Das Membranpotential ist ein essenzieller Spannungszustand erregbarer Zellen und ein physiologisches Merkmal, welches für die Funktion von Zellen von zentraler Bedeutung ist. Es spielt eine wichtige Rolle für die Signal- und Erregungsweiterleitung, Muskelkontraktion, Sinneswahrnehmung und vielen weiteren physiologischen Prozessen. Durch Störungen des Membranpotentials und der Regulation, kann es zu schwerwiegenden klinischen Konsequenzen kommen. Das Membranpotential bezeichnet die elektrische Spannung (Potentialdifferenz), die zwischen der Innen- und Außenseite einer Zellmembran besteht. Es entsteht durch unterschiedliche Ionenkonzentrationen und die selektive Permeabilität der Zellmembran.
Das Ruhepotential entspricht in guter Näherung dem Diffusionspotential von innerhalb zu außerhalb der Zellen ungleich verteilten Ionen, vorrangig von Kalium (K+) neben Natrium (Na+) und Chlorid (Cl−). Genauer bestimmt wird es durch die Summe der jeweiligen Gleichgewichtspotentiale unter Berücksichtigung der Membranleitfähigkeiten für diese Ionen.
Grundlagen des Membranpotentials
Das Membranpotential ist die elektrische Spannung zwischen der Innen- und Außenseite der Zellmembran. Es entsteht durch eine ungleiche Verteilung von Ionen zwischen dem Zellinneren und dem Zelläußeren. Entscheidend sind dabei vor allem Natrium-Ionen ($\ce{Na+}$), Kalium-Ionen ($\ce{K+}$), Chlorid-Ionen ($\ce{Cl-}$) und Kalzium-Ionen ($\ce{Ca^{2+}}$). Diese Ungleichverteilung wird durch verschiedene Mechanismen aufrechterhalten:
- Ionenkonzentrationsunterschiede: Die Konzentrationen der verschiedenen Ionen sind innerhalb und außerhalb der Zelle unterschiedlich.
- Selektiv permeable Zellmembran: Die Zellmembran ist nicht für alle Ionen gleich durchlässig. Sie besitzt Ionenkanäle, die selektiv bestimmte Ionen passieren lassen.
- Natrium-Kalium-ATPase: Diese Pumpe transportiert aktiv Natrium-Ionen aus der Zelle und Kalium-Ionen in die Zelle, wodurch die Konzentrationsunterschiede aufrechterhalten werden.
- Elektrochemisches Gleichgewicht: Es entsteht ein elektrochemischer Gradient, der den Ionenfluss beeinflusst.
Ionenverteilung und ihre Bedeutung
Die Ionenkonzentrationsunterschiede von Kalium, Natrium, Chlorid und organischen Anionen tragen zur Ladungsverteilung bei. Während intrazellulär eine hohe Kaliumkonzentration vorliegt, liegen extrazellulär Natrium und Chlorid in höheren Konzentrationen vor. Im Außenmedium einer Nervenzelle besteht im Grunde aus einer Natriumchlorid-Lösung (also einer Kochsalz-Lösung), während im Innenmedium Kalium-Ionen und große organische Anionen vorherrschen.
Hier eine Übersicht über die typischen Ionenkonzentrationen:
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| Ion | Konzentration extrazellulär | Konzentration intrazellulär |
|---|---|---|
| Natrium (Na+) | Ca. 140 mmol/L | Ca. 10 mmol/L |
| Kalium (K+) | Ca. 5 mmol/L | ca. 150 mmol/L |
| Calcium (Ca2+) | Ca. 2 mmol/L | Ca. 10-5 mmol/L |
| Chlorid (Cl-) | Ca. 105 mmol/L | Ca. 7 mmol/L |
| Protein-Anionen | Ca. 5 mmol/L | Ca. |
| Wasserstoff-Ionen (H+) | pH = 7,4 | pH = 7,0 |
Diese Tabelle zeigt uns die Verteilung von Natrium-, Kalium-, Chlorid- sowie organischen Anionen innerhalb und außerhalb eines Säugetierneurons. Bei den organischen Anionen handelt es sich übrigens um große organische Moleküle, die eine negative Ladung tragen, zum Beispiel Oxalacetat, Citrat, Acetat und so weiter, vor allem aber um Aminosäure-Reste und negativ geladene Peptide.
