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Unter einem Aktionspotenzial (auch elektrische Erregung) versteht man eine vorübergehende, charakteristische Abweichung des Membranpotenzials (eigentlich: elektrische Spannung = Differenz der elektrischen Potenziale zwischen Innen- und Außenseite) einer biologischen Zelle von ihrem Ruhemembranpotenzial. Da auch viele Pflanzenzellen (Pilze inbegriffen) elektrisch erregbar sind, muss man den evolutionären Ursprung von Aktionspotenzialen bei gemeinsamen, einzelligen Vorfahren von Tier- und Pflanzenzellen suchen, die Aktionspotenziale wahrscheinlich zur Osmoregulation einsetzten.
Bei Tieren sind Aktionspotenziale osmotisch neutral und dienen der schnellen Signalübertragung durch spezialisierte Zellen. Dazu gehören Neuronen (Nervenzellen) und Muskelzellen. Signalfunktion von Aktionspotenzialen bei manchen Gefäßpflanzen (z.B. Mimose - auch mit osmo-elektrischer Koppelung) ist eine davon unabhängige, evolutionäre Errungenschaft.
Aktionspotenziale können weitgehend verlustfrei und unverzerrt über größere Entfernungen geleitet werden. Sie ermöglichen bei Tieren die Erregungsleitung im Nervensystem und die Kontraktion der Muskulatur.
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Die Ursachen für die Ausbildung und die besonderen Eigenschaften eines Aktionspotenzials sind auf die Eigenschaften verschiedener Gruppen von Ionenkanälen in der Plasmamembran der Zelle zurückzuführen. Ein anfänglicher Reiz aktiviert, sobald er eine bestimmte Schwelle erreicht (ca. -50 mV), und ohne Rücksicht darauf, wie weit er sie übersteigt, eine Kette von Öffnungs- und Schließungsvorgängen der Kanäle, die einen Ionenstrom ermöglichen und damit das Membranpotenzial verändern. Die Form des Aktionspotenzials ist damit, unabhängig von der Stärke des auslösenden überschwelligen Reizes, immer gleichförmig (Alles-oder-Nichts-Gesetz). Diese Änderung des Potenzials kann an der nächsten Stelle der Membran wieder als Reiz dienen, was die Grundlage der Reizfortleitung ist.
Ausgangslage ist die Zelle beim Ruhemembranpotenzial, das bei Neuronen je nach Zelltyp typischerweise zwischen −90 und −70 mV liegt. Man kann nun vier Phasen des Aktionspotenzials beschreiben:
Die Dauer eines Aktionspotenzials beträgt ca. 1–2 ms (in Neuronen), kann aber auch bis zu einigen hundert Millisekunden (im Herzen) betragen.
Bereits während der Repolarisation befindet sich die Zelle in der Refraktärphase, während dort zunächst kein (absolute Refraktärzeit, ca. 0,5 ms) und dann nur mit erhöhtem Reiz (erhöhtes Schwellenpotenzial während der relativen Refraktärzeit, ca. 3,5 ms) ein Aktionspozential erzeugt werden kann.
Die Erklärung setzt das Verständnis der im Artikel zum Ruhemembranpotential vorgestellten Entstehung eines Ruhepotenzials durch Ionenkanäle, Ionenströme und das Kaliumgleichgewichtspotenzial voraus.
Wie schon im Artikel über das Ruhemembranpotenzial beschrieben, verfügen Zellen über eine Reihe von Ionenkanälen. Für das Aktionspotenzial sind vor allem bestimmte für Natrium- bzw. Kalium-Ionen spezifische Ionenkanäle verantwortlich. Diese Kanäle öffnen sich in Abhängigkeit vom Membranpotenzial, d.h. sie sind spannungsaktiviert. In Ruhe ist das Membranpotenzial negativ.
So ist beispielsweise ein spannungsabhängiger Natriumkanal (Nav-Kanal) (aufgrund seiner Eigenschaft auch als schneller Natriumkanal bezeichnet) beim Ruhemembranpotenzial geschlossen und aktivierbar. Bei Depolarisation über einen kanalspezifischen Wert erfolgt eine Konformationsänderung, der Kanal wird dadurch durchlässig für Ionen und geht in den Zustand offen über. Der Kanal bleibt aber trotz anhaltender Depolarisation nicht etwa offen, sondern wird innerhalb weniger Millisekunden unabhängig vom Membranpotenzial wieder verschlossen. Das geschieht meist durch einen im Zytoplasma liegenden Teil des Kanalproteins, die Inaktivierungsdomäne, die sich gleich einem "Stöpsel" in den Kanal setzt und diesen verstopft. Diesen Zustand bezeichnet man als geschlossen und inaktiviert. Der Übergang in den Zustand geschlossen und aktivierbar ist nur nach einer Hyperpolarisation (oder vollständiger Repolarisation bei Herzmuskelzellen) möglich, der Übergang vom Zustand geschlossen und inaktiviert zum Zustand offen ist im vereinfachten Modell nicht möglich.
