Als Aktionspotential, abgekürzt AP, wird in der Physiologie eine vorübergehende charakteristische Abweichung des Membranpotentials einer Zelle vom Ruhepotential bezeichnet. Ein Aktionspotential bildet sich selbsttätig mit zelltypischem Verlauf bei einer Erregung (Exzitation) der Zelle und breitet sich als elektrisches Signal über die Zellmembran aus. Umgangssprachlich werden die Aktionspotentiale von Nervenzellen auch „Nervenimpuls“ genannt.
Nur erregbare Zellen können auf Reize oder Signale hin Aktionspotentiale bilden, durch kurzfristige Änderungen der Membranleitfähigkeit infolge von Wechselwirkungen besonderer spannungsgesteuerter Ionenkanäle in ihrer Membran. Deren zeitabhängig unterschiedliche Aktivierung führt zu verschiedenen Ionenströmen mit entsprechend verschobenen Potentialdifferenzen. Daraus resultiert ein Aktionspotentialverlauf, bei dem auf die Phase der Depolarisation nach einem eventuellen Plateau die Phase der Repolarisation folgt, mit nachschwingender Hyperpolarisation. Dieser Vorgang läuft jeweils selbsttätig in typischer Form ab, wenn ein bestimmtes Schwellenpotential überschritten wird, und ist erst nach einer gewissen Refraktärzeit wieder auslösbar.
mini|300px|Fortleitung eines Aktionspotentials über die Membran entlang dem Axon eines Neurons.
Zu den erregbaren Zellen gehören bei Tieren außer ihren Nervenzellen auch Muskelzellen, Sinneszellen und einige sekretorische Zellen. Nervenzellen nehmen Reize oder Signale von anderen Zellen auf, überführen sie in Membranpotentialveränderungen und können Aktionspotentiale bilden (Erregungsbildung) als zelleigenes Signal, das entlang dem Axon in einer Nervenfaser fortgeleitet (→ Erregungsleitung) und über Synapsen an andere Zellen übertragen wird (→ Erregungsübertragung). Über neuromuskuläre Synapsen werden Muskelzellen erreicht, die ebenfalls erregt werden können und dann Aktionspotentiale bilden, die geleitet über Membraneinstülpungen eine Kontraktion der Muskelfaser bewirken. Über neuroglanduläre Synapsen werden Drüsenzellen erreicht; besondere neuroendokrine Zellen können Aktionspotentiale bilden, denen eine Abgabe von Neurohormonen folgt.
Daneben kommen Aktionspotentiale auch in Einzellern vor – beispielsweise bei Pantoffeltierchen und Kieselalgen – sowie ebenfalls bei mehrzelligen Algen (Armleuchteralgen), Gefäßpflanzen (Mimose) und Pilzen.
Geschichte mini|300px|Galvani experimentierte an Froschschenkeln (De viribus electricitatis in motu musculari, Tafel 3) Das Phänomen von Muskelbewegungen infolge elektrischer Kräfte entdeckte der Bologneser Luigi Aloisio Galvani als Zuckung von Schenkeln sezierter Frösche. Dessen 1791L. A. Galvani: De viribus electricitatis in motu musculari. („Über Kräfte der Electricität bei Muskelbewegung“). Bologna 1791. (online) veröffentlichte Erkenntnisse über eine „tierische elektrische Flüssigkeit“ in Nerven und Muskeln veranlassten Alessandro Volta zu seinen Untersuchungen über den Galvanismus, die 1799 zur Erfindung der ersten Batterie führten – Volta’sche Säule genannt. Volta nutzte diese auch dazu, die Auswirkung von Gleichspannung auf Lebewesen zu untersuchen.
1952 legten Alan Lloyd Hodgkin und Andrew Fielding Huxley ein mathematisches Modell vor, das die Entstehung des Aktionspotentials im Riesenaxon des Tintenfisches durch das Wechselspiel verschiedener Ionenkanäle erklärt und unter dem Namen Hodgkin-Huxley-Modell berühmt wurde. Für diese Entdeckung erhielten die beiden Forscher zusammen mit John Eccles 1963 den Nobelpreis für Medizin.
