Select your language

Suggested languages for you:
Log In Anmelden
StudySmarter - Die all-in-one Lernapp.
4.8 • +11k Ratings
Mehr als 5 Millionen Downloads
Free
|
|

Die All-in-one Lernapp:

  • Karteikarten
  • NotizenNotes
  • ErklärungenExplanations
  • Lernpläne
  • Übungen
App nutzen

Ruhepotential

Save Speichern
Print Drucken
Edit Bearbeiten
Melde dich an und nutze alle Funktionen. Jetzt anmelden
Ruhepotential

Nervenzellen und Muskelzellen können sich in zwei Stadien befinden. Sie können entweder ruhen oder erregt sein. Damit ist das elektrische Potential einer Zelle gemeint.

Das Ruhepotential beschreibt dabei das Membranpotential einer ruhenden Zelle. Dieser Zustand der Ruhe kann durch eine zeitlich begrenzte Erregung geändert werden. Dann spricht man von einem Aktionspotential.

In unerregtem Zustand ist das Cytoplasma einer Zelle gegenüber ihrer Umgebung negativ geladen.

Ruhepotential – Entstehung

Ein elektrisches Potential kommt durch die ungleichmäßige Verteilung von Ionen zustande. Damit dies möglich ist, braucht es einen nach Außen hin abgeschlossenen Raum. Im Falle einer Zelle dient die Zellmembran als eine solche Barriere.

Sowohl im Cytoplasma einer Zelle als auch außerhalb der Zellmembran ist eine bestimmte Ionenkonzentration vorherrschend. Im Cytoplasma einer Zelle findest du eine hohe Konzentration an positiv geladenen Kaliumionen (K+) und negativ geladenen Anionen. Bei den Anionen handelt es sich um verschiedene Protein- und Aminosäureionen (in der Abbildung A-).

Außerhalb der Zelle befinden sich vor allem positiv geladene Natriumionen (Na+) und negativ geladene Chloridionen (Cl-) unmittelbar an der Membran.

Bei der Aufrechterhaltung des Ruhepotentials spielen vier Faktoren eine wichtige Rolle:

  • Chemischer GradientDie Ionen streben aufgrund der Brown'schen Molekularbewegung ein Teilchengleichgewicht an.

  • Elektrischer GradientNicht nur Teilchen tendieren zu einem Gleichgewicht, auch elektrische Ladungen tendieren zu einem Ausgleich.

Da der chemische und elektrische Gradient nicht klar voneinander getrennt werden können, spricht man auch vom elektrochemischen Gradienten.

  • Selektive PermeabilitätDie Ionen werden von der semipermeablen Membran an einer Gleichverteilung gehindert. Die Lipiddoppelschicht ist nur für kleine Ionen durchlässig. Große Ionen wie zum Beispiel Aminosäureionen benötigen eigene Transporter, um die Zellmembran zu passieren. Allerdings benötigt die Zelle diese negativ geladenen Ionen für verschiedene Zwecke und behält diese im Cytoplasma. Kaliumionen, Natriumionen und Chloridionen können die Zellmembran durch Ionenkanäle passieren.

  • Natrium-Kalium-PumpeIn der Zellmembran befinden sich zusätzlich zu Ionenkanälen auch Ionenpumpen, welche für den aktiven Transport bestimmter Ionen über die Membran zuständig sind. Für den aktiven Transport wird Energie, meistens in Form von ATP, benötigt. Die Natrium-Kalium-Ionenpumpe sorgt für einen Transport der Natriumionen aus der Zelle heraus, und der Kaliumionen in die Zelle hinein. Dadurch wird das Ungleichgewicht der Natrium- und Kaliumionen aufrechterhalten.

Ruhepotential Ionenkonzentration Entstehung Ruhepotential StudySmarterAbbildung 1: Ionenkonzentration an der Membran während des Ruhepotentials

Elektrochemischer Gradient

Da die Zellmembran für Kaliumionen durchlässig ist, können diese von der Seite mit höherer Teilchendichte auf die Seite mit weniger Teilchen diffundieren. Sie wandern also vom Cytoplasma in den extrazellulären Raum. Das Teilchenungleichgewicht wäre damit aufgelöst. Die Triebkraft, mit der sich die Kaliumionen bewegen, nennt man chemisches Potential.

