Ruhepotenzial der Nervenzelle – Definition, Entstehung, 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.

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 () und negativ geladene Anionen () vor. In der Zwischenzellflüssigkeit in der Umgebung befinden sich negativ geladene Chloridionen () und positiv geladene Natriumionen (). Zum Ausgleich des Konzentrationsunterschieds sind die Ionen jedoch dazu bestrebt, durch die Membran zu wandern, wobei hauptsächlich -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:

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.

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.

Die Durchlässigkeit der Membran ist im Ruhezustand der Zelle selektiv und lässt nur die Ausbreitung einiger Ionen zu. -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. -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.

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 -Ionen aus dem Zellinneren heraus und zwei -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.