Ruhepotenzial – Bedeutung und Aufrechterhaltung

Ruhepotenzial – Definition

Im Zytoplasma von Zellen und in der Zwischenzellflüssigkeit liegen positiv und negativ geladene Ionen vor. Wenn zwischen den Ladungen außerhalb und innerhalb der Zellen ein Ungleichgewicht herrscht, spricht man von einem Potenzial, das in Volt gemessen wird. Erregbare Zellen wie Nerven-, Sinnes- und Muskelzellen können dieses Potenzial ändern, wenn sie durch starke Reize erregt werden.

Ruhepotenzial – Nervenzelle

Wie bereits erläutert führt die unterschiedliche Verteilung der Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle zur Entstehung eines Potenzials. Das Ruhepotenzial bei Nervenzellen ist negativ und liegt bei etwa –70 Millivolt (mV).

Ruhepotenzial – Ionenverteilung

Die ungleiche Ionenverteilung über die Zellmembran sieht beim Ruhepotenzial wie folgt aus:

• Innerhalb der Zelle (Zytoplasma): hohe Konzentration an Kaliumionen ($K^{+}$) und organischen Anionen
• Außerhalb der Zelle: hohe Konzentration an Natriumionen ($Na^{+}$) und Chloridionen ($Cl^{-}$)

Das Zellinnere wird dabei durch eine semipermeable (halb durchlässige) Membran vom Zelläußeren getrennt.

Ruhepotenzial – Entstehung und Aufrechterhaltung

Wie du nun weißt, befinden sich im Zytoplasma von erregbaren Zellen negativ geladene organische Anionen und positiv geladene Kaliumionen ($K^{+}$). In der Zwischenzellflüssigkeit um die erregbaren Zellen befinden sich negativ geladene Chloridionen ($Cl^{-}$) und positiv geladene Natriumionen ($Na^{+}$).

Da sich entgegengesetzte Ladungen (Kationen und Anionen) anziehen, ziehen sich die $Na^{+}$-Ionen und $Cl^{-}$-Ionen außerhalb der Zelle an. Im Inneren der Zelle ziehen sich die organischen Anionen und die $K^{+}$-Ionen gegenseitig an. Gleichzeitig stoßen sich die Anionen im Inneren und außerhalb der Zellen ab, wie sich auch die Kationen innen und außen gegenseitig abstoßen.

Nach den Gesetzen der Diffusion und Osmose bewegen sich Teilchen aufgrund des Konzentrationsgradienten von Bereichen höherer Konzentration zu Bereichen niedrigerer Konzentration, wodurch Konzentrationsunterschiede ausgeglichen werden.
Somit bewegen sich die $Na^{+}$- und $Cl^{-}$-Ionen aufgrund der diffusionsbedingten Kräfte ins Zytoplasma. Die $K^{+}$-Ionen und die organischen Anionen bewegen sich durch Poren in der Zellmembran in die Zwischenzellflüssigkeit.

Im Ruhepotenzial befinden sich demnach $Na^{+}$, $Cl^{-}$ und auch ein gewisser Anteil an $K^{+}$-Ionen in der Zwischenzellflüssigkeit und $K^{+}$ sowie organische Anionen befinden sich im Zytoplasma. Dieses Potenzial beträgt etwa –70 Millivolt (mV). Je nach Organismus und Nervenzelle kann es auch zwischen –60 und –100 mV liegen.

Elektrochemischer Gradient

Es ergibt sich zunächst ein elektrochemischer Gradient. Über die Membran hinweg gibt es ein Konzentrationsgefälle, Kaliumionen ($K^{+}$) liegen innerhalb der Zelle beispielsweise in einer deutlich höheren Konzentration vor als außerhalb. Ionen haben eine zufällige Eigenbewegung (brownsche Molekularbewegung) und streben einen Konzentrationsausgleich an – das haben wir weiter oben bereits behandelt. So diffundieren die Ionen vom Ort höherer zum Ort niedrigerer Konzentration – es entsteht ein chemischer Gradient.

Bewegen sich positiv geladene Kaliumionen ($K^{+}$) nun beispielsweise aus der Zelle heraus, nimmt die elektrische Ladung innerhalb der Zelle ab und es entsteht ein Spannungsfeld. Nicht nur die Teilchen tendieren dazu, Konzentrationen auszugleichen, sondern auch elektrische Ladungen tendieren zum Ausgleich. Der elektrische Gradient wirkt dem chemischen Gradienten also entgegen, indem er Kaliumionen ($K^{+}$) in unserem Beispiel zurückhält. Da beide Gradienten nicht klar voneinander getrennt werden können, spricht man vom elektrochemischen Gradienten.

Selektive Permeabilität

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. Sie strömen aus der Zelle heraus.

Natrium-Kalium-Pumpe

Obwohl $Na^{+}$-Ionen die Zellmembranen kaum durchdringen können, diffundieren immer wieder $Na^{+}$-Ionen durch sogenannte Leckströme in das Zellinnere. Diese Natrium-Leckströme gefährden das Ruhepotenzial.

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. Die Energie in Form von ATP benötigen die Ionenpumpen, da dieser aktive Ionentransport dem passiv verlaufenden Konzentrationsgefälle entgegenwirken muss.

Ruhepotenzial – Bedeutung

Nur die Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials gewährleistet, dass erregbare Zellen durch die Einwirkung eines Reizes auch erregt werden können. Für die Reizweiterleitung und die entsprechenden Reaktionen ist das Ruhepotenzial somit von großer Bedeutung, zum Beispiel für die normale Funktion von Nerven- und Muskelzellen.

Ausblick – Das lernst du nach Ruhepotenzial – Bedeutung und Aufrechterhaltung

Bereite dich auf weitere spannende Themen vor! Die Videos zum Aktionspotenzial und Erregungsleitung in Nervenzellen zeigen dir die nächsten Schritte. Verstehe, wie das Ruhepotential aufrechterhalten wird und was passiert, wenn Nervenzellen erregt werden.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Ruhepotenzial