Membranpotenzials

Membranpotenzial bezeichnet die elektrische Spannungsdifferenz über die Zellmembran. Es entsteht, wenn auf der Innenseite der Membran eine andere Ionenverteilung herrscht als außen und die Membran unterschiedliche Durchlässigkeiten für verschiedene Ionen besitzt. In vielen Nervenzellen und Muskelzellen liegt das Ruhepotenzial typischerweise bei etwa −60 bis −70 Millivolt, meist um −70 mV, wobei das Innere der Zelle relativ negativ geladen ist.

Die wichtigsten beteiligten Ionen sind Kalium (K+), Natrium (Na+), Chlorid (Cl−) und in geringerem Umfang Calcium (Ca2+). Die Na+/K+-ATPase trägt zur Aufrechterhaltung der Ionengradienten bei, indem sie drei Na+ aus der Zelle gegen zwei K+ hinein pumpt. Zusätzlich bestimmen unterschiedliche Leckströme und die Aktivität spezieller Kanäle die Permeabilität der Membran. Da K+-Durchlässigkeit in Ruhe typischerweise hoch ist, trägt sie maßgeblich zum negativen Ruhepotenzial bei.

Für jedes Ion lässt sich sein Gleichgewichtspotenzial mit der Nernst-Gleichung näherungsweise bestimmen. Das Ruhepotenzial ergibt sich aus der Summation der Beiträge der wichtigsten Ionen, formal beschrieben in der Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung, die die relative Permeabilität P_K, P_Na und P_Cl berücksichtigt. Typische Werte: E_K um −90 mV, E_Na um +60 mV, E_Cl um −70 mV, während das Ruhepotenzial meist zwischen −60 und −70 mV liegt.

Bei Reizung können spannungsgesteuerte Na+-Kanäle öffnen, wodurch Na+ einströmt und die Membran depolarisiert. Wird das Schwellenpotenzial überschritten, setzt ein Aktionspotenzial ein: Na+-Einstrom, danach Öffnung von K+-Kanälen und Repolarisierung der Membran. Das Membranpotenzial kehrt zum Ruhewert zurück, oft mit einer kurzen Hyperpolarisation. Aktionspotenziale werden in Nervenzellen entlang des Axons als elektrischer Impuls weitergeleitet.

Das Membranpotenzial ist zentral für die elektrische Kommunikation in Nerv- und Muskelgewebe. Es wird experimentell mit Mikroelektroden und Patch-Clamp-Technik gemessen und bildet die Grundlage für Reizschwellen und Signalleitung.