Biologie · Klasse 12–13 · aktualisiert
Ruhepotenzial: Entstehung und Funktion erklärt
Warum ist eine ruhende Nervenzelle innen negativ? Verfolge Ionenströme, Pumpe und Messung des Ruhepotenzials.
0 von 10 Aufgaben gelöst
Kurz gesagt
Das Ruhepotenzial ist die Spannung an der Membran einer nicht erregten Nervenzelle; innen liegt das Potenzial meist bei etwa −70 mV gegenüber außen. K⁺-Ausstrom und selektive Membrandurchlässigkeit prägen es, während die Natrium-Kalium-Pumpe die Ionengradienten langfristig erhält.
Auch wenn eine Nervenzelle kein Signal sendet, besteht eine elektrische Spannung an ihrer Membran: das Ruhepotenzial. Oft liegt das Potenzial innen ungefähr 70 mV unter dem außen, also bei etwa −70 mV. Ungleiche Ionenkonzentrationen und die unterschiedliche Durchlässigkeit der Membran ermöglichen passive Ströme; chemischer und elektrischer Antrieb wirken dabei zusammen. Die Natrium-Kalium-Pumpe erhält die Konzentrationsunterschiede auf längere Sicht.
Deine Lernziele
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4 Abschnitte
Die Spannung zwischen Innenraum und Außenraum einer Zelle heißt Membranpotenzial. Bei einer unerregten Nervenzelle spricht man vom Ruhepotenzial. Ein Wert von −70 mV sagt aus, dass das elektrische Potenzial innen um 70 Millivolt niedriger ist als außen.
Merke: Das Minuszeichen beschreibt nur eine geringe Ladungstrennung an der Membran. Es sagt nicht, dass innen ausschließlich negative und außen ausschließlich positive Ionen vorhanden sind. Beide Seiten enthalten Ionen beider Ladungsarten.
Beispiel
- 1Setze die Außenelektrode als Bezug auf 0 mV.
- 2Misst die Innenelektrode −70 mV, liegt das Potenzial innen um 70 mV niedriger.
- 3Das negative Vorzeichen bezieht sich auf diesen Vergleich.
Teste dich
Im Zellinneren liegen vor allem viele Kaliumionen K⁺ und große, negativ geladene organische Anionen A⁻ vor. Außerhalb der Zelle sind vor allem Natriumionen Na⁺ und Chloridionen Cl⁻ häufig. Diese ungleiche Verteilung heißt Konzentrationsgradient. Die Membran lässt Ionen nicht beliebig passieren. Sie nutzen passende Ionenkanäle. Welche Kanäle durchlässig sind, entscheidet deshalb mit, welche Ionen sich tatsächlich bewegen.
Definition
Selektive Permeabilität
Die Durchlässigkeit der Membran hängt von der Ionensorte ab. Im Ruhezustand gelangt K⁺ vergleichsweise leicht hindurch, Na⁺ deutlich schlechter. Für große organische A⁻ ist die Membran nahezu undurchlässig.
Teste dich
K⁺ ist innen stärker konzentriert als außen. Seine zufällige Teilchenbewegung führt daher zu einer Nettobewegung durch offene Kaliumkanäle nach außen. Diese Diffusion entlang des Konzentrationsgefälles ist die Wirkung des chemischen Gradienten. Wenn K⁺ die Zelle verlässt, bleibt innen relativ mehr negative Ladung zurück. Das negative Zellinnere zieht die positiv geladenen K⁺-Ionen an. Diese elektrische Kraft wirkt dem weiteren Ausstrom entgegen. Beim K⁺-Gleichgewichtspotenzial gleichen sich Auswärtsdrang und elektrische Rückhaltekraft aus. Für K⁺ liegt dieser Wert ungefähr bei −91 mV. Das Ruhepotenzial liegt meist näher an diesem Wert als am Na⁺-Gleichgewichtspotenzial von ungefähr +60 mV, weil die ruhende Membran für K⁺ viel durchlässiger ist. Ein kleiner Na⁺-Leckstrom führt positive Ladung nach innen. Deshalb ist das Ruhepotenzial mit etwa −70 mV weniger negativ als das reine K⁺-Gleichgewichtspotenzial von etwa −91 mV.
Definition
Elektrochemischer Gradient
Auf ein Ion wirken sowohl ein Konzentrationsgefälle als auch elektrische Anziehung oder Abstoßung. Zusammen bilden sie den elektrochemischen Gradienten; ihre Wirkungen können sich verstärken oder einander entgegenstehen.
