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.
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–).
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.
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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.
So kannst du beispielsweise bei Nervenzellen ein Ruhepotential von ca. -70 mV messen.
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:
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:
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: 
Gleichgewichtspotential Chlorid
Cl–-Ionen sind einfach negativ geladen. Mit einer Ladungszahl von -1, ergibt sich also: 
Gleichgewichtspotential Kalium
Hier setzt du für die Ladungszahl z wieder +1 ein. So erhältst du dann: 
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.
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.
Membranpotential — häufigste Fragen
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Membranpotential — häufigste Fragen
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Was ist das Ruhemembranpotential?Das Ruhemembranpotential ist die elektrische Spannung zwischen Zellinnerem und Zelläußerem, wenn eine Zelle nicht erregt ist. Man misst dabei eine Potentialdifferenz über der Zellmembran, weil innen und außen unterschiedliche Ladungsverteilungen vorliegen. Typisch ist, dass das Zellinnere gegenüber außen negativ ist.
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Wie entsteht das Ruhepotential?Das Ruhepotential entsteht, indem Ionen entlang ihres Konzentrationsgefälles durch die Zellmembran wandern, aber nicht alle Ionen gleich gut durchkommen. Vor allem Kaliumionen (K+) diffundieren nach außen, wodurch innen negative Ladung zurückbleibt. Dadurch baut sich ein elektrischer Gegeneffekt auf, der die weitere Diffusion bremst, bis sich ein stabiler Zustand einstellt.
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Warum ist das Ruhepotential negativ?Das Ruhepotential ist negativ, weil insgesamt mehr positive Ladung die Zelle verlässt als in sie hineingelangt. Besonders Kaliumionen (K+) können durch die Membran leichter nach außen diffundieren, während große negative Teilchen innen bleiben. Dadurch wird das Zellinnere im Vergleich zum Außenraum negativer, bis die elektrische Gegenkraft den Nettofluss weitgehend ausgleicht.
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Sind Ruhepotential und Gleichgewichtspotential das Gleiche?Ruhepotential und Gleichgewichtspotential sind nicht das Gleiche. Das Gleichgewichtspotential ist die Spannung, bei der für ein einzelnes Ion chemischer Antrieb und elektrische Gegenkraft gleich groß sind. Das Ruhepotential ist die tatsächlich gemessene Membranspannung in Ruhe und ergibt sich aus mehreren Ionen zusammen, je nachdem, wie gut sie durch die Membran kommen.
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!
