Das Ruhepotential ist ein grundlegendes Konzept in der Neurophysiologie und essenziell für das Verständnis, wie Nervenzellen Informationen verarbeiten und weiterleiten. Es beschreibt den elektrischen Zustand einer Nervenzelle, wenn sie sich nicht aktiv an der Signalübertragung beteiligt. Dieser Artikel beleuchtet detailliert die Entstehung, Aufrechterhaltung und Bedeutung des Ruhepotentials.
Einführung in das Ruhepotential
Das Ruhepotential ist die elektrische Spannung, die zwischen dem Inneren und Äußeren einer Nervenzelle (Neuron) besteht, wenn sich die Zelle im Ruhezustand befindet. Diese Spannung beträgt typischerweise etwa -70 Millivolt (mV). Das Minuszeichen zeigt an, dass das Innere der Zelle im Vergleich zum Äußeren negativ geladen ist. Dieses Potential ist nicht statisch, sondern ein dynamisches Gleichgewicht, das durch verschiedene Faktoren aufrechterhalten wird.
Die Bedeutung des Ruhepotentials
Das Ruhepotential ist elementar wichtig für die Reizübertragung im menschlichen Körper. Es ermöglicht die schnelle und gezielte Weiterleitung von elektrischen Signalen in den Nervenzellen. Ohne das Ruhepotential könnten Nervenzellen keine Aktionspotentiale erzeugen und somit keine Informationen übertragen.
Entstehung des Ruhepotentials
Die Entstehung des Ruhepotentials ist ein komplexer Prozess, der auf der ungleichen Verteilung von Ionen zwischen dem Zellinneren und dem Zelläußeren beruht. Diese Ionenverteilung wird durch verschiedene Mechanismen aufrechterhalten:
Ungleiche Ionenverteilung
- Kaliumionen (K⁺): Im Zellinneren befindet sich eine hohe Konzentration an Kaliumionen, während die Konzentration außerhalb der Zelle gering ist.
- Natriumionen (Na⁺): Außerhalb der Zelle ist die Konzentration an Natriumionen hoch, während sie im Zellinneren niedrig ist.
- Chloridionen (Cl⁻): Die Chloridionenkonzentration ist außerhalb der Zelle höher als im Inneren.
- Organische Anionen (A⁻): Im Zellinneren befinden sich große, negativ geladene organische Moleküle, die die Zellmembran nicht passieren können.
Rolle der Zellmembran
Die Zellmembran ist selektiv permeabel, d.h. sie lässt bestimmte Ionen leichter passieren als andere. Dies wird durch Ionenkanäle und Transportproteine ermöglicht, die in die Membran eingelagert sind.
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Kaliumionenkanäle
In der Membran einer Nervenzelle gibt es verschiedene Proteine eingelagert. Um das Ruhepotenzial verstehen zu können, sind zwei Proteine besonders wichtig, nämlich einerseits die ständig geöffneten Kaliumionenkanäle. Die Kaliumionenkanäle sind Proteine, die es nur Kaliumionen gestatten, durch sie hindurch zu wandern und so die Seiten der Membran zu wechseln. Das geht in beide Richtungen. Durch diese Kanäle wandern Kaliumionen aufgrund des Konzentrationsgefälles ständig von innen nach außen. Dadurch kommt es zu einem ständigen Hin- und Herwandern von Kaliumionen durch die ständig geöffneten Kaliumionenkanäle. Aber irgendwann entsteht eine Situation, in der die Ionen zwar immer noch hin- und herwandern, sich aber an der Gesamtkonzentration der Kaliumionen innen zu außen nichts ändert, weil immer dann, wenn gerade ein Kaliumion die Zelle durch einen Kanal verlässt ein anderes Kaliumion durch einen anderen Kanal von außen ins Zellinnere gelangt. In dieser Situation liegt also ein dynamisches Gleichgewicht vor. Ein Gleichgewicht ist es, weil sich unter dem Strich an der Menge der Kaliumionen innen zu außen nichts verändert, und dynamisch ist es, weil ja immer noch die Kaliumionen hin- und herwandern.
