FAQ zur 'Entstehung des Ruhepotentials'
Was ist das Ruhepotential?
Das elektrische Potential einer Nervenzelle im Ruhezustand, das durch die ungleiche Verteilung von Ionen entsteht.
Wie entsteht das Ruhepotential?
Durch die semipermeable Zellmembran und den Konzentrationsausgleich der Kaliumionen, unterstützt von der Natrium-Kalium-Pumpe.
Warum ist das Ruhepotential wichtig?
Es bildet die Grundlage für die Weiterleitung von Nervenimpulsen.
Entstehung des Ruhepotentials
Die Nervenfaser selbst ist mit Saalzwasser (Natriumionen und Chloridionen), Proteinionen und Kaliumionen gefüllt und befindet sich in einer salzigen Lösung die ebenfalls Natriumionen, Chloridionen und wenigen Kaliumionen enthält.
Die Zellmembran ist semipermeabel, d.h. sie ist nicht für alle Ionenarten durchlässig und wirkt deshalb als Isolator zwischen dem Zellinnerem und dem Zelläußerem.
Im Ruhezustand ist die Zellmembran nur für die positiv geladenen Kaliumionen durchlässig, in geringer Menge ,,durchbrechen" aber auch die positiven Natriumionen und Chloridionen die Membranschranke. Für Proteinionen ist die Membran völlig undurchlässig.
Im Inneren der Zelle besteht ein Überschuss an Anionen denn für die negativen Proteinionen und die negativen Chloridionen ist die Membran wie oben beschrieben nicht bzw. kaum permeabel, es kann also kein Ladungsausgleich stattfinden.
Außerhalb der Zelle befinden sich Kationen (Natriumionen und Kaliumionen) in der gleichen Anzahl wie die Anionen im Zellinneren.
Der ,,Springende Punkt" bei der Entstehung des Ruhepotentials ist die Wanderung der Kaliumkationen die im Zellinneren in höherer Konzentration vorkommen als außerhalb der Zelle. Da die Tendenz zum Konzentrationsausgleich besteht wirkt die Konzentrationsaus- gleichskraft, die Kaliumionen wandern vom Zellinnern durch die Membran nach außen.
So entsteht ein elektrisches Potential, das Zellinnere wird immer negativer im Vergleich zum Zelläußeren.
Neben den Konzentrationsausgleichskräften wirkt aber auch die elektrostatische Anziehungskraft zwischen den positiven Kaliumionen und den negativen Proteinionen einerseits und den positiven Natriumionen und den negativen Chlorionen andererseits.
Wenn die Konzentrationsausgleichskraft gleich der elektrostatischen Anziehungskraft ist findet keine Kaliumionendiffusion mehr statt, d.h. es treten keine Kaliumionen mehr aus dem Zellinneren durch die Membran ins Zelläußere aus.Dieses Kräftegleichgewicht ist genau bei einer Spannung von -70 mV erreicht.
Nach dem oben beschrieben liegt es nahe, dass das Ruhepotential auch als Kaliumgleichgewichtspotential beschrieben werden kann.
Wie schon kurz erwähnt diffundieren aber auch vereinzelt Natriumionen aus der salzigen Lösung des Zelläußern in das Zellinnere und bewirken einen ständigen Ausstrom der Kaliumionen. Dieser ,,Leckstrom" ist jedoch weitgehend vernachlässigbar.
Entscheidend für die Entstehung des Ruhepotentials ist also die Semipermeabilität der Zellmembran und die Wanderung der Kaliumionen.
Wichtig ist anzumerken, dass sich das Ruhepotential nicht über die ganze Nervenzelle ausbreitet, sondern nur auf die Zellmembran begrenzt ist und deshalb auch als Membranpotential bezeichnet werden kann.
Entstehung des Aktionspotentials
Aktionspotentiale entstehen durch eine Depolarisation der Membran. Das Ruhepotential von etwas -70 mV wird durch Landungsverschiebung weniger negativ. Die Schwelle für das Entstehen eines Aktionspotentials liegt bei ungefähr -60 mV. Ist dieser Wert überschritten kommt es auf jeden Fall zu einem Aktionspotential (Alles oder Nichts Reaktion), das Ruhepotential kippt für ca. eine ms in ein positives Potential von etwa + 40 mV um, genau dieses positive Potential von + 40 mV ist das Aktionspotential.
