 40 mV erreicht werden.
2. Spannungsabhängige Kanäle
Natriumkanäle sind Transmembranproteine, die als hochselektive Poren für Natrium-Ionen wirken. Die Öffnung und Schließung der Kanäle wird durch Änderungen des Membranpotentials bedingt, die Kanäle sind also spannungsabhängig.
Die Kanäle selbst beinhaltet je vier Domänen, die sich wiederum aus sechs α-Helices zusammensetzen. Die eigentliche Natrium-selektive Pore entsteht durch eine dichte Anlagerung der Domänen. Die Konfiguration kann sich durch Depolarisation (ab einem gewissen Schwellenwert) verändern und damit die Öffnung und Schließung des Kanals bedingen.
Spannungsänderungen werden dabei mithilfe von vier Spannungssensoren innerhalb des S4-Segments des Moleküls registriert. Die Sequenz dieser Transmembranhelix besitzt an jeder dritten Stelle einen geladenen Rest, wobei umliegende Helices die entsprechenden Gegen-Ionen bereitstellen.
Die spezifische Selektivität des Kanals wird dagegen primär durch sogenannte 'Porenschleifen' und deren sterische bzw. elektrostatische Wechselwirkungen mit den entsprechenden Ionen bedingt.
Spannungsabhängige Kaliumkanäle existieren in verschiedenen aber strukturell ähnlichen Varianten. Sie setzen sich aus Polypeptideinheiten zusammen, die in enger Anlagerung eine Kalium-selektive Pore bilden. Auch hier führen spannungsabhängige Konformationsänderungen zu einer Öffnung bzw. Schließung des Kanals. In depolarisiertem Zustand öffnen sich diese Kanäle und verhindern durch einen Kalium-Ausstrom zusätzliche Depolarisation.
Der Ionenfluss eines spannungsgesteuerten Kanals kann mithilfe eines globulären Segments an einer Peptidkette auf cytosolischer Seite verschlossen und damit inaktiviert werden (Kugel-Ketten-Modell btw. 'ball and chain mechanism'). Diese Inaktivierung kann den Kanal selbst dann gegenüber Ionenströmen abschirmen, wenn der eigentliche Schließmechanismus des Kanals noch nicht vollzogen wurde. Obwohl der Kanal also theoretisch noch geöffnet vorliegt, können Ionen den Kanal bei einer Inaktivierung durch das globuläre Segment nicht länger passieren.
Die Inaktivierung lässt sich nur durch eine Repolarisation der Membran beheben. Die Kanäle können also mindestens in drei verschiedenen Zuständen vorliegen: offen, geschlossen und inaktiviert (Für Näheres zu Ionenkanälen siehe den Beitrag 'Ionenkanäle und Rezeptoren'.).
3. Refraktärzeiten
Unmittelbar infolge eines Aktionspotentials lässt sich kein zweites Aktionspotential an selbiger Membranstelle auslösen. Dieser Umstand wird durch Refraktärzeiten bedingt.
Die absolute Refraktärzeit beschreibt dabei den Zeitraum, in welchem selbst starke Spannungsänderungen keine erneute Depolarisation verursachen können. Nach der ursprünglichen Depolarisation gehen die Natriumionenkanäle in inaktiven Zustand über und werden impermeabel für Ionen. Dieser inaktive Zustand kann während der absoluten Refraktärphase nicht verändert werden. Legt man experimentell eine längere depolarisierte Spannung an, so bleiben die Natriumkanäle nach ihrer Öffnung solange inaktiviert, wie diese Spannung aufrechterhalten wird.
Während der relativen Refraktärzeit sind die spannungsabhängigen Kaliumkanäle, welche die Hyperpolarisation im Verlauf des Aktionspotentials hervorrufen, noch geöffnet. In diesem Zustand ist eine deutlich höhere Spannungsänderung nötig, um ein den Schwellenwert des Membranpotentials zu erreichen und damit eine erneute Depolarisation auszulösen.
4. Weiterleitung des Potentials
Für die weiterführende Informationsleitung werden Aktionspotentiale entlang des Axons fortgeleitet. Im Normalfall verläuft diese Weiterleitung orthodrom (nur in eine Richtung), da sich die 'zurückliegenden' Membrananteile unmittelbar nach der Depolarisation noch in Refraktärphasen befinden.
Die Fortleitungsgeschwindigkeit wird dabei maßgeblich durch den Durchmesser des Axons und dessen elektrischer Isolation bedingt. Myelinscheiden bilden eine Isolationsschicht des Axons und bündeln den Stromfluss innerhalb des Axons in Richtung einer Längsausbreitung. Die Myelinscheide wird dabei durch sogenannte 'Ranviersche Schnürringe' unterbrochen, an denen sich Ansammlungen spannungsabhängiger Natriumkanäle zur Auslösung der Aktionspotentiale finden. Die Aktionspotentiale 'springen' also von einem Schnürring zum nächsten - eine Form der Fortleitung, die als 'saltatorische' Erregungsleitung bezeichnet wird.
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Literatur:
Barry, C. W., Bear, M. F., Paradiso, M. A. (2018). Neurowissenschaften. Berlin: Springer-Spektrum.
Kazcmarek, L. K., Levitan, I. B. (2015). The Neuron: Cell and Molecular Biology. New York: Oxford University Press.
Klinke, R., Kurtz, A., Pape, H. C., Silbernagl, S. (2009). Physiologie. Stuttgart: Thieme.
Müller-Esterl, W. (2018). Biochemie. Berlin: Springer-Spektrum.
Bildquellen: Eigene Darstellung, Vincent Krennerich