Membranpotential von Neuronen: Eine verständliche Erklärung

Das Membranpotential ist ein grundlegendes Konzept in der Neurobiologie und beschreibt die elektrische Spannung, die über die Zellmembran von Neuronen (Nervenzellen) besteht. Diese Spannung ist entscheidend für die Funktion von Nervenzellen, da sie die Grundlage für die Erregungsleitung und Signalübertragung bildet. In diesem Artikel werden wir die Entstehung, Bedeutung und Berechnung des Membranpotentials einfach und verständlich erklären.

Was ist das Membranpotential?

Das Membranpotential ist die Spannung an einer Zellmembran, die aufgrund von Ladungsunterschieden in zwei voneinander getrennten Räumen entsteht. Daher kann es auch als Transmembranspannung bezeichnet werden. In der Regel ist die Innenseite der Membran leicht negativ geladen, während die Außenseite leicht positiv geladen ist. Diese Ladungstrennung wird durch die unterschiedliche Verteilung von Ionen (geladenen Teilchen) innerhalb und außerhalb der Zelle verursacht. Die Zellmembran trennt zwei Flüssigkeitsräume mit unterschiedlichen Ionenkonzentrationen voneinander ab.

An der Membran einer jeden Zelle besteht ein Ladungsunterschied zwischen Innen und Außen. In der Regel ist die Innenseite der Membran leicht negativ geladen, während die Außenseite leicht positiv geladen ist. Über die Ursachen dieser Membranspannung bzw. dieses Membranpotenzials werden wir uns später noch unterhalten.

Ruhepotential, Aktionspotential und Gleichgewichtspotential

Es gibt 3 Arten von Potenzialen:

• Ruhemembranpotential: Das Membranpotential einer Zelle im Ruhezustand, also ohne äußere Einflüsse. Bei Nervenzellen liegt das Ruhepotential typischerweise bei etwa -70 mV. Dies bedeutet einen Überschuss negativer Ladungen im Zellinneren.
• Gleichgewichtspotential: Das Potential, bei dem sich der elektrische und chemische Gradient für ein bestimmtes Ion im Gleichgewicht befinden.
• Aktionspotential: Eine kurzzeitige, starke Änderung des Membranpotentials, die zur Signalweiterleitung in Nervenzellen dient.

Wie entsteht das Membranpotential?

Das Membranpotential entsteht durch ein Zusammenspiel verschiedener Faktoren:

Lesen Sie auch: Neuronen einfach erklärt

1. Ionenkonzentrationsunterschiede: Innerhalb und außerhalb der Zelle herrschen unterschiedliche Konzentrationen von Ionen wie Natrium (Na+), Kalium (K+), Chlorid (Cl-) und Calcium (Ca2+).
2. Selektive Permeabilität der Zellmembran: Die Zellmembran ist nicht für alle Ionen gleich durchlässig. Sie besitzt Ionenkanäle, die spezifisch für bestimmte Ionen sind und deren Durchtritt ermöglichen oder erschweren. Die Membran ist aufgrund von Ionenkanälen am durchlässigsten für Kaliumionen, weniger durchlässig für Chlorid- und am wenigsten durchlässig für Natriumionen. Die großen Anionen können die Membran gar nicht passieren.
3. Elektrochemischer Gradient: Für jede Ionensorte herrscht ein bestimmter Konzentrationsgradient (chemischer Gradient) vor. Ihre unterschiedliche Konzentration auf beiden Seiten wollen die Ionen jeweils ausgleichen. Da die Ionen geladen sind, kommt es so zu einer Ladungstrennung. So entsteht ein Potentialgefälle. Das Äußere der Zelle wird durch die K+-Ionen immer positiver geladen, während das Innere negativer wird. Gleiche Ladungen stoßen sich jedoch ab. Das heißt, die zunehmende Ladungstrennung (elektrischer Gradient) wirkt der Diffusion entgegen.
4. Natrium-Kalium-Pumpe: Diese Pumpe transportiert aktiv Natriumionen aus der Zelle heraus und Kaliumionen in die Zelle hinein. Dadurch trägt sie zur Aufrechterhaltung der Ionenkonzentrationsunterschiede und des Membranpotentials bei. Für das Ruhepotential, das sich im Gleichgewicht befindet sind zwei Kräfte verantwortlich. Zum einen der Konzentrationsgradient und zum anderen der Ladungsausgleich. Alle Teilchen streben eine Gleichverteilung, also die gleiche Konzentration, an.

