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Aktionspotential – Grundlage der Informationsweiterleitung

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Sabine Basine
Aktionspotential – Grundlage der Informationsweiterleitung
lernst du in der 11. Klasse - 12. Klasse - 13. Klasse

Beschreibung Aktionspotential – Grundlage der Informationsweiterleitung

Was ist ein Aktionspotenzial?

Über Aktionspotenziale werden Informationen in Form von elektrischer Erregung von Nervenzellen weitergeleitet. Bei einem Aktionspotenzial handelt es sich um eine kurzfristige elektrische Spannungsänderung an der Membran einer Nervenfaser, die durch einen überschwelligen Reiz ausgelöst wird – also einen Reiz, der einen gewissen Schwellenwert erreicht hat.

Aktionspotential

Aktionspotenzial Nervenzelle – Verlauf

Ruhepotenzial
Ohne eine Reizwirkung von außen weisen die Membranen von Nervenzellen bzw. deren Axone ein Ruhepotenzial auf. Dieses Ruhepotenzial liegt im negativen Bereich bei etwa $-$70 Millivolt (mV):
An der Außenseite der Axonmembranen befinden sich positiv geladene Natriumionen ($Na^{+}$) und negativ geladene Chloridionen ($Cl^{-}$).
Auf der Innenseite der Membranen befinden sich positiv geladene Kaliumionen ($K^{+}$) und negativ geladene organische Anionen.
Da Stoffe naturgemäß vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration strömen, sind $Na^{+}$-Ionen bestrebt, in das Innere der Membran zu wandern, und $K^{+}$-Ionen sind bestrebt, nach außen zu gelangen. Doch nur die $K^{+}$-Ionen können die Membran durch entsprechende Ionenkanäle überwinden und nach außen strömen.
Durch die $Na^{+}$-Ionen und die zusätzlichen $K^{+}$-Ionen an der Außenseite ist im Ruhepotenzial die Außenseite der Axonmembranen leicht positiv geladen – und die Innenseite ist leicht negativ geladen.

Depolarisation
Dieses Potenzial kann durch Reize von außen verändert werden. Dabei löst nicht jeder Reiz eine Reaktion aus. Reize unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts führen keine Reaktion herbei. Nur wenn die Spannung den Schwellenwert überschreitet, wird das Potenzial an den Membranen für ein bis zwei Millisekunden komplett umgepolt. Die Reaktion auf einen Reiz wird entweder vollständig oder überhaupt nicht ausgelöst. Dieses Phänomen wird als Alles-oder-nichts-Prinzip bezeichnet.
Die Depolarisation verläuft folgendermaßen:
Im Ruhezustand sind die spannungsgesteuerten Ionenkanäle geschlossen.
Nach Erreichen des Schwellenwerts öffnen sich die $Na^{+}$-Kanäle.
Es strömen mehr $Na^{+}$-Ionen in das Innere der Axonmembranen, als $K^{+}$-Ionen nach außen strömen.
Das negative Membranpotenzial verändert sich von etwa $-$60 bis $-$80 Millivolt zu einer schwach positiven Spannung von etwa 30 Millivolt. Diese Umpolung wird als Depolarisation bezeichnet.

Refraktärzeit
Refraktärzeit ist der Zeitraum während und nach der Ausbildung eines Aktionspotenzials, in dem sich die $Na^{+}$-Kanäle schließen und eine Zeit lang nicht für neue Reize ansprechbar sind. In dieser Zeit kann eine erregte Nervenzelle nicht erneut auf einen Reiz reagieren.

Repolarisation
$K^{+}$-Ionenkanäle arbeiten etwas langsamer als $Na^{+}$-Ionenkanäle und daher öffnen sie sich mit einer zeitlichen Verzögerung. Durch den anschließenden Ausstrom von $K^{+}$-Ionen wird die Depolarisation wieder ausgeglichen und das Membranpotenzial sinkt erneut in den negativen Bereich.

Hyperpolarisation
Für einen kurzen Moment kann das Potenzial sogar etwas negativer ausfallen als das Ruhepotenzial: Dies bezeichnet man als Hyperpolarisation.