Danach beginnt die Repolarisierung und die Natrium-Kalium-Pumpe setzt ein um das Ruhepotentail wiederherzustellen. Unter Energieverbrauch (ATP Spaltung) werden die Natriumionen wieder aus der Zelle heraus und Kaliumionen wieder hinein befördert, das Zellinnere wird wieder negativer, es kommt zu einer Hyperpolarisation. Dies ist sehr wichtig, denn nur bei Ruhepotential können elektrische Signale bzw. Nervenimpulse weitergeleitet werden.
Für einen gewissen Zeitraum nach der Auslösung eines Aktionspotentials kann in der Zelle kein weiterer Impuls mehr ausgelöst werden, hier spricht man von der absoluten
Refraktärphase. Später gibt es noch eine weitere Zwischenphase bis zu vollständigen Wiederherstellung des Ruhepotentials: die relative Refraktärphase. In dieser Phase kann die noch nicht vollständig regenerierte Zelle durch einen sehr starken Reiz wieder aktiviert werden.
Doch wie genau kommt es zu dieser Ladungsverschiebung?
Durch die, an den Nervenzellen oder ihren Dentriden ansitzenden Synapsen, oder auch durch Prozesse an den Sinnes- bzw. Nervenzellen kommt es zu einer Depolarisation der Membran, die Permeabilität der Membran wird verändert. Für etwa eine Millisekunde können neben den Kaliumionen und den Chloridionen auch Natriumionen die Membran passieren. Wegen der Konzentrationsunterschiede strömen Natriumionen ins Zellinnere, welches deshalb für kurze Zeit positiv wird.
Die Ladungsverschiebung kommt also durch das Eindringen der positiv geladenen Natriumionen in das negative Zellinnere zustande und das Aktionspotential von +40mV entsteht.
Sind die Natriumkanäle wieder geschlossen erhöht sich die ohnehin schon bestehende Durchlässigkeit für Kalium stark, so dass mehr Kaliumionen nach außen wandern können bis das Ruhepotential von -70mV wiederhergestellt ist. Dieser Prozess wird noch zusätzlich von der Natrium-Kalium-Pumpe unterstützt die wie oben schon kurz erwähnt aktiv unter Energieverbrauch Natrium aus der Zelle heraus und Kalium in die Zelle hinein pumpt.
Während der absoluten Refraktärzeit sind die Kaliumkanäle der Membran geöffnet und Kaliumionen strömen aus der Zelle aus, die Natriumkanäle hingegen sind geschlossen und inaktiv. Es können also keine Natriumionen in die Zelle eindringen (abgesehen von einigen wenigen die den Leckstrom verursachen). Da es zu keiner Depolarisation der Zelle kommt kann kein Aktionspotential entstehen.
Wichtig ist es zu wissen, dass es sich beim Aktionspotential um eine ,,Alles oder nichts Reaktion handelt", d.h. ist die Schwelle von -60mV unterschritten kommt es immer zu einem Aktionspotential, ist die Depolarisation hingegen nicht stark genug um den Schwellenwert zu unterschreiten kann der Reiz nicht weitergeleitet werden da nie ein Aktionspotential entsteht.
Ist erst einmal ein Aktionspotential ausgelöst ,,pflanzt" es sich selbstständig weiter fort bis es sein Ziel, das Endknöpfchen erreicht hat.
In der Nervenzelle selbst erfolgt dies über einen Spannungsunterschied zwischen der bereits depolarisierten Membran und dem noch nicht erregten Axon, es fließt ein Strom vom depolarisierten Zellbereich in Richtung der nachfolgenden, noch nicht hyperpolarisierten Zellbereiche. Hier findet dann ebenfalls eine Depolarisation und eine ,,Alles oder Nichts" Reaktion statt, falls der Schwellenwert von -60mV überschritten wird. Ein Aktionspotential entsteht, wenn dieser Strom das Axon erreicht und erregt. Man muss hier jedoch prinzipiell zwei Erregungsleiter voneinander unterscheiden: marklose Fasern die für das vegetative Nervensystem typisch sind und markhaltige Fasern die meist im animalen System vorkommen.
