Membranpotential

1. Die Barriere für das Membranpotential

Die Barriere in der Zelle bildet die Zellmembran, welche essenziell für das Aufkommen eines Potenzials und hier des Membranpotentials ist. Sie ist eine Doppellipidschicht und lässt keine geladenen Teilchen passieren. Dadurch ist sie ein idealer Isolator für das Zustandekommen des Membranpotentials und fungiert gleichzeitig als Schutz der Zelle. Die Abgrenzung der Zelle zu anderen Zellen und der Zellorganellen untereinander, wird als Kompartimentierung bezeichnet.

2. Geladene Teilchen des Membranpotentials

Die geladenen Teilchen (Ionen) sind äußerst wichtig für das Membranpotential und durch ihre unterschiedlichen Eigenschaften, wie ihre Größen und Ladungen, kommt es zum Membranpotential, also zur Spannung an der Membran.

3. Mechanismen für das Membranpotential

Die Strukturen, die dafür sorgen, dass nur bestimmte geladene Teilchen die als Barriere dienende Zellmembran durchwandern können, sind sogenannte Ionenkanäle. Dabei haben verschiedene Membranen Kanäle für unterschiedliche Ionenarten. Diese verschiedenen Ionen mit ihren spezialisierten Kanälen sind der Grund dafür, dass im menschlichen Körper diverse Membranpotentiale vorkommen.

Das bedeutet, dass unterschiedliche Potenziale an den verschiedenen Zellmembranen anliegen. Die Membran ist also durch diese spezifischen Ionenkanäle nur teilweise durchlässig für ganz bestimmte Ionen (Semipermeabilität), wodurch ein Aufkommen des Membranpotentials ermöglicht wird.

Der passive und aktive Transport

Die Ionenkanäle sind Bedingung für das Zustandekommen des Membranpotentials. Dabei können die Ionen durch einen vorhandenen Konzentrationsunterschied durch die Kanäle diffundieren. Dabei ist ihr Ziel der Konzentrationsausgleich, sie benötigen zum Hindurchströmen keine Energie. Dies wird als passiver Transport bezeichnet.

Der aktive Transport hingegen kommt zum Einsatz, wenn Ionen gegen ihr Konzentrationsgefälle transportiert werden. Dafür wird Energie benötigt, die meist in Form von Adenosintriphosphat (ATP) bereitgestellt wird. Das ATP ist eine Energiewährung des Körpers.

Membranpotential – Entstehung

Durch ein Zusammenspiel der oben genannten drei Begebenheiten kann ein Membranpotential entstehen. Der genaue Mechanismus zum Membranpotentsial wird im Folgenden näher aufgeführt.

Konzentrationsgefälle

Dadurch, dass die Zellmembran nicht für alle Ionen gleich gut durchlässig ist (semipermeabel), wandern einige Ionen in die Richtung, an der ihre Konzentration am niedrigsten ist (= Diffusion). Dieser Konzentrationsunterschied wird auch als Konzentrationsgefälle oder als chemischer Gradient des Ions bezeichnet.

Elektrischer Gradient

Da aber nicht alle Ionen die Membran gleich gut passieren können, werden die wandernden Ionen nun gestoppt, bevor ein Konzentrationsausgleich zwischen Innen- und Außenseite der Zellmembran stattfinden kann. Das ist der erste Schritt, in der der Membran das Zustandekommen des Potenzials beziehungsweise Membranpotenzials ermöglicht wird.

Das passiert, weil es einen Ladungsunterschied zwischen Zellaußen- und innenseite gibt, der nicht aufgelöst werden kann. Dies liegt daran, dass nicht alle geladenen Teilchen die Membran durchwandern und damit einen Ladungsausgleich schaffen können. Das bedeutet, dass die Ionen, die nicht die Membran passieren können, der Grund dafür sind, dass dieser elektrische Gradient aufgebaut wird.

Das Zustandekommen des Membranpotentials findest du hier nochmal in einer Definition für dich zusammengefasst.

Membranpotential – Ruhepotential Nervenzelle

Das Membranpotential ist besonders wichtig an Nervenzellen (= Neuronen) und wird vor dem Eintreffen eines Reizes an der Membran des Axons der Nervenzelle als Ruhemembranpotential oder Ruhepotential bezeichnet.

Ionen des Ruhepotentials

Die Membran am Axon einer Nervenzelle ist dabei durchlässig (= permeabel) für positiv geladene Kaliumionen, aber weniger durchlässig für positiv geladene Natriumionen und negativ geladene Ionen. Das bedeutet, sie besitzt für diese Ionen spezifische Kanäle. Diese ermöglichen nun erst das Zustandekommen eines Membranpotentials. Die Kaliumionen (K+) und negativen Anionen (A-) sind dabei vermehrt im Zellinneren und positive Natriumionen (Na+) und negative Chloridionen (Cl-) vermehrt an der Außenseite der Axonmembran zu finden.

Zustandekommen des Ruhepotentials

Dadurch, dass Kalium durch die Membran hindurchfließen kann, fließt es zuerst nach außen. Dies geschieht, weil im Inneren die Kaliumkonzentration höher ist als außen und Kalium damit gewillt ist, sein Konzentrationsgefälle auszugleichen (chemischer Gradient). Es diffundiert zunächst durch die Zellmembran und ihre Kanäle hindurch. Ab einem gewissen Punkt werden die Kaliumionen von den negativ geladenen Anionen in der Zelle zurückgehalten (elektrischer Gradient).

Dadurch wird der Auswärtsstrom von Kaliumionen gestoppt und es stellt sich ein Gleichgewicht (Ruhepotential) an der Zellmembran ein. Das Zellinnere ist jetzt negativ und das Zelläußere positiv geladen. Dabei ist der chemische Gradient wieder gleich dem elektrischen Gradienten. Es hat sich also ein Potenzial an der Membran eingestellt, das Membranpotential.

Diese Spannung (also das Ruhepotential) beträgt circa –70 Millivolt und kann beispielsweise mit einem Oszilloskop gemessen werden.

Bedeutung des Ruhepotentials

Das Ruhepotential ist essenziell für die Nervenzelle und kann immer zwischen Aktionspotentialen gemessen werden. Somit schafft dieses Ruhepotential erst die Gegebenheit, die ein Aktionspotential ermöglicht und ist damit die Grundlage zur Weiterleitung von Reizen wie beispielsweise Schmerz, Druck oder Wärme.

Dabei sei nicht zu vergessen, dass auch das Aktionspotential ein Membranpotential ist. Denn immer, wenn Ionen an einer Membran anliegen und eine Spannung zu messen ist, liegt ein solches Potenzial vor. Das Aktionspotential wäre dann im Gegensatz zum Ruhepotential positiver, dennoch bildet es ein Potenzial und damit ein Membranpotential.