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Was ist ein Aktionspotential?

Jedes Mal, wenn Sie etwas tun, vom Schritt bis zum Abheben Ihres Telefons, überträgt Ihr Gehirn elektrische Signale an den Rest Ihres Körpers. Diese Signale werden Aktionspotentiale genannt . Aktionspotentiale ermöglichen es Ihren Muskeln, sich präzise zu koordinieren und zu bewegen. Sie werden von Zellen im Gehirn übertragen, die als Neuronen bezeichnet werden.

Key Takeaways: Aktionspotential

  • Aktionspotentiale werden als schnelle Anstiege und anschließende Abfälle des elektrischen Potentials über die Zellmembran eines Neurons dargestellt.
  • Das Aktionspotential breitet sich über die Länge des Axons eines Neurons aus, das für die Übertragung von Informationen an andere Neuronen verantwortlich ist.
  • Aktionspotentiale sind „Alles-oder-Nichts“ -Ereignisse, die auftreten, wenn ein bestimmtes Potential erreicht wird.

Aktionspotentiale werden von Neuronen vermittelt

Aktionspotentiale werden von Zellen im Gehirn übertragen, die als Neuronen bezeichnet werden . Neuronen sind dafür verantwortlich, Informationen über die Welt zu koordinieren und zu verarbeiten, die über Ihre Sinne gesendet werden, Befehle an die Muskeln in Ihrem Körper zu senden und alle dazwischen liegenden elektrischen Signale weiterzuleiten.

Das Neuron besteht aus mehreren Teilen, die es ihm ermöglichen, Informationen im ganzen Körper zu übertragen:

  • Dendriten sind verzweigte Teile eines Neurons, die Informationen von nahe gelegenen Neuronen erhalten.
  • Der Zellkörper des Neurons enthält seinen Zellkern. der die Erbinformationen der Zelle enthält und das Wachstum und die Reproduktion der Zelle steuert.
  • Das Axon leitet elektrische Signale vom Zellkörper weg und überträgt Informationen an andere Neuronen an seinen Enden oder Axonterminals .

Sie können sich das Neuron wie einen Computer vorstellen, der über seine Dendriten Eingaben (wie das Drücken einer Buchstabentaste auf Ihrer Tastatur) und über sein Axon eine Ausgabe (wenn dieser Buchstabe auf Ihrem Computerbildschirm erscheint) erhält. Dazwischen werden die Informationen so verarbeitet, dass die Eingabe zur gewünschten Ausgabe führt.

Definition des Aktionspotentials

Aktionspotentiale, auch „Spikes“ oder „Impulse“ genannt, treten auf, wenn das elektrische Potential über einer Zellmembran als Reaktion auf ein Ereignis schnell ansteigt und dann abfällt. Der gesamte Vorgang dauert normalerweise mehrere Millisekunden.

Eine Zellmembran ist eine doppelte Schicht aus Proteinen und Lipiden, die eine Zelle umgibt, ihren Inhalt vor der äußeren Umgebung schützt und nur bestimmte Substanzen einlässt, während andere ferngehalten werden.

Ein elektrisches Potential, gemessen in Volt (V), misst die Menge an elektrischer Energie, die das Potenzial hat , Arbeit zu leisten . Alle Zellen halten ein elektrisches Potential über ihre Zellmembranen aufrecht.

Die Rolle von Konzentrationsgradienten in Aktionspotentialen

Das elektrische Potential über einer Zellmembran, das durch Vergleichen des Potentials innerhalb einer Zelle mit dem Äußeren gemessen wird, entsteht, weil es Unterschiede in der Konzentration oder den Konzentrationsgradienten geladener Teilchen gibt, die als Ionen außerhalb oder innerhalb der Zelle bezeichnet werden. Diese Konzentrationsgradienten verursachen wiederum elektrische und chemische Ungleichgewichte, die Ionen antreiben , um die Ungleichgewichte auszugleichen, wobei unterschiedlichere Ungleichgewichte einen größeren Motivator oder eine größere treibende Kraft für die Beseitigung der Ungleichgewichte darstellen. Zu diesem Zweck bewegt sich ein Ion typischerweise von der Seite mit hoher Konzentration der Membran zur Seite mit niedriger Konzentration.

Die beiden für Aktionspotentiale interessanten Ionen sind das Kaliumkation (K + ) und das Natriumkation (Na + ), die sich innerhalb und außerhalb von Zellen befinden.

  • Es gibt eine höhere Konzentration von K + innerhalb der Zellen im Vergleich zur Außenseite.
  • Es gibt eine höhere Na + -Konzentration an der Außenseite der Zellen im Vergleich zur Innenseite, die etwa zehnmal so hoch ist.

Das Ruhepotential der Membran

Wenn kein Aktionspotential im Gange ist (dh die Zelle ist „in Ruhe“), liegt das elektrische Potential von Neuronen auf dem Ruhemembranpotential , das typischerweise mit etwa -70 mV gemessen wird. Dies bedeutet, dass das Potential im Inneren der Zelle 70 mV niedriger ist als im Äußeren. Es sollte beachtet werden, dass sich dies auf einen Gleichgewichtszustand bezieht – Ionen bewegen sich immer noch in die Zelle hinein und aus dieser heraus, aber auf eine Weise, die das Ruhepotential der Membran auf einem ziemlich konstanten Wert hält.