Die Rolle der Ionenkanäle

Die Ionenkanäle in der Zellmembran spielen eine entscheidende Rolle bei der Entstehung und Aufrechterhaltung des Membranpotentials. Sie ermöglichen den selektiven Durchtritt von Ionen durch die Membran und beeinflussen so die Ladungsverteilung.

• Kaliumkanäle: Kaliumkanäle sind in der Membran von Nervenzellen besonders zahlreich vorhanden. Sie ermöglichen den Ausstrom von Kaliumionen aus der Zelle, was zu einer negativen Ladung im Zellinneren beiträgt.
• Natriumkanäle: Natriumkanäle sind weniger durchlässig für Natriumionen. Ein geringer Einstrom von Natriumionen in die Zelle wirkt der negativen Ladung im Zellinneren entgegen.
• Spannungsgesteuerte Ionenkanäle: Diese Kanäle öffnen und schließen sich in Abhängigkeit von der Membranspannung. Sie spielen eine wichtige Rolle bei der Entstehung des Aktionspotentials. Solange kein Aktionspotential entsteht, spricht man vom Ruhepotential. Dieses liegt bei ungefähr $- 70 mV$. In dieser Ausgangslage sind die spannungsgesteuerten Ionenkanäle der Membran geschlossen.

Das Ruhepotential im Detail

Das Ruhepotential ist das Membranpotential einer Nervenzelle im Ruhezustand, also ohne äußere Einflüsse. Es beträgt typischerweise etwa -70 mV. Dieses negative Potential wird hauptsächlich durch den Ausstrom von Kaliumionen aus der Zelle und den geringen Einstrom von Natriumionen aufrechterhalten.

Die Natrium-Kalium-Pumpe reguliert die Ionenverteilung für das Ruhepotential, indem sie Natrium-Ionen in den extrazellulären und Kaliumionen in den intrazellulären Raum der Nervenzelle pumpt. (3 Na+ raus, 2 K+ rein --> daher ein negatives Vorzeichen beim Ruhepotential, denn es gehen mehr positive Ladungen raus als hinein)

Wie kann man das Membranpotential messen und berechnen?

Messung des Membranpotentials

Du kannst die Spannung, die an einer Membran herrscht, auch messen. Und zwar als Potentialdifferenz (Potentialunterschied) zwischen Zellinnerem und -äußerem. Dafür benötigst du zwei Elektroden. Eine Elektrode benutzt du als Referenzelektrode, die sich in der extrazellulären Flüssigkeit befindet. So kannst du beispielsweise bei Nervenzellen ein Ruhepotential von ca.

Das Grundprinzip dieser Messung zeigt die Abbildung 1. Man benötigt zwei Elektroden, eine Messelektrode und eine Bezugselektrode. Die Bezugselektrode kann sehr einfach gebaut sein, für manche Versuche reicht bereits ein chloriertes Silberplättchen. Die Messelektrode dagegen muss sehr fein sein, denn man will sie ja in die lebende Nervenzelle hineinstechen. Bei den riesigen Nervenzellen von Tintenfischen ist das noch recht einfach, aber bei den kleinen Nervenzellen von Säugetieren ist doch einiges an Know-how erforderlich. Eine typische Messelektrode besteht aus einem dünnen Glasröhrchen, das mit einem Elektrolyten gefüllt ist, zum Beispiel Kaliumchlorid- oder Kaliumnitratlösung, meistens aber Natriumchloridlösung (Kochsalz). In einer mit Salzwasser gefüllten Schale liegt nun eine Nervenzelle, ein lebendes Neuron. Gut geeignet sind dazu die Riesennervenzellen bestimmter Tintenfische. Solange sich die beiden Elektroden in dem Salzwasser befinden passiert noch gar nichts. Sticht man nun die Messelektrode vorsichtig in das Neuron, so beobachtet man auf dem Messgerät eine Spannung von 50 mV, 70 mV oder sogar 90 mV. Dabei stellt man fest, dass die Innenseite der Zelle negativ geladen ist im Vergleich zum Außenmedium. Deswegen gibt man dem Membranpotenzial ein negatives Vorzeichen: -50, -70 bzw.

