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Namen:
2014-12-12 Thomas Beier
2017-01, Malin Esseln

Definition Ruhepotential

Das Ruhepotential beschreibt den Zustand, in dem Diffusionsdruck und Potentialdruck einer unerregten Nervenzelle im chemischen Gleichgewicht liegen. Dabei beschreibt der Diffusionsdruck die Kraft, mit der die Kalium-Ionen entlang des Konzentrationsgefälles nach außen diffundieren und der Potentialdruck die Kraft mit der die Kalium-Ionen aufgrund der sich aufbauenden Ladungstrennung zurückgehalten werden.
Bei einem Ruhepotential herrscht zwischen dem Extrazellulärraum (Außenraum) und dem Intrazellulärraum (Innenraum) des Axons ein Ladungsunterschied in der Höhe von circa -70 bis -80 mV. Dieser Ladungsunterschied wird als Membranpotential bezeichnet und kommt durch eine ungleiche Verteilung der Ionen zustande. Diese Ladungsumverteilung wird beeinflusst durch 4 Ionenarten, Kalium-, Natrium- und Chlorionen, sowie organische Anionen. Dabei sind im Inneren des Axons vor allem die K+– und die A--Ionen und im Äußeren die Na+- und die Cl--Ionen.
Der Extrazellulärraum und der Intrazellulärraum des Axons sind durch eine semipermeable Membran, einer Phospholipidmembran, voneinander getrennt. In dieser Membran befinden sich Kalium- und Natriumkanäle, sowie Chloridkanäle. Im Zustand des Ruhepotentials sind die Natrium- und Chloridkanäle jedoch geschlossen und nur die Kaliumkanäle sind immer geöffnet. Dies bedeutet, dass die von der negativen Ladung des Intrazellulärraums angezogenen Na+-Ionen von der Phospholipidmembran vom Eindringen abgehalten werden. Die K+-Ionen können sich jedoch durch die immer geöffneten Kaliumkanäle frei im und außerhalb des Axons bewegen und ordnen sich so an, dass die Gesamtladungen im Innen- und im Außenraum des Axons einzeln betrachtet ausgeglichen sind. Tritt dieser Fall ein befinden sich der Diffusionsdruck und der Potentialdruck im chemischen Gleichgewicht; ein Ruhepotential ist entstanden.  Dabei sind im Inneren des Axons vor allem die Kalium (K+) –Ionen und die A- -Ionen und im Äußeren Na+-Ionen und Cl- -Ionen.

Skizze des Ruhepotentials

Aufrechterhaltung des Ruhepotentials

Aufrechterhalten wird das Ruhepotential durch die Natrium-Kalium-Pumpe, denn es kommt vor, dass Natrium-Ionen, angezogen von der negativen Ladung im Innenraum des Axons, durch die Phospholipidmembran dringen. Dieses Phänomen von eindringenden Na+-Ionen nennt man Na+-Leckströme. Da die eindringenden Na+-Ionen die Ladungsverteilung verändern, würde eine zu große Anzahl von Na+-Ionen im Innenraum des Axons die Außerkraftsetzung des Ruhepotentials bedeuten. Um dies zu verhindern, werden die in den Innenraum gedrungenen Na+-Ionen schließlich von der Natrium-Kalium-Pumpe aus dem Inneren des Axons mithilfe von ATP befördert. Dabei werden immer zwei Na+-Ionen in den Außenraum und gleichzeitig drei K+-Ionen in den Innenraum befördert. Dies sorgt dafür, dass der Ladungsgradient und somit das Ruhepotential aufrecht erhalten bleibt.

Messung des Membranpotentials

Das Membranpotential, also der Ladungsunterschied zwischen dem Innen- und dem Außenraum des Axons, wird gemessen, indem man ein Neuron in einen Behälter, welcher mit Salzwasser gefüllt ist, legt. In dieses Neuron sticht man nun eine von zwei Elektroden. Die zweite Elektrode lässt man im Salzwasser. Dabei sind die verwendeten Elektroden Elektrolyten, also dünne Glasröhrchen welche mit Kaliumchlorid oder Kaliumnitrat gefüllt sind.
Von dem Messgerät kann man nun eine Spannung von circa -70 bis -80 mV ablesen.

Messung des Membranpotentials / Ruhepotentials:

Das Ruhepotential kann mittels 2 Mikroelektroden ermittelt werden. Eine wird in die Zelle hineingestochen (Messelektrode), die andere von außen an die Zelle gehalten (Bezugselektrode). So kann an einem Voltmeter zwischen den Elektroden eine Spannungsdifferenz von ca. -75mV abgelesen werden (je nach Zelltyp unterschiedlich, schwankt zwischen -50mV bis -100mV).

 

Ruhepotential:

Unter Ruhepotenzial versteht man das Entstehen einer stabilen Ladungsdifferenz zwischen dem Innenraum und der Umgebung eines Axons. Diese Spannung entsteht durch die Verteilung von 4 Ionenarten. Innerhalb des Axons handelt es sich um Kaliumionen (K+) und organische Anionen (A-), außerhalb um Natriumionen (Na+) und Chlorionen (Cl-).

Die Membran ist im Ruhezustand gut durchlässig für K+ und ClIonen, hingegen undurchlässig für Aund NaIonen. Diese selektive Permeabilität ergibt sich durch Ionenkanäle in der Doppellipidschicht, durch welche nur bestimmte Ionen diffundieren können.

Durch den immer geöffneten Kaliumkanal diffundieren stetig K+ Ionen aus dem Axon heraus. Sie wandern angetrieben vom Diffusionsdruck entlang des Konzentrationsgradienten vom Ort hoher zum Ort niedrigerer Konzentration. Durch die Ladung der K+ Ionen würde der extrazelluläre Bereich immer positiver und die Innenseite des Axons zunehmend negativer werden.

Da sich gleiche Ladungen allerdings abstoßen und unterschiedliche anziehen, entsteht der sogenannte Potentialdruck: Die K+-Ionen werden vom negativ werdenden Innenraum des Axons angezogen und dem positiv werdenden Milieu um das Axon abgestoßen.

Der Zeitpunkt, in dem der Potentialdruck und der Diffusionsdruck gleich sind, wird Ruhepotential genannt. Dann beträgt die Spannung zwischen Membraninnenraum und Membranäußerem ca. -75mV.


Dieses Gleichgewicht wird von Leckströmen der Na+-Ionen gestört. NaIonen besitzen die Eigenschaft vereinzelt durch die Membran in den negativen intrazellulären Bereich zu diffundieren, wodurch dieser wieder positiver wird. Um das Ruhepotential bzw. den Konzentrationsgradienten aufrechtzuerhalten, transportiert die Na+-K+-Pumpe unter ATP-Verbrauch jeweils 3 Na+-Ionen nach außen und ersetzt sie durch 2 K+-Ionen von außerhalb der Membran.

 

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