Selektive Permeabilität der Zellmembran
Die Membran der Nervenzelle ist nicht voll permeabel, sondern selektiv permeabel. Kalium-Ionen werden am besten durchgelassen, daher wurde die K+-Permeabilität willkürlich auf den Wert 1 gesetzt, was auch als 100% interpretiert werden kann. Chlorid-Ionen können die Membran knapp halb so gut passieren (45%), während Natrium-Ionen kaum noch durchgelassen werden (4%). Die großen organischen Anionen können die Membran überhaupt nicht passieren (0%). Eine der Gründe für diese unterschiedlichen Permeabilitäten ist sicherlich die Größe der hydratisierten Ionen. Die gemessenen Permeabilitäten kommen durch das Vorhandensein von Ionenkanälen zustande. Im Ruhezustand einer Nervenzelle sind normalerweise alle Ionenkanäle geschlossen. Nur einige spezielle Kalium-Kanäle sind im Ruhezustand geöffnet, die sogenannten K+-Sickerkanäle. Diese K+-Sickerkanäle sind für die Permeabilität der Membran für Kalium-Ionen verantwortlich.
Rolle der Natrium-Kalium-Pumpe
Verantwortlich für die Konzentrationsgradienten ist die Natrium-Kalium-Pumpe, ein Protein in der Membran der Nervenzelle, das unter Verbrauch von ATP jeweils drei Na+-Ionen gegen den Konzentrationsgradienten nach außen transportiert und im Gegenzug zwei K+-Ionen nach innen, ebenfalls gegen den Konzentrationsgradienten. Die Chlorid-Ionen im Außenmedium sind dann die Gegenionen zu den Natrium-Ionen. Theoretisch könnten sie zwar in die Zelle diffundieren, das würde aber zu einer Ladungstrennung führen, was energetisch ungünstig wäre.
Das Ruhepotential einfach erklärt
Das Ruhepotential ist das stabile Membranpotential einer unerregten Nervenzelle, wenn keine Reize vorliegen. Es liegt beim Menschen in den meisten Zelltypen zwischen -80 und -70 mV, bei den meisten Nervenzellen rund -70 mV. Das Ruhemembranpotential wird zwischen negativ geladenem Zytosol und extrazellulärem Umfeld über die Membran gemessen.
Entstehung des Ruhepotentials
Ähnlich wie im Modellversuch 2 spielt beim Zustandekommen des Ruhepotenzials vor allem die Kalium-Diffusion eine wichtige Rolle. Durch die ständig geöffneten K+-Sickerkanäle diffundieren ein paar wenige Kalium-Ionen aus dem Zellplasma der Nervenzelle nach außen. Solche Konzentrationsgradienten sind Energiespeicher. Ähnlich wie Wasser, das einen Berg herab fließt, ein Mühlrad antreiben kann, so kann ein Konzentrationsgradient chemische Arbeit leisten. Daher spricht spricht man auch von einem chemischen Potenzial. Auf der Membraninnenseite bildet sich durch die Diffusion weniger K+-Ionen eine negative Ladung, auf der Membranaußenseite eine positive Ladung. Es entsteht also ein elektrisches Potenzial, das ebenfalls Arbeit leisten kann. Mit jedem K+-Ion, das nach außen diffundiert, wird das chemische Potenzial der K+-Ionen kleiner (der Konzentrationsgradient wird kleiner), und das elektrische Potenzial wird größer (die Membranspannung steigt). Schon nach kurzer Zeit sind beide Potenziale gleich groß aber einander entgegen gerichtet. Es stellt sich ein dynamisches Gleichgewicht ein.
