Jede Körperzelle benötigt zur Aufrechterhaltung aller Zellabläufe und zur Durchführung ihrer spezifischen Aufgaben große Mengen chemisch gebundener Energie. Diese erhält sie in Form von Nährstoffen aus unserer Nahrung. Die Nährstoffe werden gemeinsam mit Sauerstoff aus der Atmung in den Mitochondrien, den Kraftwerken unserer Zellen, in ATP umgewandelt, das die chemische Energie bündelt und speichert.
Neben der chemisch gebundenen Energie benötigt die Zelle jedoch auch elektrische Energie. Jede unserer Körperzellen ist daher aufgebaut wie eine kleine Batterie oder – noch präziser – wie ein Mini-Akku: Im Inneren ist die Zelle negativ geladen, außen dagegen positiv und immer wieder aufladbar.
Das Membranpotential versorgt die Zelle mit elektrischer Energie
Der Unterschied der elektrischen Ladung über die Zellmembran (Zellhülle) heißt „Membranpotential“ und versorgt die Zelle mit elektrischer Energie. Das Membranpotential wird durch die Konzentrationen der verschiedenen Ionen, vor allem Kalium (K+) und Natrium (Na+), innerhalb und außerhalb der Zelle sowie deren Bewegungen über die Zellmembran hergestellt. Hierfür sind vor allem die Aktivitäten verschiedener Membrantransporter verantwortlich.
Das Ruhemembranpotential liegt je nach Zelltyp zwischen -50 und -100 mV in der Zelle. Dies hört sich zunächst nach wenig an, doch bei Beachtung der Größenverhältnisse wird die immense Bedeutung des Membranpotentials klar: Die elektrische Spannung an der Zellmembran beträgt etwa 14 Millionen Volt pro Meter (14 kV/mm)! Dies entspricht der vierfachen Durchschlagskraft der Luft.
In nicht-erregbaren Zellen, beispielsweise Epithelzellen oder Fettgewebszellen, ändert sich das Membranpotential kaum. In erregbaren Zellen, wie Nervenzellen, Muskelzellen und einigen endokrinen Zellen, ändert sich das Membranpotential nach Stimulation der Zelle deutlich für einen kurzen Zeitraum (Millisekunden) hin zum Aktionspotential. Die Rückkehr zum Ruhemembranpotential nennt man „Repolarisation“. In viele Nervenzellen folgt auf das Aktionspotential eine kurze Hyperpolarisierung, während der die Zelle nicht erregbar ist.
Die Abweichungen vom Ruhemembranpotential in erregbaren Zellen sind für physiologische Funktionen dieser Zellen extrem wichtig. Die bioelektrischen Veränderungen an der Zelle werden in biochemische Veränderungen übersetzt. So lenken die Änderungen des Membranpotentials Prozesse wie …
