Ruhepotential
Ionentransport durch die Zellmembran
Die Informationsverarbeitung und -weiterleitung ist an elektrische Vorgänge gekoppelt, welche nur ablaufen, wenn bewegliche Ladungsträger vorhanden sind. In tierischem Gewebe sind dies die Ionen Kalium (Ka+), Natrium (Na+) und Chlorid (Cl-).
Merke
Die Ionenverteilung innerhalb und außerhalb der Zelle ist sehr unterschiedlich. So sorgt bspw. die ist die Na+-K+-Pumpe dafür, dass die Natriumkonzentration innerhalb der Zelle gering, die Kaliumkonzentration jedoch sehr hoch ist. Auf extrazellulärer Seite ist es genau umgekehrt. Ca. 20% der gesamten ATP-Produktion werden für den Erhalt dieses Zustandes aufgewendet.
Merke
!Die Membran ist selektiv permeabel für die Ladungsträger!
Die Membran als Gesamtkonstrukt ist selektiv durchlässig, da nicht alle Stoffe gleichberechtigt in die Zelle eindringen können.
Ihr Aufbau ist maßgeblich für die Funktionalität der Informationsweitergabe.
So ist die regulierte Durchlässigkeit von am Grundgerüst neuronalen Gewebes beteiligter Membranen für bestimmte Ionen Voraussetzung für eine intakte Reizleitung.
Methode
wiederkehrendes Prinzip der semipermeablen Membran:
semipermeable bzw. selektiv durchlässige Membranen finden sich nicht nur Informationsweiterleitung sondern z.B. auch bei der Energieerzeugung (Atmungkette...)
Die hydrophobe Lipidmembran stellt für diese eine Barriere dar, da sie sich in einer hydrophilen Wasserhülle (Hydrathülle) befinden und somit abgestoßen werden. Um dennoch einen Ladungsträgertransport zu ermöglichen, besitzen Membranen ionenspezifische Kanäle. Reguliert wird die Ionenaufnahme und -abgabe durch Größe und Ladungsverhältnis des Kanals.
Weiterhin trennt eine Membran extrazellulären von intrazellulärem Raum (Zytoplasma), in denen sich das Ionenvorkommen unterscheidet. Die dadurch entstehende elektrische Spannung bezeichnet man als Membranpotential. Gemessen wird dieses in der SI-Einheit Volt.
Das Membranpotential von durch Informationstransmission erregbaren Zellen kann zwei Grundzustände einnehmen:
aus -> Ruhepotential
und
an -> Aktionspotential
Merke
Spannungsdifferenz zwischen Membraninnenraum und Umgebung!
Einheit: Volt
Das Ruhepotential
Merke
Das Vorliegen von unterschiedlichen Ladungen außerhalb und innerhalb der Zellmembran wird als Ruhepotential bezeichnet.
Erkenntnisgewinnende Untersuchungen hierzu wurden mithilfe von (spannungsmessenden) Mikroelektroden an den Riesenaxonen des Tintenfisches Loligo durchgeführt.
Was sind die Voraussetzungen für die Ausbildung des Ruhepotentials?
Funktionelle Voraussetzung für die Ausbildung eines Ruhepotentials ist die richtungsabhängige selektive Permeabilität von Zellmembranen. So ist festzuhalten, dass Biomembranen permeabel für Kaliumionen, bedingt für Natriumionen, nicht aber für Chloridionen sind.
Zu Beginn beträgt die Kaliumkonzentration im extrazellulären Raum null.
Merke
Start: Kaliumkonzentration außen = 0
Die selektive Permeabilität der Membran lässt zu, dass Kalium in den Zellzwischenraum einwandert und die Konzentration der Kaliumionen dort so lange ansteigt, bis ein Ladungsausgleich zwischen intra- uns extrazellulärem Raum erreicht ist.
Nun stellt sich eine Gleichgewichtsspannung ein, welche ein konstantes Membranpotential erzeugt. Die unten stehende Abbildung veranschaulicht diesen Zusammenhang wie folgt:
Expertentipp
Ladungsdifferenzinnen= 0
Ladungsdifferenzaußen= 0
ABER es besteht eine Ladungsdifferenz zwischen innen und außen!
Es besteht eine Ladungsdifferenz zwischen innen und außen!
Das Ruhepotential wird weiterhin aufrechterhalten, da es durch Diffusion einerseits zum Einstrom von Natriumionen und andererseits zum Ausstrom von Kaliumionen kommt. Die Natrium-Kalium-Pumpe führt die vorgesehene Ionenverteilung herbei, indem sie Natriumionen wieder nach außen und Kaliumionen nach innen in die Nervenzelle pumpt.