Bei marklosen Fasern erfolgt die Erregungsleitung langsam und kontinuierlich die ganze Faser entlang, bei markhaltigen Fasern hingegen erfolgt eine salatorische Erregungsleitung, d.h. die Erregung springt von Ranvier-Schnürring zu Ranvier-Schnürring, kleine kontinuierliche Unterbrechungen der Markscheide. Diese Weiterleitung führt zu hohen Geschwindigkeiten da sich das Aktionspotential eben nur von Schnürring zu Schnürring ausbreitet und die Zwischenbereiche ausgespart werden.
FAQ zur 'Entstehung des Ruhepotentials'
Was ist das Ruhepotential?
Das elektrische Potential einer Nervenzelle im Ruhezustand, das durch die ungleiche Verteilung von Ionen entsteht.
Wie entsteht das Ruhepotential?
Durch die semipermeable Zellmembran und den Konzentrationsausgleich der Kaliumionen, unterstützt von der Natrium-Kalium-Pumpe.
Warum ist das Ruhepotential wichtig?
Es bildet die Grundlage für die Weiterleitung von Nervenimpulsen.
Wie ist die Nervenfaser aufgebaut?
Die Nervenfaser ist mit Salzwasser (Natriumionen und Chloridionen), Proteinionen und Kaliumionen gefüllt und befindet sich in einer salzigen Lösung, die ebenfalls Natriumionen, Chloridionen und wenigen Kaliumionen enthält.
Was bedeutet semipermeabel bezüglich der Zellmembran?
Die Zellmembran ist nicht für alle Ionenarten durchlässig und wirkt deshalb als Isolator zwischen dem Zellinnerem und dem Zelläußeren.
Für welche Ionen ist die Zellmembran im Ruhezustand durchlässig?
Im Ruhezustand ist die Zellmembran hauptsächlich für Kaliumionen durchlässig, aber in geringem Maße auch für Natriumionen und Chloridionen. Für Proteinionen ist sie undurchlässig.
Warum besteht im Zellinneren ein Überschuss an Anionen?
Weil die Zellmembran für die negativen Proteinionen und Chloridionen nicht bzw. kaum permeabel ist, wodurch kein Ladungsausgleich stattfinden kann.
Was ist der "springende Punkt" bei der Entstehung des Ruhepotentials?
Die Wanderung der Kaliumkationen, die im Zellinneren in höherer Konzentration vorkommen als außerhalb der Zelle. Die Konzentrationsausgleichskraft bewirkt, dass Kaliumionen vom Zellinneren durch die Membran nach außen wandern.
Wie entsteht das elektrische Potential?
Durch die Wanderung der Kaliumionen, wodurch das Zellinnere im Vergleich zum Zelläußeren immer negativer wird.
Welche Kräfte wirken neben den Konzentrationsausgleichskräften?
Die elektrostatische Anziehungskraft zwischen den positiven Kaliumionen und den negativen Proteinionen bzw. den positiven Natriumionen und den negativen Chlorionen.
Wann findet keine Kaliumionendiffusion mehr statt?
Wenn die Konzentrationsausgleichskraft gleich der elektrostatischen Anziehungskraft ist. Dieses Kräftegleichgewicht wird bei einer Spannung von -70 mV erreicht.
Was ist das Kaliumgleichgewichtspotential?
Das Ruhepotential, das auch als Kaliumgleichgewichtspotential beschrieben werden kann.
Was bewirkt der "Leckstrom" von Natriumionen?
Vereinzelt diffundieren Natriumionen aus der salzigen Lösung des Zelläußeren in das Zellinnere und bewirken einen ständigen Ausstrom der Kaliumionen. Dieser Strom ist jedoch weitgehend vernachlässigbar.
Was ist entscheidend für die Entstehung des Ruhepotentials?
Die Semipermeabilität der Zellmembran und die Wanderung der Kaliumionen.
