Das Ruhepotential ist ein grundlegendes Konzept in der Neurobiologie und spielt eine entscheidende Rolle für die Funktion von Nervenzellen. Es beschreibt den elektrischen Zustand einer Zelle in Ruhe, also wenn sie nicht aktiv an der Signalübertragung beteiligt ist. Dieses Potential ermöglicht es Nervenzellen, auf Reize zu reagieren und Informationen weiterzuleiten.
Einführung in das Ruhepotential
Das Ruhepotential (auch Ruhemembranpotential genannt) ist das Membranpotential einer Zelle, die sich nicht im erregten Zustand befindet. Es ist negativ und beträgt bei Nervenzellen etwa -70 mV. Dieses Potential entsteht durch eine ungleiche Verteilung von Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle.
Die Ionenzusammensetzung innerhalb und außerhalb der Zelle
Innerhalb und außerhalb unserer Zellen kommen verschiedene Ionen vor, wie Natrium- ($Na^+$), Kalium- ($K^+$) oder Chloridionen ($Cl^-$). Im Zytoplasma einer Zelle herrscht eine hohe Konzentration an positiv geladenen Kaliumionen ($K^+$) und negativ geladenen Anionen (A-), wie Protein- und Aminosäureionen. Außerhalb der Zelle befinden sich vor allem positiv geladene Natriumionen ($Na^+$) und negativ geladene Chloridionen ($Cl^-$) unmittelbar an der Membran.
Mechanismen der Entstehung des Ruhepotentials
Die Entstehung und Aufrechterhaltung des Ruhepotentials beruht auf mehreren Faktoren:
1. Chemischer Gradient
Die Ionen streben aufgrund der Brown'schen Molekularbewegung ein Teilchengleichgewicht an. Das bedeutet, sie tendieren dazu, sich gleichmäßig zu verteilen. Über die Membran hinweg gibt es ein Konzentrationsgefälle (Konzentrationsgradient) der verschiedenen Ionen. Sie streben also nach einem Konzentrationsausgleich.
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2. Elektrischer Gradient
Nicht nur Teilchen, sondern auch elektrische Ladungen tendieren zu einem Ausgleich. Die ungleiche Verteilung von Ionen erzeugt eine elektrische Spannung über der Zellmembran. 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.
3. Selektive Permeabilität der Zellmembran
Die Zellmembran ist semipermeabel, d.h. sie ist nicht für alle Ionen gleich durchlässig. Die Lipiddoppelschicht ist nur für kleine Ionen durchlässig. Große Ionen wie zum Beispiel Aminosäureionen benötigen eigene Transporter, um die Zellmembran zu passieren. Allerdings benötigt die Zelle diese negativ geladenen Ionen für verschiedene Zwecke und behält diese im Cytoplasma. Kaliumionen, Natriumionen und Chloridionen können die Zellmembran durch Ionenkanäle passieren. 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. Die Membranpermeabilität bestimmt, inwieweit der Ausgleich der Ionen entlang des Konzentrationsgefälles möglich ist.
4. Natrium-Kalium-Pumpe
In der Zellmembran befinden sich zusätzlich zu Ionenkanälen auch Ionenpumpen, welche für den aktiven Transport bestimmter Ionen über die Membran zuständig sind. Für den aktiven Transport wird Energie, meistens in Form von ATP, benötigt. 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. Im Ruhezustand sind die Natriumkanäle in der Membran geschlossen. 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 Rolle der Kaliumionen
Das Ruhemembranpotential wird hauptsächlich durch das Gleichgewichtspotential von Kalium bestimmt. Da die Zellmembran für Kaliumionen durchlässig ist, können diese von der Seite mit höherer Teilchendichte auf die Seite mit weniger Teilchen diffundieren. Sie wandern also vom Cytoplasma in den extrazellulären Raum. Die Triebkraft, mit der sich die Kaliumionen bewegen, nennt man chemisches Potential. Da die Kaliumionen aber positiv geladen sind, verändert sich auch das elektrische Feld auf beiden Seiten der Membran. Das Cytoplasma verliert an positiven Ionen und wird dadurch negativer. Man redet hier von einer Änderung der elektrischen Potentialdifferenz. Da die negativ geladenen Ionen die Membran nicht passieren können, kommt es zur Ionentrennung und es entsteht eine elektrische Spannung. Der elektrische Gradient wirkt dem chemischen Gradienten entgegen. Der Ausstrom der Kaliumionen verringert sich, da weniger positiv geladene Kaliumionen in den positiven extrazellulären Raum wollen. Zusätzlich wollen die Kaliumionen aus dem extrazellulären Raum wieder zurück in das nun negativ geladene Cytoplasma. So pendelt sich die Ionenkonzentration an der Zellmembran ein. Das elektrochemische Gleichgewicht besteht dann, wenn pro Zeiteinheit genauso viele Kaliumionen in die eine wie in die andere Richtung fließen. Das Ganze ist also kein statischer Zustand, da die Teilchen immer in Bewegung sind. Die Spannung des elektrochemischen Gleichgewichts ist also nichts anderes als das Ruhepotential.
