Diese Lesestrecke geht vom Messwert aus: Woher kommt die negative Spannung einer ruhenden Faser, wie viel davon lässt sich mit gerundeten Konzentrationen nachrechnen, und in welcher Reihenfolge arbeiten Pumpe und Kanäle, wenn ein Signal eintrifft?
Ein erwachsener Mensch trägt, abhängig von seiner Muskelmasse, grob 120 bis 140 Gramm Kalium in sich. Fast alles davon liegt nicht im Blut, sondern in den Zellen. Die Skelettmuskulatur stellt dabei das größte Reservoir, einfach weil sie den größten Anteil der Zellmasse ausmacht.
Die folgende Tabelle zeigt gerundete Richtwerte für eine Skelettmuskelfaser und die sie umgebende Flüssigkeit. Einzelne Lehrbücher nennen leicht abweichende Zahlen, die Größenordnung ist aber überall dieselbe.
| Ion | In der Faser (mmol/l) | Zwischen den Zellen (mmol/l) |
|---|---|---|
| Kalium (K+) | ca. 150–155 | ca. 4–5 |
| Natrium (Na+) | ca. 12 | ca. 145 |
| Chlorid (Cl−) | ca. 4 | ca. 120 |
Beim Kalium beträgt das Verhältnis zwischen innen und außen damit ungefähr dreißig zu eins. Genau dieses Verhältnis ist es, das sich im nächsten Abschnitt in eine Spannung umrechnen lässt.
Stellen Sie sich eine Membran vor, die ausschließlich Kalium durchlässt. Kalium-Ionen würden nach außen wandern, bis die zurückbleibende negative Ladung sie genauso stark nach innen zieht, wie das Gefälle sie nach außen drängt. Die Spannung, bei der dieser Gleichstand erreicht ist, heißt Gleichgewichtspotenzial.
Bei Körpertemperatur lässt sich das Gleichgewichtspotenzial für ein einfach geladenes Ion vereinfacht so schreiben: Spannung in Millivolt gleich 61,5 mal dem dekadischen Logarithmus aus Außenkonzentration geteilt durch Innenkonzentration.
61,5 × log (4,5 ÷ 155) ≈ 61,5 × (−1,54) ≈ −95 mV
Gemessen werden an der ruhenden Faser etwa minus 85 bis minus 90 Millivolt. Der Wert liegt also nahe am rechnerischen Kaliumwert, erreicht ihn aber nicht ganz.
Die Membran ist nicht vollkommen dicht für andere Ionen. Ein kleiner Natriumeinstrom schiebt die Spannung ein Stück in Richtung Null. In der Skelettmuskelfaser kommt eine Besonderheit hinzu: Ein großer Teil der Leitfähigkeit in Ruhe entfällt auf Chloridkanäle vom Typ ClC-1. Chlorid verteilt sich weitgehend passiv entsprechend der Spannung und wirkt dadurch wie ein Puffer, der kurzfristige Schwankungen dämpft.
Der Kaliumgradient bleibt dennoch der Faktor, der die Lage der Ruhespannung vorgibt. Verschiebt sich die Kaliumkonzentration außerhalb der Zelle, verschiebt sich auch dieser Ausgangswert.
Ohne Nachschub würde jede Faser ihr Gefälle langsam verlieren, denn über offene Kanäle sickert ständig etwas Kalium hinaus und etwas Natrium hinein. Die Pumpe gleicht diesen Verlust aus. Sie wechselt dabei zwischen zwei Grundstellungen, die in der Biochemie E1 und E2 genannt werden.
| Phase | Was an der Pumpe geschieht |
|---|---|
| E1, nach innen offen | Drei Natrium-Ionen binden an der Innenseite, ATP lagert sich an. |
| Phosphorylierung | Eine Phosphatgruppe wird auf die Alpha-Untereinheit übertragen, die Natrium-Ionen sind eingeschlossen. |
| E2, nach außen offen | Die Pumpe klappt um und gibt Natrium an die Außenseite ab. |
| Kaliumbindung | Zwei Kalium-Ionen besetzen die frei gewordenen Stellen, die Phosphatgruppe löst sich. |
| Rückkehr zu E1 | Die Pumpe klappt zurück und entlässt Kalium ins Zellinnere. |
Pro Umlauf verlassen drei positive Ladungen die Zelle, zwei kommen herein. Die Pumpe ist deshalb elektrogen: Sie erzeugt selbst einen kleinen Strom und macht das Zellinnere um einige Millivolt negativer. Der größere Beitrag zur Ruhespannung entsteht allerdings indirekt, über das Kaliumgefälle, das sie aufbaut.
Die Alpha-Untereinheit kommt beim Menschen in vier Varianten vor. In der Skelettmuskulatur überwiegt die Variante Alpha-2, daneben findet sich Alpha-1. Ein Teil der Pumpen liegt in der Oberflächenmembran, ein anderer in den T-Tubuli, feinen Einstülpungen, die tief in die Faser hineinreichen. Hormone wie Insulin können die Aktivität der Pumpe erhöhen und so Kalium vermehrt in die Zellen verschieben.
An der motorischen Endplatte wird ein chemisches Signal in eine örtliche Änderung der Membranspannung übersetzt. Erreicht diese Änderung eine Schwelle, entsteht ein Aktionspotenzial, das sich über die gesamte Faser ausbreitet. In der Skelettmuskelfaser dauert es nur wenige Millisekunden.
Zuerst öffnen spannungsgesteuerte Natriumkanäle. Natrium strömt ein, und das Zellinnere wird für einen Augenblick positiv. Fast gleichzeitig beginnen sich diese Natriumkanäle wieder zu verschließen. Mit kurzer Verzögerung öffnen spannungsgesteuerte Kaliumkanäle, Kalium strömt aus, und die Spannung fällt zurück in den negativen Bereich. Solange die Natriumkanäle noch nicht wieder bereit sind, bleibt die Faser für ein neues Signal kurzzeitig unempfänglich.