In der Literatur wird auch beschrieben, dass ein geschlossener und inaktivierter Kanal nach Repolarisierung zunächst kurzzeitig im Zustand offen vorliegt, bevor er durch die Konformationsänderung direkt nach geschlossen aktivierbar übergeht. In jedem Fall erfolgt die Wiederaktivierung nur nach einer Hyperpolarisation (oder vollständiger Repolarisation bei Herzmuskelzellen), ein Übergang inaktiviert nach offen ist bei depolarisierter Membran nicht möglich.
Nicht alle Kanäle öffnen sich gleichzeitig bei ein und demselben Wert des Membranpotenzials. Vielmehr ist die Wahrscheinlichkeit eines Kanals, in einen bestimmten Zustand überzugehen, spannungsabhängig. Aus der rein statistischen Verteilung stellt sich ein Gleichgewicht ein, so dass eine größere Zahl von Kanälen in der Summe sehr gut das oben geschilderte Modell erfüllt.
Auch ist der Zeitaufwand, um von einen Zustand in den anderen überzugehen, kanalspezifisch. Im geschilderten Natriumkanal läuft die Konformationsänderung von geschlossen nach offen in weniger als einer Millisekunde ab, während ein vergleichbarer Kaliumkanal Zeit in der Größenordnung von 10 ms benötigt.
Abgesehen von der Spannung gibt es noch eine Reihe weiterer Mechanismen zum Öffnen bzw. Schließen der Kanäle. Für das Aktionspotential sind davon nur noch zwei von gewisser (s.u.) Bedeutung. Zum einen sind die Kalium-einwärts-gleichgerichteten-Kanäle Kir zwar an sich nicht regelbar. Es gibt jedoch niedermolekulare, positiv geladene Stoffe wie das Spermin, die bei ausreichender Depolarisation die Kanalporen verstopfen können (Kanalblock, Porenblock). Ein weiterer Mechanismus betrifft Kaliumkanäle, die öffnen, wenn intrazellulär Calciumionen (normalerweise intrazellulär in sehr niedriger Konzentration) an sie binden.
In der Ausgangslage befindet sich die Zelle in Ruhe und weist ihr Ruhemembranpotential auf. Die Natriumkanäle sind geschlossen, nur bestimmte Kaliumkanäle sind geöffnet, die Kaliumionen bestimmen das Ruhemembranpotenzial. Bei allen Ionenbewegungen wird Richtung und Stärke durch die elektrochemischen Triebkräfte für die jeweiligen Ionen bestimmt. Vor allem Natriumionen haben die Tendenz, schnell in die Zelle zu strömen, wenn sich die Kanäle öffnen sollten.
Während der Initiationsphase muss durch einen Reiz das Membranpotenzial bis zum Schwellenwert depolarisiert werden. Das kann durch die Öffnung von postsynaptischen Ionenkanälen (Na+, Ca2+) oder durch ein elektrotonisch weitergeleitetes Aktionspotenzial aus einer nahen Membranregion geschehen.
Ist das Membranpotenzial um 20 mV über das Ruhepotenzial angestiegen, tritt der Porenblock der Kir-Kanäle durch Spermin ein, was die nachfolgende sehr schnelle Depolarisation und das Erreichen des Schwellenwerts der Natriumkanäle ermöglicht, die sonst durch ausströmende Kaliumionen, die in Richtung des Ruhepotenzials wirken würden, zumindest vermindert würden.
Bei −60 mV fangen die spannungsabhängigen Natriumkanäle NaV an, in den offenen Zustand überzugehen. Natriumionen, deren Konzentration sehr weit von ihrem Gleichgewichtspotenzial entfernt ist, strömen ein, die Zelle depolarisiert, dadurch werden weitere Kanäle geöffnet, noch mehr Ionen können einströmen: Der schnelle Aufstieg führt zum Overshoot (Umpolarisierung).
Noch bevor das Potenzialmaximum erreicht ist, beginnen die NaV-Kanäle zu inaktivieren. Zugleich kommen die spannungsabhängigen Kaliumkanäle KV ins Spiel; K+-Ionen strömen aus der Zelle heraus. Sie haben zwar ihre Schwelle bei ähnlichen Werten, brauchen aber wesentlich länger für das Öffnen, womit sie jetzt erst langsam beginnen. Während des Maximums der Na-Leitfähigkeit sind die Kaliumkanäle gerade erst zur Hälfte geöffnet und erreichen ihr Maximum, wenn fast alle Na-Kanäle schon inaktiviert sind. Dadurch liegt das Na-Maximum etwas vor dem Spannungsmaximum, während das K-Maximum in die Phase der steilsten Repolarisation fällt.
Während der Repolarisation nähert sich das Potenzial wieder dem Ruhepotenzial an. Die KV schließen, der Porenblock der Kir wird aufgehoben, was wichtig für die Stabilisierung des Ruhepotenzial ist. Die NaV-Kanäle werden langsam wieder aktiviert.
