Ein Membranpotential ist die Spannung, die an der Membran einer Zelle anliegt. Es wird auch als Transmembranpotential bezeichnet und ist besonders wichtig in Nervenzellen oder Neuronen. Das Membranpotential wird durch eine elektrische Potentialdifferenz zwischen dem Inneren und dem Äußeren der Zelle verursacht. Wenn ein Neuron ruht, also keinen Nervenimpuls abfeuert, ist das Innere seiner Zellmembran im Vergleich zum Äußeren der Zelle negativ geladen. Dies resultiert aus unterschiedlichen Konzentrationen geladener Ionen unmittelbar innerhalb und außerhalb der Membran.
Membranpotentiale entstehen, weil Zellmembranen Natrium- und Kaliumionen nicht frei in und aus Zellen passieren lassen und ein Gleichgewicht erreichen. Stattdessen ermöglichen spezielle Passagen, die als Ionenkanäle bekannt sind, Kaliumionen, sich durch die Zellmembran zu bewegen, wodurch die positive Ladung im Inneren der Zelle reduziert wird. Ionenpumpen in der Membran verwenden Energie, um Natriumionen aus der Zelle zu pumpen, während Kalium in die Zelle gepumpt wird. Für jedes Kaliumionenpaar, das von diesen Ionentransportern in die Zelle befördert wird, werden drei Natriumionen nach außen bewegt, was einen Gesamtverlust von . verursacht positive Ladung aus der Zelle. Auch negativ geladene Proteinmoleküle innerhalb der Zelle werden daran gehindert, sie zu verlassen.
Zusammen erzeugen diese Faktoren eine negative Ladung innerhalb der Zelle gegenüber der Außenseite, die das Membranpotential bildet. Das Potential ist im Ruhezustand konstant, ändert sich jedoch in den Nervenzellen, wenn Impulse von einem Neuron zum anderen übertragen werden. Bei der Übertragung von Nervenimpulsen tritt ein sogenanntes Aktionspotential auf, bei dem die Zellmembran einen Prozess durchläuft, der als Depolarisation bezeichnet wird. Nach dem Aktionspotential kehrt das Membranpotential in seinen normalen Ruhezustand zurück, der normalerweise als Differenz von -70 Millivolt zwischen der Innenseite und der Außenseite der Membran gemessen wird.
Das Aktionspotential beginnt, wenn ein Nervenreiz in der Zelle ankommt und spezielle Natriumkanäle in der Zellmembran öffnet. Positiv geladene Natriumionen gelangen in die Zelle und das Membranpotential ändert sich und wird weniger negativ. Wenn ein Punkt erreicht wird, der als Aktionsschwelle bekannt ist, öffnen sich viele weitere Natriumkanäle und das Innere der Zellmembran wird positiv geladen, das Gegenteil von normal.
Um den Höhepunkt des Aktionspotentials öffnen sich Kaliumkanäle und Kalium strömt aus der Zelle. Dadurch wird das Zellinnere negativer, so dass die Membran repolarisiert wird. Zu dieser Zeit schließen auch die Natriumkanäle. Normalerweise überschwingt die Repolarisation und kehrt allmählich zum normalen Ruhemembranpotential zurück. Dieser Prozess der Umkehrung des Membranpotentials, um ein Aktionspotential zu erzeugen, ermöglicht die Übertragung von Impulsen entlang der Nerven.