Membranpotential

Definition

Das Ruhemembranpotential ergibt sich aus den unterschiedlichen Ionenkonzentrationen (ausgedrückt in mmol/l) an der inneren und äußeren Oberfläche der Zellmembran, wodurch ein elektrochemischer Gradient aufgebaut wird. Es gibt vier erregbare Gewebetypen im menschlichen Körper, die alle unterschiedliche Werte als Ruhemembranpotential aufweisen:

• Skelettmuskelzellen = - 90 mV 
• Glatte Muskelzellen = - 55mV
• Herzmuskelzellen (Kardiomyozyten) = - 80mV
• Nervenzellen = - 65mV 

Die negativen Werte bedeuten, dass das Zytosol (intrazelluläre Matrix) elektronegativer ist als die extrazelluläre Flüssigkeit. Das Ruhemembranpotential kann mit der Goldman-Gleichung berechnet werden und hängt von mehreren Faktoren ab:

• Ionenkonzentrationen innerhalb und außerhalb der Zelle. Die wichtigsten Ionen sind die Natrium-, Kalium-, Calcium- und Chlorid-Ionen.
  
• Aktivität der Natrium-Kalium-Pumpe.
• Permeabilität der Zellmembran für verschiedene Ionen.

Ionen

Im extrazellulären Raum einer Zelle befinden sich viele verschiedene Ionen, aber nicht alle können die Zellmembran passieren. Ionen wie Natrium, Kalium, Calcium und Chlorid können durch die Zellmembran diffundieren, während andere Moleküle wie Proteine es nicht können. Es tragen zwar alle Ionen und Moleküle zum Membranpotential bei, doch die nicht-diffusionsfähigen Ionen sind hauptsächlich für das negative Ruhemembranpotential verantwortlich. 

Diffusionsfähige Ionen hingegen sind für die Veränderung des Membranpotentials verantwortlich. Während des Beginns eines Aktionspotentials kommt es zu einer Umverteilung der Ionenkonzentrationen, indem große Mengen Natrium (+) in die Zelle gelangen. Dadurch wird das Membranpotential weniger negativ und nähert sich dem Schwellenwert, um ein vollwertiges Aktionspotential auszulösen.

Natrium-Kalium-Pumpe

Die Natrium-Kalium-Pumpe (Natrium-Kalium-ATPase) ist ein Transmembranprotein der Zellmembran, das dazu beiträgt, das Membranpotential aufrecht zu erhalten. Diese Enzym verwendet Energie (ATP), um 3 Moleküle Natrium im Austausch gegen 2 Moleküle Kalium zu transportieren. Somit kann die Pumpe die Konzentrationsgradienten für Natrium und Kalium beeinflussen, wodurch mehr Natrium in den extrazellulären Raum und mehr Kalium in den intrazellulären Raum gelangt.

Diese Ungleichverteilung spielt eine wichtige Rolle bei der Erzeugung eines Aktionspotentials, denn Ionen tendieren dazu, ihre Konzentrationen auszugleichen, um ein Gleichgewicht zu erreichen. So diffundieren beispielsweise Ionen von einem Ort mit höherer Konzentration zu einem Ort mit niedrigerer Konzentration, bis die Konzentration des Ions auf beiden Seiten gleich ist. Somit würden Natriumion aus dem extra- in den intrazellulären Raum diffundieren und Kaliumion würden das Gegenteil tut. 

Permeabilität

Ein weiterer wichtiger Faktor, der das Membranpotential beeinflusst, ist die Permeabilität der Membran für Natrium und Kalium, welche stark von Ionenkanälen abhängig ist. Ionenkanäle sind spezialisierte Proteine der Zellmembran, die die Wanderung von Ionen ermöglichen. Es gibt zwei Arten von Ionenkanälen:

• Passive Ionenkanäle: Hierbei handelt es sich um Poren in der Zellmembran, durch die Moleküle in Abhängigkeit von ihrem Konzentrationsgefälle hindurchtreten können.
  
