Ruhepotenzial – Bedeutung und Aufrechterhaltung

Ruhepotenzial – Bedeutung und Aufrechterhaltung Übung

• Nenne das Ruhepotenzial einer menschlichen Nervenzelle.

  Tipps

  Im Ruhezustand ist das Innere der Nervenzelle deutlich negativer als das Äußere.

  Lösung

  Das Ruhepotenzial einer menschlichen Nervenzelle beträgt etwa –70 Millivolt. Es ist die elektrische Spannung zwischen Innen- und Außenseite einer unerregten Zelle. <hr> Im Zytoplasma einer Nervenzelle befinden sich positiv und negativ geladene Ionen. Die Nervenzelle wird von einer Lipiddoppelschicht umgeben. Diese Zellmembran stellt eine natürliche Barriere für Ionen dar. Ein vollständiger Konzentrationsausgleich der geladenen Ionen über die Zellmembran ist daher nicht möglich. Allerdings ist die Membran für bestimmte Ionen durchlässig, sie ist selektiv permeabel.
  
  Man spricht von einem Membranpotenzial, wenn ein Ungleichgewicht zwischen den elektrischen Ladungen beziehungsweise der Konzentration geladener Teilchen innerhalb und außerhalb der Zelle besteht.
  
  Das Membranpotenzial, also die elektrische Spannung zwischen innen und außen, wird in Volt gemessen.
  
  Erregbare Zellen, wie Nervenzellen, sind in der Lage, ihr Membranpotenzial zu verändern – beispielsweise, wenn sie durch einen starken Reiz erregt werden.

• Beschreibe das Ruhepotenzial einer Nervenzelle.

  Tipps

  Hier siehst du die Ionenverteilung im Inneren und außerhalb einer Nervenzelle.

  Hier siehst du die Natrium-Kalium-Pumpe, die die Ionen entgegen ihres Konzentrationsgefälles unter Energieverbrauch transportiert.

  Das Ruhepotenzial ist das Membranpotenzial erregbarer Zellen im Ruhezustand, wobei eine bestimmte elektrische Spannung zwischen Innen- und Außenseite der Zellmembran vorliegt.

  Lösung

  Die ungleiche Verteilung von Ionen innerhalb und außerhalb einer Nervenzelle wird allgemein als Membranpotenzial bezeichnet. Innen befinden sich vor allem Kaliumionen und negativ geladene organische Anionen, während außen in höherer Konzentration Natrium- und Chloridionen vorliegen. Die Zellmembran lässt nicht alle Ionen gleich gut passieren – man spricht deshalb von selektiver Permeabilität.
  
  Kleine Kanäle in der Zellmembran ermöglichen es vor allem Kaliumionen, entlang ihres elektrochemischen Gradienten zu diffundieren und die Zelle zu verlassen. Allerdings diffundieren ständig kleine Mengen an Natriumionen zurück in die Zelle – ein Vorgang, der als Natriumleckstrom bezeichnet wird. Damit das Ruhepotenzial stabil bleibt, muss die Natrium-Kalium-Ionenpumpe dem entgegenwirken. Sie pumpt unter Energieverbrauch mehr Natriumionen nach außen als Kaliumionen nach innen.

• Stelle Entstehung und Erhalt eines Ruhepotenzials dar.

  Tipps

  Die ungleiche Ionenverteilung und die selektive Permeabilität der Membran vor allem für Kaliumionen ist Voraussetzung für die Entstehung eines Ruhepotenzials.

  Trotz geringer Durchlässigkeit der Zellmenbran für Natriumionen diffundieren diese nach und nach ins Zellinnere. Dieser Natriumleckstrom stört den Aufbau des Ruhepotenzials. Dem Natriumleckstrom wirkt die Natrium-Kalium-Pumpe entgegen.

  Lösung

  Die ungleiche Ladungsverteilung und selektive Permeabilität der Membran vor allem für Kaliumionen ist Voraussetzung für die Entstehung eines Ruhepotenzials. Im Folgenden sind die einzelnen Schritte dargestellt, die zur Entstehung und Erhalt eines Ruhepotenzials führen:
  
  1.$~$Die Kaliumionen diffundieren durch Kaliumkanäle aus der Zelle heraus.

  2.$~$Dadurch entsteht eine negative Ladung im Zytoplasma der Zelle.

  3.$~$Das Ruhepotenzial wird durch den Natriumleckstrom gestört.

  4.$~$Die Natrium-Kalium-Pumpe verhindert den Zusammenbruch des Ruhepotenzials.

