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Bio-Team
Vom Reiz zum Aktionspotenzial
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Grundlagen zum Thema Vom Reiz zum Aktionspotenzial

Vom Reiz zum Aktionspotenzial – Biologie

Stell dir vor, du stehst auf dem Volleyballfeld und eine Mitspielerin oder ein Mitspieler ruft dir zu: „Nimm den Ball an!“ Du würdest wahrscheinlich sofort versuchen, den Ball zu fangen. Doch warum kannst du überhaupt so schnell reagieren? Was in den wenigen Sekunden, die zwischen dem Satz „Nimm den Ball an!“ und deiner Reaktion vergehen, alles in deinem Nervensystem passiert und wie es von einem solchen Reiz zu einer Reaktion kommt, erklären wir dir im folgenden Text.

Weiterleitung von Reizen – Grundlagen

Reize aus der Umwelt müssen vom Körper in Aktionspotenziale umgewandelt werden, damit die Information im Gehirn verarbeitet und eine passende Reaktion eingeleitet werden kann. Eine passende Reaktion auf den Reiz des Zurufs wäre das schnelle Annehmen des Balls.

Reize nimmst du über (Sinnesorgane) auf. In den Sinnesorganen befinden sich Sinneszellen, die als Rezeptoren fungieren. Das bedeutet, dass sie Reize aus der Umwelt wahrnehmen, elektrische Signale erzeugen und auf diese Weise die Information aus der Umwelt an das zentrale Nervensystem weiterleiten.

Welche Sinneszellen und Rezeptortypen gibt es?

Je nach Art des Reizes gibt es unterschiedliche Sinneszellen – also unterschiedliche Rezeptortypen – in den Sinnesorganen. Der Reiz, der von seinem passenden Rezeptor registriert und weitergeleitet wird, heißt adäquater Reiz.

Es gibt vier unterschiedliche Sinneszell- bzw. Rezeptortypen: Thermorezeptoren, Mechanorezeptoren, Fotorezeptoren und Chemorezeptoren. Diese schauen wir uns in den folgenden Abschnitten genauer an.

Thermorezeptoren

Thermorezeptoren nehmen Temperaturunterschiede wahr. Thermorezeptoren in der Haut registrieren beispielsweise, ob die Außentemperatur warm oder kalt ist. Erkennen Kälterezeptoren niedrige Temperaturen, so kann zum Beispiel ein Muskelzittern ausgelöst werden, durch das der Körper Wärme erzeugt. Ist es draußen besonders warm, dann leitet das Gehirn durch die Wärmerezeptoren eine vermehrte Schweißproduktion ein. Durch den Schweiß kann sich die Haut schneller abkühlen.
Thermorezeptoren sitzen auch in den Schleimhäuten im Mund, in dem sie die Temperatur der aufgenommenen Nahrung oder Getränke wahrnehmen können. Selbst tief im Inneren deines Körpers gibt es Thermorezeptoren, die die Temperatur deines Bluts messen und somit dazu beitragen, dass die optimale Körpertemperatur von 37 °C aufrechterhalten wird.

Mechanorezeptoren

Mechanorezeptoren reagieren mit elektrischen Reizen auf Verformungen. Sie sitzen zum Beispiel in den Muskeln und tragen so zum reibungslosen Ablauf von Bewegungen bei. Auch in der Haut sind sie zu finden, wo sie essenziell für das Ertasten von Gegenständen sind oder Berührungen wahrnehmen. Spezielle Mechanorezeptoren im Ohr werden durch die Weiterleitung von Schallwellen verformt und registrieren auf diese Weise Töne und Geräusche.

Fotorezeptoren

Fotorezeptoren befinden sich in der Netzhaut des Auges. Sie nehmen Lichtreize wahr und tragen damit zur Erkennung von Kontrasten oder von Farben bei.

Chemorezeptoren

Chemorezeptoren nehmen Chemikalien wahr. Sie sind vor allem in den Schleimhäuten der Nase, des Mundes und des Magen-Darm-Trakts zu finden, wo sie Informationen über die Bestandteile der Nahrung an das Gehirn weiterleiten. Doch auch in Blutgefäßen und im Herzen kann man sie finden, wo sie den Sauerstoffgehalt des Bluts messen und so an der Regulation der Atmung beteiligt sind.

