Phase 1: Ruhepotenzial
Bevor es mit dem Aktionspotenzial losgeht, befindet sich die Membran normalerweise im Ruhezustand, das Membranpotenzial liegt also bei -70 mV und wird als Ruhepotenzial bezeichnet.
Phase 2: Unterschwellige Depolarisierung
Durch irgendwelche Reize kommt es zum Öffnen einiger weniger spannungsgesteuerter Natrium-Kanäle in der Membran des Axons, und ein paar Natrium-Ionen strömen in die Zelle ein. Dadurch wird die Membran leicht depolarisiert. Bei diesen Reizen kann es sich um Informationen aus der Umwelt des Lebewesens handeln, um chemische Stoffe, die von anderen Zellen abgegeben werden, manchmal einfach auch nur um zufällige Temperaturschwankungen und Ähnliches, von "Reizen" kann man dann eigentlich noch gar nicht sprechen. Die Nervenzelle besitzt bestimmte Mechanismen, mit denen die eingeströmten Natrium-Ionen wieder nach außen transportiert werden, und alles ist gut, es herrscht wieder das normale Ruhepotenzial.
Für Experten:
Wenn wenige Natrium-Ionen in die Zelle einströmen, wird die negative Ladung der Membraninnenseite abgeschwächt. Das elektrische Potenzial, welches die Kalium-Ionen auf der Zellinnenseite zurückhält (siehe Ruhepotenzial), wird somit schwächer, das chemische Kalium-Potenzial hat durch diese Störung des elektrochemischen Gleichgewichts mehr Gewicht, was dazu führt, dass einige Kalium-Ionen nach außen strömen. Dadurch wird diese schwache Depolarisierung wieder abgebaut. Um die eingedrungenen Natrium-Ionen und die herausgeströmten Kalium-Ionen kümmert sich dann die Natrium-Kalium-Pumpe.
Phase 3: Überschwellige Depolarisation
Wird die Zelle stärker gereizt, öffnen sich weitere spannungsgesteuerte Natriumkanäle und es strömen noch mehr Natrium-Ionen in das Axon. Sobald das Membranpotenzial einen gewissen Schwellenwert überschreitet, setzt eine positive Rückkopplung ein, die schließlich zu einer völligen Ladungsumkehr an der axonalen Membran führt. Diese positive Rückkopplung wird auf einer Vertiefungsseite näher erläutert.
Phase 4: Peak
Das Membranpotenzial hat seinen maximalen positiven Wert von ca. +30 bis +40 mV erreicht. Die genaue Höhe dieses Wertes hängt von mehreren Faktoren ab, zum Beispiel der Konzentration der Natrium-Ionen im Außenmedium, der Konzentration der Kalium-Ionen im Innenraum und so weiter. Die elektrisch gesteuerten Natrium-Kanäle sind jetzt alle wieder geschlossen, es können auf diesem Wege keine Natrium-Ionen mehr in die Zelle einströmen.
Rein rechnerisch müsste das Membranpotenzial jetzt dem elektrochemischen Gleichgewichtspotenzial von Natrium-Ionen entsprechen, das bei ca. +60 mV liegt. Aber es sind ja auch Kalium-Ionen, Chlorid-Ionen und andere Ionen im Außenmedium und im Zellplasma gelöst, die einen Einfluss auf das Membranpotenzial haben, daher weicht das Membranpotenzial während des Aktionspotenzials von diesem theoretischen Wert ab.
Phase 5: Repolarisation
Neben den spannungsgesteuerten Natrium-Kanälen gibt es auch sehr viele spannungsgesteuerte Kalium-Kanäle in der Membran des Axons. Diese Kalium-Kanäle beginnen sich nahezu gleichzeitig mit den Natrium-Kanälen zu öffnen, das Öffnen dauert aber länger ("langsame Kanäle").
Das Öffnen dieser Kalium-Kanäle führt dazu, dass Kalium-Ionen aus dem Zellinnern nach außen strömen. Die Kalium-Ionen vor allem durch den steilen K+-Konzentrationsgradienten nach außen getrieben. Wenn das Membranpotenzial zu Beginn der Repolarisationsphase positiv ist, werden die K+-Ionen zusätzlich von der negativ geladenen Außenseite der Membran angezogen.
Phase 6: Hyperpolarisierung
Da mehr Kalium-Ionen von Innen nach Außen geströmt sind als zuvor Natrium-Ionen von Außen nach Innen, ist die Axonmembran auf der Innenseite jetzt sogar noch negativer als im Ruhezustand, es liegt also eine Hyperpolarisierung der axonalen Membran vor.
Phase 7: Wiederherstellung des Ruhepotenzials
Im Zellplasma befinden sich jetzt viel zu viele Natrium-Ionen, während Kalium-Ionen fehlen. Eine besonderes Protein, nämlich die ATP-getriebene Natrium-Kalium-Pumpe, sorgt jetzt dafür, dass überschüssige Natrium-Ionen nach außen gepumpt werden. Gleichzeitig werden Kalium-Ionen von Außen nach Innen transportiert. Auch zu diesem Thema gibt es für interessierte Schüler eine Vertiefungsseite.
Phase 8 bzw. 1: Ruhepotenzial
Wenn die ursprünglichen Konzentrationsverhältnisse durch die Natrium-Kalium-Pumpe wiederhergestellt sind, liegt das Membranpotenzial wieder im Bereich des Ruhepotenzials. Jetzt kann auch ein neues Aktionspotenzial entstehen; daher sind wir auch wieder bei Phase 1.