Neurobiologie

Das Ruhepotential beschreibt die Spannung an der Zellmembran einer Zelle in Ruhe. Was du dir darunter vorstellen kannst und wie es entsteht, lernst du hier. 

Inhaltsübersicht

Ruhepotential einfach erklärt

Innerhalb und außerhalb unserer Zellen kommen verschiedene Ionen, wie Natrium-, Kalium- oder Chloridionen vor. Eine unterschiedliche Verteilung der Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle führt zur Entstehung eines Potentials (Spannung) an der Zellmembran . Die Spannung einer nicht erregten Zelle nennst du Ruhepotential. Das Potential ist negativ und liegt in einer Nervenzelle ungefähr bei -70 mV

Vom Ruhepotential sprichst du bei erregbaren Zellen, wie den Nervenzellen oder Muskelzellen. Für diese Zelltypen ist die Aufrechterhaltung des Ruhemembranpotentials besonders wichtig. Anders wäre es nicht möglich, dass sie elektrische Reize in Form von Aktionspotentialen (Änderung des Ruhepotentials) weiterleiten. 

Ruhepotential Definition

Das Ruhepotential (auch Ruhepotenzial, Ruhemembranpotential) bezeichnet das Membranpotential einer erregbaren Zelle im Ruhezustand. 

Ionenverteilung Ruhepotential

Die Grundlage für das Ruhepotential ist die ungleiche Ionenverteilung über der Zellmembran. Schauen wir uns daher die Ionenverteilung in einem Axon einmal genauer an: 

Kaliumionen, Natriumionen, semipermeable Membran, Chloridionen, organische Anionen, Cytoplasma, Extrazellulärraum
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Ionenverteilung Ruhepotential

%</span><img src="https://i.ytimg.com/vi/H324hD9ReVs/maxresdefault.jpg" alt="Ruhepotential der Nervenzelle - YouTube" /><span style="color: #ff00ff;"> %Beschriftung: Ionenverteilung Ruhepotential, Alt-Text: Kaliumionen, Natriumionen, semipermeable Membran, Chloridionen, organische Anionen, Cytoplasma, Extrazellulärraum %@animation: hier bitte die Poren/Pumpen in der Membran rauslassen, anstatt Zellzwischenraum Extrazellulärraum schreiben, semipermeable Membran beschriften

  • innerhalb der Zelle: hohe Konzentration an Kalium-Ionen (K+) und organischen Anionen (A)
  • außerhalb der Zelle: hohe Konzentration an Natrium-Ionen (Na+) und Chlorid-Ionen (Cl)
  • eine semipermeable Membran (halbdurchlässig) trennt Zellinneres und -äußeres voneinander

Die Tabelle zeigt dir in welchem Bereich die Ionenkonzentrationen ungefähr liegen: 

Ionenkonzentration [mmol/l] K+ Na+ Cl A
Innen 155 10 5 155
Außen 5 145 120
ungefähres Verhältnis (Innen/Außen) 30 : 1 1 : 15 1 : 25

Du siehst, dass sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle jeweils positive und negative Ionen vorhanden sind. Das bedeutet, dass die Ladungen dort ausgeglichen sind. Aber über die Membran hinweg entsteht ein Ladungsunterschied, der das negative Ruhepotential erklärt.

Ruhepotential Entstehung

Aber wie entsteht die Potentialdifferenz und wieso verteilen sich die Ionen nicht einfach gleichmäßig? An der Verteilung der Ionen und somit auch an der Entstehung des Ruhepotentials sind mehrere Faktoren beteiligt:

  • elektrochemischer Gradient: chemischer Gradient (Konzentrationsgradient) und elektrischer Gradient
  • selektive Permeabilität (Durchlässigkeit) der Membran
  • Natrium-Kalium-Pumpe

Schauen wir uns das Zusammenwirken der Faktoren jetzt genauer an.

Elektrochemische Triebkraft

Über die Membran hinweg gibt es einen Konzentrationsgradient der verschiedenen Ionen. Kaliumionen liegen zum Beispiel innerhalb der Zelle in einer deutlich höheren Konzentration vor als außerhalb (= Diffusionspotential der Kaliumionen). Die Ionen bewegen sich zufällig (= Brownsche Molekularbewegung ) und tendieren dazu, sich gleichmäßig zu verteilen. Sie wollen also für einen Konzentrationsausgleich sorgen. Dazu bewegen sie sich vom Ort hoher Konzentration zum Ort niedriger Konzentration (Diffusion ). Ob die jeweiligen Ionen entlang des Konzentrationsgefälles diffundieren können, hängt von der Membranpermeabilität ab. Denn sie ist nicht für alle Ionen gleich durchlässig (permeabel). 

