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Ruhepotenzial: Entstehung und Funktion erklärt
Das Ruhepotenzial ist die elektrische Spannung an der Membran einer nicht erregten Nervenzelle. Meist liegt sie bei ungefähr −70 mV: Das Zellinnere ist gegenüber dem Außenraum negativ. Ursache sind ungleich verteilte Ionen, die selektive Durchlässigkeit der Membran und das Zusammenspiel von Diffusion und elektrischer Kraft. Die Natrium-Kalium-Pumpe erhält die nötigen Konzentrationsunterschiede langfristig.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was bedeutet ein Ruhepotenzial von −70 mV?
Ein Membranpotenzial ist eine Spannungsdifferenz zwischen Zellinnerem und Außenraum. Das Ruhepotenzial ist der Sonderfall bei einer nicht erregten Zelle. −70 mV bedeutet: Das elektrische Potenzial innen ist um 70 Millivolt niedriger als außen.
„Innen negativ“ beschreibt einen kleinen Ladungsunterschied über der Membran. Es bedeutet nicht, dass im ganzen Zellinneren nur negative und außen nur positive Teilchen vorkommen. In beiden Flüssigkeitsräumen gibt es positive und negative Ionen.
Bei einer Messung wird das Potenzial außen als 0 mV festgelegt. Zeigt die Elektrode im Zellinneren −70 mV, beträgt das Membranpotenzial −70 mV. Das Minuszeichen nennt die Richtung des Unterschieds: innen gegenüber außen negativ.
Welche Ionen sind innen und außen verteilt?
Im Zellinneren liegen vor allem viele Kaliumionen K⁺ und große, negativ geladene organische Anionen A⁻ vor. Außerhalb der Zelle sind vor allem Natriumionen Na⁺ und Chloridionen Cl⁻ häufig. Diese ungleiche Verteilung heißt Konzentrationsgradient.
Selektive Permeabilität
Die Zellmembran ist für verschiedene Ionensorten unterschiedlich durchlässig. Im Ruhezustand ist sie besonders gut für K⁺ durchlässig, deutlich weniger für Na⁺ und für große organische A⁻ praktisch undurchlässig.
Die Membran lässt Ionen nicht beliebig passieren. Sie nutzen passende Ionenkanäle. Welche Kanäle durchlässig sind, entscheidet deshalb mit, welche Ionen sich tatsächlich bewegen.
Warum strömt Kalium nach außen und wieder zurück?
K⁺ ist innen stärker konzentriert als außen. Seine zufällige Teilchenbewegung führt daher zu einer Nettobewegung durch offene Kaliumkanäle nach außen. Diese Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles ist die Wirkung des chemischen Gradienten.
Wenn K⁺ die Zelle verlässt, bleibt innen relativ mehr negative Ladung zurück. Das negative Zellinnere zieht die positiv geladenen K⁺-Ionen an. Diese elektrische Kraft wirkt dem weiteren Ausstrom entgegen.
Elektrochemischer Gradient
Der elektrochemische Gradient ist die gemeinsame Wirkung von chemischem und elektrischem Gradienten auf ein Ion. Beide Kräfte können in dieselbe oder in entgegengesetzte Richtungen wirken.
Beim K⁺-Gleichgewichtspotenzial gleichen sich Auswärtsdrang und elektrische Rückhaltekraft aus. Für K⁺ liegt dieser Wert ungefähr bei −91 mV. Das Ruhepotenzial liegt meist näher an diesem Wert als am Na⁺-Gleichgewichtspotenzial von ungefähr +60 mV, weil die ruhende Membran für K⁺ viel durchlässiger ist.
Stell dir eine Membran vor, die fast nur K⁺ passieren lässt. Zunächst treibt der Konzentrationsgradient K⁺ nach außen. Mit jedem austretenden K⁺ wird die elektrische Rückhaltekraft stärker. Schließlich gibt es trotz ständiger Teilchenbewegung keinen Nettoausstrom mehr: Die beiden Kräfte sind im Gleichgewicht.
Ein kleiner Na⁺-Leckstrom führt positive Ladung nach innen. Deshalb ist das Ruhepotenzial mit etwa −70 mV weniger negativ als das reine K⁺-Gleichgewichtspotenzial von etwa −91 mV.
Wie hält die Natrium-Kalium-Pumpe den Zustand aufrecht?
Leckströme würden die Konzentrationsunterschiede langfristig abbauen: Na⁺ gelangt in kleiner Menge hinein, K⁺ nach außen. Die Natrium-Kalium-Pumpe wirkt dem entgegen. Sie nutzt Energie aus ATP und transportiert gegen die Konzentrationsgradienten:
- 3 Na⁺ aus der Zelle
- 2 K⁺ in die Zelle
Pro Pumpenzyklus wird damit netto eine positive Ladung mehr hinaus- als hineintransportiert. Das trägt etwas zur negativen Spannung innen bei. Die Hauptaufgabe der Pumpe ist jedoch, die Na⁺- und K⁺-Konzentrationsgradienten zu erhalten, auf denen das Ruhepotenzial beruht.
Kanäle ermöglichen passive Ionenströme entlang elektrochemischer Gradienten. Die Pumpe arbeitet aktiv mit ATP gegen Konzentrationsgradienten. Sie hebt die Unterschiede nicht auf, sondern erhält sie.
Wähle in jeder Lücke die passende Form und prüfe anschließend deine Antworten.
Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert pro Zyklus Na⁺ nach außen und K⁺ nach innen. Dafür benötigt sie .
Wie wird das Ruhepotenzial gemessen?
Für eine Messung werden zwei Elektroden verwendet:
- Eine Messelektrode wird in die Zelle eingeführt.
- Eine Bezugselektrode bleibt außerhalb der Zelle.
- Das äußere Potenzial wird als 0 mV festgelegt.
- Ein Voltmeter zeigt die Differenz zwischen innen und außen.
Außen sind 0 mV festgelegt, innen werden −75 mV gemessen. Dann beträgt das Membranpotenzial −75 mV. Werte um −70 mV sind typisch; je nach Zellart und Umgebung können auch Werte zwischen ungefähr −70 und −90 mV auftreten.
Die Messung erfasst eine Spannung über der Membran. Sie zeigt weder einen Stofftransport entlang des Axons noch die Gesamtladung der Zelle.
Kannst du den Mechanismus erklären?
Eine vollständige Erklärung verbindet nicht nur Stichwörter, sondern eine Ursache-Wirkungs-Kette:
- Na⁺, K⁺, Cl⁻ und A⁻ sind innen und außen ungleich verteilt.
- Die Membran ist im Ruhezustand besonders für K⁺ durchlässig.
- Der chemische Gradient treibt K⁺ nach außen.
- Dadurch wird das Zellinnere relativ negativ.
- Die elektrische Kraft zieht K⁺ zurück und bremst den Ausstrom.
- Na⁺-Leckströme verschieben das Potenzial vom K⁺-Gleichgewichtswert in Richtung weniger negativer Werte.
- Die ATP-abhängige Natrium-Kalium-Pumpe erhält die Konzentrationsgradienten langfristig.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Ruhepotenzial
- Bedeutung
- Spannung über der Membran
- innen etwa −70 mV gegenüber außen
- Entstehung
- ungleiche Ionenverteilung
- hohe K⁺-Permeabilität
- chemische und elektrische Kraft
- kleiner Na⁺-Leckstrom
- Aufrechterhaltung
- 3 Na⁺ hinaus
- 2 K⁺ hinein
- ATP-Verbrauch
- Messung
- Elektrode innen
- Bezugselektrode außen
- Bedeutung