Membranpotential

Was ist das Membranpotential?

Das Membranpotential entsteht durch die unterschiedliche Verteilung von Ionen an der Zellmembran und spielt eine zentrale Rolle in biologischen Prozessen. Besonders in Nervenzellen ist das Membranpotential entscheidend, da es die Grundlage für die Weiterleitung von Signalen bildet.

Entstehung des Membranpotentials

Das Membranpotential 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 ($\ce{Ca^{2+}}$). Die Zellmembran ist semipermeabel, was bedeutet, dass sie nur bestimmte Ionen durch spezialisierte Kanäle passieren lässt. Im Ruhezustand ist das Zellinnere im Vergleich zur Umgebung negativ geladen. Dies liegt daran, dass mehr positive Ionen (v. a. $\ce{K+}$) aus der Zelle herausdiffundieren, als nachströmen. Die Natrium-Kalium-Pumpe spielt dabei eine entscheidende Rolle: Sie transportiert aktiv drei Natrium-Ionen ($\ce{3Na+}$) aus der Zelle heraus und zwei Kalium-Ionen ($\ce{2K+}$) hinein. Dadurch wird die negative Ladung im Zellinneren aufrechterhalten.

Die Rolle der Ionenkanäle

Ionenkanäle sind wie kleine Türsteher, die entscheiden, wann welches Ion in die Zelle hinein- oder herausgelassen wird. Besonders wichtig sind hier:

• Kaliumkanäle
• Natriumkanäle
• Chloridkanäle

Diese Kanäle sind maßgeblich an der Aufrechterhaltung des Membranpotentials beteiligt, indem sie kontrolliert öffnen und schließen.

Berechnung des Membranpotentials: Mathematische Modelle

Die Berechnung des Membranpotentials ist ein faszinierendes Thema, das sich vor allem mit zwei grundlegenden Gleichungen befasst: der Nernst-Gleichung und der Goldman-Gleichung.

Die Nernst-Gleichung

Diese Gleichung wird verwendet, um das Gleichgewichtspotential eines einzelnen Ionentyps zu berechnen. Sie lautet:

$E = E_0 + \dfrac{RT}{zF} \cdot ln\left(\dfrac{c_\text{Ox}}{c_\text{Red}}\right)$

mit

• $E$: Elektrodenpotential
• $E_0$: Standardelektrodenpotential, ablesbar aus der elektrochemischen Spannungsreihe
• $R$: universelle Gaskonstante; $\ce{R= \pu{8,314 J//mol*K}}$
• $T$: absolute Temperatur in Kelvin
• $z$: Anzahl der übertragenen Elektronen
• $F$: Faraday-Konstante; $F = \pu{96485,3365 C//mol}$
• $c_\text{Ox}$ = Konzentration der oxidierten Form (des Redoxpaares)
• $c_\text{Red}$ = Konzentration der reduzierten Form (des Redoxpaares)

Die Goldman-Gleichung

Im Gegensatz zur Nernst-Gleichung berücksichtigt die Goldman-Gleichung mehrere Ionentypen gleichzeitig und wird oft zur Berechnung des tatsächlichen Membranpotentials genutzt. Sie lautet:

$V_m = \dfrac{RT}{F} \cdot ln\left(\dfrac{P_K [K^+]_{\text{außen}} + P_{Na} [Na^+]_{\text{außen}} + P_{Cl} [Cl^-]_{\text{innen}}}{P_K [K^+]_{\text{innen}} + P_{Na} [Na^+]_{\text{innen}} + P_{Cl} [Cl^-]_{\text{außen}}}\right)$

mit

• $V_m$: Membranpotential
• $R$: universelle Gaskonstante; $\ce{R= \pu{8,314 J//mol*K}}$
• $T$: absolute Temperatur in Kelvin
• $F$: Faraday-Konstante; $F = \pu{96485,3365 C//mol}$
• $P$: Permeabilität für das jeweilige Ion
• $[K^+]_{\text{außen}}$: Kalium-Ionen-Konzentration außerhalb der Zelle
• $[K^+]_{\text{innen}}$: Kalium-Ionen-Konzentration innerhalb der Zelle
• $[Na^+]_{\text{außen}}$: Natrium-Ionen-Konzentration außerhalb der Zelle
• $[Na^+]_{\text{innen}}$: Natrium-Ionen-Konzentration innerhalb der Zelle
• $[Cl^-]_{\text{außen}}$: Chlorid-Ionen-Konzentration außerhalb der Zelle
• $[Cl^-]_{\text{innen}}$: Chlorid-Ionen-Konzentration innerhalb der Zelle

Membranpotential in Nervenzellen

Das Verständnis des Membranpotentials ist besonders wichtig in Bezug auf Nervenzellen, da diese auf Spannungsänderungen reagieren, um Signale zu übertragen.

Unterschiede zwischen Ruhepotential und Aktionspotential

Ruhepotential

Das Ruhepotential ist das stabile Membranpotential einer unerregten Nervenzelle, wenn keine Reize vorliegen. Es beträgt typischerweise etwa –70 Millivolt (mV) und wird durch die Verteilung der Ionen und die Aktivität der Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten.

Aktionspotential

Ein Aktionspotential tritt auf, wenn das Membranpotential eine bestimmte Schwelle überschreitet, meist durch einen Reiz verursacht. Durch die Depolarisation und anschließende Repolarisation wird ein elektrisches Signal weitergeleitet.

Tabelle: Unterschiede zwischen Ruhepotential und Aktionspotential

Ausblick – das lernst du nach Membranpotential

Vertiefe dein Wissen über das Membranpotential und seine Funktionen in biologischen Systemen. Spannende Informationen über die Natrium-Kalium-Pumpe und die Signalweiterleitung in Nervenzellen bringen dir die faszinierenden Mechanismen der Informationsübermittlung näher.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Membranpotential