Das Aktionspotenzial läuft auch in die T-Tubuli hinein. Dort sitzen Spannungsfühler, die mit den Calcium-Speichern im Inneren der Faser gekoppelt sind und so die Verkürzung der Fasereiweiße auslösen. Weil die T-Tubuli sehr eng sind, kann sich ausgeströmtes Kalium dort bei rasch aufeinanderfolgenden Signalen vorübergehend anreichern. Die Natrium-Kalium-ATPase in der Tubulusmembran nimmt es wieder auf.
Für Kalium ist in der Liste der zugelassenen gesundheitsbezogenen Angaben ein Wortlaut zur Muskelfunktion enthalten. Er lautet:
„Kalium trägt zu einer normalen Muskelfunktion bei“
Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012„Normal“ meint hier den Alltag einer Muskelfaser, deren Kaliumbedarf gedeckt ist. Mehr als diesen Alltag beschreibt der Satz nicht.
Weil die Ruhespannung so direkt vom Verhältnis zwischen innen und außen abhängt, hält der Körper die Kaliumkonzentration im Blutplasma in einem engen Fenster von etwa 3,5 bis 5 Millimol pro Liter.
Langfristig bestimmen die Nieren, wie viel Kalium den Körper verlässt. Das Hormon Aldosteron erhöht die Ausscheidung, wenn die Konzentration steigt. Die tägliche Kaliummenge aus der Nahrung wird so innerhalb von Stunden bis Tagen ausgeglichen.
Nach einer Mahlzeit gelangt Kalium schneller ins Blut, als die Nieren es ausscheiden können. In diesem Zeitraum nehmen vor allem Muskel- und Leberzellen einen Teil davon vorübergehend auf, angetrieben von Pumpen, deren Aktivität durch Insulin angehoben wird. Die Skelettmuskulatur dient damit zugleich als Zwischenspeicher.
Als Referenzwert für die Nährwertangabe auf Lebensmitteln nennt die Verordnung (EU) Nr. 1169/2011 für Kalium 2000 Milligramm pro Tag. Die EFSA hat 2016 für Erwachsene eine angemessene Zufuhr von 3500 Milligramm pro Tag abgeleitet. Beide Zahlen erfüllen unterschiedliche Zwecke und sind nicht als persönliche Empfehlung gedacht.
Nein. Die Faser arbeitet innerhalb eines Bereichs, in dem das Gefälle stimmt. Liegt der Außenwert deutlich über oder unter diesem Bereich, verändert sich die Ruhespannung in beide Richtungen ungünstig. Die zugelassene Angabe bezieht sich ausdrücklich auf eine normale Funktion.
Nur eingeschränkt. Der Wert im Plasma spiegelt den kleinen Anteil außerhalb der Zellen wider, der eng konstant gehalten wird. Wie viel sich im Zellinneren befindet, lässt sich daraus nicht unmittelbar ablesen. Die Einordnung eines Laborbefunds gehört in ärztliche Hände.
Kalium ist in vielen pflanzlichen Speisen enthalten, etwa in Kartoffeln, Hülsenfrüchten, Blattgemüse, Nüssen und getrockneten Früchten, dazu in Milchprodukten und Fisch. Diese Lesestrecke konzentriert sich bewusst auf den Mechanismus an der Membran und nicht auf Speisepläne.
Für Kalium sind in der EU mehrere Wortlaute zugelassen. Diese Seite widmet sich thematisch nur die Muskelfaser und zitiert deshalb nur den Wortlaut, der zu diesem Thema passt.
Rechnung, Pumpzyklus, Signalablauf und Rückfragen in einer geschlossenen Fassung, die Sie ohne Werbung und ohne Verbindung zum Netz nachlesen können.
Einmaliger Zugang · Digitales Informationsprodukt
Ein Widerruf ist binnen 14 Tagen nach dem Kauf ohne Angabe von Gründen möglich. Einzelheiten zu Frist und Form nennt die Widerrufsbelehrung.
Was Cerussitaro veröffentlicht, ist Sachinformation für interessierte Laien. Es stellt keine Diagnose, ersetzt kein ärztliches Gespräch und ist keine Anleitung zur Selbstmedikation. Wer Beschwerden hat, eine Nierenerkrankung kennt oder regelmäßig Arzneimittel einnimmt, klärt Fragen zur Kaliumzufuhr bitte mit einer Ärztin oder einem Arzt.
Ein Nahrungsergänzungsmittel kann einen vielseitigen Speiseplan und eine gesunde Lebensführung nicht ersetzen. Halten Sie sich an die auf der Packung genannte Tagesmenge und gehen Sie nicht darüber hinaus. Bewahren Sie solche Produkte so auf, dass kleine Kinder nicht an sie herankommen.
Cerussitaro kann Anzeigen über Google oder auf YouTube buchen. Daraus entsteht weder eine Partnerschaft noch eine inhaltliche Freigabe: Google LLC, YouTube und die Muttergesellschaft Alphabet Inc. haben die Texte dieser Seite nicht geprüft und empfehlen sie nicht. Beide Plattformnamen sind markenrechtlich geschützt (Google LLC).
Eine Rechnung geht nicht auf, ein Satz bleibt unklar oder der Zahlungsbeleg fehlt? Nach dem Klick erscheint Ihr eigenes Mailprogramm mit den eingetragenen Feldern; abgeschickt wird erst, wenn Sie dort bestätigen.
Postfach der Redaktion: [email protected]