Da die Kaliumionen aber positiv geladen sind, verändert sich auch das elektrische Feld auf beiden Seiten der Membran. Das Cytoplasma verliert an positiven Ionen und wird dadurch negativer. Man redet hier von einer Änderung der elektrischen Potentialdifferenz. Da die negativ geladenen Ionen die Membran nicht passieren können, kommt es zur Ionentrennung und es entsteht eine elektrische Spannung.

Der elektrische Gradient wirkt dem chemischen Gradienten entgegen. Der Ausstrom der Kaliumionen verringert sich, da weniger positiv geladene Kaliumionen in den positiven extrazellulären Raum wollen. Zusätzlich wollen die Kaliumionen aus dem extrazellulären Raum wieder zurück in das nun negativ geladene Cytoplasma. So pendelt sich die Ionenkonzentration an der Zellmembran ein.

Das elektrochemische Gleichgewicht besteht dann, wenn pro Zeiteinheit genauso viele Kaliumionen in die eine wie in die andere Richtung fließen.

Das Ganze ist also kein statischer Zustand, da die Teilchen immer in Bewegung sind.

Die Spannung des elektrochemischen Gleichgewichts ist also nichts anderes als das Ruhepotential.

Das elektrochemische Gleichgewicht lässt sich mit der Nernst-Gleichung beschreiben

Ruhepotential Nernst-Gleichung Entstehung StudySmarter

Diese lässt sich für das Gleichgewichtspotential an der Zellmembran vereinfachen zu

Ruhepotential Gleichgewichtspotential Zellmembran Entstehung StudySmarter

Dabei ist ze die Anzahl der übertragenen Elektronen und c die Konzentration der Kaliumionen.

Ruhepotenzial – Aufrechterhaltung

Neben den Kaliumionen tragen die Natrium- und Chloridionen ebenfalls zur Aufrechterhaltung des Ruhepotentials bei.

Aufgrund des Konzentrationsgefälles diffundieren Chloridionen von der Außenseite der Membran in das Zellinnere. Dies geschieht aber nur in geringem Maße, da die Zellmembran zum einen nur schwach permeabel für Chloridionen ist. Zum anderen ist die Membraninnenseite ohnehin schon negativ geladen. Dennoch erhöht diese Ladungsverteilung die Potentialdifferenz.

Genauso verhält es sich mit den Natriumionen. Sie diffundieren entlang ihres Konzentrationsgradienten auch von außen nach innen. Da diese aber positiv geladen sind, wird die Potentialdifferenz dadurch verringert.

Diese Wanderung von Natriumionen nennt man Natrium-Leckstrom. Dieser erhöht die positiven Ladungen in der Zelle und veranlasst die Kaliumionen wiederum aus der Zelle auszuströmen (Kalium-Leckstrom).

Dies würde auf Dauer zu einem positiven Ruhepotential führen. Um dies zu verhindern, pumpt die Natrium-Kalium-Pumpe pro Durchgang drei Natriumionen über die Zellmembran nach außen und zwei Kaliumionen nach innen. Dadurch wird netto eine positive Ladung in den extrazellulären Raum abgegeben und das Ruhepotential bleibt negativ.

Da dies entgegen des Konzentrationsgradienten der beiden Ionen geschieht, benötigt die Natrium-Kalium-Pumpe dafür Energie. Diese wird in Form von ATP zur Verfügung gestellt.

Ruhepotential Aufrechterhaltung Ruhepotential StudySmarterAbbildung 2: Längsschnitt durch die Zellmembran mit Natrium- und Kalium-Poren sowie einer Natrium-Kalium-Pumpe

Ruhepotential – Nervenzelle

Die oben beschriebene Theorie gilt für alle erregbaren Zellen. Dies sind vor allem Nervenzellen und Muskelzellen.

Das Ruhepotential in erregbaren Zellen:

  • Nervenzellen: - 70 mV
  • Herz und Skelettmuskelzellen: - 90 mV
  • glatte Muskelzellen: - 50 mV

Das Ruhepotential gilt für die gesamte Zellmembran einer Nervenzelle. Es ist also im Zellkörper, im Axon und an der Synapse identisch.

Zudem ermöglicht es die Aktivierung eines Aktionspotentials in der Nervenzelle. Erst durch die Änderung der negativen in eine positive Spannung kann die Zelle erregt und Informationen weitergegeben werden.