Wo ist das Ruhepotential lokalisiert?
Das Ruhepotential breitet sich nicht über die ganze Nervenzelle aus, sondern ist auf die Zellmembran begrenzt und wird deshalb auch als Membranpotential bezeichnet.
Wie entstehen Aktionspotentiale?
Durch eine Depolarisation der Membran, wodurch das Ruhepotential von etwa -70 mV weniger negativ wird. Die Schwelle für das Entstehen eines Aktionspotentials liegt bei ungefähr -60 mV.
Was passiert, wenn der Schwellenwert überschritten wird?
Es kommt auf jeden Fall zu einem Aktionspotential (Alles-oder-Nichts-Reaktion), das Ruhepotential kippt für ca. eine Millisekunde in ein positives Potential von etwa +40 mV um.
Was passiert nach dem Aktionspotential?
Die Repolarisierung beginnt, und die Natrium-Kalium-Pumpe stellt das Ruhepotential wieder her. Unter Energieverbrauch (ATP-Spaltung) werden Natriumionen wieder aus der Zelle heraus und Kaliumionen wieder hinein befördert, wodurch das Zellinnere wieder negativer wird (Hyperpolarisation).
Was ist die Refraktärphase?
Für einen gewissen Zeitraum nach der Auslösung eines Aktionspotentials kann in der Zelle kein weiterer Impuls mehr ausgelöst werden. Es gibt eine absolute und eine relative Refraktärphase.
Wie kommt es zu einer Ladungsverschiebung?
Durch die Synapsen oder Prozesse an den Sinnes- bzw. Nervenzellen kommt es zu einer Depolarisation der Membran. Die Permeabilität der Membran wird verändert, und Natriumionen können ins Zellinnere strömen, wodurch dieses für kurze Zeit positiv wird.
Wie wird das Ruhepotential wiederhergestellt?
Sind die Natriumkanäle wieder geschlossen, erhöht sich die Durchlässigkeit für Kalium, so dass mehr Kaliumionen nach außen wandern können, bis das Ruhepotential von -70 mV wiederhergestellt ist. Die Natrium-Kalium-Pumpe unterstützt diesen Prozess aktiv unter Energieverbrauch.
Was passiert während der absoluten Refraktärzeit?
Die Kaliumkanäle der Membran sind geöffnet, und Kaliumionen strömen aus der Zelle aus. Die Natriumkanäle sind geschlossen und inaktiv, wodurch keine Natriumionen in die Zelle eindringen können. Es kann kein Aktionspotential entstehen.
Was bedeutet "Alles oder Nichts Reaktion"?
Ist die Schwelle von -60 mV unterschritten, kommt es immer zu einem Aktionspotential. Ist die Depolarisation hingegen nicht stark genug, um den Schwellenwert zu unterschreiten, kann der Reiz nicht weitergeleitet werden.
Wie pflanzt sich ein Aktionspotential fort?
Es pflanzt sich selbstständig fort, bis es sein Ziel (das Endknöpfchen) erreicht. Dies geschieht über einen Spannungsunterschied zwischen der bereits depolarisierten Membran und dem noch nicht erregten Axon.
Welche Arten der Erregungsleitung gibt es?
Es gibt marklose Fasern (langsam, kontinuierlich) und markhaltige Fasern (salatorische Erregungsleitung, d.h. die Erregung springt von Ranvier-Schnürring zu Ranvier-Schnürring).
Wie erfolgt die Weiterleitung am Ende des Axons?
Über chemische Prozesse an der Synapse. Durch das Aktionspotential werden Ca2+ Kanäle geöffnet, Ca2+ Ionen dringen in die Präsynapse ein, ein Neurotransmitter wird in den synaptischen Spalt ausgeschüttet, der die Rezeptoren der Postsynapse besetzt und dort die Natriumkanäle öffnet. Natriumionen dringen in die Zelle ein und depolarisieren die Membran. Entsteht dadurch ein stark genug Aktionspotential, war die Weiterleitung erfolgreich.
- Arbeit zitieren
- Silke Hertel (Autor:in), 2001, Das Ruhepotential, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/99631
