Membranruhepotential

Gewebeclassification und der Begriff der Polarisation

Alle Gewebe des Körpers werden nach ihrer Reaktion auf Reize in zwei große Gruppen unterteilt:

• Nicht-erregbare Gewebe: Knochen-, Binde- und Epithelgewebe.
• Erregbare Gewebe: Nerven- und Muskelgewebe. Ihre Hauptseigenschaft besteht darin, dass sie bei Einwirkung eines Reizes eine Erregung erzeugen, die sich vom Ausgangspunkt aus ausbreiten kann.

Damit eine Zelle auf einen Stimulus reagieren kann, muss ihre Membran im Ruhezustand polarisiert sein. Dies bedeutet das Vorhandensein einer strengen Ladungsverteilung: Die Innenfläche trägt eine negative Ladung (–) und die Außenfläche eine positive (+).

Ionenasymmetrie und aktiver Transport

Polarisation entsteht nicht von selbst. Ihr Fundament ist die ungleichmäßige Verteilung von Ionen auf beiden Seiten der Zellmembran, die durch das Membranenzym $Na^+, K^+$-ATPase (Natrium-Kalium-Pumpe) aufrecht erhalten wird.

Unter Verwendung der Energie aus der ATP-Spaltung führt diese Pumpe einen aktiven Ionentransport streng gegen deren Konzentrationsgradienten durch:

• Kaliumionen ($K^+$) werden in das Cytoplasma gepumpt. Infolgedessen sind sie im Inneren 20- bis 30-mal häufiger vertreten, wo sie an negativ geladene cytoplasmatische Proteine gebunden werden.
• Natriumionen ($Na^+$) werden nach draußen gepumpt. Ihre Konzentration in der extrazellulären Flüssigkeit wird 10- bis 15-mal höher als die intrazelluläre.

Außerdem wird durch die Arbeit anderer Membranenzyme außen eine hohe Konzentration an Calcium ($Ca^{2+}$) und Magnesium ($Mg^{2+}$) aufrechterhalten — sie ist 20- bis 30-mal höher als im Inneren. Chlorid ($Cl^-$) ist außen 15- bis 25-mal häufiger vorhanden, was zum Ausgleich der dort angesammelten positiven Kationenladung erforderlich ist.

Phasen der Entstehung des Membranpotentials

Bei der Bildung der elektrischen Membranladung spielen die Ionen $Na^+$ und $K^+$ die Hauptrolle. Der Prozess der spontanen Polarisation lässt sich in logische Phasen unterteilen:

1. Natriumblockade. Die außen angesammelten $Na^+$-Ionen streben danach, entlang des Konzentrationsgradienten in die Zelle einzustromen. Im Ruhezustand ist die Membran jedoch für sie absolut undurchlässig, weshalb die hohe Natriumkonzentration im extrazellulären Milieu zuverlässig erhalten bleibt.
2. Kaliumdiffusion. Im Gegensatz zu Natrium ist die Membran für $K^+$-Ionen teilweise durchlässig. Durch Membranproteine, die Leckkanäle bilden, beginnt Kalium passiv entlang seines Konzentrationsgradienten aus der Zelle nach außen zu strömen.
3. Elektrostatische Wechselwirkung. Die ausgetretenen $K^+$-Ionen können sich nicht weit entfernen. Im Zellinneren verbleiben große Anionen von Proteinmolekülen ($A^-$). Diese sind negativ geladen und aufgrund ihrer Größe nicht in der Lage, die Membran zu passieren. Diese Anionen ziehen das positive Kalium elektrostatisch an und halten es an der Außenfläche fest. Letztendlich verlässt weniger als 1 % der Kaliumionen die Zelle.
4. Kaliumgleichgewicht. Es bildet sich ein dynamisches Gleichgewicht zweier Kräfte: Der Konzentrationsgradient treibt $K^+$ nach außen, während die elektrostatische Anziehung es nach innen zieht. So entsteht das Kalium-Gleichgewichtspotential — die Hauptursache der Polarisation.
5. Endgültige Korrektur. Chloridionen ($Cl^-$) redistributieren passiv dem elektrischen Feld folgend. Dabei gibt es geringfügige Leckströme — einen schwachen passiven Einstrom von $Na^+$ und $Cl^-$ in die Zelle. Dieser Prozess verschiebt den endgültigen Wert des Membranpotentials geringfügig vom reinen Kaliumwert weg und macht ihn etwas weniger negativ.

Registrierung des Ruhepotentials

Zur Messung des Membranpotentials wird die Methode der Glasmikroelektroden verwendet. Dies sind feinste Mikropipetten, die mit Elektrolyt gefüllt sind und deren Spitze so klein ist, dass sie direkt in die Zelle eingeführt werden kann, ohne deren Membran zu zerstören.

Das Messgerät registriert die elektrische Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten:

• Der Mikroelektrode im Cytoplasma (wo die Ladung negativ ist).
• Der Makroelektrode an der äußeren Zelloberfläche (wo die Ladung positiv ist).

In der Physiologie ist es üblich, die Analyse aller Veränderungen des Membranpotentials genau auf die Innenfläche zu beziehen. Der Potentialwert in verschiedenen Geweben ist unterschiedlich und schwankt zwischen −50 und −100 mV. Diese Differenz erklärt sich durch zwei Faktoren: die unterschiedliche Aktivität zellulärer ATPasen und die ungleiche Anzahl von Poren für den $K^+$-Ionenleckstrom in verschiedenen Typen erregbarer Gewebe.

Kurz gefasst: Antworten auf Fragen zum Thema

Fragen aus Vorlesungen und Prüfungen

Was es zum Thema noch zu wiederholen gibt

• Kriterien für die Klassifizierung von Geweben in erregbare und nicht-erregbare
• Molekularer Mechanismus der $Na^+, K^+$-ATPase
• Physik des Kalium-Gleichgewichtspotentials und die Bilanz zweier Kräfte
• Die Rolle der Natrium- und Chlorid-Leckströme bei der Verschiebung des Potentialwerts
• Technik des Arbeitens mit Glasmikroelektroden

Weitere Themen des Kapitels „Allgemeine Eigenschaften, Membranpotenziale, Reizungsgesetze, Erregbarkeit und Hemmung“

Das Material wurde von Dozenten von WhiteCoat Pro nach dem Lehrplan medizinischer Hochschulen erstellt. Es hat Bildungscharakter.