Das Ruhepotential nicht erregter Nervenzellen: Entstehung und Bedeutung

Die Neurobiologie befasst sich mit der Struktur und Funktion von Nervenzellen, der Reizweiterleitung und der Kommunikation zwischen Neuronen. Die Reizweiterleitung in Nervenzellen ist ein komplexer Prozess, der auf der Veränderung des elektrischen Potentials der Zellmembran basiert. Das Ruhepotential ist der elektrische Zustand einer Nervenzelle, wenn sie nicht erregt ist. Es ist negativ und beträgt bei Nervenzellen ungefähr -70mV. Dieser Zustand der Ruhe kann durch eine zeitlich begrenzte Erregung geändert werden, wodurch ein Aktionspotential entsteht.

Grundlagen der Membranpotentiale

Um die Ruhepotential Entstehung verstehen zu können, sollte man zunächst die des Membranpotenzials im Allgemeinen verstanden haben, da dieses die Grundlage darstellt. Membranpotentiale entstehen durch die unterschiedliche Verteilung von Ionen zwischen dem Inneren der Zelle (Zytoplasma) und der äußeren Umgebung (extrazelluläre Flüssigkeit). Diese Bereiche sind durch eine semipermeable Zellmembran voneinander getrennt. Die Anionen sowie die Kationen besitzen in diesem Aufbau verschiedene Größen. Die Anionen sind dabei wesentlich größer als die positiv geladenen Teilchen.

Die Zellmembran ist selektiv permeabel, d.h. nicht alle Ionen können sie gleich gut passieren. Dies wird durch Ionenkanäle ermöglicht, die spezifische Poren in der Membran darstellen. Die Membran verfügt auch hier über Kanäle einer bestimmten Größe, die sogenannten Poren. Der Durchmesser dieser erlaubt es den Kaliumionen von Innen nach Aussen durch die Trennung zu laufen. Die anderen Teilchen diffundieren nach der Ruhepotential Definition, wenn überhaupt, nur in geringem Maße durch die Membran ( Größe), wodurch dieser Effekt vernachlässigt werden darf.

Die Ruhepotential Definition

Die Ruhepotential Definition beschreibt die Modellsituation an der unerregten Nervenzelle. Die Membran dieser trennt die Flüssigkeit (innen) von der Gewebsflüssigkeit ( außen), welche über eine charakteristische Zusammensetzung verfügen. Im inneren Teil gibt es viele Kaliumionen ( klein, positiv geladen) sowie organische Anionen ( groß, negativ geladen) . Der äußere Teil, die Flüssigkeit, verfügt über eine charakteristische Anzahl von Chloridionen ( groß, negativ geladen) und Natriumionen ( mittelgroß, positiv geladen).

Das Ruhepotential (auch Ruhepotenzial, Ruhemembranpotential) bezeichnet das Membranpotential einer Zelle, die nicht erregt ist. Es beträgt etwa -70 Millivolt (mV). Es sind sowohl innerhalb als auch außerhalb der Zelle jeweils positive und negative Ionen vorhanden. Das bedeutet, dass die Ladungen dort ausgeglichen sind. Aber wie entsteht das Ruhepotential und wieso verteilen sich die Ionen nicht gleichmäßig? Über die Membran hinweg gibt es ein Konzentrationsgefälle (Konzentrationsgradient) der verschiedenen Ionen. ) und tendieren dazu, sich gleichmäßig zu verteilen. Sie streben also nach einem Konzentrationsausgleich.

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Mechanismen der Ruhepotentialentstehung

Die Entstehung des Ruhepotentials beruht auf mehreren Faktoren:

1. Konzentrationsgradienten: Unterschiedliche Konzentrationen von Ionen (wie Natrium, Kalium und Chlorid) innerhalb und außerhalb der Zelle erzeugen ein chemisches Potential. Die Ionen streben einen Konzentrationsausgleich an.
2. Selektive Permeabilität der Membran: Die Zellmembran ist für verschiedene Ionen unterschiedlich durchlässig. Im Ruhezustand ist sie hauptsächlich für Kaliumionen (K+) durchlässig.
3. Elektrochemischer Gradient: Die Kombination aus Konzentrationsgradient und elektrischer Ladung der Ionen führt zu einem elektrochemischen Gradienten. Bewegen sich zum Beispiel die positiv geladenen K+-Ionen aus der Zelle heraus, nimmt die Ladung innerhalb der Zelle ab. Die Ionen werden von der semipermeablen Membran an einer Gleichverteilung gehindert, denn sie ist nicht für alle Ionen gleich durchlässig. Im Ruhezustand ist die Zellmembran vor allem für Kaliumionen ($K^{+}$) durchlässig, sodass diese hauptverantwortlich für die Entstehung des Ruhepotenzials sind.
4. Natrium-Kalium-Pumpe: Dieses Protein in der Zellmembran transportiert aktiv Natriumionen (Na+) aus der Zelle heraus und Kaliumionen (K+) in die Zelle hinein. Dies geschieht unter Energieverbrauch (ATP) und trägt zur Aufrechterhaltung der Konzentrationsgradienten bei. Obwohl $Na^{+}$-Ionen die Zellmembranen kaum durchdringen können, diffundieren immer wieder $Na^{+}$-Ionen durch sogenannte Leckströme in das Zellinnere. Natrium-Kalium-Pumpen sind Ionenpumpen, die in den Zellmembranen eingebettet sind. Sie befördern unter Energieverbrauch, also unter dem Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP), jeweils drei positiv geladene $Na^{+}$-Ionen aus dem Zellinnenraum heraus und im Gegenzug jeweils zwei positiv geladene $Ka^{+}$-Ionen in die Zelle hinein.

