Ruhemembranpotential

Grundidee und biologische Bedeutung

Das Ruhemembranpotential, kurz Ruhepotential (RMP bzw. RP), ist das Membranpotential einer erregbaren Zelle im Ruhezustand, also beispielsweise einer nicht erregten Nervenzelle oder Muskelzelle. Es bezeichnet die elektrische Potentialdifferenz über der Zellmembran zwischen dem negativ geladenen Zellinneren und der extrazellulären Umgebung. Bei erregbaren Zellen kann sich dieses Potential vorübergehend verändern; eine solche charakteristische Abweichung ist das Aktionspotential (AP).

Das Ruhepotential entspricht in guter Näherung dem Diffusionspotential, das durch die ungleiche Verteilung von Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle entsteht. Beteiligt sind vor allem Kalium (K⁺), außerdem Natrium (Na⁺) und Chlorid (Cl⁻). Genauer ergibt es sich aus der Summe der jeweiligen Gleichgewichtspotentiale unter Berücksichtigung der Membranleitfähigkeiten für die verschiedenen Ionen. Die dafür verwendete Goldman-Gleichung bezieht mehrere Ionen ein.

Je nach Zelltyp liegt das Ruhemembranpotential zwischen −100 und −50 mV, bei den meisten Nervenzellen bei rund −70 mV. Das Membranpotential vieler nichttierischer Zellen, etwa von Pflanzen, Pilzen und Bakterien, ist wegen einer Protonen (H⁺) exportierenden ATPase häufig deutlich negativer und liegt oft bei etwa −200 mV. Alle lebenden Zellen besitzen ein Membranpotential. Nur bei erregbaren Zellen dient dessen Veränderung vom Ruhezustand als transmembranes Signal.

Ionenverteilung und ihre Ursachen

Die Grundlage des Ruhepotentials sind Konzentrations- und Ladungsunterschiede auf beiden Seiten der Zellmembran. Teilchen tendieren aufgrund der Brownschen Molekularbewegung zum Ausgleich ihres Konzentrationsunterschieds. Gleichzeitig streben elektrische Spannungsunterschiede einen Ausgleich an. Beide Kräfte bilden zusammen den elektrochemischen Gradienten.

Die Zellmembran ist selektiv permeabel, also für verschiedene Ionen unterschiedlich durchlässig. Die Lipiddoppelschicht lässt Ionen nur in sehr geringem Maß passieren. Transmembranproteine bilden spezifische Kanäle für Kationen wie K⁺, Na⁺ und Ca²⁺ sowie für Anionen wie Cl⁻. In Ruhe ist die Membran vor allem für K⁺ und, abhängig vom Zelltyp, für Cl⁻ durchlässig. Für Na⁺ und Ca²⁺ ist sie deutlich weniger durchlässig, für organische Anionen praktisch undurchlässig. Große Proteinmoleküle und ihre Ladungen bleiben dadurch im Zellinneren zurück.

Die Natrium-Kalium-ATPase, auch Natrium-Kalium-Pumpe genannt, transportiert unter Hydrolyse von ATP aktiv Natriumionen aus der Zelle und Kaliumionen in die Zelle. Pro Transportzyklus werden 3 Na⁺ nach außen und 2 K⁺ nach innen befördert. Dadurch wird eine positive Ladung über die Membran verschoben, ein elektrochemischer Gradient aufgebaut und das Ladungsungleichgewicht wesentlich erhalten. Zugleich entstehen durch Leckströme ständig geringe Einwärtsströme von Na⁺ und in geringerem Maß Ca²⁺ sowie ein Auswärtsstrom von K⁺. Ohne die Pumpe würden diese Leckströme das Ruhepotential bald ausgleichen.

Wichtige menschliche Ionenkonzentrationen sind:

• Na⁺: intrazellulär 7–11 mmol/l, extrazellulär 144 mmol/l, Verhältnis 1:16, Gleichgewichtspotential ca. +60 mV.
• K⁺: intrazellulär 120–155 mmol/l, extrazellulär 4–5 mmol/l, Verhältnis 30:1, Gleichgewichtspotential −91 mV.
• Ca²⁺: intrazellulär 10⁻⁵–10⁻⁴ mmol/l, extrazellulär 2 mmol/l, Gleichgewichtspotential +125 mV bis +310 mV.
• Cl⁻: intrazellulär 4–7 mmol/l, extrazellulär 120 mmol/l, Verhältnis 1:20, Gleichgewichtspotential −82 mV.
• HCO₃⁻: intrazellulär 8–10 mmol/l, extrazellulär 26–28 mmol/l, Verhältnis 1:3, Gleichgewichtspotential −27 mV.
• H⁺: intrazellulär 10⁻⁴ bei pH 7,0, extrazellulär 4×10⁻⁵ bei pH 7,4, Verhältnis 2,5:1, Gleichgewichtspotential −24 mV.
• Anionische Proteine: intrazellulär 155 mmol/l, extrazellulär 5 mmol/l.

Diffusionspotential und Gleichgewicht

Ein Diffusionspotential entsteht, wenn unterschiedlich konzentrierte Flüssigkeitsräume durch eine Membran getrennt sind, die für bestimmte Ionen durchlässig ist, nicht aber für ihre Gegenionen. Sind zwei Kompartimente mit unterschiedlich hohen Konzentrationen eines Kaliumsalzes durch eine für K⁺ permeable Membran getrennt, wandern K⁺-Ionen aufgrund des chemischen Konzentrationsgradienten netto vom höher zum niedriger konzentrierten Kompartiment.