Bewegen sich aber zum Beispiel die positiv geladenen K+ Ionen aus der Zelle heraus, nimmt die Ladung innerhalb der Zelle ab. Das bedeutet, es baut sich durch eine Ladungstrennung ein elektrisches Feld auf. Das kannst du gleichsetzen mit einer Spannung über der Zellmembran. Um die Spannung zu verringern, neigen die Ladungsunterschiede dazu sich auszugleichen. Der elektrische Gradient wirkt hier also dem chemischen Gradient entgegen und hält das Kalium Ion zurück. Gleichzeitig stößt die positive Ladung, die außerhalb der Zelle entsteht, austretende K+ Ionen auch ab. Im Gegensatz dazu weist beim Natriumion sowohl der elektrische, also auch der chemische Gradient ins Zellinnere. 

Zwischen diesen zwei Kräften stellt sich irgendwann ein Gleichgewicht ein. Das entstehende Potential entspricht dann dem Gleichgewichtspotential des jeweiligen Ions. Also zum Beispiel dem Gleichgewichtspotential von Natrium (= +60 mV) oder dem von Kalium (= -91 mV). Das Ruhemembranpotential wird hauptsächlich durch das Gleichgewichtspotential von Kalium bestimmt. Das hängt damit zusammen, dass die Membran in Ruhe, aufgrund von Ionenkanälen, durchlässiger ist für Kalium. 

%</span><img src="https://viamedici.thieme.de/api/images/l/u/l/a/e/r/physio_000500_ionenverteilung_intra_extrazellulaer.png?15759120990230000" alt="Elektrische Vorgänge an Zellen - via medici: leichter lernen - mehr  verstehen" /><span style="color: #ff00ff;"> %Beschriftung: konzentrationsgradient und elektrischer Gradient, Alt-Text: elektrochemische Triebkraft, semipermeable Membran, Diffusionspotential, Konzentrationsgefälle, brownsche Molekularbewegung, Diffusion, Spannung %@animation: die Na-K-ATPase in der Membran hier weglassen

elektrochemische Triebkraft, semipermeable Membran, Diffusionspotential, Konzentrationsgefälle, brownsche Molekularbewegung, Diffusion, Spannung
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Konzentrationsgradient und elektrischer Gradient

Selektive Permeabilität

Die Membran ist aber nicht für alle Ionen gleich durchlässig, sondern besitzt eine relative Permeabilität für jede Ionensorte . Im Ruhezustand ist die Zellmembran vor allem für Kalium Ionen und eventuell für Chloridionen durchlässig. Für Natriumionen ist die Membran weniger durchlässig und für die großen organischen Anionen praktisch gar nicht.

Das liegt an den Ionenkanälen in der Membran, die für unterschiedliche Ionen durchlässig sind. Im Ruhezustand sind nur die Kaliumionenkanäle geöffnet. Daher sind vor allem die Kalium Ionen für die Entstehung des Ruhepotentials verantwortlich. Sie bewegen sich durch die offenen Kanäle nach Außen. Im Ruhezustand sind die Natriumkanäle in der Membran geschlossen. Trotzdem kann Natrium in gewissen Mengen durch die Membran in die Zelle strömen. Das sind die sogenannten Leckströme

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Ruhepotential Entstehung

%<strong><a style="color: #ff00ff;" href="http://www.biologie-schule.de/img/ruhepotential.gif">Bildlink</a></strong> %Beschriftung: Ruhepotential Entstehung, Alt-Text: Kaliumionenkanal, Na K Pumpe, Leckströme, Diffusion, Ruhepotential, relative Permeabilität, Kaliumionen, Natriumionen

 

Natrium Kalium Pumpe

Die Leckströme würden auf Dauer zu einem Ladungsausgleich führen und es gäbe kein Ruhepotential. Daher benötigt die Zelle die Natrium-Kalium-Pumpe (Na K Pumpe). Unter Energieverbrauch hält sie die Ionenkonzentration bzw. das Membranpotenzial aufrecht und pumpt die Natriumionen wieder aus der Zelle heraus. Dazu transportiert das Enzym Natrium-Kalium-ATPase drei Natriumionen nach draußen und gleichzeitig zwei Kaliumionen wieder nach drinnen. %Wenn du noch mehr darüber lernen möchtest, wie genau die Natrium Kalium Pumpe funktioniert, dann schau dir jetzt noch dieses Video an! %Verlinkung Natrium Kalium Pumpe

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