Ruhepotential - Das Wichtigste

  • Das Ruhepotential beschreibt den inaktiven Zustand einer Zelle. Es ist negativ gegenüber dem extrazellulären Raum.
  • Es beruht auf der selektiven Permeabilität der Zellmembran, der elektrischen und chemischen Potentiale sowie der Natrium-Kalium-Pumpe.
  • Das Konzentrationsgefälle der Kaliumionen bewirkt einen Ausstrom dieser aus der Zelle – die sich aufbauende Potentialdifferenz wirkt der Diffusion der Kaliumionen entgegen.
  • Wenn das chemische und elektrische Potential im Gleichgewicht sind, ist das Ruhepotential erreicht.
  • Die Natrium-Kalium-Pumpe hält das Ruhepotential unter Energieverbrauch aufrecht, indem sie Natrium- und Kaliumionen entgegen ihrem Konzentrationsgefälle über die Membran transportiert.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Ruhepotential

Die Ionenverteilung an der semipermeablen Zellmembran ist der Grund für eine ungleiche Ladungsverteilung. Daraus entsteht eine Spannung - das Ruhepotential. 

Das Ruhepotential wird benötigt, um durch Spannungsänderungen Informationen in den Zellen weitergeben zu können.  

Das Ruhepotential ist die elektrische Spannung an der Zellmembran erregbarer Zellen. 

Das Ruhepotential ist das Membranpotential einer ruhenden Zelle.

Finales Ruhepotential Quiz

Frage

Was ist das Ruhepotenzial?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Spannung einer nicht erregten oder „ruhenden“ Zelle

Frage anzeigen

Frage

Wo ist das Ruhepotenzial wichtig?

Antwort anzeigen

Antwort

 bei den elektrisch erregbaren Sinneszellen, Nervenzellen und Muskelzellen

Frage anzeigen

Frage

Wie ist das Cytoplasma In unerregtem Zustand geladen?

Antwort anzeigen

Antwort

das Cytoplasma aller intakten Neuronen ist gegenüber ihrer Umgebung negativ geladen


Frage anzeigen

Frage

Womit entsteht das Ruhepotenzial?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Im Inneren eines Neurons und an seiner Membranaußenseite lässt sich eine charakteristische Verteilung von Ionen nachweisen
  • Da im wässrigen Medium nur Ionen als Ladungsträger infrage kommen, wird die Erklärung für das Entstehen des Ruhepotenzials als Ionentheorie bezeichnet
Frage anzeigen

Frage

Was besagt die Ionentheorie?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Das Zellplasma eines Neurons enthält eine hohe Konzentration an positiv geladenen Kaliumionen K+ und negativ geladenen organischen Anionen (Protein- und Aminosäureionen, abgekürzt A–)
  • Die Gewebeflüssigkeit, die das Neuron umgibt, ist reich an positiv geladenen Natriumionen Na+ und negativ geladenen Chloridionen Cl–


Frage anzeigen

Frage

Wer besitzt eine selektive Permeabilität?

Antwort anzeigen

Antwort

Die Membran der Nervenzelle

Frage anzeigen

Frage

Was weist die die Membran der Nervenzelle auf?

Antwort anzeigen

Antwort

Sie weist Poren auf, die von Proteinmolekülen gebildet werden (Porenproteine, Tunnelproteine, Ionenkanäle)

Frage anzeigen

Frage

Wovon hängt es ab, ob ein Ion den Ionenkanal passieren kann?

Antwort anzeigen

Antwort

hängt von seiner Ladung und vor allem von seiner Größe im hydratisierten Zustand ab

Frage anzeigen

Frage

Können Organische Anionen durch die Zellmembran?

Antwort anzeigen

Antwort

Organische Anionen werden von der Zellmembran komplett in der Zelle zurückgehalten

Frage anzeigen

Frage

Welche Ionen können die Membran in geringem Umfang passieren?

Antwort anzeigen

Antwort

Natrium- und Chloridionen

Frage anzeigen

Frage

Wodurch erfolgt die Wanderung der Ionen?