Da die durch das Konzentrationsgefälle ( Diffusionskraft) nach außen wandernden Kaliumionen positiv geladen sind, ensteht ein Spannungsunterschied zwischen Innen-und Außenseite der Mebran, die Spannung auf der Innenseite ist negativ, da viele der positiven K+ Ionen durch die Membran nach außen gegangen sind. Das So enstandene Membranpotenzial ( s. 1.1) an der Nervenzelle nennt man RP. Es hat einen charakteristischen Wert von ca. - 80 mV.

Bedeutung des Ruhepotentials

Das Ruhepotential ist essentiell für die Erregbarkeit von Nervenzellen. Nur die Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials gewährleistet, dass erregbare Zellen durch die Einwirkung eines Reizes auch erregt werden können. Es bildet die Grundlage für die Entstehung von Aktionspotentialen, die für die Reizweiterleitung und die Kommunikation zwischen Nervenzellen unerlässlich sind.

Vom Ruhepotential zum Aktionspotential

Wird die Nervenzelle durch einen äußeren Reiz erregt, gelangt dieser in Form eines geringen Stromes in diese. Allerdings erzeugt nicht jeder Impuls direkt den Aufbau eines APs. Er muss einen bestimmten Schwellenwert erreichen, um ein solches auslösen zu können. Bleibt er unter diesem Schwellenwert, passiert nichts (Alles-oder Nichts-Prinzip). Ein Stromimpuls bzw. ein dadurch enstehender Stromfluss, der groß genug ist, führt zu einer Polarisierung der Membran, welche daraufhin ihre räumliche Struktur verändert ( Die meisten Poren in der Membran bestehen aus Proteinen, in welchen polar gebaute Teile auf eine Änderung der Umgebung mit einer Änderung der eigenen Struktur reagieren).

Die Poren, welche zuvor nur die kleinen Kaliumionen durchgelassen haben, vergrößern sich, wodurch es nun den mittelgroßen Natriumionen möglich ist, auch durch die Membran von Außen nach Innen zu diffundieren. Diese strömen nun vermehrt ins Zellinnere, wodurch sich dort ein positives Natrium-Potenzial in der Höhe von ca. 30 mV aufbaut nach der Ruhepotential Definition. Natürlich können durch diese Öffnungen auch die kleinen Kaliumionen von innen nach außen gleiten, was den Effekt der Natriumionen etwas kompenisert.

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Wenn ein Reiz die Membran depolarisiert und den Schwellenwert von -40mV erreicht, öffnen sich Natriumkanäle und es entsteht ein Aktionspotential, das sich entlang des Axons fortpflanzt. Das Aktionspotential ist eine kurzzeitige, lokale Änderung des Membranpotentials, die sich entlang des Axons fortpflanzt. Während der Depolarisationsphase öffnen sich spannungsgesteuerte Natriumkanäle, was zu einem starken Einstrom von Natriumionen führt.

Die Rolle der Synapse

Die Übertragung erfolgt an der Synapse, wo das elektrische Signal (Aktionspotential) in ein chemisches umgewandelt wird. Wenn das Aktionspotential die Synapse erreicht, öffnen sich Calcium-Kanäle, wodurch Calcium einströmt und die Vesikel mit Neurotransmittern zur präsynaptischen Membran bewegt werden. Die freigesetzten Neurotransmitter diffundieren durch den synaptischen Spalt und binden an Rezeptoren der postsynaptischen Membran, was zur Öffnung von Natriumkanälen führt. Die Reizweiterleitung Synapse ist damit ein komplexer Prozess, der für die Kommunikation zwischen Nervenzellen essentiell ist.

Neuronale Plastizität

Von neuronaler Plastizität spricht man beim Lernprozess, wenn sich die Effizienz der Reizweiterleitung in den Synapsen verbessert. Dies geschieht durch Erhöhung der Neurotransmitter (wie Glutamat), Vermehrung der Rezeptoren an der postsynaptischen Membran und durch Bildung neuer Synapsen. Diese strukturellen Veränderungen führen zur Entstehung von neuronalen Netzen, die für das Langzeitgedächtnis wichtig sind.

Kontinuierliche vs. Saltatorische Erregungsleitung

Es gibt zwei Arten der Erregungsleitung:

• Kontinuierliche Erregungsleitung: Diese findet in Axonen ohne Gliazellen statt, wie beispielsweise beim Tintenfisch.
• Saltatorische Erregungsleitung: Diese Art der Erregungsleitung kommt in Axonen mit Gliazellen vor, wie beim Menschen. Gliazellen, insbesondere die Schwann'schen Zellen, umhüllen das Axon und bilden eine isolierende Schicht. Bei Menschen erfolgt dies über die saltatorische Erregungsleitung, wobei das Aktionspotential von Schnürring zu Schnürring "springt", was die Leitgeschwindigkeit auf bis zu 100 m/s erhöht. Das ist deutlich schneller als die kontinuierliche Erregungsleitung, die nur etwa 1 m/s erreicht.

Depolarisation und Repolarisation

Die Depolarisation ist die Phase des Aktionspotentials, in der Natrium-Ionen in die Nervenzelle einströmen und das Membranpotential von -70mV auf positive Werte ansteigt. Sie besteht aus einer Initialphase und einem explosionsartigen Aufstrich, wenn der Schwellenwert überschritten wird. Die Repolarisation hingegen ist die Phase, in der sich spannungsgesteuerte Kalium-Kanäle öffnen und Kalium-Ionen aus der Zelle ausströmen, wodurch das Membranpotential wieder negativer wird und zum Ruhezustand zurückkehrt.

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