Ruhemembranpotential
Synonym
Definition
- Das Ruhemembranpotential ist der elektrische Spannungsunterschied zwischen
äußerer und innerer Zellmembran, der sich in elektrisch erregbaren Zellen
ohne äußere Erregung als Gleichgewicht des Ionenein- und -ausstroms
ausbildet.
Bemerkungen
- Das Ruhemembranpotential ist vor allem ein K+-Gleichgewichtspotential.
Es wird unter anderem durch die Na+/K+-ATPase gebildet
und aufrecht erhalten, die unter Verbrauch von ATP 3 Na+ aus der
Zelle heraus und 2 K+ in die Zelle hinein transportiert.
- Die Na+/K+-ATPase erzeugt somit zwar auch
direkt Ladungsungleichgewicht, dieses macht aber insgesamt nur etwa 10 %
des gesamten Ruhemembranpotentials aus. Der Rest entsteht über andere
Mechanismen, so z.B. selektive passive einwärts gerichtete K+-Kanäle.
- Das Ruhemembranpotential ist also nicht, wie häufig angenommen und auch gelehrt, allein auf die Aktivität der
Na+/K+-ATPase zurückzuführen. Dennoch ist
sie essentiell für die Bildung und Aufrechterhaltung eines stabilen
Membranpotentials. Daher wird hier nachfolgend vereinfachend
weiterhin die Aktivität der Na+/K+-ATPase als
Ursache des Ruhemembranpotentials geschildert.
- Da die Na+/K+-ATPase so bei jedem Arbeitszyklus 3
Positive Ladungen aus der Zelle heraus, aber nur 2 in die Zelle hinein
transportiert, wird das Zellinnere gegenüber dem Extrazellularraum
zunehmend negativ geladen.
- Mit zunehmender negativer Ladung steigt aber auch der "Druck"
an, mit dem Kationen aus dem Extrazellularraum in die Zelle eindringen
wollen, um die Ladungsdifferenz auszugleichen.
- Da die Zellmembran zwar relativ, aber nicht vollkommen, impermeabel
gegenüber Ionen ist, können nun neben K+ auch Na+
und Ca2+ aus dem Extrazellularraum in die Zelle einströmen.
- Ohne den Einfluss von Natrium- und Calciumionen müsste das
Ruhemembranpotential somit dem Gleichgewichtspotential für K+-Ionen
beim entsprechenden K+-Gradienten zwischen Zelläußeren (ca. 4 -
5 mmol/l) und Intrazellularraum (120 - 166 mmol/l) von -91 mV entsprechen.
- Insbesondere durch die aber bereits erwähnten Na+- und Ca2+-Ionen
(die ihrerseits Gleichgewichtspotentiale von ca. +60 mV bzw. ca. +125 bis
+310 mV erzeugen würden) ist das tatsächliche Ruhemembranpotential jedoch
oft etwas weniger negativ.
- Glia-, Herz- und Skelettmuskelzellen liegen mit ihrem Ruhemembranpotential
von etwa -90 mV noch sehr nah am theoretischen Wert des K+-Gleichgewichtspotentials..
In Neuronen, beträgt das Ruhemembranpotential hingegen nur ca. -70mV.
- Allgemein liegt das Ruhemembranpotential bei humanen Zellen zwischen etwa
-50 mV und etwa -100 mV.
- Als Gegenion für sämtliche genannten Kationen tritt vor allem Chlorid
auf, das durch spezielle Kanäle die Membran relativ frei passieren kann und
somit kaum ein eigenes Potential aufbaut. Der theoretische Wert des Cl--Gleichgewichtspotentials
liegt mit -82 mV zudem sehr dicht am K+-Gleichgewichtspotential.
- Aufgrund der Beteiligung auch anderer Ionen reichen Nernst-Gleichung
und daraus berechnetes K+-Gleichgewichtspotential für
genauere Berechnungen oft nicht aus. Hier sei auf die Goldman-Hodgkin-Katz-Gleichung
verwiesen, die aufgrund ihrer Berücksichtigung von K+, Na+
und Cl- genauere Ergebnisse ermöglicht.
- Das Ruhemembranpotential ist die Basis für die Ausbildung von
Aktionspotentialen in elektrisch erregbaren Zellen. Dabei kann durch
Öffnung spezifischer Ionenkanäle sehr schnell das Membranpotential vom
Wert des Ruhemembranpotentials entfernt werden. Dies wiederum kann z.B. zur
Informationsweiterleitung (in Neuronen) oder zur Auslösung spezifischer
anderer Zellfunktionen, z.B. der Kontraktion (in Skelettmuskelzellen)
führen.
- Im Ruhezustand, also so lange die Zelle ihr Ruhepotential hält, sind die
meisten Ionenkanäle geschlossen.
- Ausnahmen sind - je nach Zelltyp - spannungsunabhängige
Kalium-einwärts-Gleichrichter-Kanäle (Kir), die sogenannten
2-P-Domänen- oder Hintergrundkanäle und ein erst bei sehr negativen Spannungen schließender spannungsabhängiger
Ionenkanal.
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