Elektromagnetische Felder am Arbeitsplatz - Bundesministerium für ...

Abbildung 3.2: Schematischer Aufbau einer Zellmembran
(Adaptiert aus [110])
Abbildung 3.2 zeigt den schematischen Aufbau einer Zellmembran und ihrer Grundbestandteile.
Ein zentraler Bestandteil ist die Phospholipid-Doppelschicht, die eine unkontrollierte Diffusion
und damit einen Zutritt in die oder Austritt von Molekülen und Ionen aus der Zelle verhindert.
Kanalproteine bilden kontrollierte Zugänge für in die Zelle eindringende oder diese verlassende
Stoffe. Bei Neuronen sind zwei Ionen-Pfade durch die Membran von besonderem Interesse:
• aktive Ionenpumpen bauen einen Ionenkonzentrationsgradienten zwischen dem Inneren des
Neurons, dem Cytoplasma, und der Außenseite des Neurons, dem Extrazellularraum, auf und
erhalten diesen aufrecht
• spannungsgesteuerte Ionenkanäle nutzen diesen Konzentrationsunterschied, um Ionen entlang
ihrer Konzentrationsgradienten selektiv zu transportieren.
Unmittelbar mit diesen Ionenkonzentrationsunterschieden zwischen dem Cytoplasma und dem Extrazellularraum,
also der Innenseite (als ’ i‘ indexiert) und der Außenseite (als ’ e‘ indexiert) des
Neurons, verbunden ist das Vorhandensein einer Potentialdifferenz UM = Φi −Φe oder eines elektrischen
Feldes EM über der Zellmembran. Jeder Ionentransport – und damit jeder Ladungstransport–
durch die Membran mithilfe von Pumpen oder Kanälen verändert die Differenz der elektrischen
Potentiale und des elektrischen Feldes zwischen beiden Membranseiten.
Die Konzentration von Kaliumionen (K + ) im Neuron liegt etwa 20 mal höher als deren äußere
Konzentration, während die Konzentration der Natriumionen (Na + ) auf der Außenseite etwa um
das Neunfache höher ist als im Inneren des Neurons. Ebenso findet man zwischen beiden Seiten
der Zellmembran eines Neurons auch bei Calcium (Ca ++ ), Chlorid (Cl − ) und Magnesium (Mg ++ )
Ionengradienten [47].
Die Gleichgewichtsspannung über der Membran – das Ruhepotential Ur –, bei der der Nettofluss
aller Ionen durch die Membran null beträgt, kann mithilfe der Goldman-Gleichung [37] berechnet
werden und ergibt eine typische elektrische Potentialdifferenz von Ur ≈ −70 . . . 80 mV über der
Membran. Membranpotentiale werden immer relativ zur Außenseite der Zelle gemessen. Dieses
Membranpotential ruft seinerseits ein starkes gerichtetes elektrisches Feld EM über der Membran
hervor.
Abbildung 3.3 zeigt die unterschiedlichen Phasen eines idealisierten Aktionspotentials, das einen
ausgewählten Punkt auf der Zellmembran eines Axons passiert. Sobald das Transmembran-
Potential durch einen Reiz auf stärker positive Werte steigt, beginnen sich die spannungsgesteuerten
Natrium- und Kaliumkanäle zu öffnen und führen zu einer Erhöhung des nach innen verlaufenden
Natriumionenstroms, was eine weitere Depolarisation auslöst, sowie des nach außen
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