Ruhepotenzial der Nervenzelle – Definition, Entstehung, Biologie

Erfahre, wie das Ruhepotenzial einer Nervenzelle entsteht und welche Rolle die Ionenverteilung dabei spielt. Die Brownsche Molekularbewegung, Semipermeabilität der Membran und die Natrium-Kalium-Pumpe sind entscheidend. Dies und vieles mehr findest du im folgenden Text.

Inhaltsverzeichnis zum Thema Ruhepotenzial

Ruhepotenzial im Überblick

  • Auch im Ruhezustand hat eine erregbare Nervenzelle eine Spannung von ca. –70 mV an der Nervenzellmembran. Das ist einfach erklärt das Ruhemembranpotenzial.

  • Grund für den Spannungszustand ist eine ungleiche Ionenverteilung zwischen dem Intrazellularraum und der Umgebung der Zelle (der Zwischenzellflüssigkeit).
  • Verschiedene Mechanismen sind für die Aufrechterhaltung der spezifischen Ionenverteilung zuständig, sodass eine Art Gleichgewichtspotenzial entsteht.

Ruhepotential: Lernvideo

Quelle sofatutor.com

Ruhepotenzial Definition – Biologie

Nerven-, Sinnes- und Muskelzellen haben die Fähigkeit, ihr Potenzial bei Erregung durch bestimmte Reize zu verändern. Wird dabei eine gewisse Schwelle überschritten, dann entsteht ein Aktionspotenzial.
Dem liegt der Ausgangszustand der Zelle, das Ruhepotenzial (auch Ruhemembranpotenzial oder Membranpotenzial genannt), zugrunde. Beim Ruhepotenzial kommt es zu einem Gleichgewichtszustand, der aufrechterhalten wird. Im Ruhezustand liegt eine Spannung zwischen dem Zellinneren und der Zwischenzellflüssigkeit vor, die durch eine ungleiche Verteilung an positiv und negativ geladenen Ionen entsteht. Der Wert des Ruhepotenzials eines Neurons liegt bei ca. –70 mV.
Die Methode, mit der man das Ruhepotenzial einer Nervenzelle bestimmen kann, sieht eine Messung der elektrischen Spannung mithilfe von Mikroelektroden an der lebendigen Zelle vor.

Ionenverteilung Ruhepotenzial

Betrachtet man die Ionenverteilung im Ruhepotenzial einer Nervenzelle, kann man nachvollziehen, weshalb eine leicht negative Spannung vorliegt. Im Zellinneren (Cytoplasma) kommen in der Ionenkonzentration positiv geladene Kaliumionen (\ce{K^+}) und negativ geladene Anionen (\ce{A^-}) vor. In der Zwischenzellflüssigkeit in der Umgebung befinden sich negativ geladene Chloridionen (\ce{Cl^-}) und positiv geladene Natriumionen (\ce{Na^+}). Zum Ausgleich des Konzentrationsunterschieds sind die Ionen jedoch dazu bestrebt, durch die Membran zu wandern, wobei hauptsächlich \ce{K^+}-Ionen die semipermeable Membran durch Ionenkanäle passieren können, sodass die Ladung des Zellinneren zunehmend negativ wird.

Die ungefähre Ionenkonzentration (mmol/l) innerhalb und außerhalb der Zelle:

\ce{K^+} \ce{Na^+} \ce{Cl^-} \ce{A^-}
innerhalb 140 9 5 155
außerhalb 5 145 120 5

Mechanismen zur Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials

Zur Aufrechterhaltung und Entstehung des Ruhepotenzials bedarf es einiger Mechanismen, da die Ionen durch die Prozesse der Osmose und Diffusion permanent bestrebt sind, dem Konzentrationsungleichgewicht entgegenzuwirken. Im Folgenden werden die teils gegeneinander wirkenden Mechanismen zur Entstehung des Ruhepotenzials aufgeführt.

Brownsche Molekularbewegung

Die brownsche Molekularbewegung als Grundlage der Diffusion besagt, dass sich Ionen bewegen und verteilen, mit dem Ziel, für einen Konzentrationsausgleich entlang des chemischen Gradienten zu sorgen. Zusätzlich sind Ionen einem elektrischen Gradienten, der zur Anziehung zwischen negativen und positiven Ladungen führt, ausgesetzt.