Rückkehr zum Ruhepotenzial
Zwar ist das Ruhepotenzial von der elektrischen Ladung aus gesehen wieder hergestellt, doch befinden sich nach der Repolarisation $Na^{+}$-Ionen im Inneren des Axons und $K^{+}$-Ionen außerhalb der Axonmembran. Natrium-Kalium-Ionenpumpen stellen die ursprüngliche Ionenverteilung auf der Innen- und Außenseite der Axonmembranen wieder her. Unter Energieverbrauch, also dem Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP), strömen $K^{+}$-Ionen wieder nach innen und $Na^{+}$-Ionen wieder nach außen. Es handelt sich um einen gegenläufigen Transport von 3 $Na^{+}$ gegen 2 $K^{+}$ über die Zellmembran. Auf diese Weise wird nach und nach die Ausgangsposition des Ruhepotenzials wieder hergestellt.

Aktionspotenzial – Funktion des Nervensystems

Durch das Nervensystem halten Menschen Kontakt mit der Umwelt. Augen, Ohren, Nase, Zunge und Sensoren in der Haut nehmen Reize aus der Umwelt wahr und leiten sie als elektrische Impulse weiter zum Zentralnervensystem. Doch auch Informationen aus dem Inneren des Körpers werden wahrgenommen.
Sticht man sich beispielsweise in die Hand, leiten Nervenzellen diesen Reiz vom Sinnesorgan (hier: die Haut) zum Gehirn. Hierbei spricht man von hinführenden, sensorischen oder auch afferenten Nervenbahnen und insgesamt von dem sensorischen Nervensystem. Im Gehirn wird der eintreffende Reiz verarbeitet und auf das motorische Nervensystem übertragen. Die vom Gehirn wegführenden Nervenfasern bezeichnet man entsprechend als motorische oder auch efferente Nervenbahnen. Mit dem motorischen Nervensystem reagiert der Organismus auf die Signale, indem es die Muskulatur steuert. Die Reaktion auf einen schmerzhaften Stich ist zum Beispiel das Wegziehen der Hand.

Dabei werden die elektrischen Impulse und die dadurch bedingten Ladungsverschiebungen Stück für Stück durch das Axon transportiert. Wenn das Ende des Axons erreicht ist, wird die Erregung durch die Synapsen auf die Dendriten der nächsten Nervenzelle übertragen, bis das Ziel erreicht ist: Das Ziel beim sensorischen Nervensystem ist das zentrale Nervensystem (Rückenmark und Gehirn). Beim motorischen Nervensystem ist das ausführende Organ das Ziel.

