Vorsicht Hochspannung

Ohne Ionenpumpen funktionieren lebende Zellen nicht

Drei Zitteraale schwimmen im Aquarium des Berliner Zoos.
Drei Zitteraale schwimmen im Aquarium des Berliner Zoos.

Zugegeben, Hochspannung ist gewaltig übertrieben. Aber eine elektrische Spannung liegt tatsächlich an all unseren Zellen an. Ursache ist eine Ungleichverteilung der mengenmäßig wichtigsten Kationen: der Kalium- und Natriumionen.

Dass Ionen sich freiwillig entmischen, ist nicht zu erwarten. Wieder ist eine Pumpe am Werk. Die wirft unter Energie-, also ATP-Verbrauch, Natriumionen aus der Zelle hinaus und transportiert im Gegenzug Kaliumionen hinein. Wegen dieser Kopplung nennt man sie auch Na+/K+-ATPase. Sie ist aus mehreren Proteinen zusammengesetzt. Die bilden eine Art Sicherheitsschleuse. Im Innern der Zelle besitzt die drei Bindungsplätze für Natriumionen. Sobald diese besetzt sind, wird vom ATP ein Phosphat auf eines der Proteine übertragen. Das liefert die Energie, um die Struktur des Proteinkomplexes so zu verändern, dass die Schleuse sich innen schließt und gleichzeitig nach außen öffnet. Nun wird es eng für die Natriumionen. Durch die Strukturänderung verschwinden ihre Bindungsplätze und sie werden hinausgedrängt. Gleichzeitig werden bisher verborgene Plätze für Kaliumionen zugänglich. Doch davon gibt es lediglich zwei. Deren Füllung bewirkt die Wiederabspaltung des Phosphats. Die Folge: Das äußere Schleusentor schließt sich und der Ausgangszustand wird wieder hergestellt. Dadurch werden natürlich die Bindungsorte für Kalium wieder verdeckt. So bleibt den Kaliumionen nur der Weg in die Zelle hinein. Als Resultat steht eine größere Zahl von Natriumionen außen einer kleineren von Kaliumionen innen gegenüber. Kein Wunder, dass die Außenseite der Zellmembran positiver geladen ist als deren Innenseite. Oder – wie anfangs gesagt – eine Spannung an jeder Zellmembran anliegt.

Damit liefert die Na+/K+-ATPase die Basis für das allen Zellen anliegende Ruhepotenzial. Das ist ungemein wichtig! Denn ohne das könnten unsere Nerven keine Signale weiterleiten und wir unsere Muskeln nicht steuern.

Natürlich wollen die Ionen sich wieder mischen. Die Kaliumionen wandern durch verschiedenste Kanäle nach außen. Für die Natriumionen existieren in den Membranen Transportproteine, an die sich gleichzeitig auch andere Moleküle binden können. Das eröffnet weitere, sehr wichtige Transportmöglichkeiten. So können, gleichsam im Huckepack mit den Natriumionen, Aminosäuren oder Zucker in Zellen hineintransportiert und dort konzentriert werden.

Bei Fischen hat die Evolution die biologischen Möglichkeiten der Na+/K+-ATPase noch weiter ausgereizt. Bei einigen sind Zellen entstanden, die als Biobatterien wirken. Jede einzelne ist schwach. Doch in Reihe geschaltet addieren sich ihre Spannungen. So werden bei Zitteraalen und Zitterrochen Entladungen bis etwa 600 Volt möglich – fast das Dreifache von dem, was uns die Steckdose liefert! Vor ein paar Jahren wurde mit dem Zitteraal Electophoris voltai im Amazonas sogar eine Spezies entdeckt, die fast 1000 Volt erzeugen kann. Das ist die stärkste elektrische Entladung, zu der ein Tier auf der Erde fähig ist – und das ist wirklich Hochspannung!

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