Ruhepotential

Das Ruhepotential ist eine Spannungsdifferenz, die durch eine ungleiche Verteilung von Kalium- und Natrium-Ionen zwischen Intra- und Extrazellulärraum entsteht. Die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials ist ein aktiv physiologischer Prozess.

2.1. Grundlagen

Für die Aufrechterhaltung des Ruhepotentials sind zwei Strukturelemente der Zellmembran veranwortlich:

• die Natrium-Kalium-Pumpen (Na⁺/K⁺-Pumpen)
• die Ionenkanäle (Natrium- und Kaliumkanäle)

An der Zellmembran laufen nun folgende Schritte ab:

1. Die Na⁺/K⁺-Pumpen transportieren unter ATP-Verbrauch Kaliumionen in die Zelle und im Gegenzug Natriumionen aus der Zelle heraus. Innerhalb der Zellen herrscht daher eine höhere Kaliumkonzentration.
2. Die Zellmembran ist für Ionen unterschiedlich durchlässig (permeabel), was auf die Ionenkanäle zurückzuführen ist. Die Natriumkanäle sind normalerweise geschlossen, während die Kaliumkanäle offen stehen, was die Diffusion von Kaliumionen ermöglicht. Das hat einen kontinuierlichen Ionentransport zur Folge, der auch als Leckstrom bezeichnet wird.
3. Die Kaliumionen diffundieren so lange nach außen, bis sich ein Gleichgewicht zwischen den osmotischen und den elektrischen Kräften einstellt. Das heißt: Die Kaliumionen folgen dem osmotischen Gradienten zwischen hoher intrazellulärer und geringer extrazellulärer Kaliumkonzentration so lange, bis sie die in der Zelle verbliebene negative Ladung zurückhält.

Durch den Ladungsunterschied zwischen der Innen- und Außenseite der Zellmembran, entsteht das Ruhepotential, das beim Menschen in den meisten Zelltypen zwischen -80 und -70 mV liegt. Dabei ist die Innenseite der Zellmembran negativ, während die Außenseite positiv geladen ist.

Überschreitet der an einer Nervenfaser eintreffende Reiz eine gewisse Schwelle, kommt es durch Öffnung der spannungsabhängigen Kalium- und Natriumkanäle zu einer Depolarisation und zur Auslösung eines Aktionspotentials, welches das elektrische Signal entlang des Verlaufs der Nervenfaser fortleitet.

2.2. Messung des Ruhepotentials

Das Ruhepotential kann mit Hilfe von Mikroelektroden an der lebenden Zelle gemessen werden. Dabei wird eine Messelektrode durch die Zellmembran in den Intrazellulärraum eingestochen und eine zweite Elektrode (Bezugselektrode) von außen an die Zelle gehalten. Per Definition ist das Zellinnere negativ geladen, so dass eine negative Spannung gemessen wird. Die Werte hängen vom Zelltyp ab und schwanken in der Regel zwischen -100 und -50 mV.