• Aktive Ionenkanäle: Diese Kanäle können durch verschiedene Mechanismen geöffnet werden und somit Ionen durchlassen. Es werden spannungs-, chemisch, mechanisch, thermisch und lichtgesteuerte Ionenkanäle unterschieden. 

Poren sind entlang der gesamten Zellmembran einer erregbaren Zelle zu finden und tragen zum Aufbau des Ruhemembranpotentials bei. Wenn die Zelle nicht erregt ist, erfolgt die Diffusion der Ionen nur durch die Poren. Im Ruhezustand sind dabei viel mehr Poren für Kalium als für Natrium geöffnet. Daher ist der Kalium-Efflux größer als der Natrium-Influx, was zur Aufrechterhaltung der Negativität des intrazellulären Raums und des Membranpotentials beiträgt.

Ligandengesteuerte Ionenkanäle gehören zu den aktiven chemischen Ionenkanälen und befinden sich in der Nähe von Synapsen. Sie sind für die lokale Hypo- oder Hyperpolarisierung der Zelle verantwortlich, nachdem Neurotransmitter an sie binden und somit öffnen. Spannungsgesteuerte Ionenkanäle sind für die Erzeugung und Ausbreitung eines Aktionspotentials verantwortlich, das schließlich die Freisetzung eines Neurotransmitters bewirkt. Sie befinden sich in den Membranen von Axonen und Axonendigungen.

Gleichgewichtspotential

Trotz des Konzepts des Konzentrationsgradienten verteilen sich nicht alle diffusionsfähigen Ionen im Intra- und Extrazellulärraum, bis sie auf beiden Seiten im Gleichgewicht sind. Grund dafür ist eine weitere physikalische Komponente, die dem Konzentrationsgradienten entgegenwirkt. Es handelt sich um den elektrischen Gradienten, der ähnlich wie ein Magnet wirkt.

Zur Veranschaulichung hilft die Betrachtung eines Ions, zum Beispiel Kalium. Die intrazelluläre Kaliumkonzentration beträgt 150 mmol/l, während die extrazelluläre 5 mmol/l beträgt. Somit sollte Kalium aus der Zelle herausdiffundieren, bis auf beiden Seiten der Membran eine Konzentration von etwa 70 mmol/l Kalium erreicht wird. Da Kalium jedoch ein positives Ion (+) ist, erhöht sein Ausfluss die Positivität des extrazellulären Raums und die Negativität des intrazellulären Raums. Somit ist eventuell ein Punkt erreicht, an dem der extrazelluläre Raum positiv genug ist, um das Kalium wieder abzustoßen, und der intrazelluläre Raum negativ genug wird, um das positive Kalium anzuziehen. Dieser Punkt, an dem beide Komponenten ausgeglichen sind, wird als elektrochemisches Gleichgewicht bezeichnet. Dieser Wert liegt für Kalium bei etwa -94 mV.

Wird das positive Ion Natrium betrachtet, kann festgestellt werden, dass es aufgrund seines Konzentrationsgradienten dazu neigt, in die Zelle hinein zu strömen. Irgendwann wird die Zelle elektropositiv genug, um die neuen Natriumionen abzustoßen, und wirkt so dem Natrium-Konzentrationsgefälle entgegen, sodass das elektrochemische Gleichgewicht erreicht wird. Dieser Wert beträgt für Natrium etwa +61 mV.

Die Kaliumdiffusion wirkt sich hauptsächlich auf das Ruhemembranpotential aus. Das Aktionspotential hingegen zeigt ungefähr den Wert des elektrochemischen Gleichgewichts für Natrium. Dies impliziert zwei wichtige Punkte:

• Das Membranpotential kann nicht negativer als -94 mV sein.
  
• Das Membranpotential kann nicht positiver als +61 mV sein.