Semipermeabilität der Nervenzellmembran

Die Durchlässigkeit der Membran ist im Ruhezustand der Zelle selektiv und lässt nur die Ausbreitung einiger Ionen zu. \ce{K^+}-Ionen können beispielsweise die Membran durch Ionenkanäle passieren und sorgen so zunehmend für eine negative Ladung im Zellinneren. Kaliumionen bewegen sich zur Entstehung des Ruhepotenzials durch die Axonmembran in den Zellzwischenraum. \ce{Na^+}-Ionen und Anionen (negativ geladen) können die Membran nicht so einfach passieren.
Allerdings gibt es für Natriumionen einen sogenannten Leckstrom, der auch die Passage einiger weniger Ionen zulässt.

Natrium-Kalium-Pumpe

Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein Komplex aus Transportproteinen, der in die Zellmembran eingebettet ist. Unter dem Verbrauch des energiereichen Stoffs ATP befördert sie jeweils drei \ce{Na^+}-Ionen aus dem Zellinneren heraus und zwei \ce{K^+}-Ionen aus der Zellumgebung in die Zelle herein. Sie sorgt also fortlaufend für die Entstehung eines Ungleichgewichtes entgegen des Leckstroms, das für das Ruhepotenzial nötig ist. Die Pumpe verbraucht dabei Energie, da es sich um einen aktiven Ionentransport im Gegensatz zu der sonst passiven Ausbreitung der Ionen handelt.

In der folgenden Abbildung zum Ruhepotenzial ist der Verlauf des Aktions- und Ruhepotenzials als Skizze in einem Diagramm dargestellt.

Aktionspotential und Ruhepotential

Häufig gestellte Fragen zum Thema Ruhepotenzial

Zusammenfassend ist das Ruhepotenzial eine ungleiche Ionenverteilung zwischen dem Intrazellularraum und der Umgebung der Zelle (der Zwischenzellflüssigkeit). Im Ruhezustand der Nervenzelle liegt die Spannung bei ca. –70 mV und bildet den Ausgangszustand für Depolarisationen, wie sie bei Aktionspotenzialen vorkommen.

Das Ruhepotenzial entsteht – kurz erklärt – über verschiedene, teils gegenteilig wirkende Mechanismen. Zum einen bewirkt die brownsche Molekularbewegung die gleichmäßige Diffusion der Ionen. Die semipermeable Zellmembran lässt jedoch hauptsächlich Kaliumionen von innen nach außen diffundieren, wobei es auch einen Leckstrom für Natriumionen gibt. Die Natrium-Kalium-Pumpe sorgt ebenfalls für die Entstehung des Ungleichgewichts, indem sie drei \ce{Na^+}– aus dem Zellinneren heraus und zwei \ce{K^+}-Ionen hinein transportiert.

Das Ruhepotenzial entsteht über verschiedene, teils gegenteilig wirkende Mechanismen. Dazu zählen die brownsche Molekularbewegung, die Semipermeabilität der Membran, der Natrium-Leckstrom und die Natrium-Kalium-Pumpe.

Das Membranpotenzial entsteht über verschiedene, teils gegenteilig wirkende Mechanismen an der Zellmembran. Dazu zählen die brownsche Molekularbewegung, die Semipermeabilität der Membran, der Natrium-Leckstrom und die Natrium-Kalium-Pumpe.

Das Ruhepotenzial einer Nervenzelle ist leicht negativ, mit einem Wert von ca. –70 mV. Grund dafür ist eine ungleiche Ionenverteilung, da hauptsächlich \ce{K^+}-Ionen die selektiv durchlässige Membran aus der Zelle heraus passieren können und die Natrium-Kalium-Pumpe ebenfalls so arbeitet, dass die Ladung im Zellinneren negativer ist als in der Umgebung der Zelle.

Super! Das Thema: Ruhepotenzial kannst du schon! Teile deine Learnings und Fragen mit der Community!