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Aktionspotential, Erregungsleitung und Erregbarkeit von Zellen
Das Aktionspotential entsteht durch eine überschwellige Depolarisation, die spannungsabhängige Na⁺-Kanäle öffnet und so eine schnelle, regenerative Umkehr des Membranpotentials auslöst. Nach dem Overshoot repolarisiert die Zelle durch verzögerte Öffnung spannungsabhängiger K⁺-Kanäle und Inaktivierung der Na⁺-Kanäle. Erregung breitet sich entlang der Membran fort, wobei die Leitungsgeschwindigkeit von Faserdurchmesser und Myelinisierung abhängt.
- ❗ Alles-oder-Nichts-Prinzip: Ab Schwellenpotential (ca. −55 mV) läuft das Aktionspotential immer in voller Amplitude ab
- Phasenfolge: Depolarisation (Na⁺-Einstrom) → Overshoot → Repolarisation (K⁺-Ausstrom) → Nachhyperpolarisation
- Absolute Refraktärzeit: Na⁺-Kanäle inaktiviert, kein neues Aktionspotential auslösbar
- Relative Refraktärzeit: höhere Reizschwelle nötig, da Repolarisation noch nicht abgeschlossen
- Saltatorische Erregungsleitung an markhaltigen (myelinisierten) Fasern ist schneller und energiesparender als kontinuierliche Leitung an marklosen (nicht myelinisierten) Fasern
Quellen
- Schmidt/Lang/Heckmann „Physiologie des Menschen“ (Springer)
- Pape/Kurtz/Silbernagl „Physiologie“ (Thieme)
- IMPP Gegenstandskatalog GK1 (Erster Abschnitt der Ärztlichen Prüfung)
- StatPearls: Physiology, Action Potential (NCBI Bookshelf)
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Aktionspotential, Erregungsleitung und Erregbarkeit von Zellen
Das Aktionspotential ist die Grundlage der Erregbarkeit von Nerven- und Muskelzellen und beruht auf der sequenziellen Aktivierung spannungsabhängiger Ionenkanäle. Eine überschwellige Depolarisation öffnet spannungsabhängige Na⁺-Kanäle, die zunächst eine positive Rückkopplung erzeugen (mehr Na⁺-Einstrom → stärkere Depolarisation → mehr Kanäle öffnen), bis sich das Membranpotential dem Na⁺-Gleichgewichtspotential annähert (Overshoot). Die Na⁺-Kanäle inaktivieren nach kurzer Zeit spannungsabhängig, während sich langsamer öffnende K⁺-Kanäle den K⁺-Ausstrom verstärken und die Membran repolarisieren, teils bis zur Nachhyperpolarisation. Die Erregungsleitung erfolgt durch lokale Kreisströme, die benachbarte Membranabschnitte über die Schwelle depolarisieren; ihre Geschwindigkeit steigt mit dem Faserdurchmesser (geringerer Längswiderstand) und wird durch Myelinisierung mit saltatorischer Leitung von Ranvier-Schnürring zu Ranvier-Schnürring drastisch beschleunigt.
Ionale Grundlagen
Die Depolarisationsphase wird durch schnell aktivierende, aber auch schnell inaktivierende spannungsabhängige Na⁺-Kanäle (m- und h-Gate im Hodgkin-Huxley-Modell) getragen. Die Repolarisation entsteht durch verzögert gleichrichtende K⁺-Kanäle, deren Öffnung zeitversetzt zur Na⁺-Kanal-Inaktivierung erfolgt.
Ausgangspunkt jedes Aktionspotentials ist das Ruhemembranpotential (ca. −70 mV), das durch die dominierende K⁺-Leitfähigkeit der Ruhemembran bestimmt wird und nahe am K⁺-Gleichgewichtspotential liegt.
- Die Na⁺/K⁺-ATPase stellt langfristig die Ionengradienten wieder her; ein einzelnes Aktionspotential ändert die intrazellulären Konzentrationen jedoch nur minimal (klassische Prüfungsfalle)
- ❗ Schwellenpotential: erst ab einem kritischen Depolarisationsgrad öffnet sich eine ausreichende Zahl an Na⁺-Kanälen für die regenerative Antwort
- Absolute Refraktärzeit entspricht der Inaktivierung der Na⁺-Kanäle (h-Gate geschlossen) – unabhängig von der Reizstärke ist kein weiteres Aktionspotential auslösbar
- Relative Refraktärzeit: teilweise erholte Na⁺-Kanäle plus anhaltender K⁺-Ausstrom erhöhen die Reizschwelle
- Saltatorische Erregungsleitung: Aktionspotentiale springen von Schnürring zu Schnürring, da nur dort spannungsabhängige Na⁺-Kanäle konzentriert sind; internodal wirkt die Myelinscheide isolierend und erhöht den Membranwiderstand bei geringer Kapazität
- Leitungsgeschwindigkeit korreliert positiv mit Faserdurchmesser und Myelinisierungsgrad (z. B. Aα-Fasern schnell, C-Fasern langsam marklos)
- ⚠️ Prüfungsfalle: Das Aktionspotential ist kein graduiertes Signal wie das postsynaptische Potential – Verwechslung von Alles-oder-Nichts-Antwort mit abgestuften (elektrotonischen) Potentialen ist ein klassischer Fehler
Quellen
- Schmidt/Lang/Heckmann „Physiologie des Menschen“ (Springer)
- Pape/Kurtz/Silbernagl „Physiologie“ (Thieme)
- IMPP Gegenstandskatalog GK1 (Erster Abschnitt der Ärztlichen Prüfung)
- StatPearls: Physiology, Action Potential (NCBI Bookshelf)