Aktionspotenzial

Aktionspotenziale sind kurzfristige Änderungen des elektrischen Membranpotenzials von Zellen, die sich im Organismus weiterverbreiten. So ermöglichen sie eine schnelle Signalübertragung über Zellen hinweg und Organismen können  schnell auf interne und externe Reize reagieren.

Das Aktionspotenzial ist ein Alles-oder-Nichts-Ereignis, was bedeutet, dass es entweder in voller Stärke ausgelöst wird oder überhaupt nicht.

Bei Pflanzen und Tieren sind die zugrundeliegenden Mechanismen ähnlich, aber nicht identisch. Aktionspotenziale bei Pflanzen sind weniger verbreitet als bei Tieren und treten in einigen spezialisierten Pflanzenteilen auf, oft in Verbindung mit Bewegung oder anderen schnellen Reaktionen auf Umweltreize (z.B. beim Schließen der Blätter bei der Venusfliegenfalle oder bei der Blattbewegung von Mimosen).

Die Entstehung und Ausbreitung von Aktionspotenzialen (Signalweiterleitung) bei Pflanzen lassen sich so zusammenfassen:

1. Auslösendes Ereignis: Ein Aktionspotenzial bei Pflanzen wird oft durch verschiedene Stimuli ausgelöst, wie mechanische Reizung (Berührung), chemische Signale, Verletzung oder plötzliche Änderungen der Umweltbedingungen (z.B. Licht, Temperatur). Diese Stimuli führen zu einer initialen Veränderung der Membranpermeabilität für bestimmte Ionen.
2. Depolarisation der Membran: Die initiale Antwort auf den Stimulus ist meist eine schnelle Depolarisation der Zellmembran. Bei Pflanzen wird diese Depolarisation in der Regel durch den Einstrom von Calziumionen (Ca²⁺) in die Zelle eingeleitet. Calziumionen spielen eine wichtige Rolle bei der Signaltransduktion in Pflanzen und können weitere Ionenkanäle aktivieren.
3. Repolarisation: Nach der Depolarisation arbeitet die Zelle daran, ihr Ruhepotenzial wiederherzustellen. Der Ausstrom von Kaliumionen (K⁺) ist ein wesentlicher Mechanismus, der zur Repolarisation der Zellmembran beiträgt. Dieser Schritt ist entscheidend, um die Zelle für weitere Signale reaktionsbereit zu halten.
4. Wiederherstellung des Ruhepotenzials: Die Pumpleistung der Zellmembran, insbesondere die Protonenpumpen (H⁺-ATPasen), die aktiv Ionen gegen ihren Konzentrationsgradienten transportieren, hilft dabei, die ursprüngliche Ionenverteilung wiederherzustellen und somit das Ruhepotenzial der Zelle zu regenerieren.
5. Signalweiterleitung: Das Aktionspotenzial breitet sich von der ursprünglichen Reizstelle aus durch die Pflanze aus. Diese Ausbreitung zwischen Zellen erfolgt durch plasmodesmatische Verbindungen zwischen den Zellen oder durch lokale Änderungen in der Ionenkonzentration, die benachbarte Zellen zur Ausbildung eigener Aktionspotenziale veranlassen können.
6. Physiologische Antwort: Das Aktionspotenzial führt zu einer physiologischen Antwort der Pflanze, die je nach Art und Funktion der betroffenen Zellen variieren kann. Beispiele hierfür sind die Freisetzung von Sekundärmetaboliten, Änderungen in der Genexpression, Bewegungen von Pflanzenteilen (wie bei der Venusfliegenfalle oder Mimose) oder andere Anpassungen an die Umwelt.

Aktionspotenziale bei Tieren sind vor allem in Nervenzellen (Neuronen) und Muskelzellen zu finden. Sie spielen eine zentrale Rolle bei der schnellen Übertragung von Signalen über weite Strecken innerhalb des Körpers.

Die Aktionspotenziale bei Tieren werden im Gegensatz zu Pflanzen hauptsächlich durch den schnellen Ein- und Ausstrom von Natrium- (Na⁺) und Kaliumionen (K⁺) durch spezifische Ionenkanäle in der Zellmembran verursacht. Der Prozess beginnt wie bei Pflanzen mit einer Depolarisation, gefolgt von einer Repolarisation und oft einer kurzen Hyperpolarisationsphase.

Die Signalübertragung ist bei Tieren viel schneller als bei Pflanzen. So können sie rasch auf Umweltreize reagieren, was für Bewegung, Sinneswahrnehmung und schnelle Reaktionsfähigkeit entscheidend ist. So betragen die typischen Geschwindigkeiten für die Ausbreitung von Aktionspotentialen bei Tieren zwischen einem und 100 Meter pro Sekunde, bei Pflanzen lediglich von einigen Millimetern bis einigen Zentimetern pro Sekunde. Dieser Unterschied resultiert aus dem Fehlen eines spezialisierten Systems für die schnelle Signalübertragung, wie es das Nervensystem in Tieren darstellt. Denn hier sorgt eine die Nervenzellen umgebende Myelinschicht (eine lipid- und proteinhaltige Substanz) für eine elektrische Isolierung und ermöglicht eine schnellere Übertragung der elektrischen Signale durch saltatorische Erregungsleitung, bei der das Aktionspotential von einem Ranvier-Schnürring (unmyelinisierte Abschnitte einer Nervenzelle) zum nächsten springt.