Die Bioelektrizität ist ein fundamentales Prinzip in der Funktionsweise von Nervenzellen. Das Ruhepotential einer Nervenzelle ist ein komplexer elektrochemischer Zustand, der für die Funktion des Nervensystems entscheidend ist. Es wird durch die ungleiche Verteilung von Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle sowie die selektive Durchlässigkeit der Zellmembran aufrechterhalten. Eine Nervenzelle ist hochspezialisiert für die Aufnahme und Weiterleitung elektrischer Erregungen.
Die Struktur einer Nervenzelle
Der Zellkörper (Soma) enthält den Zellkern und ist der Ort der Proteinsynthese. Von ihm gehen verzweigte Fortsätze, die Dendriten, aus, die Signale von anderen Nervenzellen empfangen. Die Myelinscheide, bestehend aus Schwann-Zellen oder Oligodendrozyten, umhüllt das Axon und dient der elektrischen Isolation. Am Ende des Axons befinden sich die Endknöpfchen, die Teil der Synapse sind. Die Struktur einer Nervenzelle ermöglicht es ihr, Reize aus der Umwelt aufzunehmen, in elektrische Signale umzuwandeln und diese effizient weiterzuleiten. Dies bildet die Grundlage für die komplexe Informationsverarbeitung im Nervensystem.
Grundlagen des Ruhepotentials
Das Ruhepotential (auch Ruhepotenzial, Ruhemembranpotential) bezeichnet das Membranpotential einer Zelle, die nicht erregt ist. Es ist negativ und beträgt bei Nervenzellen ungefähr -70 mV. Das Ruhepotential einer Nervenzelle beträgt typischerweise etwa -70 mV.
Ionenverteilung und Konzentrationsgradienten
Sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle sind jeweils positive und negative Ionen vorhanden. Über die Membran hinweg gibt es ein Konzentrationsgefälle (Konzentrationsgradient) der verschiedenen Ionen. Die Ionen streben aufgrund der Brown'schen Molekularbewegung ein Teilchengleichgewicht an und tendieren dazu, sich gleichmäßig zu verteilen. Sie streben also nach einem Konzentrationsausgleich.
Die Rolle der Membranpermeabilität
Ob die Bewegung der jeweiligen Ionen entlang des Konzentrationsgefälles möglich ist, hängt von der Membranpermeabilität ab. Im Ruhezustand ist die Zellmembran vor allem für Kalium-Ionen und eventuell für Chlorid-Ionen durchlässig. 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. Im Ruhezustand sind die Natriumkanäle in der Membran geschlossen.
Lesen Sie auch: Alles über Neuronen
Das Gleichgewichtspotential
Bewegen sich zum Beispiel die positiv geladenen K+-Ionen aus der Zelle heraus, nimmt die Ladung innerhalb der Zelle ab. Das kannst du gleichsetzen mit einer Spannung über der Zellmembran. 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. Zwischen diesen zwei Kräften stellt sich irgendwann ein Gleichgewicht ein. Das entstehende Potential entspricht dann dem Gleichgewichtspotential des jeweiligen Ions. Das Ruhemembranpotential wird hauptsächlich durch das Gleichgewichtspotential von Kalium bestimmt.
Die Natrium-Kalium-Pumpe: Ein Schlüsselakteur
Trotzdem kann Natrium in gewissen Mengen durch die Membran in die Zelle strömen. 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. die Spannung aufrecht. Die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials wird durch die Aktivität der Natrium-Kalium-Pumpe gewährleistet.
Funktionsweise der Natrium-Kalium-Pumpe
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 Natrium-Kalium-Ionenpumpe sorgt für einen Transport der Natriumionen aus der Zelle heraus, und der Kaliumionen in die Zelle hinein. Dadurch wird das Ungleichgewicht der Natrium- und Kaliumionen aufrechterhalten. Um dies zu verhindern, pumpt die Natrium-Kalium-Pumpe pro Durchgang drei Natriumionen über die Zellmembran nach außen und zwei Kaliumionen nach innen. Dadurch wird netto eine positive Ladung in den extrazellulären Raum abgegeben und das Ruhepotential bleibt negativ. Da dies entgegen des Konzentrationsgradienten der beiden Ionen geschieht, benötigt die Natrium-Kalium-Pumpe dafür Energie. Diese wird in Form von ATP zur Verfügung gestellt. Ca. 20% der gesamten ATP-Produktion werden für den Erhalt dieses Zustandes aufgewendet.
Die Bedeutung von Ionenkanälen
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. So ist festzuhalten, dass Biomembranen permeabel für Kaliumionen, bedingt für Natriumionen, nicht aber für Chloridionen sind.
Selektive Permeabilität
Die Axonmembran ist permeabel für Kaliumionen, bedingt für Natriumionen und für Chloridionen. 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.
Lesen Sie auch: Gehirn und Nerven natürlich unterstützen
Aufrechterhaltung des Ruhepotentials
Das Ruhepotential wird weiterhin aufrechterhalten, da es durch Diffusion einerseits zum Einstrom von Natriumionen und andererseits zum Ausstrom von Kaliumionen kommt.
Der Einfluss von Kaliumionen
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.
Messung des Ruhepotentials
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.
Das Ruhepotential als messbare Spannung
Das Ruhepotential ist eine messbare Spannung zwischen dem Inneren einer ruhenden Nervenzelle, und der extrazellulären Flüssigkeit die die Nervenzelle umgibt. Grund dafür sind unterschiedliche Konzentrationen verschiedener Ionen und Anionen im intra- und extrazellulären Raum der Nervenzelle.
Das Ruhepotential im Kontext der Nervenzellerregung
In unerregtem Zustand ist das Cytoplasma einer Zelle gegenüber ihrer Umgebung negativ geladen. Das Ruhepotential beschreibt den inaktiven Zustand einer Zelle. Die Ionenverteilung an der semipermeablen Zellmembran ist der Grund für eine ungleiche Ladungsverteilung. Das Ruhepotential wird benötigt, um durch Spannungsänderungen Informationen in den Zellen weitergeben zu können.
Lesen Sie auch: Vertiefung der Neurobiologie
Vom Ruhepotential zum Aktionspotential
Ändert sich die Spannung an der Membran einer erregbaren Zelle, kommt es zum sogenannten Aktionspotential. Bevor es mit dem Aktionspotenzial losgeht, befindet sich die Membran normalerweise im Ruhezustand, das Membranpotenzial liegt also bei -70 mV und wird als Ruhepotenzial bezeichnet.
Die funktionelle Bedeutung des Ruhepotentials
Das Ruhepotential ist eine funktionelle Voraussetzung für die Ausbildung eines Ruhepotentials ist die richtungsabhängige, selektive Permeabilität der Zellmembranen.
Tabelle: Ionenverteilung innerhalb und außerhalb der Zelle
| 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
tags: #natura #oberstufe #ruhepotential