Membranpotenzial

 Merke

Extra- und Intrazelluläre Ionenkonzentrationen:

intrazellulär absteigend (mmol/l): 
K⁺ > Na⁺ > Mg²⁺ > HCO^3– > Cl^– > Ca²⁺

extrazellulär absteigend (mmol/l): 
Na⁺ > Cl^– > HCO^3– > K⁺ > Ca²⁺ > Mg²⁺

Am Beispiel von Kalium lässt sich das Ruhemembranpotenzial und die wirkenden Kräfte erklären. In den Zellen befinden sich Kaliumkanäle durch die das Kalium diffundieren kann.

• Intrazellulär befindet sich eine hohe Kaliumkonzentration
• Kalium diffundiert entlang des chemischen Gradienten nach extrazellulär, um die extrazellulär geringere Kaliumkonzentration auszugleichen
  • Die negative Ladung der Zelle und der elektrische Gradient wird durch die Diffusion von den positiv geladenen Kalium-Ionen nach extrazellulär größer
  • Der elektrische Gradient wirkt auf das Kalium und ist nach intrazellulär gerichtet
  • Das Kalium diffundiert so lange, bis der chemische und elektrische Gradient gleich groß sind
• Wenn der chemische Gradient (nach extrazellulär gerichtet) und der elektrische Gradient (nach intrazellulär gerichtet) gleich groß sind, findet keine Diffusion mehr statt
  • Wenn sich die Gradienten ausgleichen, resultiert das sogenannte Gleichgewichtspotenzial
• Jedes Ion hat sein eigenes Gleichgewichtspotenzial
• Das Gleichgewichtspotenzial für Kalium beträgt -90 mV
• Bei einem Membranpotenzial von -90 mV, würden keine Kalium-Ionen mehr über die Membran diffundieren (chemischer und elektrischer Gradient sind ausgeglichen)
• Wenn das Membranpotenzial positiver wird, diffundiert Kalium nach extrazellulär (elektrischer Gradient nimmt ab ➜ chemischer Gradient überwiegt)

Nernst-Gleichung

Die Nernst-Gleichung ermöglicht die Berechnung des Gleichgewichtspotenzials eines spezifischen Ions über der Zellmembran. Das Gleichgewichtspotenzial tritt ein, wenn die elektrische und chemische (osmotische) Kraft, die auf das Ion wirken und es durch die Membran bewegen, gleich groß und entgegengesetzt sind.

Die elektrochemische Triebkraft eines Ions ist durch den Abstand des Gleichgewichtspotenzials des Ions vom Membranpotenzial abhängig.

Liegt also zum Beispiel das Membranpotenzial bei –60 mV, so würde das Kalium-Ion aus der Zelle hinausdiffundieren, um sich seinem negativeren Gleichgewichtspotenzial von -90 mV anzunähern. Wird das Membranpotenzial positiver so bezeichnet man dies als Depolarisation. Wird es negativer, so wird dies als Hyperpolarisation bezeichnet.

Um das Ruhemembranpotenzial aufrecht zu erhalten, pumpt die Natrium/Kalium-ATPase 3 Natrium-Ionen nach außen und 2 Kalium-Ionen nach innen. Da die Ionen entgegen ihres chemischen Gradienten gepumpt werden, wird hierzu 1 ATP Energie verbraucht. Dadurch, dass mehr positive Ionen nach außen gepumpt werden, entsteht ein negatives Membranpotenzial. Das Ruhemembranpotenzial der meisten Zellen liegt zwischen -100 und -50 mV.

• Mit der Goldmann-Hodgkin-Katz-Gleichung kann anhand der intra- und extrazellulären Ionenkonzentrationen und deren Permeabilitäten das Membranpotenzials einer Zelle berechnet werden
• Zur Erinnerung (vereinfacht dargestellt): würde es nur ein Ion geben, das sich durch einen offenen Ionenkanal passiv durch die Membran bewegen kann, würde das Membranpotenzial dem Gleichgewichtspotenzial dieses Ions entsprechen
• In den menschlichen Zellen gibt es viele Ionen und weitere Faktoren, die das Membranpotenzial beeinflussen
• Bei einem Aktionspotenzial kommt es durch eine Beeinflussung der Kanäle und Transporter vorübergehend zu einer Änderung der Membranpermeabilität, somit der intra- und extrazellulären Ionenkonzentrationen und folgend des Membranpotenzials

Gleichung:

• E_m steht für das Membranpotenzial, R für die Gaskonstante, T für die Temperatur, F für die Faraday-Konstante
• [ion₁], [ion₂], ... sind die intrazellulären Ionenkonzentrationen, während [ion₁]₀, [ion₂]₀, ... die extrazellulären Ionenkonzentrationen sind
• P₁, P₂, ... repräsentieren die Permeabilitäten der Ionen