Ruhepotential

Ionentransport durch die Zellmembran

Die Informationsweiterleitung und -verarbeitung ist an elektrische Vorgänge gekoppelt. Elektrische Vorgänge laufen nur ab, wenn bewegliche Ladungsträger vorhanden sind. In tierischem Gewebe sind dies die Ionen Kalium, Natrium und Chlorid.

Ein ebenso wichtiger Punkt ist die regulierte Durchlässigkeit der beteiligten Membranen für bestimmte Ionen.

Die Ionenverteilung innerhalb und außerhalb der Zelle ist sehr unterschiedlich. So ist die Natriumkonzentration innerhalb der Zelle gering, die Kaliumkonzentration sehr hoch. Auf extrazellulärer Seite ist es genau umgekehrt. Die Na⁺-K⁺-Pumpe sorgt für diesen Zustand.

Übrigens wird ca. 20% des gesamten ATP-Verbrauchs wird dafür verwendet.

Die Lipidmembran stellt eine Barriere für Ionen dar. Sie ist hydrophob, die Ionen in einer hydrophilen Wasserhülle werden abgestoßen. Die Membran besitzt Kanäle um Ionen aufzunehmen. Diese sind selektiv für ein Ion.

Reguliert wird die Ionenaufnahme durch die Größe und Ladungsverhältnisse des Kanals. Die Membran selbst ist semi-permeabel, da nicht alle Stoffe ungehindert in die Zelle eindringen können.

Zelle: Zellinnenraum (Cytoplasma) und Zellzwischenraum unterscheiden sich in ihrer Ionenzusammensetzung. Hier bezeichnet man die entstehende Spannung als Membranpotential.

Die Mess-Einheit ist Volt.

Das Ruhepotential

Die Untersuchungen zum Ruhepotential wurden sehr gut an den Riesenaxonen des Tintenfisches Loligo untersucht. Mit Hilfe von Mikroelektroden wurden Spannungsmessungen durchgeführt.

Was sind Voraussetzungen für die Ausbildung des Ruhepotentials?

• semipermeable Membran, d.h. diese Membran lässt nur ganz bestimmt Ionen durch.
  
  • Die Zellmembran ist permeabel für Kalium-Ionen, nicht für Cl^- oder nur wenig für Na⁺.

Start: Konzentration Zellzwischenraum -> Kalium = 0

Diese Semipermeabilität führt dazu, dass Kalium in den Zellzwischenraum einwandert, die Konzentration der Kalium-Ionen steigt so lange an, bis diese innen und außen gleich ist....das Membranpotential bleibt dann konstant (= Gleichgewichtsspannung).

Gleichzeitig sorgt die Mischung der innen bzw. aussen vertretenen Ionen für einen Ladungsausgleich. Der „versuchte“ Konzentrationsausgleich der Kaliumionen kann nur solange stattfinden, wie der Ladungsausgleich dies zulässt! Die unten gezeigte Abbildung versucht dies bildlich zu beschreiben! Lesen Sie dazu die Bildunterschrift.

Abbildung: Ionenverteilung an der Nervenzellmembran und Entstehung des Ruhepotentials durch Diffusion von Kaliumionen. Der dunkelgraue Pfeil steht für das Bestreben zum Konzentrationsausgleich, der hellgraue Pfeil für das Bestreben zum Ladungsausgleich.

Aufrechterhaltung des Ruhepotentials:

Durch Diffusion kommt es zum Einstrom von Natriumionen, gleichzeitig zum Austrom von Kaliumionen. Die Natrium-Kalium-Pumpe sorgt für die Aufrechterhaltung der Ionenverteilung, indem Sie Natriumionen wieder nach außen, Kaliumionen nach innen in die Nervenzelle pumpt.