Das Ruhepotential ist diejenige elektrische (und negative) Spannung, die im nicht angeregten Axon gemessen werden kann.

Wiederholung

Um die Funktionsweise von Neuronen zu verstehen, ist es wichtig, einige Basiskonzepte zu kennen:

  • Ladungen mit dem gleichen Vorzeichen stoßen sich ab (z.B. positiv und positiv)
  • Ladungen mit unterschiedlichen Vorzeichen ziehen sich an, also positiv und negativ
  • Diffusion:
  • Teilchen haben eine Eigenbewegung (Brownsche Molekularbewegung), das heißt Teilchen verteilen sich in einem Medium von alleine.
  • Konzentrations- und Ladungsausgleich: Wenn auf der einen Seite die Konzentration hoch ist, und auf der anderen Seite niedriger, dann gleichen sich die unterschiedlichen Konzentrationen aus. Das gilt sowohl wenn es um die Anzahl an Teilchen, als auch um die Ladungskonzentrationen geht. (Weil viele Teilchen nicht zwangsläufig viel Ladung bedeutet.)
  • Dynamisches Gleichgewicht bezeichnet einen Zustand, an dem das System zur Ruhe gekommen zu sein scheint. Allerdings laufen auf Ebene der Teilchen immer noch Prozesse ab, die in beide Richtungen gleich schnell ablaufen. Im System passiert von außen betrachtet nichts.

Dynamisches Gleichgewicht

Die Membran eines Axons ist selektiv permeabel für positive Kalium-Ionen. In dieser Membran sitzen ständig geöffnete Kaliumkanäle, durch die aufgrund des Konzentrationsgefälles (innen viel, außern wenig) Kaliumionen von innen nach außen strömen. So entsteht eine Ladungsdifferenz (außen negativer, innen positiver), wodurch die Kalium-Ionen wieder nach innen gezogen werden.
Dies führt zusammen mit negativ geladenen Eiweißen zur Einstellung eines dynamischen Gleichgewichtes, das als Ruhepotential gemessen werden kann.

Verteilung der wichtigsten Ionen inner- und außerhalb des Axons

Abb. 1: Verteilung der wichtigsten Ionen inner- und außerhalb des Axons

Stärkung und Schwächung des Ruhepotentials

Neben den Kaliumionen, die hauptsächlich für das Ruhepotenital verantwortlich sind, gibt es im Axon noch andere Ionen.
Die Membran des Axons ist unterschiedich permeabel für diese Ionen und sie treten in unterschiedlich hohen Konzentrationen auf. Dies beeinflusst das Ruhepotential.

  • negative Chlor-Anionen: Wenn ein paar zusätzliche Chlor-Ionen (negativ geladen) in das Axon einsickern, wird das Ruhepotential verstärkt. Es wird also negativer.

  • positive Natrium-Kationen: Aufgrund des Konzentrations- und Ladungsausgleichs sickern Natrium-Ionen in das Axon ein. Dadurch treten zusätzliche Kaliumionen aus. Es kommt zur Abschwächung des Ruhepotentials. Um dies zu verhindern, gibt es die Natrium-Kalium-Pumpe. Sie gleicht unter Energieverbrauch (in Form von ATP) diese „Leckstöme“ aus. (Die Na-K-Pumpe schmeißt sozusagen ein Natrium-Ion raus und holt dafür ein Kalium-Ion wieder ins Axon zurück.)

Ionenverteilung an einem Axon und relative Permeabilität der Axonenmembran

Abb. 2: Ionenverteilung an einem Axon und relative Permeabilität der Axonmembran


Quellen

  • Andreas Engel (Hrsg.): "Neurowissenschaften - Ein grundlegendes Lehrbuch für Biologie, Medizin und Psychologie", Spektrum Akademischer Verlag; Auflage: 3. Aufl. 2009 (29. Oktober 2008): Ruhepotential
  • Abb. 1 und 2: eigene Darstellung
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