Doch wie kann ein Reiz nun in ein elektrisches Signal umgewandelt werden? Das wollen wir dir im nächsten Abschnitt genauer erklären.

Wie wird ein Reiz weitergeleitet?

Wenn ein Reiz eine Sinneszelle erreicht – also von einem Rezeptor detektiert wird –, dann öffnen sich in dieser Sinneszelle Ionenkanäle in der äußeren Zellmembran, durch die Ionen in das Zellinnere hineinströmen. Im Zellinneren befinden sich kleine Bläschen, sogenannte Vesikel, die mit Neurotransmittern gefüllt sind. Steigt durch den Ioneneinstrom die Ionenkonzentration in der Zelle an, verschmelzen die Vesikel in der Sinneszelle mit der äußeren Membran und die Neurotransmitter werden in den synaptischen Spalt freigegeben. Diese Neurotransmitter führen dann zu einer Depolarisation der synaptischen Membran einer angrenzenden Nervenzelle, was bedeutet, dass das Membranpotenzial gegenüber dem Ruhepotenzial zunimmt. Es handelt sich dabei um ein Rezeptorpotenzial. Ein Rezeptorpotenzial steigt und sinkt dabei mit der Stärke des eintreffenden Reizes.

Innerhalb der Nervenzelle wird dieses Potenzial an den Axonhügel weitergeleitet, an dem, durch das Alles-oder-nichts-Prinzip, ein Aktionspotenzial entstehen kann. Ein Aktionspotenzial ist ein durch Ionenflüsse verursachter Anstieg des negativen Ruhepotenzials zu einem positiven Membranpotenzial. Dieses Membranpotenzial führt zu einer Erregung der Nervenzelle, die über die Axone auf Folgezellen übertragen werden kann. Der Reiz wurde demnach in Erregung umgewandelt und wird durch das Axon an das Gehirn weitergeleitet.

Aktionspotenzial: Weiterleitung von Reizen

Erinnerst du dich noch an das Beispiel zu Beginn des Textes? Was genau zwischen dem Zuruf beim Ballspielen und der Annahme des Balls in deinem Körper passiert, möchten wir dir nun am Beispiel der Reizweiterleitung im Ohr erklären.

Reizweiterleitung beim Hörvorgang – Beispiel Mechanorezeptoren

Wir wir bereits zuvor festgestellt haben, sind die Sinneszellen im Ohr Mechanorezeptoren. Sie heißen Haarzellen, da es sich bei ihnen um Zellen mit haarförmigen Fortsätzen handelt. Sie sitzen im Innenohr, wo ihre Fortsätze in die Flüssigkeit der Gehörschnecke reichen. Als Mechanorezeptoren reagieren die Haarzellen auf Verformung.

Ruft dir also jemand etwas zu, so entstehen Luftschwingungen, denn Rufe sind Schallwellen. Diese Schallwellen gelangen zunächst einmal in dein Außenohr, also über die Gehörmuschel durch den Gehörgang bis zum Trommelfell, das durch die Schallwellen in Schwingung versetzt wird. Diese Schwingungen werden im Mittelohr über die drei Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel auf das ovale Fenster der Hörschnecke übertragen. Die Hörschnecke ist vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt. Durch die Schwingung des ovalen Fensters gerät auch die Flüssigkeit innerhalb der Schnecke ins Schwingen.

Wie du dich sicher erinnerst, sitzen die Fortsätze der Haarzellen in genau dieser Flüssigkeit der Gehörschnecke – durch die Schwingungen beginnen also auch die Haarzellen, sich zu biegen. Das aktiviert die Mechanorezeptoren in der äußeren Haarzellmembran und Ionenkanäle werden geöffnet.

Am unteren Ende sind die Haarzellen mit Synapsen einer Nervenzelle verbunden. Der Einstrom von Ionen führt nun also zu einer Depolarisation der synaptischen Membran – dem Rezeptorpotenzial. In der nachfolgenden Nervenzelle entstehen elektrische Impulse und bei Erreichen der Erregungsschwelle am Axonhügel entsteht ein Aktionspotenzial.

Über diese Erregung wird dann also die Information über den Zuruf in Form von Aktionspotenzialen an das Gehirn weitergeleitet, das die Information verarbeitet und die Reaktion der Annahme des Balls einleiten kann.