In vielen Zellen (vor allem Neuronen) ist noch eine Nachhyperpolarisation zu beobachten. Sie erklärt sich durch eine auch weiterhin noch erhöhte Kaliumleitfähigkeit, wodurch das Potenzial noch näher am Kaliumgleichgewichtspotenzial liegt. Die Leitfähigkeit ist höher, weil während des Aktionspotenzials eingeströmte Calciumionen entsprechende Kaliumkanäle öffnen, und normalisiert sich erst, wenn der Calciumspiegel wieder absinkt. Auch eine erhöhte Pumprate der Natrium-Kalium-ATPase kann einen Beitrag zur Nachhyperpolarisation leisten.
Nach dem Abklingen des Aktionspotenzials ist das Axon für eine kurze Zeit nicht mehr erregbar. Bei den Arbeitsmyokardzellen des Herzens ist diese Phase - dort auch "Plateauphase" genannt - besonders lang, was auf den sog. "langsamen Calcium-Einstrom" zurückgeführt wird (dieser Umstand ist wichtig, um ein "Zurücklaufen" der Erregung zu verhindern (Unidirektionalität)). Diese Dauer, die Refraktärzeit, ist bestimmt durch die Zeit, die die NaV zur Wiederaktivierung benötigen. Während der absoluten Refraktärphase kurz nach dem Aktionspotenzial, wenn die Repolarisation noch im Gange ist, können diese Kanäle überhaupt nicht wieder öffnen. Man sagt auch, der Schwellenwert liegt bei Unendlich. Während der relativen Refraktärphase benötigt man stärkere Reize und erhält schwächere Aktionspotenziale. Hier bewegt sich der Schwellenwert von Unendlich wieder auf seinen normalen Wert zu.
Das Auslösen eines Aktionspotenzials wird mit Feuern anschaulich beschrieben. Erreicht ein Aktionspotenzial die Synapse, werden Transmitter „explosionsartig“ in den synaptischen Spalt abgegeben. Je mehr Aktionspotenziale hintereinander die Synapse erreichen, desto mehr Transmitterstoffe werden ausgeschüttet. Die Aussage „Neurone feuern“ wird sowohl populärwissenschaftlich als auch in wissenschaftlichen Beiträgen benutzt.
Meist wird für die Auslösung eines Aktionspotenzials das Überschreiten eines bestimmten Schwellenpotentials verantwortlich gemacht, ab dem die Natriumkanäle nach Art eines internen Vergleiches lawinenartig aktiviert werden. Trotz aller Bemühungen eine solche Feuerschwelle zu finden, kann kein fester Spannungswert angegeben werden, der ein Aktionspotenzial bedingt. Stattdessen feuern Neurone unter einem relativen breiten Band von auslösenden Membranspannungen. Daher ist die Neurowissenschaft von der Vorstellung eines festen Schwellenpotenzials abgekommen. Systemtheoretisch lässt sich die Entstehung des Aktionspotenzials am ehesten durch eine Bifurkation zwischen passiver und Aktionspotenzialdynamik, wie es beispielsweise beim Hodgkin-Huxley-Modell der Fall ist, beschreiben. Trotzdem ist es, auch in der Fachliteratur, durchaus üblich, weiterhin von einer Feuerschwelle zu sprechen, um den grauen Bereich zwischen Ruhe und Aktionspotenzial zu kennzeichnen.
Prinzipiell sind Pflanzenzellen, Pilze inbegriffen[1] auch elektrisch erregbar. Der Hauptunterschied zum tierischen Aktionspotenzial besteht darin, dass die Depolarisierung nicht durch Eintritt von positiven Natriumionen geschieht, sondern durch Ausfluss von negativen Chloridionen [2] [3] [4]. Zusammen mit dem darauffolgenden Ausfluss von positiven Kaliumionen, der gleichermaßen in tierischen wie in pflanzlichen Zellen die Repolarisierung bewirkt, bedeutet dies für Pflanzenzellen einen osmotischen Verlust an Salz (KCl), wohingegen das tierische Aktionspotenzial durch gleiche Mengen von Natriumeinstrom und Kaliumausstrom in der Summe osmotisch neutral ist. Die Koppelung von elektrischen und osmotischen Ereignissen beim pflanzlichen Aktionspotenzial [5] legt nahe, dass elektrische Erregbarkeit bei den gemeinsamen, einzelligen Vorfahren von Tier- und Pflanzenzellen der Regulierung des Salzhaushalts unter veränderlichen Salinitätsbedingungen diente, während die osmotisch neutrale Fortleitung von Signalen durch tierische Vielzeller mit nahezu konstanter Salinität eine evolutionär jüngere Errungenschaft darstellt. [6]. Demnach hat sich die bekannte Signalfunktion von Aktionspotenzialen in einigen Gefäßpflanzen (z.B. Mimosa pudica) unabhängig von derjenigen in tierischen Zellen herausgebildet.
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