Beispiel
- 1Denke an eine Membran, durch die fast nur K⁺ gelangen kann.
- 2Wegen der höheren Konzentration innen wandert K⁺ zunächst netto nach außen.
- 3Dabei nimmt die elektrische Anziehung der K⁺-Ionen zum Zellinneren zu.
- 4Am Gleichgewichtspotenzial bleiben Teilchen in Bewegung, doch beide Antriebe heben sich auf und der Nettostrom ist null.
Merke: Die Werte −91 mV für K⁺, +60 mV für Na⁺ und etwa −70 mV in Ruhe sind Modell- und Richtwerte. Die tatsächlichen Werte hängen von Ionenkonzentrationen und Zellbedingungen ab.
Teste dich
Leckströme würden die Konzentrationsunterschiede langfristig abbauen: Na⁺ gelangt in kleiner Menge hinein, K⁺ nach außen. Die Natrium-Kalium-Pumpe wirkt dem entgegen. Sie nutzt ATP und transportiert pro Zyklus drei Na⁺ aus der Zelle und zwei K⁺ in die Zelle, jeweils gegen ihren Konzentrationsgradienten. Netto verlässt dabei eine positive Ladung mehr die Zelle, als hineingelangt. Das trägt etwas zur negativen Spannung innen bei. Die Hauptaufgabe der Pumpe ist, die Na⁺- und K⁺-Gradienten langfristig zu erhalten.
Beim Messen liegt eine Elektrode innen und eine Bezugselektrode außen; außen wird als 0 mV festgelegt. Das Voltmeter zeigt die Spannungsdifferenz über der Membran. Es misst weder die Gesamtladung der Zelle noch einen Stofftransport entlang des Axons. Die Ursache des Ruhepotenzials verbindet ungleiche Ionenverteilung, hohe K⁺-Durchlässigkeit, K⁺-Ausstrom, elektrische Rückhaltekraft, einen kleinen Na⁺-Leckstrom und die Pumpe.
Merke: Durch offene Kanäle folgen Ionen passiv ihrem elektrochemischen Antrieb. Die Pumpe nutzt dagegen ATP für aktiven Transport gegen Konzentrationsgefälle und hält so die ungleiche Verteilung aufrecht.
Beispiel
- 1In diesem Beispiel ist das Außenpotenzial 0 mV; innen zeigt das Voltmeter −75 mV.
- 2Das Membranpotenzial beträgt damit −75 mV.
- 3Ein Ruhewert um −70 mV ist häufig; je nach Zellart und Umgebung sind auch Werte bis ungefähr −90 mV möglich.
Beispiel: Für eine Messung werden zwei Elektroden verwendet
- 1Eine Messelektrode wird in die Zelle eingeführt.
- 2Eine Bezugselektrode bleibt außerhalb der Zelle.
- 3Das äußere Potenzial wird als 0 mV festgelegt.
- 4Ein Voltmeter zeigt die Differenz zwischen innen und außen.
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Alles auf einen Blick
Ruhepotenzial
Bedeutung
Spannung über der Membran; innen etwa −70 mV gegenüber außen
Entstehung
ungleiche Ionenverteilung; hohe K⁺-Permeabilität; chemische und elektrische Kraft; kleiner Na⁺-Leckstrom
Aufrechterhaltung
3 Na⁺ hinaus; 2 K⁺ hinein; ATP-Verbrauch
Messung
Elektrode innen; Bezugselektrode außen
Musteraufgabe · Schritt für Schritt
ATP fehlt einer ruhenden Nervenzelle
- 1Zu Beginn sind Na⁺ und K⁺ weiterhin ungleich verteilt.
- 2Offene Kanäle lassen weiter kleine passive Leckströme zu.
- 3Ohne ATP hält die Pumpe die Gradienten nicht mehr langfristig aufrecht.
- 4Das Ruhepotenzial kann zunächst bestehen und verliert mit abnehmenden Gradienten seine Stabilität.
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Fehler in Zeile 3Richtig: Die Natrium-Kalium-Pumpe erhält die ungleichen Na⁺- und K⁺-Konzentrationen unter ATP-Verbrauch langfristig.
Lückentext
Wähl in jeder Lücke das passende Wort und prüf dann deine Antworten.
Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert pro Zyklus Na⁺ nach außen und K⁺ nach innen. Dafür benötigt sie .
Karteikasten
Erst selbst überlegen, dann umdrehen.
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