Ruhemembranpotential

Synonym

  • Ruhepotential

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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