Neurobiologie / Grundlagen / Bau und Funktion des Neurons / Ruhepotenzial / Natrium-Kalium-Pumpe

Lösung:

Auf der Membraninnenseite haben wir 50 Natrium-Ionen und 400 Kalium-Ionen, das ergibt 450 positiv geladene Ionen, so genannte Kationen.

Ferner haben wir auf der Membraninnenseite 460 organische Anionen und 108 Chlorid-Ionen, zusammen also 568 Anionen (negativ geladene Ionen).

Auf der Membraninnenseite sind die elektrischen Ladungen also keineswegs ausgeglichen, sondern es resultiert eine negative Gesamtladung von 450 - 568 = -118.

Auf der Membranaußenseite erhalten wir 440 + 20 = 460 Kationen und 560 Anionen, also eine Gesamtladung von 460 - 560 = -100.

Schlussfolgerung: Die Innenseite der Membran ist stärker negativ geladen (-118) als die Außenseite (-100). Daher wird die Innenseite als "negativ geladen" bezeichnet und die Außenseite als "positiv geladen". Der Ladungsunterschied ist nicht groß, reicht aber aus, damit man ihn als Ruhepotenzial messen kann.

Persönliche Kritik:

Irgendwie erscheint es mir seltsam, dass sowohl die Innen- wie auch die Außenseite der Membran negativ geladen sein soll. Im Chemieunterricht versuche ich meinen Schülern immer zu vermitteln, dass in einer Lösung die Zahl der Kationen und Anionen identisch sein muss; Kationen bzw. Anionen können allein normalerweise nicht existieren.

Konsequenz:

Recherchieren in anderen Quellen, wie dort die Ionenverteilungen an einer Nervenzelle dargestellt werden.

Im neuen Linder Biologie (Schroedel-Verlag 2010) findet man folgende Angaben:

Innenseite: 400 K+, 50 Na+, 52 Cl- und 385 A-, die Gesamtladung ist damit also +13.

Außenseite: 20 K+, 440 Na+ und 560 Cl-, die Gesamtladung ist dann -100.

Wenn diese Angaben wahr sind, dann ist die Außenseite negativ geladen und die Innenseite positiv, was doch aber nicht sein kann nach allem, was man über das Ruhepotenzial weiß. Handelt es sich hier um einen Druckfehler? Oder haben die Protein-Anionen der Innenseite mehr als je eine negative Ladung?

Im aktuellen Cornelsen-Band hat man die Konzentration der Protein-Anionen erst gar nicht angegeben (Seite 407); mit diesen Zahlen kann man also gar nichts anfangen.

Wenn man in den Schulbüchern nichts Vernünftiges findet, hat man vielleicht bei den Fachbüchern etwas mehr Glück. Versuchen wir es mal mit dem Dudel-Menzel-Schmidt, Neurowissenschaften. Hier finden wir auf Seite 87 folgende Angaben für den Skelettmuskel der Warmblüter:

Innenseite: 155 K+, 12 Na+, 4 Cl- und 155 A-, die Gesamtladung ist damit also +8.

Außenseite: 4 K+, 145 Na+ und 123 Cl-, die Gesamtladung ist dann +26.

Damit wäre die Außenseite positiv gegenüber der Innenseite, was durchaus zu dem passt, was wir über das Ruhepotenzial gelernt haben. Die Calcium-Ionen sind jetzt hier nicht mit berücksichtigt, sie kommen auf der Außenseite mit einer Konzentration von 1,5 mmol/l vor. Da jedes Ca2+-Ion zweifach positiv geladen ist, erhöht sich die Ladung der Außenseite so auf +29.

Fazit:

Die Angaben in den Schul- und Fachbüchern zu den Ionenkonzentrationen sind zwar stets sehr eindrucksvoll und belegen auch, dass sich außerhalb der Zelle viele Natrium- und Chlorid-Ionen befinden, innerhalb der Zelle dagegen viele Kalium-Ionen und viele organische Anionen, aber die Tatsache, dass die Membraninnenseite negativ gegenüber der Außenseite geladen ist, kann aus diesen Zahlen meistens nicht abgeleitet werden.





(C) Ulrich Helmich , Juli 2011





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