Definition von Aktionspotential und Membran

Engel Zamora Ramírez
Abschluss in Physik

Das Aktionspotential beinhaltet eine schnelle Änderung des Membranpotentials einer erregbaren Zelle, die sich schnell über sie ausbreitet. Aktionspotentiale sind der grundlegende Mechanismus zur Informationsübertragung im Nervensystem und in allen Arten von Muskeln.

Alle Funktionen, die von unserem Nervensystem ausgeführt werden, die Kontraktion der Muskeln, die es uns ermöglichen, uns zu bewegen, und der Herzschlag ermöglichen, dass Blut zu allen Zellen unseres Körpers transportiert wird, werden durch elektrische Signale orchestriert, die sich durch das Gewebe ausbreiten beteiligt.

Membranpotential

Rein physikalisch können wir uns Zellen wie kleine Batterien vorstellen. Es gibt elektrische Ladungen im extrazellulären Medium und im intrazellulären Medium, deren unterschiedliche Konzentrationen führen zu einer elektrischen Potentialdifferenz über der Membran von die Zelle. Der erzeugte elektrochemische Gradient verursacht mehrere der elektrischen Phänomene, die in der Zelle auftreten.

Die für die Bestimmung des Membranpotentials von Zellen besonders relevanten Ionen sind das Natriumion (Na⁺) und das Kaliumion (K⁺). Die durchschnittliche Konzentration von Na⁺ im extrazellulären Medium beträgt es 142 mEq/l, während es im intrazellulären Medium nur eine Konzentration von 14 mEq/l aufweist. Andererseits ist die Konzentration von K⁺ außerhalb der Zelle beträgt er 4 mEq/l und innerhalb der Zelle etwa 140 mEq/l.

Der Konzentrationsunterschied dieser beiden Ionen zwischen dem extrazellulären und dem intrazellulären Medium erzeugt einen Unterschied im elektrischen Potential über die Zellmembran. Es gibt jedoch auch andere Faktoren, die dies beeinflussen. Die Zellmembran ist für das K-Ion durchlässiger⁺, das heißt, dieses Ion kann es leichter passieren. Es gibt Ionenkanäle, die als Kaliumleckkanäle bekannt sind und den Durchgang von K-Ionen ermöglichen⁺ vom Inneren der Zelle nach außen. Sie lassen auch einige Na^+-Ionen entweichen, obwohl diese Kanäle etwa 100-mal durchlässiger für Kalium sind.

Ein weiteres Element, das eine grundlegende Rolle bei der Bildung des Membranpotentials spielt, ist die Na-Pumpe.^+- k⁺. Es ist ein Protein, das ATP verwendet, um eine kontinuierliche Pumpe von 3 Na-Ionen zu erzeugen⁺ aus der Zelle und 2 K Ionen⁺ nach innen, was zu einer stärkeren Akkumulation positiver Ladungen im extrazellulären Medium führt. Wenn all diese Mechanismen zusammenwirken, wird in den Nervenfasern ein Nettomembranpotential von ungefähr -90 mV erzeugt. Der Potentialwert bezieht sich auf das Innere der Zelle, das heißt, das Potential ist in der intrazellulären Umgebung negativer.

Aktionspotential

Ein Aktionspotential beginnt mit einer plötzlichen Änderung des normalen negativen Membranpotentials. bis zu einem positiven Potential und endet mit einem fast ebenso schnellen Wechsel zurück zum Potential Negativ. Die für die Erzeugung eines Aktionspotentials und die Erholung danach erforderlichen Akteure sind spannungsgesteuerte Natriumkanäle und spannungsgesteuerte Kaliumkanäle. Dies sind Ionenkanäle, die sich in Abhängigkeit vom Wert des Membranpotentials zu einem bestimmten Zeitpunkt öffnen und schließen.

Ein Aktionspotential beginnt im Ruhezustand der Zelle und mit ihrem Membranpotential beim typischen Wert von -90 mV. Während dieser Phase wird die Membran als „polarisiert“ bezeichnet. Unter bestimmten Bedingungen wird die Membran plötzlich sehr durchlässig für Na-Ionen.⁺, so dass sich diese ins Zellinnere zu bewegen beginnen und das Potential positiver zu werden beginnt.

Erreicht das Potential einen Wert, der zwischen -70 und -50 mV liegen kann, öffnen sich die spannungsgesteuerten Natriumkanäle und es kommt zu einer schnellen Bewegung weiterer Na-Ionen.⁺ zum intrazellulären Medium. Während dieser Phase kann die Permeabilität der Membran für Natrium bis auf das 5.000-fache und das Potential ansteigen Membran Werte erreicht, die zwischen +35 und +40 mV oszillieren, heißt es dann, dass die Membran ist „depolarisiert“. Der spannungsabhängige Natriumkanal bleibt für einige Zehntausendstel Sekunden geöffnet und schließt sich dann.

Wenn das Membranpotential 0 mV erreicht, beginnen sich spannungsgesteuerte Kaliumkanäle zu öffnen und ermöglichen den Fluss von K-Ionen.⁺ zur Außenseite der Zelle. Aufgrund der verzögerten Öffnung der Kaliumkanäle öffnen sie sich jedoch vollständig, wenn sich die Natriumkanäle zu schließen beginnen. Die Kombination beider Ereignisse bewirkt eine schnelle Erholung des Membranpotentials auf den Ruhewert von -90 mV, in dieser Phase spricht man von einer "Repolarisation".