Einstieg (0:00)
Du liegst auf dem Sofa und tust nichts. Dein Gehirn macht trotzdem Überstunden. Es wiegt nur etwa zwei Prozent deines Körpers, verbraucht in Ruhe aber rund ein Fünftel deiner Energie. Ein großer Teil davon geht an winzige Pumpen, die in Milliarden Nervenzellen die Ionen sortieren. Nur so bleiben die Zellen geladen. Wie ein gespannter Bogen, bereit zum Schuss.
Warum ist eine Nervenzelle geladen, wenn sie gar nichts tut? Genau das klären wir in knapp zwölf Minuten. Zwei Prozent Gewicht, ein Fünftel der Energie. Wäre dein Gehirn ein Mitbewohner, wäre es der, der ein Fünftel vom Kühlschrank leer isst. Und dabei nur rumliegt.
Unser Weg hat vier Schritte. Erstens: was innen und außen an der Membran los ist. Zweitens: wie die Spannung entsteht. Drittens: ein Gedankenexperiment ohne Pumpe. Viertens: zwei Prüfungsaufgaben fürs Abi.
Zwei Seiten einer Membran (0:59)
Fangen wir bei einer einzigen Nervenzelle an, genauer bei ihrem Axon, dem langen Fortsatz. Seine Membran ist eine hauchdünne Schicht aus Fettmolekülen, eine Lipid-Doppelschicht. Innen liegt die Flüssigkeit der Zelle, das Zellplasma. Außen die Flüssigkeit, die alle Zellen umspült, die Gewebsflüssigkeit. Zwei Seiten, und dazwischen nur eine dünne Grenze.
Auf beiden Seiten schwimmen winzige Teilchen, die elektrisch geladen sind. Manche tragen eine positive Ladung, manche eine negative. Solche geladenen Teilchen heißen Ionen. Ein Beispiel kennst du aus der Küche: Löst man Kochsalz in Wasser, schwimmen darin Natrium-Ionen und Chlorid-Ionen. Die negativen Ionen nennt man Anionen. Für uns zählen vor allem zwei positive: Kalium und Natrium.
Und jetzt das Entscheidende: Die Ionen sind ungleich verteilt. Innen gibt es viel Kalium, ungefähr dreißigmal so viel wie außen. Dazu große, negativ geladene Teilchen, vor allem Eiweißmoleküle: die organischen Anionen. Außen ist es umgekehrt: viel Natrium, etwa zehnmal so viel wie innen, und dazu Chlorid. Merksatz: Innen viel Kalium und große Anionen, außen viel Natrium und Chlorid.
Diese ungleiche Verteilung hat eine messbare Folge: eine elektrische Spannung. Wie misst man die? Mit zwei Elektroden. Eine liegt außen in der Flüssigkeit, die Referenzelektrode. Die andere ist ein Glasröhrchen mit einer Spitze, viel dünner als ein Haar: die Mikroelektrode. Solange beide außen sind, zeigt das Messgerät null. Dann sticht die Mikroelektrode durch die Membran.
Der Wert springt auf etwa minus siebzig Millivolt. Innen ist die Zelle negativ gegenüber außen. Diese Spannung einer Nervenzelle in Ruhe heißt Ruhepotential. Merksatz: Das Ruhepotential liegt bei etwa minus siebzig Millivolt, innen negativ. Funfact: An einer Nervenzelle von innen gemessen haben das zuerst Hodgkin und Huxley, neunzehnhundertneununddreißig, am Riesenaxon des Kalmars. Fast gleichzeitig schafften es Curtis und Cole in Amerika. Das Axon ist bis etwa einen Millimeter dick, da passt eine Elektrode hinein. Kalmare sind übrigens entfernte Verwandte von mir. Auf Familienfeiern ist das Thema Elektroden bis heute heikel. Aber woher kommt das Minus?
Wie die Spannung entsteht (3:29)
Um das Minus zu finden, bleiben wir genau an der Grenze. Wie an einem Grenzfluss gibt es dort nur wenige offene Tore: Ionenkanäle. In Ruhe sind vor allem die für Kalium offen. Sie heißen Kalium-Leckkanäle, weil sie ständig ein wenig durchlassen. Natrium kommt kaum durch, die großen Anionen gar nicht. Die Membran lässt also nur bestimmte Ionen durch. Das heißt selektive Permeabilität. Merksatz: In Ruhe ist die Membran vor allem für Kalium durchlässig.
