Zellmembranpotenzialregulation

Zellmembranpotential, auch Membranpotenzial, bezeichnet die elektrische Potenzialdifferenz zwischen der Innen- und der Außenseite einer Zelle über die Plasmamembran. Es entsteht durch ungleiche Verteilung von Ionen, hauptsächlich Kalium, Natrium, Chlorid und intrazelluläre Proteinanionen, sowie durch die selektive Durchlässigkeit der Membran. In ruhenden Zellen liegt das Ruhepotenzial typischerweise im Bereich von etwa −40 bis −90 Millivolt, häufig um −70 mV in Nervenzellen. Das Innere der Zelle ist somit vergleichsweise negativ geladen im Vergleich zum äußeren Milieu.

Der Hauptbeitrag zum Ruhepotenzial stammt von der Differenz der Kaliumleitfähigkeit: Die Membran ist zu großen Teilen durch Kaliumkanäle permeabel, wodurch Kalium aus der Zelle in Richtung seines Konzentrationsgefälles fließt. Natrium- und Chloridkanäle haben im Ruhezustand geringeren Einfluss. Die Na+/K+-ATPase-Pumpe trägt langfristig zur Aufrechterhaltung der Ionengradienten bei, indem sie drei Natriumionen aus der Zelle und zwei Kaliumionen in die Zelle transportiert, und so das Membranpotenzial stabilisiert.

Bei Stimulation kann sich das Membranpotenzial ändern. Spannungsabhängige Natriumkanäle öffnen sich, was zu einer raschen Depolarisation führt und ein Aktionspotenzial auslöst. Danach öffnen sich Kaliumkanäle, wodurch das Potenzial wieder ins Negative kippt (Repolarisation) und oft eine kurze Hyperpolarisation folgt. Diese Informationscodierung von Ruhe- über Aktionspotenziale bis hin zur Refraktärzeit bildet die Grundlage der neuronalen Signale und der Muskelkontraktion.

Messungen erfolgen mit intrazellulären Mikroelektroden oder Patch-Clamp-Technik. Das Konzept des Membranpotenzials dient zudem dem Verständnis von transepithelialen Potenzialen und verschiedenen zelltypischen Signalleitungen.