Vom Reiz zum Aktionspotenzial – Zusammenfassung

In diesem Text haben wir dir einfach erklärt, wie es vom Reiz zum Aktionspotenzial kommt. Du hast gelernt, dass Reize aus der Umwelt über Sinneszellen, sogenannte Rezeptoren, in den Sinnesorganen aufgenommen werden. Sie müssen in elektrische Erregungen umgewandelt werden, damit die Informationen über die Reize ans Gehirn weitergeleitet werden können. Du hast gelernt, dass die Sinneszellen mit Synapsen von Nervenzellen des zentralen Nervensystems verbunden sind. Sobald ein adäquater Reiz vom Rezeptor detektiert wird, wird ein Rezeptorpotenzial ausgelöst, das schließlich zu einem Aktionspotenzial in der Nervenzelle führen kann. Außerdem hast du den gesamten Vorgang der Reizweiterleitung anhand des Beispiels der Haarzellen – den Mechanorezeptoren im Ohr – kennengelernt.

Im Anschluss an das Video und den Text kannst du dein Wissen in interaktiven Übungen überprüfen.

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Vorschaubild einer Übung

Transkript Vom Reiz zum Aktionspotenzial

Stelle dir vor, du stehst auf dem Volleyballfeld. Ein Spieler deiner Mannschaft brüllt dir zu: ”Nimm den Ball an!”. Du würdest wahrscheinlich sofort versuchen, den Ball auch anzunehmen. Ihr wollt schließlich gewinnen.In den wenigen Sekunden, die zwischen dem Hören des Satzes “Nimm den Ball an!” und deiner Reaktion vergehen, passiert in deinem Nervensystem viel.

Der Reiz, also das Rufen des anderen Spielers, muss in Aktionspotentiale überführt werden, um die Informationen über den anzunehmenden Ball an das Gehirn zu übermitteln. Erst dort wird die Information ausgewertet und die entsprechenden Signale für eine Reaktion, also das Annehmen, werden gesendet.

In diesem Film möchte ich dir erklären, was genau passiert, wenn ein Reiz in Aktionspotentiale überführt wird.

Allgemeines zu Reizen

Reize aus der Umwelt nimmst du über deine Sinnesorgane auf. In jedem Sinnesorgan befinden sich Sinneszellen. Sie fungieren als Rezeptoren. Das bedeutet, dass sie auf Reize aus der Umwelt reagieren, elektrische Signale erzeugen und so Informationen aus der Umwelt ins Zentrale Nervensystem bringen.

Sinneszellen und Rezeptoren

In den Sinnesorganen kommen verschiedene Sinneszellen bzw. Rezeptoren vor. Jeder Typ ist für eine bestimmte Art Reiz empfindlich. Dieser heißt für den jeweiligen Rezeptor ein adäquater Reiz.

Man unterscheidet folgende Sinneszellen: Erstens Thermorezeptoren. Sie nehmen Temperaturunterschiede wahr. Sie befinden sich in der Haut.

Zweitens Mechanorezeptoren. Sie lösen elektrische Signale bei Verformung aus. Sie befinden sich z.B in Muskeln und sind so für Körperhaltung und Bewegung wichtig. Sie sind auch im Ohr zu finden und außerdem bedeutend für den Tastsinn der Haut.

Drittens Fotorezeptoren. Sie nehmen Lichtreize wahr und befinden sich im Auge.

Und viertens, die Chemorezeptoren. Sie reagieren auf chemische Substanzen. Man findet sie in Nase und Zunge.

Vom Reiz zum Aktionspotenzial

Ich werde dir zunächst allgemein erklären, was passiert, wenn ein Reiz in ein Aktionspotential überführt wird. Eine Sinneszelle ist der Rezeptor für einen bestimmten Reiz. Sie ist aber auch mit Synapsen von Nervenzellen des Zentralen Nervensystems verbunden.

Wenn ein adäquater Reiz eingeht, erfolgt die Öffnung von Ionenkanälen. Über einen synaptischen Prozess und der Übertragung von Neurotransmittern kommt es zu einer Depolarisation der synaptischen Membran. Das ist noch kein Aktionspotential, sondern ein so genanntes Rezeptorpotential.

