Wie Zellen Kalium in ihrem Inneren anreichern, wie die Natrium-Kalium-ATPase dieses Gefälle Zyklus für Zyklus aufrechterhält und welche Angabe die Europäische Union zu Kalium zugelassen hat.
Zur LesestreckeSchema: Pro gespaltenem ATP-Molekül schafft die Pumpe drei Natrium-Ionen nach außen und zwei Kalium-Ionen nach innen.
Legt man eine feine Messelektrode in eine ruhende Skelettmuskelfaser, zeigt das Messgerät eine Spannung von ungefähr minus 85 bis minus 90 Millivolt an. Das Zellinnere ist also gegenüber der umgebenden Flüssigkeit negativ. Diese Spannung ist kein Nebenprodukt, sondern die Ausgangslage, aus der heraus die Faser überhaupt auf ein Signal antworten kann.
Ihr Ursprung liegt in einer ungleichen Verteilung geladener Teilchen. In der Faser befinden sich rund 150 Millimol Kalium pro Liter, in der Flüssigkeit zwischen den Zellen nur etwa 4 bis 5. Beim Natrium ist es umgekehrt. Ein solches Gefälle entsteht nicht von allein und bliebe auch nicht von allein bestehen: Ionen sickern ständig durch offene Kanäle in Richtung des Ausgleichs.
Diese Seite folgt dem Kalium auf seinem Weg durch die Membran. Sie erklärt, welche Pumpe das Gefälle herstellt, welche Kanäle es in eine elektrische Spannung übersetzen und was nach einem Signal passiert, damit die Faser wieder in ihren Ausgangszustand zurückfindet.
Von außen betrachtet bewegt sich eine Muskelfaser einfach. Auf der Ebene ihrer Hülle läuft dagegen eine genau getaktete Folge ab, bei der sich Ionen innerhalb weniger Millisekunden verschieben. Drei Abschnitte lassen sich unterscheiden.
Die Natrium-Kalium-ATPase sitzt zu Tausenden in der Membran jeder Faser. Sie spaltet ein Molekül ATP, nutzt die frei werdende Energie für eine Formveränderung und schleust dabei drei Natrium-Ionen hinaus und zwei Kalium-Ionen hinein. Weil mehr positive Ladung die Zelle verlässt als hereinkommt, liefert die Pumpe zusätzlich einige Millivolt direkt zur Membranspannung.
In Ruhe stehen bestimmte Kaliumkanäle, sogenannte einwärtsgleichrichtende Kanäle, dauerhaft offen. Kalium-Ionen folgen ihrem Konzentrationsgefälle nach außen und nehmen jeweils eine positive Ladung mit. Zurück bleibt ein leichter Überschuss an negativer Ladung im Inneren, der weiteres Ausströmen bremst. Wo sich beide Tendenzen die Waage halten, stellt sich die Ruhespannung ein.
Erreicht ein Signal die Faser, öffnen sich Natriumkanäle, und die Spannung kippt kurz ins Positive. Mit etwas Verzögerung öffnen spannungsgesteuerte Kaliumkanäle. Der Ausstrom von Kalium führt die Membran wieder in Richtung ihres negativen Ausgangswerts – ein Vorgang, der als Repolarisation bezeichnet wird. Erst danach kann die Faser auf das nächste Signal antworten. Für diesen Mineralstoff hat die EU eine gesundheitsbezogene Angabe zugelassen:
„Kalium trägt zu einer normalen Muskelfunktion bei“
Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012Die pro Signal ausströmende Menge Kalium ist im Verhältnis zum Vorrat im Zellinneren sehr klein. Über viele aufeinanderfolgende Signale summiert sie sich jedoch, und die Pumpe bringt das Kalium fortlaufend an seinen Platz zurück.
Ein Ion, ein Motor und eine Gruppe von Kanälen: So lässt sich das Zusammenspiel an der Faserhülle in drei Teile gliedern.
Etwa 98 Prozent des Kaliums im Körper befinden sich innerhalb von Zellen, der größte Teil davon in der Skelettmuskulatur. Im Blutplasma zirkuliert nur ein kleiner Bruchteil.
„Kalium trägt zu einer normalen Muskelfunktion bei“
Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012Ein Eiweiß aus einer großen Alpha- und einer kleineren Beta-Untereinheit. In Skelettmuskelfasern überwiegt die Alpha-2-Form. Jeder Pumpzyklus verbraucht ein ATP und dauert nur Bruchteile einer Sekunde.
Bei ruhendem Organismus entfällt ein beträchtlicher Anteil des Energieumsatzes vieler Zellen auf diese Pumpe.
Einwärtsgleichrichter halten die Ruhespannung stabil, verzögert öffnende Kanäle führen die Membran nach einem Signal zurück. Beide Kanaltypen sind hoch selektiv und lassen Natrium kaum passieren.
Mit Rechenbeispiel zur Ruhespannung, einer Tabelle der Phasen des Pumpzyklus und einem Abschnitt zu den engen T-Tubuli der Muskelfaser.
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