Entstehung des Ruhepotentials/ das Membranpotenzial?
Hallo, ich möchte keine Lösungen oder sonst was. Ich habe Bücher und werde von dort die Abläufe schon irgendwie herausbekommen. Meine Frage ist nur was denn überhaupt ein Ruhepotenzial ist ? Also wofür brauche ich das als Mensch kann mir jemand dazu ein gutes Beispiel nennen? Beim Ruhepotenzial geht es ja um das diffundieren von Natriumionen etc. Warum passiert das überhaupt? Ich verstehe einfach denn Sinn dahinter nicht.
3 Antworten
hmm, der 'Sinn' ist, dass die Nervenleitung funktioniert!
Das 'Ruhepotential' ist letztlich eine Form der gespeicherten Energie, gegen einen Zustand der sich von allein, durch Diffusion nach dem Tod einstellen würde. Erreicht wird es dadurch, dass die aktiven IonenPumpen gegen die natürliche Osmose anarbeite und quasi einen unnatürlichen KonzentrationsUnterschied zw. Innen und Außen aufrecht erhalten.
Stell Dir mal einen Eimer mit etwas Wasser gefüllt vor, der auf einem Stuhl steht und unten ist ein Loch. Darunter ist ein 2. Eimer, worin das Wasser fließt und Du hast eine Tasse.
Wenn Du nichts machst, fließt immer Wasser von oben nach unten. Oben hat das Wasser mehr Energie als unten (potentielle, oder LageEnergie).
Damit alles funktioniert, muss der Wasserpegel oben immer einen bestimmten Stand haben, weshalb Du mit der Tasse immer Wasser von unten nach oben schöpfen musst.
Wasser=Ionen
oberer/unterer Eimer = inner/außerhalb der Zelle
Schwerkraft = die el. Anziehung und Osmose
Tasse = die Ionenpumpe
Ich versuche es Dir einmal so zu erklären. Das mit dem Ruhepotential ist mit einer Batterie vergleichbar.
In einer Herzmuskelzelle (Beispiel) hast Du einen einen Überschuss an Kaliumionen. Und wenig Natriumionen. Dieses Ungleichgewicht der Ionenverteilung sorgt für eine Spannung von -90 millivolt..
Wenn jetzt die Membran der Herzmuskelzelle depolarisiert wird aus minus wird plus Strömen die Kaliumionen aus der Zelle raus und Natriumionen rein. Dadurch kommt es zu einem Aktionspotential (Spannungsspitze).
Nach der Depolarisation sorgt die Natrium/Kaliumpumpe wieder für das Ruhepotential in der Muskelzelle.
In einer Batterie sind Natrium und Kalium die Elektrolyte die für einen Stromflusd sorgen.
LA
Moin,
das Ruhepotenzial ist die elektrische Spannung, die sich entlang der Zellmembran zwischen dem Inneren und dem Äußeren einer Zelle aufbaut.
Das kommt so zustande:
In der Membran von beispielsweise Nervenzellen gibt es unter anderem ein „Pumpenprotein”, das unter Energieverbrauch (ATP) in einem Antiport zwei Kaliumionen aus dem Außenmilieu in die Zelle hinein holt und gleichzeitig drei Natriumionen aus der Zelle hinausbefördert.
Weil Natrium- und Kaliumionen die gleiche elektrische Ladung haben (sie sind beide jeweils einfach positiv geladen), passiert durch die Aktivität der Natrium-Kalium-Ionenpumpe folgendes:
Einerseits sammeln sich im Außenmilieu zunehmend viele Natriumionen an, während es im Zellinneren nur sehr wenige Natriumionen gibt. Es baut sich also ein sogenannter Konzentrationsgradient auf (Unterschied in der Menge: außen viel Natriumionen, innen wenige).
Gleichzeitig gibt es im Zellinneren irgendwann viel mehr Kaliumionen als außen. Es baut sich also hier auch ein (gegenläufiger) Konzentrationsgradient auf.