Dieses wird elektrisch bis zum Axonhügel der entsprechenden Nervenzelle weitergeleitet. Erst dort kann ein Aktionspotential entstehen nach dem Alles-Oder-Nichts-Prinzip. Rezeptorpotentiale hingegen wachsen mit Stärke und Dauer des Reizes. Sie funktionieren also nicht nach dem Alles-Oder-Nichts-Prinzip. Der Reiz wurde nun in Erregung überführt, die Information gelangt ins Gehirn und wird dort ausgewertet.

Vom Reiz zum Aktionspotenzial am Beispiel des Ohres

Ich möchte dir diese Vorgänge nun noch einmal an den Mechanorezeptoren im Ohr erklären. Im Innenohr findet man als Sinneszellen die Haarzellen. Diese Zellen mit haarförmigen Fortsätzen befinden sich in der mit Flüssigkeit gefüllten Schnecke. Haarzellen sind Mechanorezeptoren, reagieren also auf Verformung.

Nehmen wir das Beispiel vom Beginn des Films. Ein Spieler fordert dich auf, den Ball anzunehmen. Diese Rufe sind Schall, also Luftschwingungen. Diese Luftschwingungen können nicht direkt zu einer Verformung der Haarzellen führen, da sich diese in Flüssigkeit befinden. Der Schall gelangt über die Ohrmuschel und den äußeren Gehörgang zum Trommelfell, das er in Schwingung versetzt.

Hammer, Amboss und Steigbügel übertragen dann den Reiz vom Trommelfell auf das ovale Fenster der Schnecke. Die Schwingungen des ovalen Fensters werden an die Flüssigkeit der Schnecke weitergegeben. Erst jetzt kommt durch die bewegte Flüssigkeit zum Verbiegen der Fortsätze der Haarzellen. Ionenkanäle werden geöffnet.

Am unteren Ende ist die Haarzelle mit Synapsen einer Nervenzelle verbunden. Es kommt zu einer Depolarisation der synaptischen Membran, dem Rezeptorpotential. In der nachfolgenden Nervenzelle entstehen viele elektrische Impulse. Bei ausreichender Stärke der Impulse entstehen am Axonhügel Aktionspotentiale.

Die Information über die Rufe wird nun in Form von Aktionspotentialen an das Gehirn gesendet. Dort wird die Information bewertet und die Reaktion des “Ballannehmens” wird ausgelöst.

Zusammenfassung

Wenn du das nächste Mal auf dem Volleyballfeld stehst und dir jemand zuruft: “Nimm den Ball an!”, wirst du wahrscheinlich nicht an die in deinem Ohr und Nervensystem ablaufenden Prozesse denken.

Für den Biologieunterricht solltest du dir aber folgendes merken: Reize aus der Umwelt werden über Sinneszellen bzw. Rezeptoren in den Sinnesorganen aufgenommen. Sie müssen in elektrische Erregung überführt werden, damit die Informationen ins Gehirn gelangen können. Das funktioniert, weil die Sinneszellen mit Synapsen von Nervenzellen des Zentralen Nervensystems verbunden sind. Geht ein adäquater Reiz ein, kommt es zunächst zu einem Rezeptorpotential und schließlich zu Aktionspotentialen in den Nervenzellen.

11 Kommentare
11 Kommentare
  1. Sportunterricht:
    Lehrer: Für die Volleyballeinheit bekommst du leider einen Unterkurs…
    Ich: Aber ich war doch perfekt vorbereitet! Ich kann ihnen genau beschreiben, wie nach dem Reiz ein Rezeptotpotenzial ausgelöst wird, welche zur Depolarisation führt, was dann wiederum zum Ausbildend eines Aktionspotenzial beiträgt!
    Lehrer: …

    Von Paulina :), vor mehr als 2 Jahren
  2. Bitte bei Aufgabe 4 die Grafiken vergrößern. Bei
    Aufgabe fünf weiß ich nicht einmal wohin ich die Textfelder ziehen kann :/

    Von Noel H., vor mehr als 4 Jahren
  3. Hallo Caro,
    danke für deinen Kommentar.

