Ruhepotenzial – Bedeutung und Aufrechterhaltung

Michi regt sich mal wieder nur auf. "Eyyy, Michi, chill mal deine Basis! Bring mal deine gestressten Neuronen ins Ruhepotential." Was ein nerdiger Rat.. Was hat es mit dem "Ruhepotential" eigentlich auf sich? Was ist seine "Bedeutung" und wie wird es "aufrechterhalten"? DAS klären wir hier. Bevor wir nochmal auf Michi und seinen stressigen Tag zu sprechen kommen, klären wir erst einmal ein paar Grundlagen, die unsere Nervenzellen betreffen. Im Zytoplasma eines Neurons sind positiv und negativ geladene Ionen gelöst. Das Neuron ist von der Lipiddoppelschicht seiner Zellmembran umhüllt, die eine natürliche Barriere für die Ionen darstellt. Daher ist ein vollständiger Konzentrationsausgleich der geladenen Ionen durch die Zellmembran nicht möglich. Jedoch ist sie für bestimmte Ionen durchlässig – dazu später mehr. Grundsätzlich spricht man von einem Membranpotenzial, wenn zwischen den Ladungen beziehungsweise der Konzentration an geladenen Teilchen außerhalb und innerhalb der Zelle ein Ungleichgewicht herrscht. Das Membranpotenzial beziehungsweise die elektrische Spannung wird dabei in Volt gemessen. Erregbare Zellen, wie unsere Nervenzellen, können das Potenzial ändern, wenn sie zum Beispiel durch starke Reize erregt werden. Was ist nun das Ruhepotenzial? 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 minus vierzig und minus neunzig Millivolt gemessen. Keine Sorge, das sehen wir uns gleich nochmal genauer an. Was wir uns unbedingt merken sollten ist, dass das Ruhepotenzial und seine Aufrechterhaltung unglaublich wichtig sind, damit Zellen überhaupt erregbar sind und so miteinander kommunizieren beziehungsweise Reize weitergeleitet werden können. Ruhe ist also auch für Neuronen sehr wichtig. Wie sieht die Ionenverteilung beim Ruhepotenzial aus? Betrachten wir einmal die Zellmembran – hier siehst du die Doppellipidschicht, die teilweise von Tunnelproteinen unterbrochen wird. Auf der Außenseite der Membran befindet sich extrazelluläre Flüssigkeit, im Zellinneren das Zytoplasma. In beiden Flüssigkeiten sind 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. Wie wird das Ruhepotenzial aufrechterhalten? Wie du sicher weißt, ziehen sich entgegengesetzte Ladungen an. Im Zytoplasma halten sich demnach organische Anionen und Kaliumionen gegenseitig fest und auf der Außenseite der Membran ziehen sich Natrium- und Chloridionen an. Das bedeutet auch, dass sich organische Anionen und Chloridionen gegenseitig abstoßen, weil beide negativ geladen sind. Ebenso verhält es sich mit den Natrium- und Kaliumionen aufgrund ihrer positiven Ladung. Und jetzt ist dein Wissen zur Diffusion und Osmose gefragt! Aufgrund ihrer Eigenbewegung diffundieren Teilchen stets vom Ort höherer zum Ort niedriger Konzentration, um Konzentrationsunterschiede auszugleichen. Erinnerst du dich? Natrium- und Chloridionen sind demnach bestrebt, ins Zytoplasma zu wandern; Kaliumionen und organische Anionen umgekehrt in den Extrazellularraum. Es ergibt sich ein chemischer Gradient. Natriumionen, Chloridionen und organische Anionen sind aufgrund ihrer Hydrathülle aus Wassermolekülen jedoch viel zu groß, um die Membran zu durchqueren. Für die Kaliumionen sind kleine Kanäle in der Membran geöffnet, durch die sie diffundieren können. Die Membran ist somit SELEKTIV PERMEABEL. So befinden sich, wie bereits erwähnt, 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. Neben dem chemischen Gradienten gibt es allerdings auch einen ELEKTRISCHEN. Nicht nur Teilchen sind bestrebt, Konzentrationen auszugleichen, sondern auch elektrische Ladungen streben nach Ausgleich. Der elektrische Gradient wirkt dem chemischen also in unserem Beispiel entgegen, indem er Kaliumionen zurückhält. Beide Gradienten sind nicht klar voneinander zu trennen, weshalb man auch vom elektrochemischen Gradienten spricht. Immer wieder können auch Natriumionen in geringem Umfang in die Zelle diffundieren – man spricht hierbei vom Natrium-Leckstrom. Was hat das für Folgen? Hast du eine Idee? Naja, würden Natriumionen ungehindert in die Zelle einströmen, würde die Konzentration an positiven Ladungen innerhalb der Zelle langsam steigen und die Spannung abnehmen. In der Realität bleibt das Ruhepotenzial in lebenden Nervenzellen jedoch konstant – wie kann DAS sein? Ein Protein in der Zellmembran ist hierfür verantwortlich : es transportiert Natriumionen gegen das Konzentrationsgefälle aus der Zelle heraus und Kaliumionen gleichzeitig in die Zelle hinein. Der aktive Transport durch diese NATRIUM-KALIUM-PUMPE passiert unter ATP-Verbrauch. Ob du es glaubst oder nicht: dieser Transport ist für etwa siebzig Prozent des Energieverbrauchs deines Gehirns verantwortlich – WOW! Wir fassen noch einmal IN RUHE zusammen. Im Zytoplasma sowie im Extrazellularraum sind positiv und negativ geladene Ionen gelöst. Die Zellmembran eines Neurons ist eine natürliche Barriere für diese Ionen. Das Ruhepotenzial beschreibt die elektrische Spannung zwischen Innen- und Außenseite der Membran einer unerregten Zelle. Bei menschlichen Nervenzellen liegt es bei etwa minus siebzig Millivolt. Die Ionenverteilung kann dabei in etwa SO dargestellt werden. Das Ruhepotential beruht auf einem elektrochemischen Gradienten , der selektiven Permeabilität der Membran und auf dem aktiven Ionentransport der Natrium-Kalium-Pumpe. Das Ruhepotential ist wichtig, damit eine Erregung der Zellen überhaupt erst möglich ist und Reize weitergeleitet werden können. Und somit ist der Hinweis, Michi solle seine Neuronen ins Ruhepotential bringen, auch nicht ganz korrekt. Seine Nervenzellen müssen ja die ganze Zeit miteinander kommunizieren, damit er überhaupt lernen und arbeiten kann. Aber siehste, da hat er sich auch schon wieder beruhigt.