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Die Kalium-Ionen, die nach außen diffundieren sowie die bereits im Außenmedium vorhandenen Natrium-Ionen legen sich wie eine Schicht auf die Membran, da die Innenseite derselben negativ geladen ist. Durch die gegenseitige Anziehung positiver und negativer Ionen entsteht auf beiden Seiten der dünnen Membran eine elektrische Doppelschicht.
Berechnung des Ruhepotentials
Zur Potentialberechnung an Biomembranen, kann eine Gleichung zur Berechnung eines Redoxpaares in Abhängigkeit von der Temperatur sowie der Konzentration und Ladung der Ionen im Elektrolyten angewandt werden, die Nernst-Gleichung. Sie wird wie folgt ausgedrückt:
UG = (60 mV / z) × lg(cextern / cintern)Dabei ist:
- UG das Gleichgewichtspotential
- z die Wertigkeit des Ions
- cextern die extrazelluläre Konzentration des Ions
- cintern die intrazelluläre Konzentration des Ions
Das Gleichgewichtspotenzial für Kalium-Ionen liegt bei -98 mV. Wenn man also beispielsweise einen Versuch durchführt, wie er im Modellversuch 2 beschrieben ist, kann man nach einiger Zeit eine Spannung von -98 mV messen. Es hat sich dann ein dynamischer Gleichgewichtszustand eingestellt, bei dem pro Zeiteinheit genau so viele Kalium-Ionen nach außen diffundieren wie gleichzeitig wieder von der Innenseite zurückgezogen werden.
Die Nernst-Gleichung
Mit der Nernst-Gleichung kannst du das Gleichgewichtspotential EA (auch Umkehrpotential) einzelner Ionen (A) berechnen. Das Nernst-Potential gilt im Gleichgewicht, wenn elektrisches Potential und chemisches Potential gleich groß sind. Dafür musst du einfach die entsprechenden Konzentrationen der Ionen in die Formel einsetzen.
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Na+-Ionen sind einfach positiv geladen. Daher ergibt sich eine Ladungszahl z von +1. Cl--Ionen sind einfach negativ geladen. Hier setzt du für die Ladungszahl z wieder +1 ein.
Die Goldman-Gleichung
Die Goldman-Gleichung ist eine Erweiterung der Nernst-Gleichung, die die Permeabilität der Zellmembran für verschiedene Ionensorten berücksichtigt. Sie erlaubt eine genauere Berechnung des Membranpotentials, da sie die relativen Beiträge verschiedener Ionen berücksichtigt.
Wenn du die Nernst-Gleichung zusätzlich um die unterschiedliche Permeabilität (Durchlässigkeit) der Zellmembran für die Ionen erweiterst, erhältst du die Goldman-Gleichung. P entspricht dabei also der jeweiligen Permeabilität der Zellmembran und hat keine Einheit. Du siehst, dass du für die Kationen Na+ und K+ die Außenkonzentration über den Bruchstrich schreiben musst. Für Anionen (Cl-) musst du dagegen die Innenkonzentration oben hinschreiben.
Im Gegensatz zur Nernst-Gleichung liegt der Goldman-Gleichung kein Gleichgewichtszustand zugrunde, sondern das Prinzip eines stationären Zustands. Das bedeutet hier, dass die Summe aller Ionenströme gleich Null sein muss (während zum Beispiel ein Kalium-Strom auf die extrazelluläre Seite existieren kann). Weitere Annahmen der Goldman-Gleichung sind die Unabhängigkeit der Ionen voneinander, und ein linearer Abfall des Potentials über die Membrandicke - wegen des daraus resultierenden konstanten Feldes spricht man oft auch von einer "constant field equation". Die Ionenstromamplituden hängen in komplizierter Weise von der Membranspannung und der Ionenkonzentration ab und sind daher nur annäherungsweise zu berechnen. In der Goldman-Gleichung wird der Ionenstrom als Funktion der Ionenkonzentration und eines Koeffizienten, der sogenannten Permeabilität P angenähert. Die Permeabilität leitet sich vom Fickschen Diffusionsgesetz ab. Beachte, dass die Konzentrationsverhältnisse, von Innen und Außen für jedes Ion, über den ganzen Verlauf eines Aktionspotentials hinweg, praktisch konstant bei ihren Ruhepotential Verhältnissen bleiben. Auch wenn sich die Membranspannung um ca.