Aber weil ja immer drei Ladungsträger hinausbefördert werden, während nur zwei Ladungsträger ins Zellinnere gelangen, baut sich zusätzlich auch noch ein Ladungsgradient auf (Unterschied in der Ladung: außen mehr Plusladungen als innen).
Ionen sind elektrisch geladene Teilchen. Diese lösen sich hervorragend in wässrigen Milieus (wie sie innerhalb und außerhalb der Zelle vorliegen). Sie vertragen sich dagegen nicht gut mit unpolaren Stoffen (wie sie die Doppellipidschicht einer Membran darstellt).
Deshalb können Ionen (normalerweise) die Zellmembran nicht so ohne weiteres überwinden. Das bedeutet, dass die Natriumionen zunächst einmal draußen bleiben.
Nun gibt es in der Membran aber nicht nur Ionenpumpen, sondern auch noch Kanalproteine. Durch solche Kanäle können Ionen die Seiten wechseln. Dabei unterscheidet man zwischen ständig geöffneten Kanalproteinen und solchen, die geschlossen sind, sich aber unter bestimmten Bedingungen öffnen können.
Für Kaliumionen gibt es in der Membran ständig geöffnete Kanalproteine. Das bedeutet, dass Kaliumionen durch diese Kanalproteine ständig die Seiten wechseln können. Für Natriumionen gibt es solche ständig geöffneten Kanalproteine nicht.
Gemäß des Konzentrationsgefälles wandern nun durch die ständig geöffneten Kaliumionenkanäle mehr Kaliumionen aus dem Zellinneren ins Außenmilieu (einfach weil es im Zellinneren viel mehr Kaliumionen gibt).
Aber aufgrund des Ladungsgefälles werden umgekehrt durch die Kaliumionenkanäle mehr Kaliumionen aus dem Außenmilieu ins Zellinnere gezogen (weil das Zellinnere aufgrund der Verarmung an positiven Ladungsträgern stärker negativ geladen ist als das Außenmilieu).
Das bedeutet, dass einerseits Kaliumionen hinauswandern (entlang des Konzentrationsgefälles), andererseits Kaliumionen auch ständig ins Zellinnere einwandern (entlang des Ladungsgefälles).
Irgendwann befindet sich das Ein- und Auswandern in einem dynamischen Gleichgewicht. Das bedeutet, dass immer dann, wenn durch einen Kanal gerade ein Kaliumion hinauswandert, durch einen anderen Kanal ein Kaliumion einwandert. Das ist ein dynamischer Prozess, weil ständig Kaliumionen hin- und herwandern. Aber es ist trotzdem im Gleichgewicht, weil sich die Gesamtmenge an Kaliumionen in der Bilanz nicht verändert.
Und genau diesen dynamischen Gleichgewichtsprozess bezeichnet man als Ruhepotenzial, weil die stabile Gesamtbilanz aller Ionen dafür sorgt, dass es im Zellinneren konstant negativer geladen ist als im Außenmilieu. Das Ruhepotenzial einer Nervenzelle hat einen Wert von etwa –70 mV.
Du fragtest nun, wozu das alles gut ist.
Na ja, es gibt - wie gesagt - noch geschlossene Ionenkanäle, die sich bei bestimmten Bedingungen öffnen. Hier gibt es zum Beispiel Ionenkanalproteine in der Membran, die Natriumionen durchlassen können, wenn sie geöffnet sind. Genau so gibt es auch noch weitere Kaliumionenkanäle, die zunächst auch geschlossen sind.
Wenn sich nun das Membranpotenzial verändert und dabei einen bestimmten Wert erreicht, dann öffnen sich solche speziellen Ionenkanalproteine. Da dies mit der Änderung des Membranpotenzials in Zusammenhang steht, bezeichnet man diese Art der Kanalproteine als „spannungsabhängige Kanalproteine”.
