Ein Aktionspotential ist die Änderung der relativen Ladung über die Membran einiger Zellen in Tieren und Pflanzen. Zellen, die Aktionspotentiale durchlaufen, werden als erregbare Zellen bezeichnet und umfassen Nervenzellen, Muskelzellen und Zellen des endokrinen Systems – oder des hormonproduzierenden Systems. Die Aktionspotentialerzeugung ist der Prozess, der die Ladungsänderung durch die Membran verursacht.
Es gibt vier grundlegende Phasen, die an der Erzeugung von Aktionspotentialen beteiligt sind. Wenn kein Aktionspotential auftritt, befindet sich die Zelle in der Ruhephase. Innerhalb einer Nervenzelle beträgt die relative Ladung innerhalb der Zelle zu diesem Zeitpunkt etwa -70 Millivolt (mV). Das Ruhepotential der Zelle wird durch geladene Ionen innerhalb und um die Zelle herum aufrechterhalten. Bei Nervenzellen befinden sich positiv geladene Kaliumionen an der Zellmembran, während positiv geladene Natriumionen und negativ geladene Chloridionen außerhalb der Zelle gefunden werden.
Die Konzentrationen der Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle werden durch Ionentore und Pumpen gesteuert. Während der Ruhepotentialphase von Nervenzellen werden Kaliumionen in die Zelle gepumpt und Natriumionen ausgepumpt. Die Konzentration dieser Ionen relativ zueinander verursacht die Ladung über die Membran. Zu diesem Zeitpunkt wird die Zelle als polarisiert bezeichnet.
Damit ein Aktionspotential ausgelöst wird, muss die Ladung innerhalb der Zelle umgekehrt werden. Wenn ein Stimulus an die Zelle angelegt wird, kann es zu einer Depolarisation kommen. Die Generierung von Aktionspotentialen benötigt einen Reiz, der einen bestimmten Schwellenwert erreicht oder überschreitet. Wird der Schwellenwert nicht erreicht, wird das Aktionspotential nicht erzeugt. Die Größe des Aktionspotentials ist unabhängig davon, ob der Schwellenwert erreicht oder überschritten wird, daher wird die Aktionspotentialerzeugung als „Alles-oder-Nichts-Ereignis“ bezeichnet.
Bei der Depolarisation öffnen sich die Ionenkanäle, sodass Natriumionen in die Zelle strömen. Dies führt dazu, dass die Zellen eine Ladungsumkehr durchlaufen. Für Nervenzellen liegt die Schwelle für die Aktionspotentialerzeugung bei einer Ladung von +40 mV. Dies geschieht in weniger als zwei Millisekunden oder zwei Tausendstelsekunden. Sobald das Aktionspotential erzeugt wurde, beginnt die Repolarisation dieses Bereiches der Zellmembran.
Sobald ein Aktionspotential in einem dieser Zelltypen ausgelöst wurde, spricht man von Selbstausbreitung. Dies bedeutet, dass das Aktionspotential in einem Bereich der Membran die Zellen stimuliert, den Prozess der Aktionspotentialerzeugung im angrenzenden Abschnitt der Membran zu beginnen. Als Ergebnis bewegt sich das Aktionspotential entlang der Länge der Zelle.