Das Ruhemembranpotential kann aufrechterhalten werden, da die Zellmembran Proteine ​​enthält, die Ionenkanäle bilden – Löcher, durch die Ionen in und aus Zellen fließen können – und Natrium / Kalium- Pumpen, die Ionen in die Zelle hinein und aus dieser heraus pumpen können.

Ionenkanäle sind nicht immer offen; Einige Arten von Kanälen öffnen sich nur unter bestimmten Bedingungen. Diese Kanäle werden daher als „Gate“ -Kanäle bezeichnet.

Ein Leckagekanal öffnet und schließt sich zufällig und hilft dabei, das Ruhemembranpotential der Zelle aufrechtzuerhalten. Natriumleckkanäle ermöglichen es Na + , sich langsam in die Zelle zu bewegen (weil die Konzentration von Na + außen relativ zur Innenseite höher ist), während Kaliumkanäle es K + ermöglichen , sich aus der Zelle heraus zu bewegen (weil die Konzentration von K + ist innen höher als außen höher). Es gibt jedoch viel mehr Leckagekanäle für Kalium als für Natrium, und so bewegt sich Kalium viel schneller aus der Zelle heraus als Natrium, das in die Zelle gelangt. Somit gibt es eine positivere Ladung an der Außenseite der Zelle, was dazu führt, dass das Ruhepotential der Membran negativ ist.

Eine Natrium / Kalium- Pumpe hält das Ruhepotential der Membran aufrecht, indem Natrium aus der Zelle oder Kalium in die Zelle zurückgeführt wird. Diese Pumpe bringt jedoch zwei K + -Ionen für jeweils drei entfernte Na + -Ionen ein, wobei das negative Potential beibehalten wird.

Spannungsgesteuerte Ionenkanäle sind wichtig für Aktionspotentiale. Die meisten dieser Kanäle bleiben geschlossen, wenn sich die Zellmembran nahe an ihrem Ruhepotential befindet. Wenn jedoch das Potential der Zelle positiver (weniger negativ) wird, öffnen sich diese Ionenkanäle.

Stufen des Aktionspotentials

Ein Aktionspotential ist eine vorübergehende Umkehrung des Ruhemembranpotentials von negativ nach positiv. Das Aktionspotential „Spike“ ist normalerweise in mehrere Stufen unterteilt:

  1. In Reaktion auf ein Signal (oder einen Stimulus ) wie einen Neurotransmitter, der an seinen Rezeptor bindet oder eine Taste mit dem Finger drückt , öffnen sich einige Na + -Kanäle, sodass Na + aufgrund des Konzentrationsgradienten in die Zelle fließen kann. Das Membranpotential depolarisiert oder wird positiver.
  2. Sobald das Membranpotential einen Schwellenwert erreicht – normalerweise um -55 mV – setzt sich das Aktionspotential fort. Wenn das Potential nicht erreicht wird, tritt das Aktionspotential nicht auf und die Zelle kehrt zu ihrem Ruhemembranpotential zurück. Diese Anforderung, eine Schwelle zu erreichen, ist der Grund, warum das Aktionspotential als Alles-oder-Nichts- Ereignis bezeichnet wird.
  3. Nach Erreichen des Schwellenwerts öffnen sich spannungsgesteuerte Na + -Kanäle und Na + -Ionen fluten in die Zelle. Das Membranpotential wechselt von negativ nach positiv, da das Innere der Zelle jetzt im Verhältnis zum Äußeren positiver ist.
  4. Wenn das Membranpotential +30 mV erreicht – die Spitze des Aktionspotentials – öffnen sich spannungsgesteuerte Kaliumkanäle und K + verlässt die Zelle aufgrund des Konzentrationsgradienten. Das Membranpotential repolarisiert oder bewegt sich zurück in Richtung des negativen Ruhemembranpotentials.
  5. Das Neuron wird vorübergehend hyperpolarisiert, da die K + -Ionen bewirken, dass das Membranpotential etwas negativer wird als das Ruhepotential.
  6. Das Neuron tritt in eine Refraktärperiode ein , in der die Natrium / Kalium-Pumpe das Neuron auf sein ruhendes Membranpotential zurückführt.

Ausbreitung des Aktionspotentials

Das Aktionspotential wandert über die Länge des Axons zu den Axonterminals, die die Informationen an andere Neuronen übertragen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit hängt vom Durchmesser des Axons ab – wobei ein größerer Durchmesser eine schnellere Ausbreitung bedeutet – und davon, ob ein Teil eines Axons mit Myelin bedeckt ist oder nicht , einer Fettsubstanz, die ähnlich wie das Abdecken eines Kabeldrahtes wirkt: Es umhüllt das Axon und verhindert, dass elektrischer Strom austritt, wodurch das Aktionspotential schneller auftreten kann.

Quellen

  • „12.4 Das Aktionspotential.“ Anatomie und Physiologie , Pressebücher, opentextbc.ca/anatomyandphysiology/chapter/12-4-the-action-potential/.
  • Charad, Ka Xiong. „Aktionspotentiale.“ HyperPhysics , hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/Biology/actpot.html.
  • Egri, Csilla und Peter Ruben. „Aktionspotentiale: Erzeugung und Ausbreitung.“ ELS , John Wiley & Sons, Inc., 16. April 2012, onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9780470015902.a0000278.pub2.
  • „Wie Neuronen kommunizieren.“ Lumen – Grenzenlose Biologie , Lumenlernen, Kurse.lumenlearning.com/boundless-biology/chapter/how-neurons-communicate/.

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