Das elektrochemische Gleichgewicht lässt sich mit der Nernst-Gleichung beschreiben:
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Diese lässt sich für das Gleichgewichtspotential an der Zellmembran vereinfachen zu:
Dabei ist ze die Anzahl der übertragenen Elektronen und c die Konzentration der Kaliumionen.
Aufrechterhaltung des Ruhepotentials
Neben den Kaliumionen tragen die Natrium- und Chloridionen ebenfalls zur Aufrechterhaltung des Ruhepotentials bei. Aufgrund des Konzentrationsgefälles diffundieren Chloridionen von der Außenseite der Membran in das Zellinnere. Dies geschieht aber nur in geringem Maße, da die Zellmembran zum einen nur schwach permeabel für Chloridionen ist. Zum anderen ist die Membraninnenseite ohnehin schon negativ geladen. Dennoch erhöht diese Ladungsverteilung die Potentialdifferenz. Genauso verhält es sich mit den Natriumionen. Sie diffundieren entlang ihres Konzentrationsgradienten auch von außen nach innen. Da diese aber positiv geladen sind, wird die Potentialdifferenz dadurch verringert. Diese Wanderung von Natriumionen nennt man Natrium-Leckstrom. Dieser erhöht die positiven Ladungen in der Zelle und veranlasst die Kaliumionen wiederum aus der Zelle auszuströmen (Kalium-Leckstrom). Dies würde auf Dauer zu einem positiven Ruhepotential führen. 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.
Ruhepotential in Nervenzellen
Die oben beschriebene Theorie gilt für alle erregbaren Zellen. Dies sind vor allem Nervenzellen und Muskelzellen. Das Ruhepotential in erregbaren Zellen beträgt:
- Nervenzellen: -70 mV
- Herz- und Skelettmuskelzellen: -90 mV
- Glatte Muskelzellen: -50 mV
Das Ruhepotential gilt für die gesamte Zellmembran einer Nervenzelle. Es ist also im Zellkörper, im Axon und an der Synapse identisch. Zudem ermöglicht es die Aktivierung eines Aktionspotentials in der Nervenzelle. Erst durch die Änderung der negativen in eine positive Spannung kann die Zelle erregt und Informationen weitergegeben werden.
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Die Bedeutung des Ruhepotentials für die Erregbarkeit von Zellen
Nur die Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials gewährleistet, dass erregbare Zellen durch die Einwirkung eines Reizes auch erregt werden können. Ändert sich die Spannung an der Membran einer erregbaren Zelle, kommt es zum sogenannten Aktionspotential. Das Ruhepotential beschreibt das Membranpotential einer ruhenden Zelle. Dieser Zustand der Ruhe kann durch eine zeitlich begrenzte Erregung geändert werden. Dann spricht man von einem Aktionspotential. In unerregtem Zustand ist das Cytoplasma einer Zelle gegenüber ihrer Umgebung negativ geladen.
Das Aktionspotential als Folge einer Veränderung des Ruhepotentials
Sinkt die Potenzialdifferenz durch einen Reiz unter einen bestimmten Schwellenwert (ca. -50 mV), dann öffnen sich schlagartig für ca. 1 ms die Natriumkanäle. $Na^+$-Ionen diffundieren gemäß dem Konzentrationsgefälle (und Ladungsverhältnissen) in das Zellinnere. Dabei kommt es kurzzeitig zu einem Überschuss an positiven Ladungen im Zellinneren gegenüber dem Außenmilieu. Es kommt zu einer Umpolung auf ca. +40 mV innen. Es entsteht ein Aktionspotenzial (AP). Nach einer Millisekunde schließen sich die Natriumkanäle wieder und spannungsgesteuerte Kaliumkanäle öffnen sich. $K^+$-Ionen diffundieren gemäß dem Konzentrationsgefälle nach außen, bis die frühere Potenzialdifferenz von -70 mV nach kurzzeitiger Hyperpolarisierung wieder erreicht ist.