Jedes übertretende K⁺-Ion nimmt positive Ladung mit. Dadurch wird ein Kompartiment positiver und das andere negativer. Das entstehende elektrische Feld erzeugt einen elektrischen Gradienten, der dem chemischen Konzentrationsgradienten entgegenwirkt. Schließlich stellt sich ein elektrochemisches Gleichgewicht ein: Pro Zeiteinheit passieren gleich viele Teilchen die Membran in die eine wie in die andere Richtung.

Dieses Gleichgewicht liegt vor, wenn der Energieaufwand für den Transport in beide Richtungen gleich ist. Setzt man elektrische und chemische Arbeit gleich, erhält man die Nernst-Gleichung. Die dabei entstehende konzentrationsabhängige Potentialdifferenz heißt Gleichgewichtspotential des betreffenden Ions, im Beispiel das Gleichgewichtspotential für Kalium.

Ausbildung des Ruhepotentials

Für die Ausbildung des Ruhemembranpotentials müssen eine selektiv permeable Membran und ein Konzentrationsgradient vorhanden sein. Entscheidend ist der Konzentrationsgradient des Kaliumions: Das Ruhepotential wird im Wesentlichen vom Gleichgewichtspotential von K⁺ bestimmt. Es liegt jedoch nie exakt bei dem Wert, den die Nernst-Gleichung für K⁺ vorhersagt.

Der Grund ist, dass die Membran zwar nur gering, aber nicht völlig undurchlässig für Na⁺ und Ca²⁺ ist. Beide Ionen befinden sich weit von ihrem Gleichgewichtspotential entfernt und besitzen daher eine hohe elektrochemische Triebkraft. Na⁺-Leckströme und in geringerem Maß Ca²⁺-Leckströme in die Zelle verschieben das Potential in positive Richtung und treiben zugleich K⁺ aus der Zelle. Die Natrium-Kalium-ATPase wirkt diesen Strömen dauerhaft entgegen.

Auch Cl⁻ ist in geringem Maß membrangängig. Sein Gleichgewichtspotential liegt nahe dem von K⁺, dennoch trägt Cl⁻ zum Ruhemembranpotential bei. Deshalb reicht die Nernst-Gleichung für eine genaue Berechnung des gesamten Ruhepotentials nicht aus. Eine bessere Beschreibung bietet die Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung, die neben K⁺ auch Na⁺ und Cl⁻ berücksichtigt.

Die wichtigsten Bedingungen für die Gradienten und die Verhinderung eines vollständigen Diffusionsausgleichs sind unterschiedliche Ionen-Permeabilitäten, die Immobilität intrazellulärer Proteine im Gibbs-Donnan-Effekt, die Gleichgewichtspotentiale der Ionen nach Nernst beziehungsweise Goldman, unterschiedliche Leitfähigkeiten für die einzelnen Ionen und die elektrogene, konzentrationsverschiebende Na-K-Pumpe.

Nernst-Gleichung und Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung beschreiben einen stationären Zustand des Potentials. Ändern bestimmte Ionenkanäle ihre Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Spannung, wird die Membranleitfähigkeit selbst zu einer Funktion der Spannung. Dann liegt kein stationärer Zustand mehr vor. Solche elektrischen Zustände werden im Hodgkin-Huxley-Modell beschrieben.

Messung und Zelltypen

Zur experimentellen Bestimmung des Ruhemembranpotentials verwendet man zwei Mikroelektroden. Die Messelektrode wird in die Zelle eingestochen, während die Bezugselektrode außerhalb an die Zelle gehalten wird. Ein Voltmeter oder ein Kathodenstrahloszilloskop zeigt die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden an. Definitionsgemäß wird die Spannung als Spannungsunterschied über der Membran angegeben; das Zellinnere ist negativ geladen.

Die Messwerte hängen vom Zelltyp ab und liegen im Allgemeinen zwischen −50 und −100 mV. Bei menschlichen Neuronen beträgt das Ruhepotential typischerweise −70 mV. Gliazellen sowie Herz- und Skelettmuskelzellen weisen etwa −90 mV auf, beim glatten Muskel liegt das Ruhemembranpotential bei ungefähr −50 mV.

Funktionen des Ruhepotentials

Das Ruhepotential ist eine grundlegende Voraussetzung für mehrere Zellfunktionen.

Bei Nervenzellen ermöglicht es die Erzeugung von Aktionspotentialen und damit die Weiterleitung elektrischer Informationen. Eine Nervenzelle, die dauerhaft erregt wäre, könnte keine Information durch Veränderungen ihres Membranpotentials weiterleiten. Das Ruhepotential schafft den Ausgangszustand, von dem aus solche Veränderungen als Signale erzeugt werden können.

Abweichungen vom Ruhepotential können außerdem Vorgänge auslösen. Muskelzellen reagieren auf eine Depolarisation, also eine Verschiebung des Membranpotentials in weniger negative Richtung, unter Vermittlung von Calciumionen mit ihrer spezifischen Aufgabe: der Kontraktion.

Auch elektrisch nicht erregbare Zellen nutzen das Ruhemembranpotential. Es kann Energie liefern, um bestimmte Substanzen im Zellinneren anzureichern und dadurch einen Konzentrationsgradienten aufzubauen.