Physiologie des Menschen
RUHEMEMBRANPOTENTIAL
Unter dem Ruhemembranpotential versteht man die elektrische, ionenbedingte Potentialdiffernz zwischen innerhalb der Zelle und außerhalb. Dieses sog. Ruhemembranpotential beträgt bei Muskel- und Nervenzellen je nach Zelltyp 50 - 100 mV ( Zellinneres neg.) Die Ursache des Ruhemembranpotentials ist ein ungleiche Ionenverteilung zwischen der intrazellulären Flüssigkeit ( IZF). und der extrazellulären Flüssigkeit ( EZF), wobei Unterschiede in der Leitfägikeit der Ionen maßgeblich beteiligt sind. Folgende Phänomene tragen zum Ruhemembranpotential bei:
- Durch aktiven Transport wird laufend Natrium aus der Zelle und Kalium in die Zelle gepumpt, so daß im Zellinneren die („effektive“) Kalium Konzentration nun 35mal höher, die Natrium Konzentration doch ca. 20mal niedriger als außen ist. Die sog. Natrium-Kalium-ATPase wirkt dabei als Pumpe.
- Unter Ruhebedingungen ist die Zellmembran für Natrium Ionen nur wenig durchlässig (d.h. die Natriumkeitfähigkeit ist klein), so daß der Natrium Konzentrationsunterschied durch passive Rückdiffusion nicht gleich wieder aufgehoben werden kann.
- Für die negativ geladenen Proteine und organischen Phosphate ist die Zellmembran außerordentlich wenig permeabel.
- Die Membran der ruhenden Zelle ist für Kalium relativ gut durchlässig. ( d.h. die Leitfähigkeit für Kalium ist groß) Wegen des hohen Konzentrationsunterschiedes (Punkt 1) diffundieren daher Kalium Ionen vom Intrazellulärraum zum Extrazellulärraum. Schon die Diffusion weniger Kalium Ionen führt wegen der positiven Ladung des Kalium zu einer Ladungsverzerrung (Diffusionspotential) an der Membran, da der überwiegende Teil der intrazellulären Anionen nicht folgen und auch nur eine wenig wirksame Diffusion von Natrium stattfinden kann. Dieses Diffusionspotential steigt so lange bis der weitere Kalium Ausstrom durch das steigende Potential verhindert wird. Da die Zellmembran auch für Chlorid relativ gut permeabel ist treibt das steigende Potential das Chlorid entgegen seinem chemischen Gradienten aus der Zelle hinaus. Der Diffusion von Kalium (chemischer Gradient) wird zunehmend das entstehende Potential, der Diffusion von Chlorid (Potential getrieben) zunehmend sein eigener chemischer Gradient entgegen.
- Schließlich stellt sich ein Gleichgewichtzustand für Kalium und Chlorid ein. Beim Kalium ist die treibende Kraft der Auswärtsdiffusion (chem. Gradient) gleich groß wie die zurücktreibende Kraft (elektrischer Gradient). Der elektrochemische Gradient für Kalium ist also Null. Gleiches gilt für Chlorid. Das Gleichgewichtspotential kann mit der Nerntschen Regel berechnet werden.
Nerntsche Regel: E = R * T oder E= -61
F * Zx * ln ([ Xa] / [Xi] ) Zx * log ( [Xi] / [Xa] ) mV
Zx = Die Ladungszahl des Ion X = (die effektive) Konzentration
Das Membranpotential kann mit der Goldmann Gleichung berechnet werden:
Emembr. = R * T P (K)a + P (Na)a + P (Cl)i
F * ln P (K)i + P (Na)i + P (Cl)a
P = Die Leichtigkeit der Permiabilität für des jeweiligen Ion: P = m * R * T
d * F
m = Membranbeweg.
d = Membrandicke
Wegen der relativ hohen Durchlässigkeit der Zellmembran für Chlorid ( in NZ weniger als für Kalium, in Muskelzellen mehr als für Kalium) wird sich Chlorid so verteilen, daß das Chlorid GGPotential Ecl gleich dem Ruhemembranpotential ist. (ist dies nicht der Fall, so lässt das auf einen (meist sekundär) aktiven Transport hin. Das Ruhemembranpotential ist in der Regel etwas weniger negativ als das GGPotential für Kalium, da trotz der geringen Permiabilität für Natrium in Ruhe, doch laufend Natrium Ionen ins Zellinnere gelangen.
Das Ruhemmebranpotential stellt den Grundzustand jeder lebenden Zelle dar. Eine Änderung des Potentials ist für viele Zellen nicht notwendig. Für spezialisierte Zellen, wie die Nervenzellen, die Muskelzellen oder die sensorischen Zellen von Sinnesorganen ist das Ruhemmembranpotential der Ausgangszustand für die Erregbarkeit und somit auch notwendig um eine Inforamtionsweiterleitung im Organsmus zu gewähren.
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