Potenzial oder Potenzialdifferenz tritt auf, wenn zwischen zwei Punkten ein Unterschied in der elektrischen Ladung besteht. Dieser Ladungsunterschied ist normalerweise auf eine Konzentration von entgegengesetzt geladenen Ionen an jedem Punkt zurückzuführen. Aktionspotential tritt auf, wenn es eine plötzliche und scharfe Änderung der Potentialdifferenz über die Membran einer Nervenzelle gibt, die sich entlang der Länge der Zelle ausbreitet.
Wenn kein Nervenimpuls übertragen wird, ist das Innere der Nervenzelle negativ und das Äußere positiv geladen. Es wird gesagt, dass es sich im Ruhezustand befindet, daher ist die Potenzialdifferenz zu diesem Zeitpunkt das Ruhepotenzial. Der Ladungsunterschied ist auf die Menge an Ionen zurückzuführen, die sich innerhalb und um die Zelle herum befinden. Bei Nervenzellen ist der Potentialunterschied auf Natrium- und Kaliumionen zurückzuführen.
Alle Nervenimpulse sind ionischer Natur. Im Ruhezustand der Nervenzelle befinden sich auf beiden Seiten der Membran unterschiedliche Konzentrationen der Kalium- und Natriumionen. Diese Differenz wird durch Natrium-Kalium-Pumpen in der Membran aufrechterhalten. Diese Pumpe pumpt Natriumionen aus der Zelle und Kaliumionen hinein.
Kalium- und Natriumionen diffundieren aufgrund des Konzentrationsunterschieds auf beiden Seiten durch die Membran. Kaliumionen können leicht aus der Zelle heraus diffundieren, die Membran ist jedoch für eindiffundierende Natriumionen relativ undurchlässig. Das Ergebnis ist insgesamt, dass das Innere der Nervenzelle gegenüber dem Äußeren der Zelle negativ geladen ist.
Wenn die Nervenzelle stimuliert und ein Impuls ausgelöst wird, kehrt sich die Situation vorübergehend um. Das Innere der Zelle wird positiv und das Äußere negativ. Diese plötzliche Umkehr des Ruhepotentials, die den Impuls begleitet, ist das Aktionspotential. Ein Aktionspotential ist extrem kurzlebig, daher ist ein Impuls eigentlich eine Depolarisationswelle oder Aktionspotentiale, die entlang der Zelle verläuft.
Bei einem Impuls wird die Zellmembran für Natriumionen durchlässig. Die Natriumionen haben eine sehr hohe Konzentration außerhalb der Membran, sodass sie schnell in die Zelle diffundieren. Dies geschieht sehr schnell und kehrt das Ruhepotential um. Bei so vielen positiven Ionen, die sich jetzt in der Zelle befinden, ist das Innere relativ zum Äußeren positiv geladen.
Natriumionen können durch Ionenkanäle in die Zelle gelangen. Im Ruhezustand der Zelle bleiben die Ionenkanäle geschlossen und verhindern, dass die Natriumionen in die Zelle gelangen. Wenn sie durch einen Impuls stimuliert werden, öffnen sie sich und ermöglichen das Einströmen der Natriumionen. Aktionspotentiale und Impulse breiten sich auf diese Weise selbst aus. Das Aktionspotential in einem Bereich der Membran stimuliert den folgenden Bereich, wodurch sich die Ionenkanäle öffnen. Dadurch beginnt wiederum ein Aktionspotential, das dann den folgenden Bereich stimuliert und so weiter.
Wenn die Natriumionen in die Zelle eintreten, verlassen die Kaliumionen die Zelle. Dies ist der Beginn des Erholungsprozesses, bei dem das Innere der Zelle beginnt, seine negative Ladung wiederzugewinnen. Nachdem das Aktionspotential passiert und sich entlang der Zellmembran bewegt hat, schließen sich die Ionenkanäle und die Membran wird für Natriumionen undurchlässig. Die Natrium-Kalium-Pumpe pumpt die Natrium-Ionen wieder heraus und Kalium-Ionen hinein, wodurch das Ruhepotential wiederhergestellt wird.