Ein Ion, das immer wieder bereitsteht

Wie die Zelle ihre Spannung aufbaut und wieder herstellt

Jede Nervenzelle ist von einer dünnen Membran umgeben, die geladene Teilchen nicht frei passieren lässt. Kalium liegt innerhalb der Zelle in deutlich höherer Konzentration vor als außerhalb — Natrium verhält sich umgekehrt. Dieses Gefälle entsteht nicht von selbst, sondern wird fortlaufend von Transportproteinen in der Membran gegen den ständigen Ausgleich verteidigt.

Vier Ausschnitte dieses Zusammenspiels lassen sich getrennt betrachten. Sie erklären, warum ausgerechnet Kalium bei der normalen Funktion des Nervensystems wissenschaftlich untersucht wurde — sie sind Hintergrundwissen und selbst nicht Bestandteil des amtlichen Wortlauts.

Eine Spannung, die sich berechnen lässt

Für ein einzelnes, frei bewegliches Ion lässt sich abschätzen, bei welcher Spannung sich das nach innen ziehende elektrische Feld und das nach außen drängende Konzentrationsgefälle exakt die Waage halten. Diese Größe heißt Gleichgewichtspotenzial und wird mit der Nernst-Gleichung beschrieben.

Weil so viel mehr Kalium innen als außen vorliegt, zieht das Konzentrationsgefälle Kalium-Ionen nach außen. Die dabei zurückbleibende negative Ladung im Zellinneren zieht die positiv geladenen Ionen wiederum zurück. Das gemessene Ruhepotenzial einer Nervenzelle liegt nah an diesem rechnerischen Wert, weil in Ruhe vor allem Kaliumkanäle geöffnet sind.

Kanäle, die sich erst mit Verzögerung öffnen

Während eines Aktionspotenzials kehrt sich die Ladung kurzzeitig um: Natrium strömt zunächst ein. Kurz danach öffnen sich spannungsabhängige Kaliumkanäle — mit einer kleinen, aber wichtigen Verzögerung gegenüber den Natriumkanälen. Diese sogenannten verzögert gleichrichtenden Kaliumkanäle lassen Kalium nach außen strömen und treiben die Membranspannung zurück in Richtung des negativen Ausgangswerts.

Ohne diesen Kaliumausstrom würde die Membran in ihrem positiv geladenen Zustand verharren, und die Nervenzelle könnte kein zweites Signal formen. Die zeitliche Abfolge — erst Natrium hinein, dann Kalium hinaus — gibt dem Aktionspotenzial seine typische, kurze Form.

Eine kurze Pause vor dem nächsten Signal

Unmittelbar nach einem Aktionspotenzial folgt eine Phase, in der die Nervenzelle gar nicht oder nur schwer erneut erregt werden kann — die Refraktärzeit. Sie hängt eng mit dem eben beschriebenen Kaliumausstrom zusammen: Solange die spannungsabhängigen Kaliumkanäle noch geöffnet sind, bleibt die Membran stärker negativ geladen als im gewöhnlichen Ruhezustand, teils sogar etwas darüber hinaus.

Diese kurze, aber messbare Verzögerung sorgt dafür, dass ein Signal nur in eine Richtung entlang der Nervenfaser wandert und sich nicht selbst überholt. Erst wenn die Kaliumkanäle sich wieder schließen und das Ruhepotenzial erreicht ist, kann die Zelle vollständig auf einen neuen Reiz antworten.

Kanäle, die niemals ganz schließen

Neben den spannungsabhängigen Kanälen gibt es eine zweite, weniger bekannte Gruppe: die Zwei-Poren-Domänen-Kaliumkanäle, kurz K2P. Sie stehen unabhängig von der Membranspannung dauerhaft ein Stück weit offen und sorgen für einen stetigen, ruhigen Kaliumausstrom — ein sogenannter Leckstrom.

Gerade weil dieser Leckstrom nicht auf ein Signal wartet, trägt er zur Grundeinstellung der Ruhespannung bei, noch bevor ein Aktionspotenzial überhaupt beginnt. Erst das Zusammenspiel aus einem stets vorhandenen Kaliumgefälle, offenen Leckkanälen und zeitlich versetzt schaltenden Kanälen erklärt, warum Kalium für die normale Funktion des Nervensystems wissenschaftlich untersucht wurde:

„Kalium trägt zu einer normalen Funktion des Nervensystems bei“ — Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012