Geschlossen und aktivierbar
Vor dem Signal sind viele spannungsabhängige Na+-Kanäle geschlossen. Eine geeignete Spannungsänderung kann sie öffnen.
Biologie · Verstehen und üben
Aktionspotenzial
Wie wird aus einer kleinen Spannungsänderung ein Nervensignal? Verfolge den Verlauf eines Aktionspotenzials und erkläre jede Phase mit den passenden Ionenkanälen.
Das kannst du danach
Schwelle verstehenKurvenphasen erklärenKanalzustände unterscheiden12 Aufgaben lösen
Ein kurzer Spannungswechsel an der Membran
Ein Aktionspotenzial ist eine schnelle, vorübergehende Änderung des Membranpotenzials. Bei einem typischen Nervenzell-Aktionspotenzial wird das Zellinnere zunächst weniger negativ und kurz positiv; anschließend kehrt die Spannung zum Ruhebereich zurück.
Die entscheidende Veränderung betrifft die Durchlässigkeit der Membran. Spannungsabhängige Kanäle ändern ihren Zustand. Dadurch strömen bestimmte Ionen durch die Membran. Es fließen keine Elektronen wie durch einen Metalldraht, und ein einzelnes Natriumion muss nicht vom Gehirn bis zum Muskel reisen.
Vorkenntnis: Beim Ruhepotenzial ist K⁺ innen höher konzentriert, Na⁺ außen. Das Innere ist gegenüber außen negativ. Falls das noch unklar ist, beginne mit der Seite zum Ruhepotenzial.
Vom kleinen Signal zum Alles-oder-nichts-Ereignis
Eine Depolarisation ist eine Verschiebung des Potenzials zu weniger negativen beziehungsweise positiveren Werten. Kleine vorbereitende Spannungsänderungen können unterschiedlich groß sein. Sie sind noch kein Aktionspotenzial.
Erreicht die Depolarisation in einer erregbaren, ausreichend erholten Membran den Schwellenbereich, öffnen genug spannungsabhängige Na+-Kanäle für einen sich selbst verstärkenden Aufstrich. Bei vielen Nervenzellen beginnt das Signal am Axoninitialsegment nahe dem Zellkörper.
Alles oder nichts: Unter vergleichbaren Bedingungen wird entweder kein Aktionspotenzial ausgelöst oder ein vollständiges. Ein stärkerer überschwelliger Reiz macht das einzelne Signal nicht einfach proportional höher. Die Schwelle selbst ist in realen Zellen nicht unter allen Bedingungen gleich.
Ausgangspunkt: −70 mV. Feste Modellschwelle: −55 mV. Der Regler beschreibt eine angenommene lokale Spannungsänderung vor der Auslösung, keine reale Stromstärke und keine vollständige Membransimulation.
Phasenlabor: Kurve, Kanäle und Ionen verbinden
Wähle einen Abschnitt. Der Punkt markiert ihn in der Kurve; darunter erfährst du, welche Kanäle und Ionenströme die Spannung verändern.
Durchgezogen: Beispielverlauf. Braun gestrichelt: Modellschwelle −55 mV. Grau gepunktet: Ruhewert −70 mV. Werte, Dauer und Form unterscheiden sich je nach Nervenzelle.
Geschlossen ist nicht dasselbe wie inaktiviert
Offen
Durch geöffnete Na+-Kanäle strömt Na+ entlang seines elektrochemischen Gradienten nach innen. So entsteht der schnelle Aufstrich.
Inaktiviert
Kurz nach der Öffnung wechseln viele Na+-Kanäle in einen nicht sofort erneut aktivierbaren Zustand. Erst nach ausreichender Repolarisation und Erholungszeit werden sie wieder verfügbar.
Spannungsabhängige K+-Kanäle öffnen in diesem Grundmodell verzögert und schließen ebenfalls verzögert. Ihr K+-Ausstrom trägt wesentlich zur Repolarisation und zur Nachhyperpolarisation bei. Leckkanäle sind eine andere funktionelle Gruppe und verschwinden währenddessen nicht.
Warum die Membran kurzzeitig eine Pause braucht
Während der absoluten Refraktärzeit kann im gerade aktiven Membranabschnitt kein zweites eigenständiges Aktionspotenzial ausgelöst werden. Ein wichtiger Grund ist, dass die nötigen Na+-Kanäle noch nicht erneut aktivierbar sind.
In der anschließenden relativen Refraktärzeit sind wieder genügend Kanäle verfügbar, aber die Erregung ist noch erschwert. Die fortbestehende K+-Durchlässigkeit, die Nachhyperpolarisation und die noch unvollständige Erholung können dazu beitragen. Ein stärkerer Reiz ist nötig als im vollständig erholten Zustand.
Diese Eigenschaften begrenzen, wie dicht Signale aufeinanderfolgen können. Bei vielen Nervenzellen wird eine stärkere anhaltende Erregung durch eine höhere Aktionspotenzialfrequenz dargestellt: mehr Signale pro Zeit, nicht einfach höhere Spitzen.
Die Ionenvorräte werden nicht bei jedem Signal vertauscht
Für einen starken Spannungswechsel an der dünnen Membran muss nur ein kleiner Teil der vorhandenen Ionen die Seite wechseln. Nach einem einzelnen Aktionspotenzial ist daher nicht plötzlich alles Na+ innen und alles K+ außen.
Die schnelle Repolarisation entsteht vor allem durch die veränderten Kanalzustände und die dadurch veränderten Ionenströme. Die Na+/K+-Pumpe erhält die Konzentrationsunterschiede langfristig. Sie läuft ständig und ist kein Schalter, der erst nach der Spitze anspringt.
