Diffusionspotential und Membranpotential - Informatives

Komplexe Vorgänge in Zelle und Membran

• Eine Nervenzelle ist nach außen hin abgegrenzt durch die Zellwand, auch Membran genannt. Diese Membran ist für einige Informationsträger (Ionen) durchlässig, für andere jedoch nicht. In diesem Zusammenhang haben Sie vielleicht schon einmal den Begriff der selektiven Permeabilität gehört. Dieser beschreibt eine bedingte Durchlässigkeit.
• Zwischen dem Inneren und dem Äußeren einer Zelle besteht eine asymmetrische Verteilung von Natrium- und Kalium-Ionen, welche stets aufrechterhalten wird. Dies geschieht durch einen ständigen Austausch der verschiedenen Ionen, durch die sogenannte Natrium-Kalium-Pumpe. Dabei werden Natrium-Ionen nach außen und Kalium-Ionen nach innen transportiert.
• Ist die Verteilung der Ionen innerhalb und außerhalb der Nervenzelle ausgeglichen, befindet sich diese im Ruhepotenzial. Das beschreibt die Spannung an einer nicht erregten Nervenzelle. Die Ladung ist dann außen positiv und innen negativ.
• Bei einer Erregung der Zelle, wenn Sie einen Reiz, beispielsweise einen Schmerz erfahren, kommt es kurzzeitig zu einem Verlassen des Ruhepotentials. Ist die Zelle jedoch nicht mehr erregt, wird also die Schmerzsituation beendet, pendelt sich das Membranpotential erneut auf ein Ruhepotential von etwa -70 mV ein.  Der Grundzustand der Zelle ist wieder erreicht. Sie ist nun bereitet, neue Informationen aufzunehmen.

Das Membranpotential und seine Eigenschaften

• Je nachdem, ob die Zelle erregt ist oder sich in einem Ruhezustand befindet, ändert sich auch das Membranpotential. Für Sie unbedeutende Reize, wie das Wahrnehmen verschiedener Stimuli, kann für einzelne Zellen in Ihrem Körper eine große Aufgabe bedeuten.
• Das Membranpotential ist das Ergebnis der Membranpolarisation. Diese wiederum ist anhängig von der asymmetrischen Verteilung der Ionen, innerhalb und außerhalb der Zelle.
• Je nachdem, für welche Ionen die Membran durchlässig (permeabel) ist und je nach Transport dieser einzelnen Ionen, ist das Membranpotential unterschiedlich.
• Von einem negativen Membranpotential können Sie dann ausgehen, wenn innerhalb der Zelle ein sehr niedriger Gehalt an Natriumionen besteht, sowie die Tatsache, dass außerhalb der Zelle ein hoher Natriumgehalt vorzufinden ist.
• Dieses negative Membranpotential wird durch den eigenständigen Prozess der Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten. Sie erschafft ein asymmetrisches Verhältnis der unterschiedlichen Ionen.

Das Diffusionspotential von Ionen

Der Begriff Diffusionspotential wird Ihnen im Alltag vielleicht eher seltener begegnen. Für Ihren Körper jedoch beschreibt er einen Zustand von allgegenwärtiger Bedeutung.

• Diffusionspotential bezeichnet die elektrische Spannung zwischen zwei Substanzen, bei einer galvanischen Zelle, auch Flüssigkeitspotential genannt. Unter einer galvanischen Zelle kann man sich eine Zelle vorstellen, in welcher chemische in elektrische Energie umgewandelt wird.
• Flüssigkeiten enthalten Teilchen (Ionen) mit unterschiedlichen Ladungen. An dem Punkt, wo die Substanzen aufeinander treffen, geschieht eine Vermischung der Ionen. Ionen mit positiver bzw. negativer Ladung (auch: Anion und Kation) vermischen sich je nach hoher oder niedriger Konzentration der Flüssigkeit. Das Diffusionspotenzial entsteht durch eine Ladungstrennung der Ionen an den Phasengrenzen zweier unterschiedlicher Substanzen.
• Es besteht ein Zusammenhang des Diffusionspotentials mit der Beweglichkeit der Ionen, wobei eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit der Anionen und Kationen zu einem hohen Diffusionspotential führt.
• Bei gleich großen Leitfähigkeiten der Ionen verschwindet das Diffusionspotenzial.
• Ist die Geschwindigkeit zwischen Anion und Kation sehr unterschiedlich, können Sie in dem Fall mit einem hohen Diffusionspotential rechnen.

Um das Diffusionspotenzial anhand eines Versuchs zu erläutern, stellen Sie sich folgende Situation vor: In einem u-förmigen Rohr befinden sich zwei Flüssigkeiten. Ein Diaphragma in der Mitte des Rohrs verhindert eine vollständige Vermischung der Flüssigkeiten, nur einzelne Ionen können von der einen in die andere Flüssigkeit strömen. Automatisch werden nun Ionen von der höher konzentrierten Substanz zur niedriger konzentrierten Substanz wandern. Je nach Ladung der Teilchen und nach vorliegender Konzentration geschieht dies schneller oder langsamer. Eine elektrische Spannung ist entstanden und kann nun als das Diffusionspotenzial gemessen werden.