Membranpotential
Aufbau des Membranpotentials
Alle Zellen unseres Körpers bauen über ihre Membranen ein Ruhepotential auf, und in den meisten Fällen ist dieses Ruhepotential sehr ähnlich ausgestaltet wie bei Nervenzellen. Das negativere Potential liegt im Zellinneren, und es ist in der Regel rund -50 bis -80 mV tiefer als ausserhalb. Es ist ein elektrochemisches Potential, die Energie sowohl in Form einer elektrischen Transmembranspannung (salopp Membranpotential genannt) als auch in Form von Konzentrationsunterschieden gespeichert ist. Die elektrische Spannung ist für viele Prozesse sehr wichtig, die Energie ist aber letztlich vor allem im Konzentrationsunterschied gespeichert. Mit dem Begriff "Membranpotential" meint man in der Regel die elektrische Transmembranspannung, manchmal aber auch die freie Energie des Ionentransports oder die Ladungsverteilung entlang der Membranflächen.
Das Membranpotential wird durch Natrium/Kalium-Pumpen (Na+/K+-ATPasen) aufgebaut, welche pro Zyklus ein ATP hydrolysieren und dabei drei Natriumionen aus der Zelle heraus und zwei Kaliumionen in die Zelle hinein pumpen. Wikipedia, RCSB Molecule of the month, Proteopedia
Diese Animation Animation zeigt, welche Schritte durchlaufen werden, wenn sich eine Membran in völligem Gleichgewicht befindet und die Na+/K+-Pumpen beginnen, ein Ruhepotential aufzubauen.
Bereits nach vergleichsweise wenigen Zyklen - vielleicht einige Tausend pro Pumpe - ist ein volles Membranpotential aufgebaut und die Pumpen kommen zum Stillstand, weil die Energie von einem ATP nun nicht mehr ausreicht, um drei Natrium- und zwei Kalium-Ionen durch die Membran zu pumpen. Die Ionenkonzentrationen haben sich aber noch kaum verändert.
Erst wenn nun Kalium- und Chlorid-Ionen der Spannung folgen und passiv durch die Membran fliessen, baut sich nach und nach ein Konzentrationsgradient auf. Dieser Gradient der Chlorid- und Kaliumionen kommt in grober Näherung ins Gleichgewicht mit dem Membranpotential.
Da sich Zellen durch Zellteilung vermehren, wird das Ruhepotential normalerweise nicht auf diese Weise aufgebaut, sondern die Tochterzellen erben ihr Membranpotential von der Mutterzelle.
Ligandengesteuerte Kanäle
Wenn sich ligandengesteuerte Natrium- oder Calcium-Kanäle öffnen, kommt es zu einem heftigen Einstrom von Ionen und damit zu einer Depolarisierung der Membran - das stark negative Potential steigt auf null oder darüber an. (Animation)
Ein solches Potential hängt von der Menge der geöffneten Kanäle ab. Je mehr Kanäle geöffnet sind, desto höher steigt es. Aber es verliert sich mit zunehmender Distanz vom geöffneten Ionenkanal sehr schnell, weil dort andere Kanäle und die Natrium/Kalium-Pumpe das Signal abschwächen.
Aktionspotential
Bei einem Aktionspotential verstärken spannungsgesteuerte Ionenkanäle das Signal in regelmässigen Abständen und halten seinen Verlauf konstant. So kann das Signal über grosse Distanzen übermittelt werden.