Neuere Forschung: Lichtgesteuerte Neuromodulation
Der gentechnische Einbau von lichtgesteuerten Ionenkanälen und Ionenpumpen in die Membranen von Nervenzellen ermöglicht eine millisekundengenaue reversible Aktivierung und Inaktivierung von spezifischen Nervenzellenpopulationen. So lassen sich funktionelle Zusammenhänge zwischen verschiedenen Gruppen von Neuronen aufspüren, die bisherigen Methoden nicht zugänglich waren.
Methodische Probleme der Neuromodulation
Üblicherweise aktivieren Neurophysiologen Nervenzellen durch Mikroelektroden, über die kurzzeitig elektrische Felder erzeugt werden. In den Nervenzellen in der Umgebung der Elektrode werden dadurch Aktionspotenziale ausgelöst. Obwohl sich diese Aktionspotenziale zeitlich präzise auslösen lassen, ist es kaum möglich, bestimme Nervenzellpopulationen spezifisch zu aktivieren, da nicht nur alle Nervenzellen am Ort der Reizung aktiviert werden, sondern auch die Axone von weit entfernt liegenden Neuronen, die den Reizort passieren. Darüber hinaus ist es für funktionelle Untersuchungen ebenso interessant, Nervenzellen spezifisch zu inaktivieren und dies ist durch elektrische Reizung nur schwer möglich. Um lokal Nervenzellen zu inaktivieren werden daher hemmende Neurotransmitter wie Glycin eingesetzt. Allerdings lässt sich die räumliche Ausdehnung der Freisetzung kaum gezielt kontrollieren und es werden wie bei der elektrischen Reizung unspezifisch alle Nervenzellen am Ort der Transmitterfreisetzung beeinflusst.
Neuromodulation durch Licht
Die Forscher Feng Zhang und Li-Ping Wang der Universität Stanford fanden einen eleganten Weg um die oben beschriebenen methodischen Probleme zu lösen: Mit gentechnischen Methoden bauten sie lichtgesteuerte Ionenkanäle und Ionenpumpen in Nervenzellen ein. Sie verwendeten das Channelrhodopsin-2 (ChR2), ein Kationenkanal aus der Grünalge Chlamydomonas reinhardtii, der durch blaues Licht (Wellenlänge 460 nm) aktiviert wird und das Halorhodopsin aus dem Archaebakterium Natronomonas pharaonis (NpHR), das als Ionenpumpe Chlorid in das Zellinnere transportiert und durch gelbes Licht (580 nm) aktiviert wird. Wird ChR2 in Nervenzellen exprimiert, führt Belichtung mit blauem Licht zu einem schnellen Einstrom von Natrium- und Calciumionen und damit zur Auslösung eines Aktionspotenzials. Durch Expression des NpHR ist es möglich Nervenzellen gezielt zu inaktivieren und die Ausbildung von Aktionspotenzialen zu unterdrücken. Belichtung mit gelbem Licht löst einen Chlorideinstrom in der Nervenzelle aus, der dazu führt das sich die Potenzialdifferenz zwischen Zellinnerem und Außenmilieu vergrößert. Die unterschiedlichen Absorptionsspektren der beiden Proteine, die so gut wie keine Überlappung aufweisen, ermöglicht es, durch Belichtung mit Wellenlängen der jeweiligen Absorptionsmaxima Neurone selbst dann selektiv zu aktivieren und zu inaktivieren, wenn sie beide Proteine exprimieren.