Und jetzt stell dir vor, dass zum Beispiel eine elektrische Reizung der Membran dafür sorgt, dass sich der Wert des Ruhepotenzials von –70 mV auf –50 mV erhöht. Mit Erreichen dieses Schwellenwertes öffnen sich plötzlich schlagartig alle spannungsabhängigen Natriumionenkanäle in diesem Membranbereich.
Dadurch strömen massenhaft Natriumionen ins Zellinnere, denn die positiv geladenen Natriumionen folgen nun einerseits dem Konzentrationsgefälle (du erinnerst dich, außen viel Natriumionen, innen kaum davon) und andererseits auch dem Ladungsgefälle (außen mehr Plusladungen als innen). Es kommt also zu einem Masseneinstrom von Natriumionen. Das führt dazu, dass sich das Membranpotenzial im Wert sogar vom Minusbereich in den Plusbereich verändert (Umpolung). Nun ist das Zellinnere an dieser Stelle im Vergleich mit dem Außenmilieu sogar positiv geladen (etwa +50 mV).
Kurz darauf schließen sich die spannungsabhängigen Natriumionenkanäle wieder. Dafür öffnen sich jetzt die spannungsabhängigen Kaliumionenkanäle. Das führt dann zu einem Massenausstrom von Kaliumionen, weil nun auch diese Ionen dem Konzentrations- und Ladungsgefälle folgen (zur Erinnerung: außen kaum Kaliumionen, innen viel davon UND mittlerweile innen mehr Plusladungen als außen in diesem Zellbereich).
Weil die Kaliumionenkanäle etwas länger geöffnet sind als es zuvor die Natriumionenkanäle waren und weil es außerdem ja auch noch zusätzlich die ständig geöffneten Kaliumionenkanäle gibt, schießen insgesamt mehr Kaliumionen aus der Zelle hinaus, als zuvor Natriumionen in die Zelle hineinkamen. Es kommt deshalb zunächst erneut zu einer Umpolung (vom kurzzeitig positiven Membranpotenzial wieder zu einem negativen Membranpotemnzial). Gleich darauf folgt aber noch eine sogenannte Hyperpolarisation. Das bedeutet, dass der Wert des Membranpotenzials noch tiefer liegt als die ursprünglichen –70 mV (es liegt dann bei etwa –90 mV).
Dann sorgen die Natrium-Kalium-Ionenpumpen wieder dafür, dass der Zustand des Ruhepotenzials hergestellt wird, indem sie zwei Kaliumionen erneut ins Zellinnere holen und dafür drei Natriumionen aus der Zell hinaus schleusen.
Und nun kommt's (endlich): Die spannungsabhängigen Ionenkanäle öffnen sich nur sehr kurzzeitig. Danach schließen sie sich wieder und bleiben zunächst geschlossen (absolute Refraktärzeit). In diesem Zustand kann kein noch so starker Impuls die Kanäle wieder öffnen. Etwas später können sie zwar wieder geöffnet werden, aber nur von seehr starken neuen Reizen (relative Refraktärzeit). Erst wenn die Natrium-Kalium-Ionenpumpen den Zustand des Ruhepotenzials wieder hergestellt haben, lassen sich die spannungsabhängigen Kanalproteine auch wieder von schwächeren Reizen öffnen.
Das hat zur Folge, dass eine einmal gereizte Membranstelle für eine gewisse Zeit gar nicht und etwas später nur von sehr starken Impulsen erneut gereizt werden kann. Und das führt dazu, dass sich ein elektrisches Signal nur in eine Richtung entlang der Membran ausbreiten kann, da nur die Kanalproteine in benachbarten Bereichen geöffnet werden können, die nicht gerade offen waren.
Das führt dazu, dass ein elektrischer Reiz nur in eine Richtung laufen kann. Und das ist die Voraussetzung dafür, dass du solche elektrischen Signale in einem Organismus nutzen kannst, um Informationen zu transportieren.
