Membranpotential

Medizinische Expertise: Dr. med. Nonnenmacher
Qualitätssicherung: Dipl.-Biol. Elke Löbel, Dr. rer nat. Frank Meyer

Letzte Aktualisierung am: 12. März 2024

Dieser Artikel wurde unter Maßgabe medizinischer Fachliteratur und wissenschaftlicher Quellen geprüft.

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Alles Leben entstammt dem Meer. Daher gibt es im Körper Bedingungen, die auf diese ursprünglichen Lebensbedingungen aufbauen. Das bedeutet, dass lebenswichtige Bausteine im Organismus Salze sind. Sie ermöglichen alle physiologischen Vorgänge, sind Bestandteil der Organe und bilden Ionen in wässriger Lösung. Natrium- und Kaliumchlorid sind dominierende Salze in den Zellen. In ionischer Form sind sie die Triebkraft für Proteinfunktionen, bestimmen die osmotisch aktiven Bestandteile zwischen Zellinnerem und Außenbedingungen und verursachen elektrische Potentiale. Ein solches ist das Membranpotential.

Was ist das Membranpotential?

Unter einem Membranpotential wird die elektrische Spannung oder Potentialdifferenz zwischen der Außenseite und der Innenseite einer Zellmembran verstanden.

Alle Zellen besitzen die Eigenschaft, ein Membranpotential auszubilden. Unter einem Membranpotential wird die elektrische Spannung oder Potentialdifferenz zwischen der Außenseite und der Innenseite einer Zellmembran verstanden. Wenn konzentrierte Elektrolytlösungen einer Membran voneinander getrennt werden und die Leitfähigkeit in der Membran für Ionen vorhanden ist, tritt ein Membranpotential auf.

Biologische Prozesse im Körper sind äußerst komplex. Gerade für Muskel- und Nervenzellen, daneben auch für alle Sinneszellen, spielt das Membranpotential eine entscheidende Rolle. Bei all diesen Zellen befindet sich der Vorgang im Ruhezustand. Erst durch einen bestimmten Reiz oder eine Erregung werden die Zellen aktiviert und eine Änderung der Spannung tritt ein. Aus dem Ruhepotential erfolgt die Veränderung und kehrt wieder zu diesem zurück. In dem Fall wird von einer Depolarisation gesprochen.

Bei dieser handelt es sich um die Abnahme des Membranpotentials durch elektrische, chemische oder mechanische Wirkungen. Die Spannungsveränderung findet als Impuls statt, wird entlang der Membran weitergeleitet, übermittelt so Informationen im gesamten Organismus und macht eine Kommunikation der einzelnen Organe untereinander, im Nervensystem und mit der Umwelt möglich.

Funktion & Aufgabe

Die Zelle im menschlichen Körper ist erregbar und besteht aus Natriumionen, insofern sie extrazellulär sind. Wenige Natriumionen sind intrazellulär vorhanden. Durch das Ungleichgewicht zwischen Zellinnerem und -äußeren entsteht ein negatives Membranpotential.

Membranpotentiale sind immer negativ geladen und weisen konstante und charakteristische Größen in den einzelnen Zelltypen auf. Sie werden mit Mikroelektroden gemessen, wobei eine ins Innere der Zelle führt und die andere sich als Referenzelektrode im extrazellulären Raum befindet.

Die Ursache für ein Membranpotential ist der Konzentrationsunterschied der Ionen. Das bedeutet, dass sich über der Membran elektrische Spannung aufbaut, auch wenn die Nettoverteilung der positiven und negativen Ionen auf beiden Seiten gleich ist. Ein Membranpotential bildet sich, da die Lipidschicht der Zelle zwar möglich macht, dass sich Ionen an der Membranoberfläche lagern, jedoch nicht durch unpolare Bereiche dringen können. Die Zellmembran besitzt dafür eine zu geringe Leitfähigkeit für die Ionen. Dadurch entsteht ein hoher Diffusionsdruck. Nicht nur im Gesamten, jede einzelne Zelle besitzt elektrische Leitfähigkeit. Der Diffusionsdruck führt dann zum Übertritt aus dem Zytoplasma.

Sobald unter diesen Bedingungen ein Kaliumion ausströmt, geht in der Zelle positive Ladung verloren. Darum lädt sich die innere Membranfläche in Folge dessen negativ auf, um einen Ausgleich zu schaffen. So bildet sich ein elektrisches Potential. Dieses vergrößert sich bei jedem Seitenwechsel der Ionen. Dabei verringert sich wiederum das Konzentrationsgefälle der Membran, damit einhergehend auch der Diffusionsdruck des Kaliums. Das Ausströmen wird so unterbrochen und es entsteht erneut ein Gleichgewicht.

Die Höhe eines Membranpotentials unterscheidet sich von Zelle zu Zelle. In der Regel verhält sich die Zelle negativ gegenüber dem Zelläußeren und variiert in der Größenordnung zwischen (-)50 mV bis (-)100 mV. In glatten Muskelzellen wiederum entstehen kleinere Membranpotentiale mit (-)30 mV.

Sobald sich die Zelle ausdehnt, was in Muskel- und Nervenzellen der Fall ist, unterscheidet sich das Membranpotential auch räumlich. Dort dient es vor allen Dingen als Ausbreitung und Signalübertragung, während es in den Sinneszellen die Informationsverarbeitung ermöglicht. Letzteres geschieht in gleicher Form im zentralen Nervensystem.

In den Mitochondrien und Chloroplasten ist das Membranpotential energetische Kopplung zwischen den Energiestoffwechselprozessen. Dabei werden Ionen gegen die Spannung transportiert. Unter solchen Bedingungen ist eine Messung schwierig, insbesondere, wenn sie ohne mechanische, chemische oder elektrische Beeinflussung stattfinden soll.

Andere Verhältnisse treten im Zelläußeren, also in der extrazellulären Flüssigkeit auf. Dort befinden sich keine Proteinmoleküle, weshalb das Verhältnis umgekehrt ist. Die Proteinmoleküle besitzen zwar eine hohe Leitfähigkeit, können die Membranwand aber nicht passieren. Positive Kaliumionen sind immer bestrebt, den Konzentrationsausgleich zu schaffen. Daher entsteht ein passiver Transport der Moleküle in der extrazellulären Flüssigkeit.

Dieser Vorgang dauert so lange an, bis die aufgebaute elektrische Ladung sich wieder im Gleichgewicht befindet. In diesem Fall kommt es zu einem Nernst-Potential. Dieses besagt, dass sich für alle Ionen ein Potential berechnen lässt, da die Größe von dem Konzentrationsgefälle auf beiden Membranseiten abhängig ist. Bei Kalium beträgt die Größe unter physiologischen Bedingungen (-)70 bis (-)90 mV, bei Natrium etwa (+)60 mV.

Krankheiten & Beschwerden

Bei einer erkrankten Zelle sieht das anders aus. Sie benötigt durch den energiearmen Bereich feinstoffliche Energie aus ihrem Umfeld. Dabei vollzieht sie entweder ein waagerechtes Schwingen oder eine Linksdrehung. Das Membranpotential dieser Zellen ist sehr niedrig, ebenso die Zellschwingung. Krebszellen z. B. weisen nur noch eine Größenordnung von (-)10 mV auf. Die Infektionsanfälligkeit ist daher sehr hoch.

Quellen

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