Physikalische Grundlagen des menschlichen Herz-Kreislaufsystems

5. Elektrische Phänomene der
Muskelzelle
Die Herzmuskelfasern teilen sich funktionell in zwei Bereiche: 1. Arbeitsmuskulatur
der Vorhöfe und der Kammern, welche die Hauptmasse des Herzens ausmachen und
die mechanische Pumparbeit verrichten. 2. Erregungsbildung und Leitungssystem,
die besondere Dienste der Herzerregung erfüllen.
Zum prinzipiellen Verständnis der elektrochemischen Prozesse, die letztlich für die
Muskelkontraktion verantwortlich sind, werden vorerst die Vorgänge an einer einzelnen
Skelettmuskelfaser betrachtet. Obwohl einige Unterschiede zur Herzmuskulatur
bestehen (s. Pkt.5.2), ist diese Vorgangsweise auch didaktisch zu rechtfertigen,
da die Kontraktion der Skelettmuskulatur (Gehen, Laufen, Greifen,...) eher an die
Erlebnisbereiche der Schüler anknüpft (s. Experimente in den Arbeitsvorlagen)
5.1 Spannungsverlauf an Skelettmuskelzellen
Im Ruhezustand besitzt eine Skelettmuskelzelle eine Potentialdifferenz von -90 mV
zwischen dem Zellinneren und Zelläußeren. Diese Spannung entsteht durch den
Aufbau eines Konzentrationsgefälles zwischen Kalium- und Natriumionen im Inneren
und Äußeren der Zelle. Da nur die Potentialdifferenz interessiert, kann willkürlich
das Zelläußere mit 0 mV festgelegt werden (Abb. 5,1 links). Dieser stabile Spannungszustand
wird als Ruhepotential bezeichnet.
Wirkt jedoch ein mechanischer, chemischer oder elektrischer Reiz auf die Zelle ein,
kommt es zu einer Potentialänderung. Diese ist in der Hauptsache durch eine Permeabilitätsänderung
der Zellmembran für Kationen und Anionen zu erklären. Die
Potentialumkehr (Abb. 5,1 rechts) wird als Depolarisation bezeichnet, die Potentialdifferenz
beträgt nun +30 mV. Dieser Zustand ist allerdings nicht stabil und es
erfolgt nach kurzer Zeit die Repolarisation, d.h. das Ruhepotential wird wieder aufgebaut.
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