Transkript Aktionspotential – Grundlage der Informationsweiterleitung

Hallo, mein Name ist Sabine und in diesem Film möchte ich dir das Aktionspotential näher erklären. Mit Hilfe von Aktionspotentialen werden Informationen von einer Nervenzelle zur nächsten geschickt. Als Grundlage solltest du schon alles über das Ruhepotential kennen, denn damit beginnen wir jetzt. Hier siehst du in der Mitte meine schematische Biomembran. Auf der Membranaußenseite befinden sich negativ geladene Chloridionen. Auf der Innenseite organische Anionen. Diese sind beide negativ geladen und stoßen sich daher gegenseitig ab. Zu den Chloridionen auf der Außenseite gehören noch die Natriumionen. Diese sind positiv geladen und werden dargestellt durch die kleinen blauen Quadrate, die du im Bild siehst. Auf der Innenseite gibt es noch die Kaliumionen. Diese sind positiv geladen und werden dargestellt durch die kleinen grünen Quadrate. Diese beiden positiv geladenen Ionen wollen unheimlich gerne ihrem Konzentrationsgefälle folgen und die Membranseite wechseln. Das schaffen aber nur die Kaliumionen, weil entsprechende Kanäle in der Membran dafür geöffnet sind. Daher findest du auch ein paar kleine grüne Quadrate auf der Außenseite der Membran. Dadurch ist die Membran an der Außenseite leicht positiv geladen und auf der Innenseite negativ. Das ist das Ruhepotential. Dazu kommt jetzt eine Grafik, die uns den ganzen Film über begleiten wird. Auf der x-Achse findest du die Zeit, auf der y-Achse die Spannung, gemessen in Millivolt (mV). Das Ruhepotential liegt normalerweise in einem Bereich von -60 bis -80 mV. Das kommt auf die Quelle an, die du hast. Bei einem Aktionspotential wird für 1-2 Millisekunden die Membran komplett umgepolt. Dabei werden Spitzenwerte von bis zu 30 mV erreicht. Wenn ein Reiz auf die Nervenzelle trifft, beginnt die Depolarisation. Unser Ruhepotential wird weniger negativ. Das ist die leicht ansteigende rote Linie. Doch nicht jeder Reiz löst ein Aktionspotential aus und damit eine Erregung. Wenn der Schwellenwert - die blaue, gestrichelte Linie - nicht erreicht wird, gibt es auch kein Aktionspotential. Aber sobald der Schwellenwert "geknackt" wird, gibt es ein Aktionspotential in voller Höhe. Das ist das Alles-oder-nichts-Gesetz. Aktionspotentiale treten aber nur im Axon auf und nicht im Zellkern oder den Dendriten. In der Membran sind spannungsgesteuerte Natrium- und Kaliumkanäle zu finden. Das sind die orangefarbenen und pinkfarbenen Kästchen in meiner Zeichnung.  Beim Ruhepotential sind die spannungsgesteuerten Kanäle geschlossen. Das siehst du an den roten Querstrichen in meiner Zeichnung. Wenn der Schwellenwert überschritten wird, werden die Natriumkanäle geöffnet und die Natriumionen folgen ihrem Konzentrationsgefälle nach innen. Das nennt man Depolarisation. Durch die hineinströmenden Natriumionen werden noch mehr Natriumkanäle geöffnet und es strömen sehr viel mehr Natriumionen nach innen als Kaliumionen nach außen kommen. Somit wird die Membran umgepolt. Dieser schnelle Anstieg ist auch an der anderen Seite zu erkennen und wir erkennen Spitzenwerte von bis zu 30 mV. Danach schließen sich die Natriumkanäle wieder und sind für neue Reize erst mal nicht ansprechbar. Das nennt man Refraktärzeit. Die etwas langsameren Kaliumkanäle öffnen sich jetzt. Die Kaliumionen können jetzt ungestört nach außen gelangen. Das Membranpotential kehrt nun wieder zu seinem Ruhewert zurück. Das nennt man Repolarisation. Die Außenseite ist wieder positiv geladen und die Innenseite negativ. Zwischenzeitlich ist es sogar möglich, dass dieses Potential negativer ist als im Ruhepotential. Das nennt man Hyperpolarisation. Nun werden auch die spannungsgesteuerten Kaliumkanäle wieder geschlossen. Wie dir sicherlich aufgefallen ist, sind noch die Ionen auf der falschen Seite. Deswegen muss die Natrium-Kalium-Pumpe unter Energie, das heißt ATP-Verbrauch, arbeiten. 2 Kaliumionen werden nach innen transportiert, und 3 Natriumionen nach außen. Damit gelangen wir nach und nach wieder bei der Ausgangssituation des Ruhepotentials an. Allgemein zu Aktionspotentialen lässt sich noch sagen, dass Form und Größe immer gleich sind. Je stärker die Erregung, desto kleiner wird der zeitliche Abstand zwischen den Aktionspotentialen. Das heißt, die Information, die die Nervenzelle weiterleiten möchte, ist in der Frequenz der Aktionspotentiale verschlüsselt. Fassen wir das Ganze noch mal zusammen: An der Membran liegt zunächst das Ruhepotential vor. Wenn ein überschwelliger Reiz an der Nervenzelle ankommt, beginnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle zu öffnen. Natriumionen können von der Membranaußenseite zur Innenseite strömen.  Diesen Vorgang nennt man Depolarisation. Die Membran wird umgepolt, das heißt, sie ist außen negativ geladen und innen positiv. Diese Umpolung siehst du an dieser Grafik an der Spannungsänderung von -80 mV zu 30 mV. Die Natriumkanäle werden geschlossen und die Kaliumkanäle öffnen sich. Kaliumionen können nun von innen nach außen strömen und das Membranpotential kommt wieder bei dem negativen Ausgangswert von -80 mV an. Kurz ist sogar dieses Potential negativer geladen im Vergleich zum Ruhepotential. Dies nennt man dann Hyperpolarisation. Um wieder die Ionenverteilung des Ruhepotentials zu erhalten, muss die Natrium-Kalium-Pumpe arbeiten und Natrium- bzw. Kaliumionen wieder auf die richtige Membranseite bringen. Wenn die spannungsgesteuerten Kanäle wieder geschlossen sind, sind sie eine Zeit lang nicht für neue Reize ansprechbar. Diese Zeit nennt man Refraktärzeit. Ich hoffe, dieser Film konnte dir beim Lernen helfen und er hat dir gefallen. Vielen Dank fürs Zusehen und hoffentlich bis bald! Sabine                  

43 Kommentare

43 Kommentare
  1. Hier sind doch einige Fehler: die Skalierung der Y-Achse, die Zeichnung des Aktionspotentials (jedem Zeitwert kann nur ein Y-Wert zugeordnet werden, das sieht bei der Zeichnung gelegentlich anders aus). Im AB ist auch mehrfach davon die Rede, dass ein Reiz weitergeleitet wird. Weitergeleitet wird aber die vom Reiz ausgelöste Erregung, nicht der Reiz selbst!