Lesen Sie auch: Nervenzellen: Eine einfache Erklärung

Berechnung des Membranpotentials

Du kannst das Membranpotential nicht nur messen, sondern auch selber berechnen. 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. Schauen wir uns jetzt an, was das für die einzelnen Ionen in der Zelle bedeutet. Dafür musst du einfach die entsprechenden Konzentrationen der Ionen in die Formel einsetzen. 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.

Es gibt verschiedene Gleichungen, mit denen das Membranpotential berechnet werden kann:

• Nernst-Gleichung: Mit der Nernst-Gleichung kann das Gleichgewichtspotential eines einzelnen Ions berechnet werden. Die Nernst-Gleichung lautet:

  E = (RT / zF) * ln(c_außen / c_innen)

  Dabei ist:

  • E = Gleichgewichtspotential des Ions
  • R = Gaskonstante
  • T = Absolute Temperatur
  • z = Wertigkeit des Ions
  • F = Faraday-Konstante
  • c_außen = Konzentration des Ions außerhalb der Zelle
  • c_innen = Konzentration des Ions innerhalb der Zelle

• Goldman-Gleichung: Die Goldman-Gleichung berücksichtigt die Permeabilität der Membran für verschiedene Ionen und ermöglicht die Berechnung des Ruhemembranpotentials. 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.

  Lesen Sie auch: Überblick: Verschaltung und Erregung

Das Aktionspotential: Eine kurzzeitige Veränderung des Membranpotentials

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. Du willst mehr darüber lernen, was das Aktionspotential ist und wie es entsteht?

Das Aktionspotential ist eine kurzzeitige, starke Änderung des Membranpotentials, die zur Signalweiterleitung in Nervenzellen dient. Es entsteht, wenn ein Reiz die Membranspannung über einen bestimmten Schwellenwert hinaus depolarisiert.

Phasen des Aktionspotentials

1. Depolarisation: Durch den Einstrom von Natriumionen in die Zelle wird das Membranpotential positiver. Depolarisierung = Abschwächung der vorhandenen Membranspannung, zum Beispiel von -70 mV auf -40 mV.
2. Repolarisation: Durch den Ausstrom von Kaliumionen aus der Zelle wird das Membranpotential wieder negativer.
3. Hyperpolarisation: Das Membranpotential wird kurzzeitig negativer als das Ruhepotential. Hyperpolarisierung = Verstärkung des Membranpotenzials, zum Beispiel von -70 mV auf -85 mV.
4. Wiederherstellung des Ruhepotentials: Die Natrium-Kalium-Pumpe stellt die ursprünglichen Ionenkonzentrationen und das Ruhepotential wieder her.

Die Rolle des Aktionspotentials bei der Erregungsleitung

Das Aktionspotential ermöglicht die schnelle und verlustfreie Weiterleitung von Signalen über lange Strecken in Nervenzellen. Die Erregungsleitung erfolgt bei marklosen Nervenfasern kontinuierlich entlang des Axons. Bei markhaltigen Nervenfasern springt das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring (saltatorische Erregungsleitung), was die Leitungsgeschwindigkeit deutlich erhöht.

Klinische Bedeutung des Membranpotentials

Störungen des Membranpotentials können schwerwiegende Auswirkungen auf die Zellfunktionen haben, da es essenziell für lebenswichtige Prozesse wie der Erregungsleitung, Signalübertragung und Muskelkontraktion ist. Bei einer Hyperkaliämie handelt es sich um eine erhöhte Kalium-Konzentration im Blut. Tritt diese auf, so kann es zu Herzrhythmusstörungen kommen. Die Hypokaliämie beschreibt den gegenteiligen Effekt, es liegt eine niedrige Kaliumkonzentration im Blut vor. Ein weiterer Einfluss auf das Membranpotential, kann beispielsweise im Bereich der Anästhesie und Pharmakologie durch Lokalanästhetika wie Lidocain auftreten.

tags: #membranpotential #von #neuronen