Ruhepotential
Was das Ruhepotential ist und wie es entsteht, erfährst du hier und in unserem Video .
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.
Vor allem bei erregbaren Zellen – wie den Nervenzellen oder Muskelzellen – ist die Aufrechterhaltung dieses Ruhemembranpotentials besonders wichtig. Anders wäre es nämlich nicht möglich, dass sie elektrische Reize in Form von Aktionspotentialen (Änderung des Ruhepotentials) weiterleiten.
Das Ruhepotential (auch Ruhepotenzial, Ruhemembranpotential) bezeichnet das Membranpotential einer Zelle, die nicht erregt ist. Es ist negativ und beträgt bei Nervenzellen ungefähr -70mV. Voraussetzung für das Ruhepotential ist die Ladungsverteilung einer ruhenden Zelle.
Ionenverteilung Ruhepotential
Die Grundlage für das Ruhepotential ist die ungleiche Ionenverteilung über die Zellmembran . Die Ionenverteilung in einem Axon sieht dabei folgendermaßen aus:
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Innerhalb der Zelle
(Cytoplasma)
Hohe Konzentration an Kalium-Ionen (K+) und organischen Anionen (A–). -
Außerhalb der Zelle (Extrazellularraum)
Hohe Konzentration an Natrium-Ionen (Na+) und Chlorid-Ionen (Cl–). -
Semipermeable Membran
(halbdurchlässig)
Sie trennt Zellinneres und -äußeres voneinander.
Die Ionenkonzentrationen liegen dabei ungefähr in folgendem Bereich:
| Ionenkonzentration [mmol/l] | K+ | Na+ | Cl– | A– |
| Innen | 120-155 | 7-11 | 4-7 | 155 |
| Außen | 4-5 | 144 | 120 | 5 |
| ungefähres Verhältnis (Innen/Außen) | 30 : 1 | 1 : 16 | 1 : 25 |
Es sind sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle jeweils positive und negative Ionen vorhanden. Das bedeutet, dass die Ladungen dort ausgeglichen sind. Über die Membran hinweg entsteht dagegen ein Ladungsunterschied, der für das negative Ruhepotential verantwortlich ist.
Ruhepotential Entstehung
Aber wie entsteht das Ruhepotential und wieso verteilen sich die Ionen nicht gleichmäßig? Für die Ionenverteilung und somit auch für die Potentialdifferenz ist das Zusammenspiel mehrerer Faktoren nötig:
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Elektrochemischer Gradient
In ihm wirken ein chemischer Gradient (Konzentrationsgefälle) und ein elektrischer Gradient (elektrisches Gefälle) zusammen. -
Selektive Permeabilität
Damit ist die (Halb-)Durchlässigkeit einer Membran gemeint. - Natrium-Kalium-Pumpe
Elektrochemischer Gradient
Chemischer Gradient
Über die Membran hinweg gibt es ein Konzentrationsgefälle (Konzentrationsgradient) der verschiedenen Ionen. Kalium-Ionen liegen zum Beispiel innerhalb der Zelle in einer deutlich höheren Konzentration vor als außerhalb.
Die Ionen bewegen sich zufällig (= Brownsche Molekularbewegung ) und tendieren dazu, sich gleichmäßig zu verteilen. Sie streben also nach einem Konzentrationsausgleich. Dazu bewegen sie sich vom Ort hoher Konzentration zum Ort niedriger Konzentration, sie diffundieren also.
Ob diese Diffusion der jeweiligen Ionen entlang des Konzentrationsgefälles möglich ist, hängt von der Membranpermeabilität ab. Denn sie ist nicht für alle Ionen gleich durchlässig.
Elektrischer Gradient
Bewegen sich 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 ab. Im Gegensatz dazu weisen beim Natriumion sowohl der elektrische als 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 für Kalium ist.
Selektive Permeabilität
Die Membran ist aber nicht für alle Ionen gleich durchlässig, sondern besitzt eine eigene Permeabilität für jede Ionensorte. Im Ruhezustand ist die Zellmembran vor allem für Kalium-Ionen und eventuell für Chlorid-Ionen durchlässig. Für Natrium-Ionen 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 aus der Zelle heraus.
Im Ruhezustand sind die Natriumkanäle in der Membran geschlossen. Trotzdem kann Natrium in gewissen Mengen durch die Membran in die Zelle strömen. Du sprichst hier von den sogenannten Leckströmen.
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. Unter Energieverbrauch pumpt diese die Natriumionen wieder aus der Zelle heraus. So erhält sie die Ionenkonzentration bzw. das Membranpotenzial aufrecht.
Das Enzym Natrium-Kalium-ATPase transportiert dabei drei Natriumionen nach außen und gleichzeitig zwei Kalium-Ionen nach innen.
Aktionspotential
Ändert sich die Spannung an der Membran einer erregbaren Zelle, kommt es zum sogenannten Aktionspotential. Was das ist und wie es abläuft, erfährst du in diesem Video !