    Von Schule 91, vor 6 Monaten
  2. Hallo,
    ich finde es sehr schade, dass in diesem Video den Teilchen ständig ein eigener Wille unterstellt wird. Es wäre schöner, und für das Thema angemessen, wenn hier mit der entsprechenden Fachsprache gearbeitet werden würde.
    Wenn ich ein Referat zu diesem Thema in dieser Art vortragen würde, dann würde ich nicht einen einzigen Punkt bekommen, weil jede Aussage schließlich falsch wäre.

    Von Anjamarkov, vor 9 Monaten
  3. Hallo Jonas,
    vielen Dank für deine Frage!
    Es gibt Ausnahmen, in denen keine Hyperpolarisation stattfindet, aber meistens schon, das ist richtig.

    Die Natrium-Kaliumpumpe wird aktiv, um das chemische Gleichgewicht wieder auszugleichen - jedes Ion soll wieder auf "seiner" Seite sein. Für Kalium-Ionen ist die Membran ja immer durchlässig und diese diffundieren entsprechend ihres Gradienten immer wieder auf die richtige Seite - das Ruhepotential stellt sich also immer ganz von alleine wieder ein.
    Ich hoffe, dass ich dir mit dieser Antwort helfen konnte.
    Viele Grüße aus der Redaktion.

    Von Amrei Rolof, vor mehr als einem Jahr
  4. Ich habe noch ein paar Fragen.
    Eine Hyperpolarisation findet doch immer statt oder? (Haben wir im Unterricht zumindest so besprochen, Im Video habt ihr gesagt, dass sie Stattfinden KANN).
    Bei einer Hyperpolarisation liegt das Membranpotential ja bei ungefähr -100 mv, Innen ist sie im Vergleich zu außen jedenfalls noch negativer als beim Ruhepotential (ca -80).
    Ihr habt jetzt gesagt, dass durch die Na+K+Pumpe das Ruhepotential wieder hergestellt wird, indem 2 K+ nach innen und 3 Na+ nach außen transportiert werden. Müsste das Membranpotential dann nicht noch negativer werden, da ja insgesamt 1 +Ion nach aussen geht?
    Wäre sehr dankbar wenn ihr antworten könntet :)

    Von Mittmannjonas, vor mehr als einem Jahr
  5. Hallo Unsern Charly91 1,
    leider haben wir kein Video zu diesem Thema. Wenn du allerdings Fragen zu dem Thema hast, kannst du dich gerne an den Hausaufgaben-Chat wenden, der von Montag bis Freitag zwischen 17-19 Uhr für dich da ist.
    Beste Grüße aus der Redaktion

    Von Tatjana Elbing, vor mehr als einem Jahr
Mehr Kommentare

Aktionspotential – Grundlage der Informationsweiterleitung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Aktionspotential – Grundlage der Informationsweiterleitung kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe das Aktionspotential anhand der Grafik.

    Tipps

    Wenn ein Reiz auf die Nervenzelle trifft, beginnt die Depolarisation.

    Bei der Repolarisation kehrt das Membranpotential zu seinem Ruhewert zurück.

    Lösung

    Das Ruhepotential liegt normalerweise zwischen -60 und -80 mV. Trifft ein Signal auf die Nervenzelle, beginnt das Aktionspotential mit einer Depolarisation. Die Natriumkanäle werden geöffnet und viele Natriumionen strömen ins Zellinnere. Dies ist in der Grafik am Anstieg der Kurve erkennbar. Es wird ein Spitzenwert von bis zu 30 mV erreicht.

    Nun öffnen sich die Kaliumkanäle und Kaliumionen diffundieren aus dem Zellinneren heraus. Das Potential wird negativer und die Kurve bewegt sich wieder nach unten, man spricht von der Repolarisation.

    Kurzzeitig ist es möglich, dass das Membranpotential negativer wird als das Ruhepotential, hierbei spricht man von der Hyperpolarisation.

  • Bestimme, welcher Vorgang beschrieben wird.

    Tipps

    Unter der Depolarisation versteht man die Veränderung des Membranpotentials zu positiven Werten hin.

