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Elektrische Vorgänge an Zellen

  •  IMPP-Relevanz
  • Lesezeit: 15 min
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Steckbrief

Elektrische Vorgänge an Zellmembranen können dann stattfinden, wenn die Konzentration von Ladungen und Ionen innerhalb und außerhalb der Zellmembran unterschiedlich ist. Diese Ungleichverteilung ist an praktisch allen Membranen vorhanden und kommt dadurch zustande, dass die Membran selektiv permeabel für die einzelnen Ionen ist. Außerdem transportiert die Na+/K+-Pumpe ständig aktiv Na+ aus der Zelle hinaus und K+ in die Zelle hinein.

Für jedes Ion X stellt sich dabei ein elektrochemisches Gleichgewicht ein, bei dessen Erreichen kein Nettofluss des Ions durch die Membran mehr stattfindet. Dann sind die elektrische und die chemische Kraft, die das Ion durch die Membran treiben, gleich groß und entgegengesetzt. Bei welcher elektrischen Spannung (= Potenzial) über die Membran dieses elektrochemische Gleichgewicht erreicht wird, kann man mit der Nernst-Gleichung berechnen.

Aus den Gleichgewichtspotenzialen aller Ionen an einer Zellmembran entsteht das Membranpotenzial. Es ergibt sich aus der Summe aller Gleichgewichtspotenziale der an der Zellmembran vorhandenen Ionen unter Berücksichtigung der Ionenpermeabilitäten.

Das Potenzial an der Membran einer nicht erregten Zelle nennt man Ruhepotenzial. Es liegt bei den meisten Zellen bei etwa –60 bis –80 mV.

Ändert sich die Leitfähigkeit der Membran für ein bestimmtes Ion oder kommt es zu einer Konzentrationsänderung eines Ions, kann das verschiedene Auswirkungen auf das Membranpotenzial haben:

  • Depolarisation: Das Membranpotenzial wird weniger negativ als das Ruhepotenzial.

  • Hyperpolarisation: Das Membranpotenzial wird stärker negativ als das Ruhepotenzial.

  • Aktionspotenzial: Die Membran wird sehr stark depolarisiert. Das Membranpotenzial wird dabei kurzzeitig sogar positiv.

Image description
Ionenverteilung im Intra- und Extrazellularraum und Triebkräfte, die auf die einzelnen Ionen wirken

Zellmembranen sind für die verschiedenen Ionen unterschiedlich permeabel. Na+- und K+-Ionen können die Membran durch Kanäle passieren und wandern entsprechend ihrer Konzentrationsgradienten und des elektrischen Gradienten. Prot–, Proteine und andere große Anionen.

(Quelle: Huppelsberg, Walter, Kurzlehrbuch Physiologie, Thieme, 2013)
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    Elektrochemisches Gleichgewicht und Gleichgewichtspotenzial

    Grundlage für elektrische Vorgänge an Zellen sind Bewegungen von Ionen, die direkt an den Membranen stattfinden. Zustande kommen diese Bewegungen dadurch, dass für die verschiedenen Ionen zwischen Intra- und Extrazellularraum jeweils ein Konzentrationsgradient besteht und dass die Membran für die verschiedenen Ionen unterschiedlich permeabel ist.

    Durchschnittliche Ionenkonzentrationen
    extrazellulär (mmol/l)intrazellulär (mmol/l)Konzentrationsverhältnis

    Na+

    145

    12

    12 : 1

    K+

    5

    155

    1 : 30

    Ca2+

    2

    0,0001–0,00001 (bis 10–8 M)

    2 · 104 – 2 · 105 : 1

    Mg2+

    1

    10

    1 : 10

    Cl–

    120

    4

    30 : 1

    HCO3–

    27

    8

    3,5 : 1

    „große” Anionen*

    –

    155

    –

    * Anionen sind negativ geladen, Kationen positiv.

    Aus der Tabelle geht hervor, dass Ca2+-Ionen in der Zelle nur in extrem geringer Konzentration vorliegen. Diese niedrige intrazelluläre Ca-Konzentration ist die Voraussetzung dafür, dass Ca-Ionen als genutzt werden können.

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      zuletzt bearbeitet: 21.03.2023
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