Messung der elektrischen Aktivität biologischer Zellen mit - FG ...

Austauschprozesse
Elektrophysiologische Vorgänge an Zellmembranen 7
Aufbau einer Zellmembran
Abb. 1: Aufbau einer Zellmembran. Bei den Proteinen, die die Phospholipiddoppelschicht
ganz durchqueren, kann es sich um Kanalproteine handeln.
[1]
Das Zellvolumen besteht jeweils etwa zur Hälfte aus intrazellulären Organellen
und zur anderen Hälfte aus Cytosol. Die Organellen (z.B. Zellkern, Mitochondrien,
Lysosomen) werden durch Räume gebildet, die durch Membranen umschlossen
sind und spezielle Zellfunktionen ausführen. Das Cytoplasma zwischen den Organellen
wird durch ein Cytoskelett strukturiert. Es stabilisiert die Form der Zelle,
fixiert die Lage der Organellen und ist Grundlage für Formänderungen und Bewegung.
Das Cytosol ist eine wässrige Lösung und füllt das restliche Zellvolumen aus.
In dieser Phase sind die in der folgenden Betrachtung wichtigen anorganischen und
organischen Ionen gelöst.
Die Ionen des Cytosols (intrazellulär) stehen über die Zellmembran im Austausch
mit der wässrigen Lösung (extrazellulär), die die Zelle umgibt. Die Ionenkonzentrationen
befinden sich im Ruhezustand der Zelle in einem dynamischen Gleichgewicht.
Der Ionenaustausch über die Zellmembran kann überwiegend nur durch
passiven Ionentransport über Kanal-Proteine oder durch aktive Transportmechanismen
von Pump-Proteinen erfolgen. Die Ionenkanäle sind nur spezifisch für
bestimmte Ionensorten durchlässig. Die Doppellipidschicht selbst ist für Ionen fast
vollständig undurchlässig. Da die im Cytosol gelösten großen intrazellulären Anionen
die Membran nicht passieren können und für sie keine Kanal-Proteine vorhanden
sind, sind sie ein fester Bestandteil im Zellinneren.
Tab. 1: Intra- und extrazelluläre Ionenkonzentrationen einer Muskelzelle eines
Warmblüters. Es stellt sich ein Ruhepotential von V 0 = -90mV ein. [1]
Intrazellulär Extrazellulär
Na + 12 mmol/l Na + 145 mmol/l
K + 155 mmol/l K + 4 mmol/l
Ca 2+ 10 -8 -10 -7 mmol/l Ca 2+ 2 mmol/l
Cl - 4 mmol/l Cl - 120 mmol/l
HCO 3 - 8 mmol/l HCO 3 - 27 mmol/l
A - 155 mmol/l andere Kationen 5 mmol/l
Die Tabelle (Tab. 1) enthält die typischen Ionenkonzentrationen der intra- und
extrazellulären Phase einer Muskelzelle. In der extrazellulären Lösung ist das häufigste
Kation Na + , die Konzentration im Inneren der Zelle ist mehr als 10mal geringer.
Genau umgekehrt stellt sich im dynamischen Gleichgewicht die Konzentration