    Repolarisation ist eine Art Rückkehr des Membranpotentials in den Ruhezustand.

    Lösung

    Wird der Schwellenwert von -50 mV nicht überschritten, wenn ein Signal eintritt, findet kein Aktionspotential statt. Wird er überschritten, findet ein Aktionspotential statt und beginnt mit einer Depolarisation, die Natriumionenkanäle öffnen sich. Nach kurzer Zeit ist der intrazelluläre Raum negativ geladen. Die Natriumionenkanäle schließen sich wieder und sind für neue Erregungen erst einmal nicht ansprechbar, dies bezeichnet man als Refraktärzeit. Nun öffnen sich die Kaliumionenkanäle und das Membranpotential kehrt zu seinem Ruhewert zurück. Hierbei spricht man von der Repolarisation. Sind Natrium- und Kaliumionenkanäle geschlossen, liegt ein Ruhepotential vor.

  • Erkläre das folgende Zitat.

    Tipps

    Man könnte auch sagen, dass das Aktionspotential keine halben Sachen macht.

    Lösung

    Ein Aktionspotential ist eine spontane Ladungsumkehr. Die spannungsabhängigen Natrium- und Kaliumionenkanäle werden für wenige Sekunden geöffnet. Trifft ein Signal ein und der Schwellenwert von -50 mV wird überschritten, kommt es zu einem Aktionspotential nach dem Alles-oder-Nichts-Prinzip, ist das nicht der Fall bleibt das Aktionspotential aus. Es gibt kein halbes Aktionspotential oder nur ein kleines.

  • Beschreibe die Funktion der Natrium-Kalium-Pumpe.

    Tipps

    Erst wenn wieder das Ruhepotential herrscht, ist die Nervenzelle wieder erregbar.

    Die Natrium-Kalium-Pumpe sorgt dafür, dass der Zellinnenraum negativer wird.

    Lösung

    Die Natrium-Kalium-Pumpe liegt in der Zellmembran und ist eine Ionenpumpe, die unter Verbrauch von ATP dafür sorgt, dass das Ruhepotential aufrecht gehalten wird. Ohne die Natrium-Kalium-Pumpe wäre eine Weiterleitung der Erregung nicht möglich, denn nur eine Nervenzelle, die in Ruhe ist, kann wieder ein Aktionspotential ausführen.

    Die Natrium-Kalium-Pumpe schleust 3 Natriumionen aus dem Zellinneren nach außen und 2 Kaliumionen ins Innere. Somit bleibt der Zellinnenraum zum Äußerem etwas negativer. Die Zelle verhindert dadurch, dass es zu einem Ladungsausgleich kommt.

  • Beschreibe die Informationsleitung durch Nervenzellen.

    Tipps

    Die sogenannten Dendriten empfangen die Reize. Sie erkennst du an den Verästelungen.

    Die Dendriten leiten die Signale zum Zellkörper weiter.

    Lösung

    Die Dendriten (die in der Zeichnung blauen Verästelungen) sind für die Aufnahme von Reizen verantwortlich. Sie sind eine Art Antenne. Das Signal wir nun zum Zellkörper geleitet, von diesem aus gelangt das Signal ins Axon (hier in braun dargestellt). Das Axon übernimmt die Weiterleitung der Erregung bis zu den synaptischen Endknöpfchen (hier in grün dargestellt). Anschließend erfolgt die Übertragung des Signals, zum Beispiel an eine Muskelzelle.

    Aktionspotentiale treten aber nur im Axon auf und nicht im Zellkern oder den Dendriten!

  • Beschreibe, wie das Aktionspotential abläuft.

    Tipps

    Bei der Depolarisation verändert sich das Membranpotential, es wird positiver.

    Bevor die Natrium-Kalium-Pumpe arbeitet kommt es zur Repolarisation.

    Lösung

    Zuerst muss ein Signal auf eine Nervenzelle treffen. Wird der Schwellenwert von -50 mV erreicht, öffnen sich die Natriumionenkanäle. Nach kurzer Zeit ist die Außenseite negativ geladen, während der intrazelluläre Raum jetzt sogar positiv geladen ist. Nun schließen sich die Natriumionenkanäle wieder und die Kaliumionenkanäle öffnen sich. Die elektrische Spannung im Zellinneren sinkt wieder. Kaliumionenkanäle schließen sich. Die Natrium-Kalium-Pumpe sorgt für den Austausch von einigen Kalium- und Natriumionen. Zum Schluss liegt wieder das Ruhepotential vor.

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