Natrium-Kalium-Pumpe
Andererseits die Natrium-Kaliumionenpumpe. Die Natrium-Kaliumionenpumpe ist dagegen ein Protein, das durch den Einsatz von Energie (in Form von ATP) aktiv Natriumionen aus dem Zellinneren nach außen und Kaliumionen von außen nach innen befördert. Das passiert gleichzeitig, ist also ein primär aktiver Antiport. Dabei ist es jedoch so, dass die Pumpe immer drei Natriumionen hinausbefördert, aber nur zwei Kaliumionen hineinbringt. Da Natrium- und Kaliumionen beide einfach positiv geladen sind, verschiebt sich durch die Aktivität der Natrium-Kaliumionenpumpe das Ladungsverhältnis auf den beiden Seiten der Membran. Innen findest du als negative Gegenionen vor allem Chloridanionen, aber auch negativ geladene Proteine. Die Proteine können aufgrund ihrer Größe die Membran nicht überwinden. Die Chloridanionen können dies durch ihre Ladung nicht. Dadurch, dass die Natrium-Kaliumionenpumpe also mehr positive Ladungsträger nach außen schafft, passieren zwei Dinge gleichzeitig: Einmal entsteht an der Membran ein Ladungsgradient, weil es irgendwann außen mehr positive Ladungsträger als innen gibt (wohingegen innen mehr negative Ladungsträger als außen zu finden sind). Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert Natriumionen aus der Zelle heraus und Kaliumionen in die Zelle hinein. Sie arbeitet gegen das Konzentrationsgefälle und verhindert einen Ladungsausgleich. Würde die Natrium-Kalium-Pumpe ausfallen, wäre die Zelle für immer kaputt. Die Natrium-Kalium-Pumpe liegt in der Zellmembran. Wie die Natrium-Kalium-Pumpe ein Ruhepotential aufrechterhält, weißt du jetzt.
Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Protein in der Zellmembran, das Natrium-Ionen (Na⁺) aus der Zelle hinaus und Kalium-Ionen (K⁺) in die Zelle hinein transportiert. Energieverbrauch: Die Pumpe betreibt einen primär aktiven Transport, bei dem sie Teilchen vom Ort niedriger zum Ort höherer Konzentration transportiert. Dieser Vorgang benötigt Energie, wofür die Pumpe jedes Mal ein Adenosintriphosphat (ATP) abspaltet. einer Zelle herrscht ein Konzentrationsgefälle. Denn in der Zelle befinden sich viele Kaliumionen, außerhalb jedoch nicht. Genauso gibt es außerhalb der Zelle viele Natriumionen, aber innen nicht. In Ruhe sind die Kaliumionenkanäle in der Zellmembran geöffnet. Gleichzeitig gibt es sogenannte Na+ Leckströme. Das sind Ströme von Natriumionen direkt durch die Membran. Die Ionen bewegen sich also von außerhalb der Zelle in ihr Inneres, um das Konzentrationsgefälle auszugleichen. ist allerdings wichtig. Um diesem Ladungsausgleich entgegenzuwirken, gibt es die Natrium-Kalium-Pumpe. Sie transportiert Na+ Ionen aus der Zelle heraus und K+ Ionen in die Zelle zurück. Sie pumpt die Ionen also entgegen ihres Konzentrationsgradienten und wirkt aktiv einem Ladungsausgleich entgegen. In der Zelle werden von der Pumpe drei positive Ladungen entfernt und nur zwei positive Ladungen wieder hinzugefügt. Bei jedem Transport nimmt die Gesamtladung innerhalb der Zelle also um eins ab. bindet an seine Bindungsstelle am innenliegenden Teil des Proteins. ATP wird gespalten (hydrolysiert). Übrig bleibt ADP (Adenosindiphosphat) und ein Phosphatrest. Die freigesetzte Energie führt dazu, dass die Natrium-Kalium-Pumpe ihre räumliche Struktur ändert (Konformationsänderung). Der Phosphatrest wird abgespalten. Die Kaliumionen lösen sich aus der Bindestelle und gelangen ins Cytoplasma (Zellinnere).
Zusammenspiel der Faktoren
Das Ruhepotential entsteht durch das Zusammenspiel dieser Faktoren:
- Die Natrium-Kalium-Pumpe erzeugt und erhält die Konzentrationsgradienten für Natrium- und Kaliumionen.
- Die selektive Permeabilität der Membran für Kaliumionen ermöglicht den Ausstrom von K⁺-Ionen entlang ihres Konzentrationsgradienten, wodurch das Zellinnere negativ geladen wird.
- Die großen, negativ geladenen organischen Anionen im Zellinneren tragen zusätzlich zur negativen Ladung bei.
Aufrechterhaltung des Ruhepotentials
Das Ruhepotential ist kein statischer Zustand, sondern ein dynamisches Gleichgewicht, das ständig aufrechterhalten werden muss. Die Natrium-Kalium-Pumpe spielt dabei eine entscheidende Rolle. Sie gleicht die Leckströme von Natriumionen in die Zelle und Kaliumionen aus der Zelle aus, die durch die Ionenkanäle entstehen. Ohne die Natrium-Kalium-Pumpe würde sich die Ionenverteilung im Laufe der Zeit verändern, und das Ruhepotential würde abnehmen.