Grundlagen Ein Aktionspotential verläuft in einer für die Zellart typischen Form. Es dauert bei Nervenzellen oft nur etwa ein bis zwei Millisekunden, bei Skelettmuskelzellen kaum länger, bei Herzmuskelzellen meist über 200 ms. Reizabhängig stärkere oder schwächere Aktionspotentiale gibt es dabei nicht, vielmehr sind es Alles-oder-Nichts-Antworten. Die Signalstärke ergibt sich daher aus der Frequenz von Aktionspotentialen. Sie entstehen bei Nervenzellen typischerweise am Axonhügel und werden in Serien das Axon entlang fortgeleitet. Aktionspotentiale können sich auch rückwärts über den Zellkörper und die Dendriten ausbreiten; die Funktion dieser Weiterleitung wird noch untersucht. Die axonale Ausbreitung vom Zellkörper zum Endknöpfchen wird orthodrom genannt, die gegenläufige antidrom.John P. J. Pinel, Paul Pauli: Biopsychologie. 6., aktualis. Auflage. Pearson Studium, 2007, ISBN 978-3-8273-7217-8, S. 110.
Voraussetzung für die Ausbildung eines Aktionspotentials sind besondere Eigenschaften der Plasmamembran der Zelle. Die spezifische Ausstattung mit verschiedenen Gruppen von Ionenkanälen spiegelt sich in Kennzeichen der Verlaufsform wider. Zu einer Erregung kommt es, wenn sich das Membranpotential vom Ruhewert entfernt und in Richtung weniger negativer Werte verschiebt. Erreicht diese anfängliche Vordepolarisation eine bestimmte Schwelle, das sogenannte Schwellenpotential (etwa bei −55 mV), werden spannungsgesteuerte Ionenkanäle aktiviert, die sich in verketteter Abfolge öffnen, damit Ionenströme ermöglichen, und wieder inaktivieren.
Während dieser Kette von Öffnungs- und Schließungsvorgängen der Kanäle ändern sich also vorübergehend die Membranleitfähigkeiten für verschiedene Ionen. Die damit verbundenen kurzzeitig auftretenden Ionenströme führen gemeinsam zu einem charakteristischen Potentialverlauf. Dessen Form ist zellbezogen die gleiche, unabhängig von der Stärke des auslösenden überschwelligen Reizes. Die kurzzeitigen Änderungen des Potentials breiten sich nun (elektrotonisch) auf den benachbarten Membranbereich aus und können dann erregend auch hier wieder zum Aktionspotential führen, was die Grundlage der Erregungsleitung ist.
Potentialverlauf mini|Drei Potentialverläufe nach verschieden starken Reizen (jeweils bei der Pfeilmarke). Das Ruhepotential liegt bei −70 mV (gestrichelte Line). Zwei unterschwellige Reize erhöhen das Membranpotential auf maximal −65 bzw. −60 mV. In beiden Fällen kehrt das Membranpotential unspektakulär auf seinen Ausgangswert zurück. Nach dem stärksten Reiz entwickelt sich ab einem Schwellenpotential von ungefähr −55 mV die als Aktionspotential bezeichnete Eigendynamik.
Ausgehend vom Ruhemembranpotential, das bei Neuronen je nach Zelltyp zwischen −90 und −70 mV liegt, werden vier Phasen des Aktionspotentials unterschieden: In der Initiationsphase treibt ein Reiz die negative Spannung in Richtung null (Depolarisation). Dies kann langsam oder schnell geschehen und ist unterhalb des Schwellenpotentials umkehrbar. Solch ein Reiz kann ein sich räumlich näherndes Aktionspotential sein oder ein postsynaptischer Ionenstrom. Falls das Schwellenpotential überschritten wird, beschleunigt sich die Depolarisation stark (Aufstrich). Das Membranpotential wird sogar positiv (Overshoot). Auf das Maximum bei +20 bis +30 mV folgt die Rückkehr in Richtung Ruhepotential (Repolarisation). In vielen Neuronen wird das Ruhepotential zunächst unterschritten, bis z. B. −90 mV, und schließlich von tieferen negativen Werten her wieder erreicht. Dies wird als Hyperpolarisation oder hyperpolarisierendes Nachpotential bezeichnet. Während der Hyperpolarisation kann noch kein weiteres Aktionspotential ausgelöst werden.
Der zeitliche Verlauf eines Aktionspotentials kann sich über einige hundert Millisekunden hinziehen, beispielsweise in Herzmuskelzellen. Bei Nervenzellen hingegen dauert ein Aktionspotential nur etwa 1–2 ms. Danach kann ein weiteres Aktionspotential ausgelöst werden, allerdings nicht prompt, sondern erst nach einer gewissen Zeitspanne. Die Zelle befindet sich schon während der Repolarisation in dieser sogenannten Refraktärphase, bis sie wieder unter gleichen Bedingungen ein Aktionspotential bilden kann.
