Das Aktionspotential ist ein essenzieller elektrochemischer Prozess, der in Nervenzellen und Muskelzellen stattfindet und der Signalübertragung dient. Es bildet die Grundlage für die Kommunikation zwischen Nervenzellen und erlaubt es dem Nervensystem, Reize über weite Strecken schnell zu übertragen. Das Aktionspotential ist eine kurze, rasche Veränderung des Membranpotenzials einer Zelle, bei der die Innenseite der Zellmembran für einen kurzen Moment positiv im Vergleich zur Außenseite wird. Dieser Prozess verläuft in mehreren Phasen und wird hauptsächlich durch die gezielte Bewegung von Ionen über die Zellmembran gesteuert, insbesondere Natrium- (Na⁺) und Kalium-Ionen (K⁺).

In Ruhe befindet sich das Membranpotential einer Nervenzelle typischerweise bei etwa -70 mV, was als Ruhepotential bezeichnet wird. Dieses negative Ruhepotential entsteht durch die ungleiche Verteilung von Ionen auf beiden Seiten der Zellmembran und wird durch Ionenpumpen und Kanäle aufrechterhalten. Besonders die Natrium-Kalium-Pumpe spielt hierbei eine Rolle, da sie ständig Na⁺-Ionen aus der Zelle herausschleust und K⁺-Ionen in die Zelle hinein transportiert, was ein negatives Membranpotential aufrechterhält.

Ein Aktionspotential wird durch ein sogenanntes Schwellenpotential ausgelöst. Wenn die Zelle durch einen Reiz depolarisiert wird und das Membranpotential eine kritische Schwelle (etwa -55 mV) erreicht, öffnen sich spannungsabhängige Natriumkanäle, und Na⁺-Ionen strömen in die Zelle ein. Diese plötzliche Zunahme an positiven Ladungen führt zu einer raschen Depolarisation der Zellmembran, bei der das Membranpotential in den positiven Bereich steigt und etwa +30 mV erreicht. Dieser Aufstrich des Aktionspotentials erfolgt extrem schnell und ist charakteristisch für die elektrische Erregung in Nervenzellen.

Kurz nach der Depolarisation schließt sich der Großteil der Natriumkanäle, und spannungsabhängige Kaliumkanäle öffnen sich, wodurch K⁺-Ionen aus der Zelle hinausströmen. Dies führt zu einer Repolarisation, bei der das Membranpotential wieder in den negativen Bereich zurückkehrt. In vielen Fällen erfolgt eine kurze Hyperpolarisation, bei der das Membranpotential vorübergehend negativer als das Ruhepotential wird, bevor es durch die Natrium-Kalium-Pumpe und passive Ionendiffusion wieder auf das Ruhepotential zurückkehrt.

Das Aktionspotential breitet sich entlang des Axons der Nervenzelle aus und wird als „alles-oder-nichts“-Reaktion bezeichnet, da es entweder vollständig ausgelöst wird oder gar nicht. Einmal ausgelöst, wandert das Aktionspotential entlang des Axons und aktiviert dabei nacheinander weitere Abschnitte der Zellmembran. Dies geschieht entweder kontinuierlich in nicht-myelinisierten Fasern oder, bei myelinisierten Fasern, durch den sogenannten saltatorischen (springenden) Leitungstyp, bei dem das Aktionspotential von einem Ranvier-Schnürring zum nächsten springt. Myelinisierte Axone leiten Aktionspotentiale dadurch besonders schnell und energieeffizient, da die Erregung in größeren Abständen erneuert wird.

Der Mechanismus des Aktionspotentials ist für die Funktionsweise des Nervensystems entscheidend, da er die Basis für die Informationsübertragung bildet. An den Synapsen, den Verbindungsstellen zwischen Nervenzellen oder zwischen Nervenzellen und anderen Zellen (wie Muskelzellen), führt die Ankunft eines Aktionspotentials zur Ausschüttung von Neurotransmittern. Diese chemischen Botenstoffe ermöglichen die Übertragung des Signals auf die nächste Zelle, was beispielsweise zur Kontraktion eines Muskels oder zur Weiterleitung von sensorischen Informationen führt.

Aktionspotentiale sind nicht nur für die Weiterleitung von Informationen entlang von Neuronen essenziell, sondern auch für die synchrone Aktivität von Muskelzellen im Herz und in anderen Geweben. Die koordinierte Auslösung von Aktionspotentialen ist daher zentral für viele Körperfunktionen. Veränderungen in der Funktion oder Regulation von Aktionspotentialen können zu schweren Erkrankungen führen, darunter Epilepsie, Herzrhythmusstörungen oder Multiple Sklerose, bei der die Myelinscheiden der Axone zerstört werden und die Leitungsgeschwindigkeit der Aktionspotentiale erheblich beeinträchtigt ist.

Insgesamt stellt das Aktionspotential einen komplexen, aber hochpräzisen Mechanismus der Zellkommunikation dar, der eine Schlüsselrolle im Nervensystem und in der Funktionsweise des gesamten Organismus spielt. Es ermöglicht eine schnelle, kontrollierte und wiederholbare Reizleitung und bildet damit die Grundlage für sensorische Wahrnehmung, motorische Steuerung und viele weitere lebenswichtige Prozesse.