Und was macht Kalium mit so einem offenen Tor? Innen ist viel mehr Kalium als außen. Also treffen innen viel öfter Kalium-Ionen auf ein Tor, und mehr wandern hinaus als herein. Das ist Diffusion, angetrieben vom Konzentrationsgefälle. Die organischen Anionen würden gern mit, aber sie passen nicht durch. Wie ein Sofa im Treppenhaus. Da hilft auch kein Drehen.
Kalium geht also hinaus, die Anionen bleiben drin. Und genau das hat eine Folge. Jedes Kalium-Ion, das hinausgeht, nimmt eine positive Ladung mit. Zurück bleiben die Anionen mit ihrer negativen Ladung. Innen an der Membran sammelt sich ein feiner Saum aus Minus, außen einer aus Plus. Das nennt man Ladungstrennung. Diese Ladungstrennung erzeugt die Spannung, die wir gemessen haben. Merksatz: Wo Kalium geht, bleibt Minus zurück.
Aber warum läuft dann nicht einfach alles Kalium hinaus? Weil das Minus innen zurückzieht. Plus und Minus ziehen sich an. Jetzt wirkt eine zweite Kraft: das Ladungsgefälle. Das Konzentrationsgefälle drückt Kalium hinaus, das Ladungsgefälle zieht es wieder herein. Und mit jedem Kalium-Ion, das geht, zieht das Minus ein bisschen stärker.
Irgendwann halten sich beide Kräfte fast die Waage. Genau dann rastet der Zeiger ein, bei rund minus siebzig Millivolt. Still ist es dabei aber nicht. Kalium wandert weiter durch die Tore, hinaus und herein. Wie an der Tür eines vollen Clubs: Ständig gehen Leute raus und rein, aber drinnen bleibt es ungefähr gleich voll. Unterm Strich bleibt die Spannung gleich: ein dynamisches Gleichgewicht. Merksatz: Kalium strömt hinaus, bis die Ladung es fast ganz zurückhält. Dieses dynamische Gleichgewicht ist das Ruhepotential.
Moment. Wie viele Kalium-Ionen mussten dafür eigentlich hinaus? Oh. Kaum welche. Nur etwa eines von vielen Tausend.
Ich hatte mit einer Völkerwanderung gerechnet. Das hier ist ein Spaziergang zu zweit. Die Konzentrationen innen und außen ändern sich dabei praktisch nicht.
Und nicht nur Kalium geht spazieren. Warum halten sich die Kräfte nur fast die Waage? Weil die Grenze auch für Natrium nicht ganz dicht ist. Kalium allein würde den Zeiger sogar bis etwa minus neunzig Millivolt ziehen. Das wäre sein Gleichgewichtspotential. Aber ein paar Natrium-Ionen sickern ständig herein, gezogen vom Minus und getrieben von ihrem eigenen Gefälle. Jedes bringt etwas Plus mit. Stell dir ein Tauziehen am Zeiger vor: Kalium zieht Richtung minus neunzig, das bisschen Natrium zieht ein Stück zurück. Darum sind es nur rund minus siebzig. Und darum strömt bei minus siebzig unterm Strich immer noch ein wenig Kalium hinaus. Kurz gesagt: Ein kleiner Natrium-Leckstrom macht das Innere etwas weniger negativ.
Nur: Wenn ständig Natrium hereinsickert und Kalium hinausläuft, wären die Gefälle irgendwann aufgebraucht. Wer räumt da auf? Die Natrium-Kalium-Pumpe. Sie sitzt in der Membran und arbeitet im Takt: drei Natrium hinaus, zwei Kalium herein. Für jeden Takt verbraucht sie ein Molekül ATP, also Energie. Hierhin geht ein großer Teil der Energie deines Gehirns. Die Pumpe hält die Ionenverteilung aufrecht. Genauer ist das Ruhepotential also ein Fließgleichgewicht: Was durch die Tore entwischt, bringt die Pumpe zurück.
Einmal zusammen. Die Ionen sind ungleich verteilt. Kalium strömt hinaus. Die Ladung hält es fast ganz zurück. Und die Pumpe hält das Ganze am Laufen. Bleibt eine Frage: Macht die Pumpe die Spannung etwa selbst?