    Das Ruhepotential liegt vor, wenn keine Reize auf die Zelle treffen. Im Gegensatz dazu entsteht das Rezeptorpotenzial durch einen eintreffenden Reiz. Wie im Video beschrieben, findet dann eine Depolarisation statt. Das heißt, dass sich die Ionenkanäle an den Rezeptoren öffnen und Ionen in die Synapse einströmen. Auch wenn das noch kein Aktionspotenzial ist, ist das Potenzial der synaptischen Membran bereits durch den Ioneneinstrom erhöht und befindet sich nicht mehr in "Ruhe".

    Solltest du noch weitere Fragen haben, kannst du dich gerne von Montag bis Freitag zwischen 17 und 19 Uhr an den Hausaufgaben-Chat wenden.
    Liebe Grüße aus der Redaktion.

    Von Amrei R., vor mehr als 4 Jahren
  4. Ist das Rezeptorpotenzial dasselbe wie das Ruhepotential?

    Von Caro.02, vor mehr als 4 Jahren
  5. Hallo Esma,
    die Depolarisation meint die Veränderung des Membranpotenzials (es wird positiver). Das ist die Reaktion, die die Entstehung eines Aktionspotenzials ermöglicht. Hierzu kannst du dir die Videos zum Thema "Aktionspotenzial" anschauen. Dort wird die Depolarisation nochmal detaillierter erklärt.
    LG

    Von Serpil K., vor mehr als 8 Jahren
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Vom Reiz zum Aktionspotenzial Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Vom Reiz zum Aktionspotenzial kannst du es wiederholen und üben.
  • Benenne die Sinnesorgane und die Reize, die auf die Sinneszellen einwirken.

    Tipps

    Überlege, wie Du die Reize wahrnimmst.

    Lösung

    Scheint die Sonne, so nehmen wir die Wärme der Strahlen mit den Thermorezeptoren in der Haut und das Licht mit den Fotorezeptoren im Auge wahr. Andersherum geht es nicht, da jeder Rezeptortyp nur auf einen adäquaten Reiz reagiert. Die Chemorezeptoren reagieren auf chemische Substanzen. Sie befinden sich in Zunge und Nase und helfen uns beim Schmecken und Riechen. Der Mechanorezeptor, der sich u.a. im Ohr und in der Haut befindet, reagiert auf Verformung, z.B. durch Wasser oder Berührung. Er ist so für den Gehör- und Tastsinn zuständig.

  • Erläutere die Reizweiterleitung.

    Tipps

    Die Reize werden erst im Gehirn ausgewertet.

    Lösung

    Reize aus der Umwelt werden über die Rezeptoren in den Sinnesorganen aufgenommen. Die Rezeptoren schreiben diese in elektrische Reize um, damit sie so vom Nervensystem weiter verarbeitet werden können. Ist der elektrische Reiz stark genug, so wird am Axonhügel ein Aktionspotential ausgelöst. Dieses wird über das zentrale Nervensystem an das Gehirn weitergeleitet. Erst im Gehirn wird die Information bewertet und entsprechend reagiert.

  • Beschreibe den Prozess der Reizaufnahme und -weiterleitung.

    Tipps

    Die präsynaptische Membran ist die, die sich vor der Synapse befindet.

    Lösung

    Jeder Reiz (z.B. Wärme, Druck, Geschmack) wird über die entsprechenden Sinneszellen aufgenommen. Dabei können die einzelnen Sinneszellen nur bestimmte, adäquate Reize aufnehmen. Ein Ohr kann z.B. nur hören, nicht aber riechen. Geht dieser Reiz ein, so öffnen sich viele Ionenkanäle des Rezeptors, so dass Ca²⁺ einströmen kann. Das Ca²⁺ im Zellinneren bewirkt nun die Verschmelzung der Vesikel (Bläschen) mit der präsynaptischen Membran. In diesen Vesikeln befindet sich ein Überträger, auch Neurotransmitter genannt. Er überträgt den Reiz von der präsynaptischen auf die postsynaptische Membran. Bei den meisten Tieren sowie beim Menschen ist dies das Acetylcholin. Im synaptischen Spalt angekommen, depolarisiert der Neurotransmitter durch die Änderung der Ladung die postsynaptische Membran. Dieses elektrische Potential wird nun bis zum Axonhügel elektrisch weitergeleitet. Ist das Potential groß genug, wird ein Aktionspotential ausgelöst. Hierbei muss die Schwellenspannung der Zelle erreicht werden, beim Menschen liegt diese meist bei -50 mV. Durch Öffnen und Schließen verschiedener Ionenkanäle wird der Reiz Richtung Hirn weitergeleitet, wo er entschlüsselt und verarbeitet wird.

