Unter dem Begriff Aktionspotenzial versteht man einen Erregungszustand am Axon einer Nervenzelle. Normalerweise herrscht dort das Ruhepotenzial, also ein Membranpotenzial um die -70 mV (Innenseite negativ geladen gegenüber der Außenseite des Axons). Eine aktivierte Nervenzelle muss jedoch Informationen weiterleiten, und dies geschieht durch die Aktionspotenziale.
Ein Aktionspotenzial verläuft in mehreren Phasen. Zunächst dringen einige wenige Natrium-Ionen in das Axon ein, was zu einer leichten Depolarisierung führen kann (Phase 2). Die Kalium-Natrium-Pumpe sowie verschiedene Ionenkanäle sorgen dann aber dafür, dass sich schnell wieder das Ruhepotenzial einstellt. Dringen jedoch viele Natrium-Ionen in das Axon ein, kommt es zu einer überschwelligen Depolarisierung (Phase 3). Jetzt wird eine positive Rückkopplung in Gang gesetzt, durch die sich viele spannungsgesteuerte Natrium-Kanäle öffnen und noch mehr Natrium-Ionen in das Axon strömen lassen. Durch diesen Natrium-Ionen-Einstrom wird das Zellinnere - lokal begrenzt - positiv, ca. +30 mV. Man spricht hier von einer Depolarisierungsphase.
Gleichzeitig mit den Natriumkanälen haben sich auch spannungsgesteuerte Kaliumkanäle geöffnet, durch die Kalium-Ionen nach außen strömen. Der Kalium-Ausstrom erfolgt allerdings etwas später als der Natrium-Einstrom, da die Kalium-Kanäle sich langsamer und verzögerter öffnen als die Natrium-Kanäle. Durch den Ausstrom von Kalium-Ionen wird es im Zellinnern negativer. Am Ende der Repolarisierungsphase herrscht ein Membranpotenzial von ca. -70 mV, allerdings befinden sich noch zu viele Natrium-Ionen im Innern der Zelle, während zu viele Kalium-Ionen im Außenmedium sind. Beide Probleme werden von der Natrium-Kalium-Pumpe auf elegante Weise gelöst. Dieses Protein pumpt nämlich Natrium-Ionen von innen nach außen und im Gegenzug Kalium-Ionen von außen nach innen. Da beide Transportvorgänge gegen die bestehenden Konzentrationsgradienten ablaufen, handelt es sich um einen aktiven Transport, bei dem ATP verbraucht wird. Am Ende dieser Regenerationsphase (Wiederherstellung des Ruhepotenzials) kann an dieser Stelle der Membran ein neues Aktionspotenzial erzeugt werden.
Alles-oder-Nichts-Gesetz
Halbe Aktionspotenziale gibt es nicht. Ein Aktionspotenzial wird entweder vollständig gebildet (Peak bei +30 mV) oder gar nicht. Daher spricht man hier auch vom Alles-oder-Nichts-Gesetz des Aktionspotenzial-Bildung.
Weiterleitung von Aktionspotenzialen
Aktionspotenziale werden mit hoher Geschwindigkeit am Axon weitergeleitet, teils mit mehreren Metern pro Sekunde. Die Weiterleitung erfolgt folgendermaßen:
Ein Aktionspotenzial an einer Stelle des Axons bewirkt eine überschwellige Depolarisierung an den linken und rechten Nachbarbereichen. Angenommen, das Aktionspotenzial wandert von links nach rechts. Dann befindet sich der linke Nachbarbereich noch in der Refraktärphase, kann also kein neues Aktionspotenzial ausbilden. Im rechten Nachbarbereich wird dagegen durch die überschwellige Depolarisierung ein neues Aktionspotenzial ausgelöst. Auf diese Weise pflanzt sich ein Aktionspotenzial immer weiter in Richtung synaptisches Endknöpfchen fort.