Neurobiologie

Das Membranpotential ist die Spannung an einer Zellmembran. Hier erklären wir dir, wie es entsteht und wie du es berechnen kannst!% Du willst das Thema noch schneller verstehen? Kein Problem, wir haben ein kurzes Video für dich vorbereitet.

Inhaltsübersicht

Membranpotential einfach erklärt

Das Membranpotential ist eine elektrische Spannung , die aufgrund von Ladungsunterschieden in zwei voneinander getrennten Räumen entsteht. Daher kannst du sie auch als Transmembranspannung bezeichnen. In dem Fall erfolgt die Trennung durch eine Membran, die nur für bestimmte Ionen (geladene Teilchen) durchlässig ist. Auf beiden Seiten herrscht eine unterschiedliche Konzentration der Ionen in der Lösung.

Du kannst an jeder Zellmembran ein Membranpotential messen. Besonders wichtig ist es aber bei Sinnes-, Muskel- und Nervenzellen . Dort nennst du es Ruhepotential . Nur dadurch ist es den Zellen möglich, Reize in Form von Erregungen weiterzuleiten. 

%<img class="alignnone size-medium wp-image-121425" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/03/WP_Bilder_Ruhepotential_1-300x169.jpg" alt="" width="300" height="169" /> %Beschriftung: Membranpotential, Alt-Text: Membranpotenzial, Ionenkonzentration Zelle, semipermeable Membran, Gleichgewichtspotential %@animation: hier bitte vereinfachen, Ionen unbeschriftet darstellen und über die Membran einen Blitz oder so und mit Membranpotential (Transmembranspannung) beschriften

Membranpotenzial, Ionenkonzentration Zelle, semipermeable Membran, Gleichgewichtspotential
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Membranpotential
Membranpotential Definition

Das Membranpotential beschreibt die Spannung, die sich zwischen Innen- und Außenseite einer semipermeablen Membran bildet. 

Membranpotential Entstehung

Wie genau entsteht nun das Membranpotential?

Zunächst trennt die Membran zwei Flüssigkeitsräume mit unterschiedlicher Konzentration voneinander ab. Du bezeichnest die Membran auch als semipermeable Membran , da sie für verschiedene Ionensorten unterschiedlich durchlässig ist. 

Die Ionen, die hier eine Rolle spielen sind:

  • im Zellinnenraum: große, negativ geladene Anionen (A) und positiv geladene Kaliumionen (K+)
  • außerhalb der Zelle: vor allem positive Natrium– (Na+) und negative Chloridionen (Cl).

%<img class="alignnone size-medium wp-image-121425" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/03/WP_Bilder_Ruhepotential_1-300x169.jpg" alt="" width="300" height="169" /> %Beschriftung: Ionenverteilung Membranpotential, Alt-Text: Membranpotenzial, Ionenkonzentration Zelle, semipermeable Membran, Gleichgewichtspotential, K+ Ionen

Membranpotenzial, Ionenkonzentration Zelle, semipermeable Membran, Gleichgewichtspotential, K+ Ionen
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Membranverteilung Ionenverteilung

Die Membran ist aufgrund von Ionenkanälen am durchlässigsten für Kaliumionen, weniger durchlässig für Chlorid- und am wenigsten durchlässig für Natriumionen. Die großen Anionen können die Membran gar nicht passieren. Das ist die Grundlage für ein Diffusionspotential.

Denn jetzt herrscht für jede Ionensorte ein bestimmter Konzentrationsgradient (chemischer Gradient) vor. Ihre unterschiedliche Konzentration auf beiden Seiten wollen die Ionen jeweils ausgleichen. Daher bewegen sie sich vom Ort höherer zum Ort niedrigerer Konzentration über die Membran hinweg (Diffusion ). Kaliumionen diffundieren entlang ihres Konzentrationsgefälles aus der Zelle heraus. 

Da die Ionen geladen sind, kommt es so zu einer Ladungstrennung. So entsteht ein Potentialgefälle. Das Äußere der Zelle wird durch die K+-Ionen immer positiver geladen, während das Innere negativer wird. Gleiche Ladungen stoßen sich jedoch ab. Das heißt, die zunehmende Ladungstrennung (elektrischer Gradient) wirkt der Diffusion entgegen. Nach einer Weile überwiegt die positive Ladung außen und die Kaliumionen, die raus wollen, werden zurückgestoßen.

So kommt es irgendwann zur Einstellung eines Gleichgewichtspotentials, bei dem chemischer und elektrischer Gradient gleich groß sind. 

%<img class="alignnone size-medium wp-image-121580" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2021/03/WP_Bilder_Ruhepotential_2-1-300x169.jpg" alt="" width="300" height="169" /> %Beschriftung: Gleichgewichtspotential, Alt-Text: Konzentrationsgradient, elektrischer Gradient, Potentialgefälle %@animation: bitte nur chem./elektr. Gradient für K+ Ionen darstellen und gleichsetzen; und außen und innen noch beschriften

Konzentrationsgradient, elektrischer Gradient, Potentialgefälle
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Gleichgewichtspotential

Membranpotential messen

Du kannst die Spannung, die an einer Membran herrscht, auch messen. Und zwar als Potentialdifferenz (Potentialunterschied) zwischen Zellinnerem und -äußerem. Dafür benötigst du zwei Elektroden. Eine Elektrode benutzt du als Referenzelektrode, die sich in der extrazellulären Flüssigkeit befindet. Die Messelektrode muss in das Zellinnere. 