So funktioniert zum Beispiel dein gesamtes Nervensystem nach diesem Prinzip. Ein Reiz (zum Beispiel eine Berührung deiner Haut) wird von entsprechenden Rezeptoren (in diesem Beispiel von Druckrezeptoren in deiner Haut) in elektrische Signale umgewandelt, die dann von Nervenzellen zum Zentralnervensystem (zum Beispiel dem Gehirn) geschickt und dort verrechnet werden. Das ZNS trifft dann eine Entscheidung und veranlasst wieder mit Hilfe elektrischer Signale über Nervenzellen Effektororgane (zum Beispiel Muskeln) eine entsprechende Reaktion zu zeigen (zum Beispiel die berührte Stelle wegzuziehen).
Das, was ich hier in einem ellenlangen Text zusammengefasst habe, braucht im realen Leben nur wenige Millisekunden. So gesehen ein wundervolles System, findest du nicht?
Die Zellen des Nervensystems sind nicht die einzigen, die sich Membranpotenziale zunutze machen, aber sie sind die Zelltypen, die das am effektivsten tun.
Andere Beispiele sind Pflanzenzellen, die ihren Turgor auf diese Weise verändern. Das funktioniert zwar etwas anders (hier spielen Chloridionenkanäle eine Rolle), aber grundsätzlich ist der Vorgang vergleichbar.
Es gibt auch im Nervensystem, wo andere Ionenkanäle eingreifen, aber man kann in einem solchen Forum nicht alles in einem Post erklären...
Ich hoffe, du hast durchgehalten, konntest alles nachvollziehen und verstehst das jetzt besser.
LG von der Waterkant
Wow .. ich danke dir vielmals. Ich habe mir natürlich alles durchgelesen. Dieses Beispiel mit der Berührung der Haut, wenn ich nichts tue ist es im Ruhepotenzial und wenn ich es anfasse im Aktionspotenzial und gibt sozusagen eine "Antwort" habe ich das richtig verstanden ?
Ja, so ungefähr.
Es gibt allerdings auch so etwas wie „Gewöhnung”.
Babys sind zum Beispiel am liebsten nackt, weil bei ihnen jedes Kleidungsstück auf der Haut einen Reiz darstellt, der in der Haut ein elektrisches Signal auslöst, welches zum Gehirn geschickt wird, um dort verarbeitet zu werden. Das ist natürlich sehr anstrengend für das Gehirn. Es hat noch nicht gelernt, dass die ständige Berührung durch den Stoff ignoriert werden kann.
Dein Gehirn hat das dagegen längst gelernt, so dass du in der Regel, die Textilien auf deiner Haut gar nicht mehr zu registrieren scheinst.
Jetzt allerdings, wo du das hier liest, wirst du von mir darauf aufmerksam gemacht und schwupps, schon merkt dein Gehirn wieder, dass du ein Kleidungsstück an hast (hoffe ich mal).
Keine Angst. Bald schaltet dein Gehirn dieses bewusste Wahrnehmen wieder aus... Gewöhnung eben.
Übrigens ist das auch der Grund, warum Babys noch so viel schlafen müssen, denn ihre Gehirne werden ständig mit Informationen aus ihrem Nervensystem beballert. Und wie gesagt, das ist sehr anstrengend.
Wenn eine Nervenzelle nicht gereizt ist, befindet sie sich im Ruhezustand und an ihrer Membran ist das Ruhepotenzial ausgebildet.
Ein elektrisches Signal (das im realen Leben zum Beispiel durch Rezeptoren von Sinneszellen erzeugt wird) reizt dann eine Membranstelle der Nervenzelle, was dazu führen kann, dass diese ein Aktionspotenzial erzeugt und weiterleitet.
Es gibt noch weitere Verrechnungsmöglichkeiten (zum Beispiel erregende und hemmende Synapsen, die Verrechnung am Axonhügel, die laterale Inhibition...), aber grundsätzlich geht es darum, dass elektrische Signale im Nervensystem hin und her geschickt werden können, um Reize zu registrieren, zu verrechnen und darauf angemessen reagieren zu können.
LG von der Waterkant
Ich verstehe es einfach nicht aber danke