  5.$~$So entsteht ein stabiles Ruhepotenzial bei –70 mV.

• Erkläre die Funktion der Membranproteine für das Ruhepotenzial einer Nervenzelle genauer.

  Tipps

  Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert Ionen aktiv, während die Ionenkanäle einen passiven Transport ermöglichen.

  Der Natriumionenkanal ist teilweise geschlossen.

  Lösung

  Das Ruhepotenzial beruht auf einem elektrochemischen Gradienten, auf der selektiven Permeabilität der Membran und auf dem aktiven Ionentransport der Natrium-Kalium-Pumpe. Das Ruhepotenzial ist wichtig, damit eine Erregung der Zellen überhaupt erst möglich ist und Reize weitergeleitet werden können.
  
  Die Doppellipidschicht wird durch Tunnelproteine unterbrochen. Innerhalb und außerhalb der Membran befinden sich Ionen zu unterschiedlichen Anteilen gelöst. Im Zellinneren liegen hauptsächlich Kaliumionen und organische Anionen wie Proteine vor. Letztere werden von der Zelle produziert und sind so groß, dass sie nicht durch die Zellmembran diffundieren können. Außerdem befinden sich Natrium- und Chloridionen in sehr geringer Konzentration im Zellinneren. Auf der Außenseite der Membran sind hingegen viele Natrium- und Chloridionen und nur wenige Kaliumionen vorhanden.
  
  

  • Aufgrund ihrer Eigenbewegung diffundieren Teilchen stets vom Ort höherer zum Ort niedriger Konzentration, um Konzentrationsunterschiede auszugleichen. Natrium- und Chloridionen sind demnach bestrebt, ins Zytoplasma zu wandern; Kaliumionen und organische Anionen umgekehrt in den Extrazellularraum. Es ergibt sich ein elektrochemischer Gradient.
  • Für die Kaliumionen sind kleine Kanäle in der Membran geöffnet, durch die sie diffundieren können. Die Membran ist somit selektiv permeabel. So befinden sich auch einige Kaliumionen auf der Außenseite der Membran, was unter anderem dafür sorgt, dass diese positiv geladen ist und das Zellinnere negativ – das ist der Zustand im Ruhepotenzial.
  • Immer wieder können auch Natriumionen in geringem Umfang in die Zelle diffundieren (Natriumleckstrom).
  • Ein weiteres Protein ist in der Zellmembran dafür verantwortlich, das die Natriumionen wieder gegen das Konzentrationsgefälle aus der Zelle heraustransportiert werden und ein kleinerer Anteil Kaliumionen gleichzeitig in die Zelle hineintransportiert wird. Der aktive Transport durch diese Natrium-Kalium-Pumpe passiert unter ATP-Verbrauch und stabilisiert das Ruhepotenzial.

  
  
  Dieser Transport ist für etwa 70 Prozent des Energieverbrauchs deines Gehirns verantwortlich!

• Gib die Ladungsverteilung beim Ruhepotenzial einer Nervenzelle an.

  Tipps

  Eine Antwort ist falsch und bleibt übrig.

  Lösung

  Das Ruhepotenzial ist das Membranpotenzial erregbarer Zellen im Ruhezustand, wobei eine bestimmte elektrische Spannung zwischen Innen- und Außenseite der Zellmembran vorliegt. Dabei ist das Innere des Neurons gegenüber der extrazellulären Seite negativ geladen. Für Wirbeltierneuronen werden je nach Zelltyp Werte zwischen –40 und –90 Millivolt gemessen.

• Leite ab, wie sich die Erhöhung der Kaliumkonzentration außerhalb der Nervenzelle auf das Ruhepotenzial auswirkt.

  Tipps

  Der elektrochemische Gradient besteht aus zwei entgegengesetzten Kräften: dem chemischen Gradienten, der aufgrund des Konzentrationsgefälles entsteht, und dem elektrischen Gradienten, der aufgrund der Anziehung oder Abstoßung der Ladungen entsteht.

  Eine Depolarisation kennst du vielleicht vom Aktionspotenzial. Die Innenseite der Zellmembran wird positiver.

  Lösung

  Normalerweise diffundiert Kalium aus der Zelle heraus, da es innen höher konzentriert ist als außen.
  
  Wenn außen mehr Kalium vorhanden ist, wird der Konzentrationsgradient kleiner und weniger Kalium verlässt die Zelle. Dadurch nimmt die negative Ladung innen ab:
  
  

  • Das Ruhepotenzial wird weniger negativ.
  • Es kommt zu einer Depolarisation und möglicherweise zu Zellschädigungen.