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Einfluss von Kalium auf das Ruhepotential
Die Erhöhung der Kaliumkonzentration im Außenmedium führt dazu, dass das Ruhepotential positiver wird. Bei einer Zugabe von KCl wandern positive K+-Ionen ins Zellinnere und neutralisieren dort negative organische Ionen. Umgekehrt führt eine Verdünnung der Außenkonzentration, etwa durch destilliertes Wasser, zu einem verstärkten Ausstrom von K+-Ionen, wodurch das Ruhepotential negativer wird.
Hemmung der Natrium-Kalium-Pumpe
Wenn die Natrium-Kalium-Pumpe gehemmt wird, zum Beispiel durch Blausäure oder Sauerstoffmangel, kann kein ATP mehr gebildet werden. Ohne Energie funktioniert die Pumpe nicht mehr, wodurch Natriumionen in der Zelle akkumulieren und nicht mehr nach außen transportiert werden können. Das Ruhepotential wird dadurch positiver (sinkt), da sich die Ionenverteilung Ruhepotential ändert und das elektrochemische Gleichgewicht gestört wird.
Das Aktionspotential
Das Ruhepotential ist die Voraussetzung für die Entstehung von Aktionspotentialen. Ein Aktionspotenzial ist ein kurzer, elektrischer Impuls, der entlang einer Nervenzelle weitergeleitet wird. Es entsteht, wenn eine Reizschwelle überschritten wird und die Ionenverteilung an der Zellmembran des Axons sich kurzzeitig verändert. Dadurch wird die elektrische Spannung in der Zelle umgekehrt. Das Aktionspotenzial dient der schnellen Informationsübertragung im Nervensystem. Es findet in den Neuronen statt - genauer gesagt entlang ihres Axons - und ermöglicht es, Reize z. B. Schon gesehen?Testsammlung für Mathe, 5. Testsammlung für Mathematik der 5. Warum ist das Aktionspotential wichtig? Das Aktionspotenzial ist elementar wichtig für die Reizübertragung im menschlichen Körper. Es ermöglicht die schnelle und gezielte Weiterleitung von elektrischen Signalen in den Nervenzellen.
Ablauf eines Aktionspotentials
- Ruhepotenzial: Die Nervenzelle befindet sich in einem ruhenden Zustand bei etwa -70 mV.
- Reizaufnahme: Reize werden von den Dendriten aufgenommen. Wichtig: Der Reiz muss über dem Schwellenwert (ca. -50 mV) liegen, um ein Aktionspotenzial auszulösen. Hier gilt das „Alles-oder-Nichts-Prinzip“: Wird der Schwellenwert nicht erreicht, folgt keine Reaktion.
- Depolarisation: Wird der Schwellenwert überschritten, öffnen sich Na⁺-Kanäle. Natrium-Ionen strömen in die Zelle, das Zellinnere wird positiv - es kommt zur Umpolung.
- Repolarisation: Kurz danach schließen sich die Na⁺-Kanäle und K⁺-Kanäle öffnen sich. Kalium-Ionen strömen aus der Zelle. Dadurch wird das Zellinnere wieder negativer.
- Hyperpolarisation: Die K⁺-Kanäle schließen sich nur verzögert (nach ca. 1-2 ms). In dieser Zeit fließen weitere K⁺-Ionen aus der Zelle, sodass die Spannung unter das Ruhepotenzial sinkt.
- Refraktärzeit: Während dieser kurzen Phase (ca. 2 ms) ist kein neues Aktionspotenzial möglich. Die Na⁺-Kanäle sind inaktiv.
- Rückkehr zum Ruhepotenzial: Die Natrium-Kalium-Pumpen stellen das ursprüngliche Ruhepotenzial von -70 mV wieder her.
Experimentelle Untersuchungen zum Ruhepotential
Versuche mit Spannungsmessern (Voltmeter) zeigen, dass in einer ruhenden Nervenzelle eine Spannung von etwa -70 mV messbar ist. Dies bestätigt, dass das Innere der Zelle im Vergleich zum Äußeren negativ geladen ist. Weitere Experimente können den Einfluss von Ionenkonzentrationen und die Funktion der Natrium-Kalium-Pumpe auf das Ruhepotential verdeutlichen.
Klinische Relevanz
Störungen des Ruhepotentials können zu neurologischen Erkrankungen führen. Beispielsweise können bestimmte Nervengifte die Funktion der Ionenkanäle oder der Natrium-Kalium-Pumpe beeinträchtigen und somit die Erregungsleitung in Nervenzellen stören. Auch bei Multipler Sklerose spielen Veränderungen der Ionenkanäle eine Rolle.
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