Antwort anzeigen

Antwort

durch Diffusion

Frage anzeigen

Frage

Wodurch entsteht Diffusion?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Die thermische Eigenbewegung der Teilchen, führt zu Zusammenstößen zwischen den Teilchen und setzt sie so in Bewegung
  • Die Zahl der Zusammenstöße steigt mit der Konzentration der Teilchen
  •  Herrscht in dem den Teilchen zur Verfügung stehenden Raum eine ungleiche Verteilung (Konzentrationsgefälle, Konzentrationsgradient), erhält die Bewegung der Teilchen eine Richtung vom Ort höherer Konzentration zum Ort niedriger Konzentration, bis ein Konzentrationsausgleich erreicht ist


Frage anzeigen

Frage

Wie können die Kaliumionen aus dem Zellinneren an die Außenseite der Membran diffundieren und umgekehrt?

Antwort anzeigen

Antwort

Aufgrund der Konzentrationsverhältnisse der Ionen und der Permeabilität der Membran

Frage anzeigen

Frage

Was ist die Folge davon, dass an der Innenseite der Membran fast 40-mal so viele Kaliumionen vorkommen wie außen?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Es können wesentlich mehr dieser Ionen die Membran nach außen passieren
  • Das Konzentrationsgefälle für die Kaliumionen von innen nach außen führt also zu einem Kaliumionen-Ausstrom
Frage anzeigen

Frage

Wie würde es zu einem Konzentrationsausgleich kommen?

Antwort anzeigen

Antwort

Wenn diese Diffusion ungebremst weitergehen würde

Frage anzeigen

Frage

Was wirkt gegen den Konzentrationsausgleich?

Antwort anzeigen

Antwort

Die dagegenwirkende Kraft ist das elektrische Potenzial der Ionenladungen

Frage anzeigen

Frage

Wie kommt es zu einer Ladungstrennung?

Antwort anzeigen

Antwort

  • Jedes Kaliumion, das nach außen wandert, bringt auch eine positive Ladung an die Membranaußenseite
  • Da die anderen Ionen die Membran nicht oder nur wenig überqueren können, kommt es zu einer Ladungstrennung
Frage anzeigen

Frage

Wie entsteht eine elektrische Spannung?

Antwort anzeigen

Antwort

  • An der Außenseite der Membran entsteht ein Überschuss an positiven Ladungen, im Innenraum dagegen herrscht ein Überschuss an negativen Ladungen
  • Daraus entsteht eine elektrische Spannung (Potenzialdifferenz, Ladungsdifferenz)
Frage anzeigen

Frage

Was ist im Gleichgewichtszustand zwischen den beiden entgegengerichteten Kräften?

Antwort anzeigen

Antwort

  • der Ein- und Ausstrom der Kaliumionen ist gleich groß
  • Das Ruhepotenzial entspricht im Wesentlichen diesem Kalium-Gleichgewichtspotenzial


Frage anzeigen

Frage

Wodurch wird die Erhaltung der Ionenverteilung des Ruhepotenzials versichert?

Antwort anzeigen

Antwort

durch eine Natrium-Kalium-Pumpe

Frage anzeigen
60%

der Nutzer schaffen das Ruhepotential Quiz nicht! Kannst du es schaffen?

Quiz starten

Finde passende Lernmaterialien für deine Fächer

Alles was du für deinen Lernerfolg brauchst - in einer App!

Lernplan

Sei rechtzeitig vorbereitet für deine Prüfungen.

Quizzes

Teste dein Wissen mit spielerischen Quizzes.

Karteikarten

Erstelle und finde Karteikarten in Rekordzeit.

Notizen

Erstelle die schönsten Notizen schneller als je zuvor.

Lern-Sets

Hab all deine Lermaterialien an einem Ort.

Dokumente

Lade unzählige Dokumente hoch und habe sie immer dabei.

Lern Statistiken

Kenne deine Schwächen und Stärken.

Wöchentliche

Ziele Setze dir individuelle Ziele und sammle Punkte.

Smart Reminders

Nie wieder prokrastinieren mit unseren Lernerinnerungen.

Trophäen

Sammle Punkte und erreiche neue Levels beim Lernen.

Magic Marker

Lass dir Karteikarten automatisch erstellen.

Smartes Formatieren

Erstelle die schönsten Lernmaterialien mit unseren Vorlagen.

Melde dich an für Notizen & Bearbeitung. 100% for free.