Was wäre, wenn die Pumpe ausfällt? (7:48)
Das finden wir heraus, indem wir sie abschalten. Die Zelle bekommt kein ATP mehr, alle Pumpen stehen still. Streik bei den Pumpen. Ihre Forderung: mehr ATP. Was glaubst du: Bricht das Ruhepotential jetzt sofort zusammen?
Erstaunlicherweise nicht. Im ersten Moment wird die Spannung nur um ein paar Millivolt schwächer. Das ist der kleine direkte Anteil der Pumpe, denn sie bringt bei jedem Takt eine positive Ladung mehr hinaus als herein. Die Kalium-Tore sind ja weiter offen, und die Gefälle sind noch da. Aber jetzt füllt niemand mehr nach. Natrium sickert herein, Kalium läuft hinaus. Über Minuten bis Stunden laufen die Gefälle langsam aus. Das Minus wird schwächer und schwächer, bis die Zelle keine Signale mehr senden kann.
Was lernen wir daraus? Wäre die Pumpe der Motor der Spannung, wäre das Minus sofort weg. Die Spannung entsteht durch den Kaliumausstrom durch die offenen Tore. Die Pumpe lädt vor allem die Gefälle nach, aus denen dieser Ausstrom seine Kraft bekommt. Darum dauert der Zusammenbruch Minuten und nicht Millisekunden. Merksatz: Der Kaliumausstrom erzeugt das Ruhepotential, die Pumpe hält die Gefälle aufrecht.
Prüfung (9:02)
Pumpe wieder an, jetzt zur Probe. Aufgabe eins, grundlegendes Niveau. Eine Messkurve: Erst zeigt das Gerät null Millivolt, dann springt der Wert plötzlich auf minus siebzig und bleibt dort. Deuten Sie die Kurve, und beschreiben Sie die Ionenverteilung an der Membran. Drück Pause. Ich jongliere solange ein paar Kalium-Ionen. Hoppla. Macht nichts. Eins von vielen Tausend darf raus.
Die Lösung. Am Anfang liegen beide Elektroden außen. Es gibt keinen Spannungsunterschied, also zeigt das Gerät null. Der Sprung ist der Moment, in dem die Mikroelektrode die Membran durchsticht. Ab dann misst sie innen gegen außen: das Ruhepotential, rund minus siebzig Millivolt, innen negativ. Der Wert bleibt konstant, weil die Zelle nicht gereizt wird und die Pumpe die Gefälle aufrechterhält. Zur Ionenverteilung: Innen viel Kalium, etwa dreißigmal so viel wie außen, dazu organische Anionen. Außen viel Natrium, etwa zehnmal so viel wie innen, dazu Chlorid.
Eine Stufe schwerer. Aufgabe zwei, erhöhtes Niveau: „Erläutern Sie, wie sich das Ruhepotential verändert, wenn die Kalium-Konzentration außerhalb der Zelle erhöht wird.“ Erläutern heißt: einen Sachverhalt veranschaulichen und durch zusätzliche Informationen verständlich machen. Drück Pause und formuliere.
Volle Punkte gibt es für drei Schritte. Erstens: Die Membran ist in Ruhe vor allem für Kalium durchlässig, deshalb bestimmt das Kaliumgefälle das Ruhepotential. Mehr Kalium außen heißt ein kleineres Konzentrationsgefälle. Kalium drängt also schwächer hinaus. Zweitens: Darum reicht schon eine kleinere Ladungstrennung, um den Ausstrom auszugleichen. Das Gleichgewicht stellt sich schon bei einer schwächeren Spannung ein. Drittens, die Folge: Das Ruhepotential wird weniger negativ, es rückt näher an null. Fachlich heißt das: Die Membran ist depolarisiert.
Merk dir drei Dinge (11:08)
Das war das Ruhepotential. Merk dir drei Dinge. Erstens: Innen viel Kalium, außen viel Natrium. Zweitens: Kalium strömt hinaus, bis die Ladung es fast ganz zurückhält, bei etwa minus siebzig Millivolt. Drittens: Die Natrium-Kalium-Pumpe hält die Gefälle aufrecht. Das Quiz und den Lernzettel zu diesem Video findest du kostenlos auf achtmalklug punkt de. Ach, und dein Abend auf dem Sofa heute? Ist offiziell Arbeit: minus siebzig Millivolt in Milliarden Zellen. Bleib neugierig.
