Das Ruhepotenzial



Tintenfische (Loligos) besitzen Riesenaxone, an denen sich besonders leicht Mesungen vornehmen lassen. Die lebende Nervenzelle wird in eine Lösung gebracht, die die geeigneten Ionen enthält und die Ladung wird mit Glaselektroden gemessen, die in das Axon eingestochen werden. Die Bezugselektrode taucht in die Salzlösung. Das Signal wird verstärkt und kann dann gemessen werden. Typische Messwerte sind Potenziale von -80 mV bis -90 mV. Dieses Potenzial wird auch als Ruhepotenzial bezeichnet.


Loligo vulgaris, Quelle: Hans Hillewaert (Lycaon)

Das Innere der Nervenzelle ist also negativ gegenüber dem äußeren Medium geladen.




Wie kommt das Ruhepotenzial zustande? Das Innenmedium und das Außenmedium enthält Ionen, positiv geladene Kationen und negativ geladene Anionen:

Ionen c(innen)
in mmol/l
c(außen)
in mmol/l
Na+ 15 150
K+ 150 5
Cl- 10 120
A- (org. Ionen) 155 0


Das Ruhepotenzial entsteht nun durch die Differenz der Ladungen zwischen der Innen- und der Außenseite der Membran. Im Inneren liegen höhere Konzentrationen an Kaliumionen und organischen Anionen A- vor als im Außenraum. Im Äußeren der zelle finden sich hingegen mehr Natriumionen und Chloridionen.

Die Zellmembran ist, wie wir wissen, selektiv permeabel. Das heißt, sie ist leicht passierbar für Kaliumionen, etwas weniger gut für Chloridionen, schlecht für Natriumionen und garnicht für die großen organischen Ionen.

Jetzt könnte man sich fragen, warum die Membran überhaupt für die Ionen durchlässig ist. Hierfür sind Porenproteine, z.B. Ionenkanäle, verantwortlich.

Aus der Klasse 11 wissen wir, dass die Diffusion entlang dem Konzentrationsgefälle verläuft. Sie stellt demnach einen passiven Vorgang dar. Hinzu kommen hier aktive Transportmechanismen, wie etwa die Natrium-Kalium-Pumpe, auf die wir später noch zu sprechen kommen werden.

Kaliumionen diffundieren nun, bedingt durch das Konzentrationsgefälle, durch Proteinporen von innen nach außen. Da die Kaliumionen elektrisch positiv geladen sind, wird der Außenraum elektrisch positiver geladen. Gleichzeitig verarmt der Innenraum an positiven Ladungsträgern und wird elektrisch negativer. Aus dieser ungleichen Verteilung resultiert eine elektrische Spannung. Diese wird noch vergrößert durch das Wandern der Chloridionen von außen nach innen.

Jetzt könnte man vermuten, dass so lange Kaliumionen von innen nach außen wandern bis auf jeder Seite die gleiche Konzentration an Kaliumionen vorliegt. Das ist jedoch nicht der Fall, weil dem Prinzip des Konzentrationsausgleichs das Prinzip der Ladungsglichheit entgegensteht. Je größer der negative Ladungsüberschuss im Inneren wird, desto weniger Kaliumionen können nach außen wandern.

An einem bestimmten Punkt halten sich beide Kräfte die Waage und wir haben einen Gleichgewichtszustand erreicht. Jetzt wandern genau so viele Kaliumionen bedingt durch das Konzentrationsgefälle nach außen wie Kaliumionen bedingt durch das Ladungsgefälle nach innen wandern. Man spricht hier auch von einem dynamischen Gleichgewicht bzw. Fließgleichgewicht.



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