Lichtgesteuerte Neuromodulation in vitro
Die Wissenschaftler fusionierten das NpHR mit einem fluoreszierenden Protein (EYFP) und schleusten das NpHR-Gen mit einem viralen Vektor in kultivierte Hippocampus-Nervenzellen ein. Sie konnten nun mit gelbem Licht einzelne Aktionspotenziale ebenso wie eine ganze Salve von Spikes unterbinden. In einem nächsten Schritt verknüpften sie Channelrhodopsin-2 mit einer rot fluoreszierenden Protein-Variante (mCherry) und koexprimierten den Kanal und die Pumpe in denselben Hippocampus-Neuronen. Tatsächlich war es nun möglich, das Membranpotenzial in ein und demselben Neuron in beide Richtungen zu verändern: Blaue Lichtpulse lösten durch Aktivierung von ChR2 Aktionspotenziale aus, während gelbe Lichtpulse durch Aktivierung von NpHR die Aktionspotenziale löschten.
Damit lassen sich nun natürliche reizkorrelierte Aktionspotenziale künstlich generieren und wiederholen. Da die Wirkung der erregend oder hemmend wirkenden Lichtstrahlen von deren Intensität abhängt, lassen sich die erzielten Effekte quantitativ regulieren, so dass sich beispielsweise überschwellige Erregungen durch geeignet gewählte gelbe Lichtpulse auf unterschwelliges Niveau begrenzen lassen. Wird ChR2 mit einem Fluoreszenzlabel markiert, können durch Licht angeregte Axone und Synapsen im intakten Gehirngewebe identifiziert werden. Diese Technik lässt sich zur Aufklärung der mokularen Ereignisse während der Induktion synaptischer Plastizität einsetzen. Mit Hilfe von ChR2 wurden weitreichende neuronale Bahnen im Gehirn kartiert. Mittlerweile gibt es lichtgetriebene Ionenpumpen, die sich besser zur Inaktivierung von Nervenzellen eignen, weil sie präziser und schneller als NpHR arbeiten. Diese Ionenpumpen transportieren Kationen aus dem Zellinneren nach draußen. Es handelt sich um Arch aus Halorubrum sodomense und Mac aus Leptosphaeria maculans, die spezifisch durch gelbes bzw. blaues Licht aktiviert werden. Das erlaubt den Forscher verschiedene Neuronenpopulationen mit unterschiedlichem Licht zu inaktivieren.
Lichtgesteuerte Neuromodulation in vivo
Eine wichtige Frage war, ob mit diesem System auch das Verhalten eines Tieres in vivo kontrolliert werden kann. Dass sich das Verhalten transgener Tiere, die ChR2 in einem Anteil ihrer Neuronen exprimieren, durch intensive Beleuchtung mit Blaulicht berührungslos kontrollieren lässt, wurde bereits für Nematoden, Taufliegen, Zebrafisch und Mäuse gezeigt. Wird NpHR in Hautmuskelzellen von Caenorhabditis elegans exprimiert, so führte Lichtaktivierung zum unmittelbaren Stopp (innerhalb von 150 Millisekunden) der Schwimmbewegungen. Nach Beendigung des Lichtreizes kehrte der kleine Fadenwurm zu seinem natürlichen Schwimmverhalten zurück. Für die zellspezifische Expression von NpHR wurde der Promotor des Myosins genutzt, das nur in Muskelzellen exprimiert wird. Zur besseren Sichtbarkeit war NpHR mit einem blau fluoreszierenden Protein (ECFP) gekoppelt. Zellen, die NpHR-ECFP exprimieren sind an ihrer Blaufärbung zu erkennen.
Das Transgen wird mit Hilfe von Stereotaxie und einem viralen Vektor, der entweder auf einem Lentivirus oder einem Adeno-assoziierten Virus (AAV) basiert, in die Nervenzellen einer bestimmten Hirnregion gebracht. Die zelltypspezifische Expression des Transgens wird gewährleistet, indem das Transgen unter die Kontrolle eines zelltypspezifischen Promotors gebracht wird. Lentirviren werden in das Genom der Nervenzelle eingebaut. Die AAV sind von einem Adenovirus abhängig (daher "adeno"-assoziierte Viren). Das Helfervirus liefert Proliferationsgene. Ohne die Anwesenheit von Adenoviren integriert AAV beim Menschen auf Chromosom 19. Mit den lichtschaltbaren Proteinen haben die Neurobiologen ein sehr vielseitig anwendbares Werkzeug in der Hand, mit dem sowohl in neuronalen Zellkulturen als auch in transgenen Tieren völlig neuartige Untersuchungen durchgeführt werden können.