Man unterscheidet hierbei die absolute Refraktärzeit (ca. 0,5 ms bei Neuronen), in der gar kein Aktionspotential auslösbar ist, von der relativen Refraktärzeit (ca. 3,5 ms bei Neuronen), in der wegen des erhöhten Schwellenpotentials dafür stärkere Reizstärken nötig sind bzw. nur ein deformierter Potentialverlauf auszulösen ist. Von den Refraktärzeiten hängt die Maximalfrequenz ab, mit der ein Neuron Aktionspotentiale bilden und in Serie als Signale weiterleiten kann.
Ursachen Das Verständnis des Aktionspotentials setzt das Verständnis des Gleichgewichtspotentials für einzelne Ionen voraus, wie es im Artikel Membranpotential beschrieben ist. Diese Spannung hängt vom Konzentrationsverhältnis außen/innen ab und kann mit der Nernst-Gleichung berechnet werden. Sind nur Kaliumkanäle geöffnet, stellt sich das Nernst-Potential von Kalium (−90 mV) ein, sind nur Natriumkanäle geöffnet, das Nernst-Potential von Natrium (+60 mV).
Ist die Membran sowohl für Kalium als auch für Natrium durchlässig, stellt sich diejenige Spannung ein, bei der die Summe beider Ströme null ist. Das Membranpotential liegt dabei umso näher am Nernst-Potential eines Ions, je größer die Permeabilität der Membran für dieses Ion ist; quantitativ wird dies durch die Goldman-Gleichung beschrieben. Bei dem Ruhemembranpotential sind vornehmlich die Kaliumkanäle geöffnet, woraus sich die niedrige Spannung von etwa −70 mV erklärt. Während eines Aktionspotentials überwiegt dagegen kurzzeitig die Permeabilität für Natrium. Sämtliche Potentiale, die im Verlauf eines Aktionspotentials auftreten, ergeben sich aus den Permeabilitäten zum jeweiligen Zeitpunkt.
Die Ströme, die im Verlauf eines Aktionspotentials auftreten, sind so klein, dass sie die Konzentrationen auf beiden Seiten der Membran nicht wesentlich verändern. Damit die Konzentrationsverhältnisse aber langfristig konstant bleiben, ist die Arbeit der Natrium-Kalium-Pumpe nötig, die unter ATP-Verbrauch drei Natriumionen im Austausch gegen zwei Kaliumionen aus der Zelle schafft.
Eigenschaften der Ionenkanäle Wie im Artikel über das Ruhemembranpotential beschrieben, verfügen Zellen über eine Reihe von Ionenkanälen. Für das tierische Aktionspotential sind vor allem bestimmte für Natrium- bzw. Kalium-Ionen spezifische Ionenkanäle verantwortlich. Diese Kanäle öffnen sich in Abhängigkeit vom Membranpotential, sie sind somit spannungsaktiviert. In Ruhe ist das Membranpotential negativ.
So ist beispielsweise ein spannungsabhängiger Natriumkanal (Nav-Kanal) (aufgrund seiner Eigenschaft auch als schneller Natriumkanal bezeichnet) beim Ruhemembranpotential geschlossen und aktivierbar. Bei Depolarisation über einen kanalspezifischen Wert erfolgt eine Konformationsänderung der Transmembranproteine. Der Kanal wird dadurch durchlässig für Ionen und geht in den Zustand offen über. Doch bleibt der Kanal trotz anhaltender Depolarisation nicht offen, sondern wird innerhalb weniger Millisekunden wieder geschlossen, unabhängig vom Membranpotential. 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 anschließende Übergang in den Zustand geschlossen und aktivierbar ist nur nach einer Hyperpolarisation (oder vollständiger Repolarisation bei Herzmuskelzellen) möglich. So bleibt der Kanal zunächst geschlossen, wird nach einer Repolarisation bzw. Hyperpolarisation aktivierbar und kann erst danach wieder durch eine Depolarisation geöffnet werden. Nach einer Öffnung bleibt der Kanal nur kurzzeitig offen, da er von selbst rasch in die geschlossene Form übergeht und inaktiviert wird. Ein Übergang von inaktiviert nach offen jedoch ist bei depolarisierter Membran nicht möglich.
Nicht alle Kanäle öffnen sich gleichzeitig bei demselben Wert des Membranpotentials. Vielmehr ist die Wahrscheinlichkeit eines Kanals, in einen bestimmten Zustand überzugehen, spannungsabhängig. Aus der rein statistischen Verteilung stellt sich ein Gleichgewicht so ein, dass eine größere Zahl von Kanälen in der Summe das oben geschilderte Modell erfüllt.