  • Analysiere, bei welcher Grafik es sich um ein Rezeptorpotential oder ein Aktionspotential handelt.

    Tipps

    Die Reizeinwirkung ist bei beiden entstehenden Potentialen gleich.

    Bei dem Aktionspotential muss eine bestimmte Reizschwelle überschritten werden, damit es entsteht.

    Lösung

    Ein Rezeptorpotential entsteht an dem Dendriten und wird elektronisch Richtung Axonhügel weitergeleitet. Dabei wächst das Rezeptorpotential mit Stärke und Dauer des Reizes. Da sich an der postsynaptischen Membran keine spannungsabhängigen Ionenkanäle befinden, kann hier noch kein Aktionspotential entstehen. Dieses ensteht erst am Axonhügel, wenn eine gewisse Reizschwelle übertreten wird. Es folgt also dem Alles-oder-nichts-Prinzip. Am Diagramm lässt sich dies an dem Ausbleiben des Aktionspotentials beim ersten Reiz erkennen, da sich dieses noch unterhalb der Schwelle befindet.

  • Bestimme die Eigenschaften des Gehörsinns.

    Tipps

    Spricht man neben einem Gefäß mit Wasser, so wird dieses kaum in Schwingung versetzt. Klopft man dagegen, so überträgt man den Reiz und man kann deutliche Schwingungen erkennen.

    Mechanorezeptor reagieren auf Druck. Das kann über verschiedene Medien (Berührung durch einen Feststoff, Wasser, Luft etc.) geschehen.

    Wo genau im Ohr befinden sich die Haarsinneszellen?

    Lösung

    Der Gehörsinn ist äußerst wichtig für die menschliche Kommunikation. Jeder Laut oder jedes Geräusch aus der Umwelt erzeugt einen Schall. Diese Wellen werden von der Luft über die Gehörknöchelchen Hammer, Amboss und Steigbügel am ovalen Fenster auf die Flüssigkeit übertragen. Bewegt sich nun diese Flüssigkeit in der Schnecke, so verformen sich die Fortsätze der Haarsinneszellen und der Mechanorezeptor wird aktiviert. Die dadurch entstehende Depolarisation der synaptischen Membran erzeugt das Rezeptorpotential. Das Aktionspotential entsteht erst bei ausreichender Stärke der elektrischen Impulse am Axonhügel. Die Information wird über diese Aktionspoteniale an das Hirn geleitet, wo das Gehörte bewertet und entsprechend reagiert wird.

  • Bestimme die einzelnen Phasen eines Aktionspotentials.

    Tipps

    Erst nach dem Erreichen des Schwellenpotentials kommt es zu einer Depolarisation der Zelle.

    Das Ruhepotential beschreibt den Zustand einer unerregten Zelle.

    Lösung

    Ein Aktionspotential beschreibt eine kurzzeitige Veränderung des Membranpotentials. Durch die Entstehung von Aktionspotentialen kommt es zur Erregungsweiterleitung. Eine unerregte Zelle befindet sich im Ruhepotential. Hier beträgt das Membranpotential -70mV. Wenn durch den Reiz der Schwellenwert überschritten wird, wird dadurch eine Depolarisation ausgelöst. Diese entsteht durch einen Einstrom von Natriumionen. Die Zelle ist jetzt positiv. Nach der Depolarisation schließen sich die Natriumkanäle wieder und Kaliumkanäle öffnen sich, sodass die Kaliumionen nach und nach aus der Zelle diffundieren. Die elektrische Spannung in der Zelle sinkt wieder. Diese Phase nennt man Repolarisation. Auch die Kaliumkanäle schließen sich wieder, jedoch langsamer als die Natriumkanäle. Daher sinkt das Membranpotential kurzzeitig sogar bis unter das Ruhepotential. Diese Phase wird als Hyperpolarisation bezeichnet. Anschließend wird die Spannung wieder reguliert und die Zelle befindet sich wieder im Ruhepotential.