%<img src="https://image.jimcdn.com/app/cms/image/transf/dimension=300x1024:format=jpg/path/s987e9bf513dfaf36/image/i96e1df8b6e9d2859/version/1524745894/image.jpg" alt="Wie entsteht das Ruhepotential? - Bio einfach erklärt" /> %Beschriftung: Membranpotential messen, Alt-Text: Membranpotenzial, Ruhepotential %@animation: anstatt Messelektrode außen Referenzelektrode

Membranpotenzial, Ruhepotential
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Membranpotential messen

So kannst du beispielsweise bei Nervenzellen ein Ruhepotential von ca. -70 mV messen. 

Membranpotential berechnen

Du kannst das Membranpotential nicht nur messen, sondern auch selber berechnen. Dazu gibt es zwei wichtige Formeln, die du kennen solltest: die Nernst-Gleichung und die Goldman-Gleichung.

Nernst-Gleichung

Mithilfe der Nernst-Gleichung kannst du das Gleichgewichtspotential EA (auch Umkehrpotential) einzelner Ionen (A) berechnen. Das Nernst-Potential gilt im Gleichgewicht, wenn elektrisches Potential und chemisches Potential gleich groß sind. Die Formel dazu lautet: 

E_A= - \frac{R*T}{z*F}* ln \frac{c(A_i)}{c(A_a)}

Dabei entspricht:

  • R der allgemeinen Gaskonstante ,
  • T der Temperatur in Kelvin,
  • z der Ladungszahl des entsprechenden Ions,
  • F der Faraday-Konstante
  • und Ai und Aa entsprechen den Konzentrationen des Ions innerhalb und außerhalb der Zelle. 

Für eine Raumtemperatur von 25 °C (298K) kannst du die Gleichung vereinfachen zu: 

E_A= -\frac{1}{z}* 59,1 mV * log \frac{c(A_i)}{c(A_a)}

Schauen wir uns jetzt an, was das für die einzelnen Ionen in der Zelle bedeutet. Dafür musst du einfach die entsprechenden Konzentrationen der Ionen in die Formel einsetzen. Die Werte dafür haben wir dir hier in einer Tabelle aufgelistet. 

Ionenkonzentration Zelle [mmol/l] K+ Na+ Cl A
Innen 155 10 5 155
Außen 5 145 120

 

Gleichgewichtspotential Natrium

Na+-Ionen sind einfach positiv geladen. Daher ergibt sich eine Ladungszahl z von +1. Daraus folgt: E_{Na}= - 59,1 mV * log (\frac{10}{145}) \approx 69 mV

Gleichgewichtspotential Chlorid

Cl-Ionen sind einfach negativ geladen. Mit einer Ladungszahl von -1, ergibt sich also: E_{Cl}= 59,1 mV * log (\frac{5}{120}) \approx - 82 mV

Gleichgewichtspotential Kalium

Hier setzt du für die Ladungszahl z wieder +1 ein. So erhältst du dann: E_K= - 59,1 mV * log (\frac{155}{5}) \approx - 88 mV

Goldman-Gleichung

Wenn du die Nernst-Gleichung zusätzlich um die unterschiedliche Permeabilität (Durchlässigkeit) der Zellmembran für die Ionen erweiterst, erhältst du die Goldman-Gleichung. Mit ihrer Hilfe kannst du das Membranpotential direkt berechnen. 

E_M = \frac{R*T}{F} * ln \frac{P_K*c(K^+)_a + P_{Na}* c(Na^+)_a + P_{Cl} *c(Cl^-)_i}{P_K*c(K^+)_i + P_{Na}* c(Na^+)_i+ P_{Cl} *c(Cl^-)_a}

P entspricht dabei also der jeweiligen Permeabilität der Zellmembran und hat keine Einheit. Du siehst, dass du für die Kationen Na+ und K+ die Außenkonzentration über den Bruchstrich schreiben musst. Für Anionen (Cl) musst du dagegen die Innenkonzentration oben hinschreiben. Dann kannst du das Membranpotential einfach durch Einsetzen berechnen. 

Potentialänderungen als Signale

Vor allem für Nervenzellen ist aber nicht nur ein gleichbleibendes Membranpotential (Ruhemembranpotential) sehr wichtig. Denn unsere Nervenzellen leiten Informationen in Form von sich verändernden Potentialen weiter. Du kannst dabei zwei wichtige Arten unterscheiden: 

  • postsynaptisches Potential (PSP): Eine Spannungsänderung, die in der Zelle hinter der Synapse entsteht und entweder erregend (EPSP)  oder hemmend (IPSP) auf die Zelle wirken kann.
  • Aktionspotential: Eine Spannungsänderung, die am Axonhügel einer Nervenzelle entsteht und dann bis zur Synapse weitergeleitet wird.

Du willst mehr darüber lernen, was ein Aktionspotential ist und wie es entsteht? Dann schau dir direkt unser Video dazu an!

Zum Video: Aktionspotential
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