Das Ruhepotential
Merke
Das Vorliegen von unterschiedlichen Ladungen außerhalb und innerhalb der unerregten Zellmembran wird als Ruhepotential bezeichnet.
Das Membranpotential ist zell- und umgebungsabhängig. Es beträgt etwa -70 bis -90 mV. Da dieses Potential anliegt, wenn die Zelle keinen Nervenimpuls weiterleitet, sich also in Ruhe (OFF) befindet, wird es als Ruhepotential bezeichnet. Untersuchungen hierzu wurden mithilfe von (spannungsmessenden) Mikroelektroden an den Riesenaxonen des Tintenfisches Loligo durchgeführt.
Funktionelle Voraussetzung für die Ausbildung eines Ruhepotentials ist die richtungsabhängige, selektive Permeabilität der Zellmembranen: Die Axonmembran ist permeabel für Kaliumionen, bedingt für Natriumionen und für Chloridionen.
Tabelle: Ionenverteilung innerhalb und außerhalb der Zelle (verändert übernommen aus „Medi-Learn Skriptenreihe Physiologie Teil 3“)
Werte [mmol/l] | Natriumionen (Na+) | Kaliumionen (K+) | Chloridionen (Cl-) | Hydrogencarbonat (HCO3-) | Calicium (Ca2+) | Organische Anionen (A-) |
Axonmembran Membran-Außenseite | 143 | 4,5 | 105 | 25 | 1,5 | - |
Axonmembran Membran-Innenseite | 14 | 150 | 3,5 | 10 | 0,00015 | 155 |
Dabei sind drei Verhältnisse besonders auffällig:
[Na+] (innen/außen) = 1 : 10
[K+] (innen/außen) = 30 : 1
[Ca2+] (innen/außen) = 1 : 1000
Permeabilität der Axonmembran für bestimmte Ionen:
relative Permeabilität der Membran gegenüber ... | Natriumionen (Na+) | Kaliumionen (K+) | Chloridionen (Cl-) | organischen Anionen (A-) |
| 0,04 | 1,0 | 0,45 | 0 |
Merke
Semipermeable Membran ist Grundlage des Ruhepotentials als auch der Erregungsweiterleitung.
Zu Beginn beträgt die Kaliumkonzentration im extrazellulären Raum Null. 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- und 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
Ladungsdifferenzaußen= 0
ABER 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 hält die für das Ruhepotential benötigte Ionenverteilung aufrecht, indem sie Natriumionen wieder nach außen und Kaliumionen nach innen in die Nervenzelle pumpt. Die Konzentration der Kaliumionen bestimmt maßgeblich das Ruhepotential.
Für das Zustandekommen dieses Gleichgewichtspotentials sind zusammenfassend also zwei Kräfte verantwortlich: der Konzentrationsgradient und der Ladungsausgleich.
- Der Konzentrationsgradient strebt einen Ausgleich an, sodass auf beiden Seiten gleich viele Ionen vorhanden sind, also gleiche Konzentrationen vorherrschen.
- Das Ladungsausgleich hingegen ist bestrebt, gleiche Ladungsträger durch Abstoßung zu trennen und gegensätzliche anzuziehen, also einen Ladungsausgleich zu erreichen.
Das Gleichgewicht zwischen beiden Kräften führt zur Ausbildung des Ruhepotentials.
Merke
Das Membranpotential, bei dem die Neigung der Kaliumionen besteht, aufgrund des Konzentrationsgefälle aus der Zelle zu diffundieren, wird durch das durch die Ladungstrennung entstandene negative elektrische Potential, welches diese in die Zelle zurückzieht, kompensiert. Dieses wird als Kalium-Gleichgewichtspotential bezeichnet und stellt hauptsächlich das Ruhepotential dar.
Wie wird das Ruhepotential gemessen?
Mit Hilfe von zwei Mikroelektroden können Sie das Ruhepotential experimentell bestimmen. Eine der beiden Mikroelektroden, die Messelektrode, wird in die Zelle hineingestochen, die zweite, die Bezugselektrode, wird von außen an die Zelle gehalten. Per Definition ist der Spannungswert „außen“ mit Null (0 V) anzugeben. Über ein Voltmeter kann nun die Spannungsdifferenz von außen (per Definition 0 mV) und innen (bei Säugetieren meist – 70 mV) gemessen werden.
Definitionsgemäß ist diese Spannung als Spannungsunterschied über die Membran zu verstehen.
Negatives Vorzeichen: Das Zellinnere ist negativ geladen.
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