Einflussfaktoren auf das Ruhepotential
Eine "echte" Nervenzelle schwimmt aber nicht in destilliertem Wasser, sondern in einer Natriumchlorid-Lösung. Die Permeabilität der Membran für Natrium-Ionen ist zwar viel geringer als die für Kalium-Ionen, aber offensichtlich dringen doch ein paar Natrium-Ionen ständig in die Zelle ein. Das Gleichgewichtspotenzial der Natrium-Ionen liegt weit im positiven Bereich bei +67 mV (Säugetier-Zellen). Wäre die Zelle für beide Ionen, Kalium und Natrium, gleichermaßen durchlässig, würde sich ein Membranpotenzial einstellen, dass ungefähr in der Mitte zwischen -98 mV und +67 mV liegt, also ungefähr bei -15 mV. Nun ist die Membran aber für Kalium-Ionen viel durchlässiger als für Natrium-Ionen, daher pendelt sich das Ruhepotenzial bei ca.
Die Calcium-Ionen Ca2+ werden bei der Berechnung des Ruhepotenzials normalerweise nicht mit berechnet, spielen aber auch eine kleine Rolle. Allerdings sind die Ca2+-Konzentrationen recht klein: Außen 2 mmol/l, Innen 0,0002 mmol/l. Eine spezielle Calcium-Pumpe sowie Calcium bindende Proteine sorgen für diese extrem geringe Ca2+-Konzentration im Zellplasma. Die organischen Anionen im Zellinnern werden bei der Berechnung des Ruhepotenzials nicht mitberücksichtigt, weil die Membran für diese Ionen nicht permeabel ist.
Regulation der K+-Außenkonzentration
Das Ruhepotenzial wird durch winzigste Schwankungen der K+-Außenkonzentration schon erheblich beeinflusst! Daher sind im Laufe der Evolution Mechanismen entstanden, die die K+-Außenkonzentration regulieren und nach Möglichkeit konstant halten. Einer dieser Mechanismen im Gehirn sind die Astrocyten, eine Klasse von Gliazellen. Astrocyten sind in der Lage, überschüssige Kalium-Ionen durch ihre Membran aufzunehmen. Man spricht hier auch von einem "räumlichen Kaliumpuffer".
Aktionspotential und seine Bedeutung
Vor allem für Nervenzellen ist aber nicht nur ein gleichbleibendes Membranpotential (Ruhemembranpotential) sehr wichtig. Denn unsere Nervenzellen leiten Informationen in Form von sich verändernden Potentialen weiter. Ein Aktionspotential tritt auf, wenn das Membranpotential eine bestimmte Schwelle überschreitet, meist durch einen Reiz verursacht.
Klinische Relevanz
Störungen des Membranpotentials können schwerwiegende Auswirkungen auf die Zellfunktionen haben, da es essenziell für lebenswichtige Prozesse wie der Erregungsleitung, Signalübertragung und Muskelkontraktion ist.
- Hyperkaliämie: Bei einer Hyperkaliämie handelt es sich um eine erhöhte Kalium-Konzentration im Blut. Tritt diese auf, so kann es zu Herzrhythmusstörungen kommen.
- Hypokaliämie: Die Hypokaliämie beschreibt den gegenteiligen Effekt, es liegt eine niedrige Kaliumkonzentration im Blut vor.
- Lokalanästhetika: Ein weiterer Einfluss auf das Membranpotential, kann beispielsweise im Bereich der Anästhesie und Pharmakologie durch Lokalanästhetika wie Lidocain auftreten.
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