Kurzer Wissenscheck
Was erklärt im Grundmodell die schnelle Repolarisation?
Wähle eine Antwort und begründe sie zunächst selbst.
12 Aufgaben: verstehen, anwenden und begründen
Versuche jede Aufgabe zuerst selbst. Nutze bei Bedarf den Tipp und vergleiche erst danach mit der Lösung.
1 · Was zeigt die senkrechte Achse der Kurve?
Tipp
Eine Spannung, keine Stoffmenge.
Lösung mit Erklärung
Sie zeigt das Membranpotenzial in Millivolt: das elektrische Potenzial innen minus außen. Sie zeigt weder die Natriumkonzentration noch eine Wegstrecke.
2 · Ist eine Änderung von −70 auf −60 mV eine Depolarisation?
Tipp
Wird das Innere weniger negativ?
Lösung mit Erklärung
Ja. Das Potenzial wird weniger negativ. Auch ohne Überschreiten von 0 mV liegt eine Depolarisation vor.
3 · Teste im Schwellenmodell 14 und 15 mV vorbereitende Depolarisation.
Tipp
Addiere die Änderung zu −70 mV.
Lösung mit Erklärung
14 mV führen zu −56 mV und bleiben unter der Modellschwelle. 15 mV führen zu −55 mV; im vereinfachten Modell wird ein vollständiges Aktionspotenzial ausgelöst.
4 · Warum verstärkt sich der Aufstrich selbst?
Tipp
Verbinde Na⁺-Kanäle, Einstrom und Spannung.
Lösung mit Erklärung
Depolarisation öffnet Na⁺-Kanäle. Na⁺-Einstrom depolarisiert weiter und öffnet weitere Kanäle. Das ist positive Rückkopplung.
5 · In welche Richtung strömt Na⁺ beim Aufstrich?
Tipp
Betrachte Konzentrationsunterschied und negatives Inneres zu Beginn.
Lösung mit Erklärung
Na⁺ strömt nach innen. Zu Beginn begünstigen sowohl der Konzentrationsunterschied als auch die elektrische Wirkung diesen Einstrom.
6 · Nenne zwei Veränderungen am Übergang zur Repolarisation.
Tipp
Eine betrifft Natrium, eine Kalium.
Lösung mit Erklärung
Viele Na⁺-Kanäle werden inaktiviert; die Na⁺-Durchlässigkeit nimmt ab. Verzögert geöffnete K⁺-Kanäle ermöglichen verstärkten K⁺-Ausstrom.
7 · Warum kann das Potenzial kurz unter den Ruhewert fallen?
Tipp
Welche Kanäle schließen verzögert?
Lösung mit Erklärung
Ein Teil der spannungsabhängigen K⁺-Kanäle bleibt noch offen. Die zusätzliche K⁺-Durchlässigkeit verschiebt das Potenzial näher an Eₖ und damit unter den typischen Ruhewert.
8 · Unterscheide einen geschlossenen von einem inaktivierten Na⁺-Kanal.
Tipp
Ist sofortige Aktivierung möglich?
Lösung mit Erklärung
Ein geschlossener, aktivierbarer Kanal kann bei passender Depolarisation öffnen. Ein inaktivierter Kanal muss sich erst erholen, bevor er wieder aktivierbar ist.
9 · Vergleiche absolute und relative Refraktärzeit.
Tipp
Kein neues Signal oder nur bei stärkerem Reiz?
Lösung mit Erklärung
Absolut: im betroffenen Membranabschnitt kein zweites eigenständiges Aktionspotenzial. Relativ: Auslösung wieder möglich, aber gegenüber dem erholten Zustand erschwert.
10 · Bedeutet stärkerer Reiz automatisch doppelte Spitzenhöhe?
Tipp
Denke an Alles oder nichts und Frequenz.
Lösung mit Erklärung
Nein. Unter vergleichbaren Bedingungen bleiben einzelne Aktionspotenziale ähnlich groß. Bei vielen Zellen kann eine stärkere anhaltende Erregung die Häufigkeit der Signale erhöhen.
11 · Ist die Na⁺/K⁺-Pumpe die unmittelbare Ursache des steilen Kurvenabfalls?
Tipp
Was passiert mit den Kanälen?
Lösung mit Erklärung
Nein. Der schnelle Abfall entsteht hauptsächlich durch nachlassenden Na⁺-Einstrom und K⁺-Ausstrom. Die Pumpe erhält die zugrunde liegenden Gradienten langfristig.
12 · Müssen nach jedem Signal alle Ionen zurücktransportiert werden?
Tipp
Wie groß ist der verschobene Anteil?
Lösung mit Erklärung
Nein. Nur ein kleiner Anteil wechselt während eines Signals die Membranseite. Die großen Konzentrationsunterschiede bleiben bei einem einzelnen Signal weitgehend erhalten.
Passende Materialien zum Weiterlernen
Aktionspotenziale und Reizstärke – Arbeitsblatt mit Lösungen
Kostenloses Arbeitsblatt mit Lösungen zum selbstständigen Üben oder für den Unterricht.
Arbeitsblatt ansehen →Fachliche Grundlagen und Modellhinweise
Vertiefung: UTHealth: Ionic Mechanisms and Action Potentials und Alberts et al.: elektrische Eigenschaften von Membranen. Kurve, Zeitpunkte und feste Schwelle sind eigens gewählte Lehrbeispiele. Sie stellen keine Messung und keine vollständige Hodgkin-Huxley-Simulation dar.