In diesem Video geht es um den im Bereich der Neurobiologie relevanten Begriff des Membranpotentials. Alle weiteren Schulstoff- und Abiturrelevanten Inhalte zur Neurobiologie werden in dieser Videoreihe hier veröffentlicht. Bestimmt erinnern sich einige von euch noch daran, dass tierische Zellen folgende Eigenschaft aufweisen. Die Zellen, die durch ihre Zählmembran als äußere Umgrenzung den Zellinnenraum vom Zellaußenraum in zwei verschiedene Bereiche, auch Kompartimente genannt, abgrenzt, hat auf beiden Seiten die gleiche Anzahl an gelösten Stoffen. Ein Zustand, den man als isotonisch bezeichnet.
Das muss allerdings nicht heißen, dass alle gelösten Teilchen in und außerhalb der Zelle in der gleichen Anzahl vorkommen. In tierischen Zellen liegen vor allem Natrium und Kalium sehr ungleichmäßig verteilt vor, während im Intrazellularraum deutend mehr Kaliumionen existieren als im Extrazellularraum, dem Bereich außerhalb der Zelle, verhält es sich bei den Natriumionen umgekehrt. Einer hohen Konzentration an Natriumionen im Außenbereich stehen nur sehr wenige Natriumionen im Innenbereich gegenüber.
Trotzdem trägt diese Verteilung also insgesamt zu einem isotonischen Zustand bei, bei dem auf beiden Seiten gleich viele Stoffe gelöst sind. Sowohl Natrium- als auch Kaliumionen sind positiv geladen. Und doch werden sowohl der Innenraum als auch der Extrazellularraum durch andere negativ geladene Ionen, Anionen, größtenteils ausgeglichen. Somit sind beide Bereiche der Zelle elektrisch neutral.
Umso verwunderlicher erscheint es, dass es unmittelbar an der Zellmembran, die den Intra- und Extrazellularraum voneinander trennt, dennoch zu einer elektrischen Ladungsdifferenz kommt. Die Innenseite ist gegenüber der Außenseite negativ geladen. Anders formuliert, es befinden sich an der Membran-Innenseite mehr negative Ladungen als an der Membran-Außenseite.
Ein sogenanntes Membranpotential liegt vor, das abhängig vom Zelltyp variieren kann, meist aber so bei ca. minus 70 mV liegt. Wie kommt es dazu und welcher biologische Nutzen steckt dahinter?
Wir wissen nun um die ungleichmäße Verteilung von Natrium- und Kalium-Ionen auf beiden Seiten der Membran. Beide Ionenarten sind danach bestrebt, die unterschiedliche Konzentrationen auszugleichen. Das heißt, dass auf beiden Seiten der Membran die gleiche Konzentration an Natrium und Kalium vorherrscht, ein Prozess, der als Diffusion bezeichnet wird.
Der Konzentrationsausgleich findet allerdings nicht ohne weitere statt. Schließlich ist die Zellmembran selektiv permeabel. Das heißt, bestimmten Stoffen erlaubt sie den Zutritt, anderen Stoffen, unter anderem geladene Ionen wie Natrium oder Kalium, verwehrt sie diesen.
Die Membran ist also für diese Stoffe impermeabel, undurchlässig. Jetzt kommt das Entscheidende. In der Membran sind spezifische Proteine eingelagert, die ganz bestimmten Stoffen erlauben, die Membran zu beiden Seiten zu passieren. Es existieren entlang der Membran viele Kalium-Ionen-Kanäle, sodass Kalium die Membran gut passieren kann.
Da sich mehr Kalium-Ionen im Zellinneren befinden, strömen sie dem Konzentrationsgradienten folgend Vom Ort der höheren Konzentration zum Ort der niedrigeren Konzentration, also aus der Zelle hinaus. Erinnert euch, dass die positive Ladung von Ionen aufgehoben wird durch weitere in der Zelle vorkommenden Teilchen mit negativen Ladungen. Strömt nun Kalium aus der Zelle, hinterlässt es eine unkompensierte negative Ladung.
Diese ist meist an größeren Molekülen gebunden, die die Zelle nicht verlassen. Die Folge ist, dass sich ein elektrischer Gradient auf beiden Seiten der Membran aufbaut. Die Innenseite wird immer negativer, die Außenseite bekommt eine positive Teilladung.
Die Anionen, das heißt die negativen Ladungen im Innenbereich, ziehen die positiv geladenen Natrium- und Kaliumionen an. Dadurch fließt Natrium über vereinzelte Natrium-Ionenkanäle ins Zellinnere. aber auch angetrieben durch das Bestreben, die niedrige Natriumkonzentration innerhalb der Membran auszugleichen.
Angezogen von der negativen Ladung fließen auch einige Kaliumionen wieder zurück in die Zelle. Wenn das Bestreben von Kalium aus der Zelle zu diffundieren von der negativen elektrischen Ladung kompensiert wird, die Kalium wiederum zurückzieht, ist ein Gleichgewicht zwischen Konzentrationsgradient nach außen und Ladungsgradient nach innen erreicht. Und das Ergebnis ist die eingangs angesprochene elektrische Ladungsdifferenz über die Zellmembran, wobei die Innenseite der Zelle gegenüber der Außenseite negativ geladen ist.
Es stellt sich also ein Membranpotential ein. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Leckströmen, denn wie bei einem Leck in einem Schiff läuft das Natrium ein und das Kalium aus. Die Aufrechterhaltung des Membranpotentials von circa minus 70 Millivolt wird wie gesagt zum einen von Kalium selbst bewirkt, indem es zum einen nach außen entlang seines chemischen Konzentrationsgradienten diffundiert und zum anderen wieder moderat zurückgeführt wird durch die unkompensierten negativen Ladungen, die ähnlich wie ein Magnet das Kalium also wieder zurückführen.
Zum anderen wird das Membranpotential durch die Natrium-Kalium-Ionen-Pumpe, die unter Energieaufwand des Moleküls ATP jeweils drei Natriumionen nach außen und zwei Kaliumionen nach innen befördert, aufrechterhalten. Sie ist für die ungleiche Verteilung von Natrium und Kalium auf beiden Seiten der Membran verantwortlich. Nahezu alle lebenden Zellen weisen ein Membranpotenzial auf.
In Nervenzellen bzw. Neuronen, aber auch in Muskelzellen und Sinneszellen spricht man auch in diesem Zusammenhang von einem Ruhemembranpotenzial, weil Neuronen zum Beispiel auch aktiviert werden können. und in der Lage sind, sehr schnell sehr große Änderungen des Membranpotentials zu bewirken.
Das Ruhe-Membranpotential ist also nicht nur für den Stofftransport, wie eben ersichtlich, von Nutzen, sondern spielt auch für die Erregungsweiterleitung eine wichtige Rolle. Und diese wird dann Gegenstand des nächsten Videos.