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Das Ruhepotenzial oder auch Ruhemembranpotential bezeichnet einen Prozess zur Aufrechterhaltung einer -60mV (Die Aufzeichnungen über die Spannung des Ruhepotenziales schwanken in Buch zu Buch zwischen -60mv bis -80mv) Spannung innerhalb einer Axomembran. Dies geschieht durch das Konzentrationsgefälle von Na+ Ionen und K+ Ionen, weil aufgrund der natürlichen Teilchenbegwegung (Brownsche Molekularbewegung) irgendwann das Konzentrationsgefälle ausgeglichen wäre und damit die Spannung gleich 0, pumpt eine spezielle Pumpe, die Natrium-Kaliumpumpe immer Na+ Ionen und K+ Ionen in die entgegengesetzte Richtung des Konzentrationsgefälles, um so die Spannung aufrecht zu erhalten. Insgesamt wendet der Körper 20% aller hergestellten Energie auf, um diese Natrium-Kaliumpumpe zu betreiben.

Aufbau

Die Entstehung des Ruhepotenzials ist ein simpler Vorgang, der jedoch etwas weiträumiger zu verstehen ist.

Im Grunde entsteht die Spannung durch ein Ungleichgewicht der Na+ Ionen im Extrazellulär und einem Ungleichgewicht der K+ Ionen im Cytoplasma. Die Na+ Ionen und K+ Ionen sind durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt, der so genannten Axomembran, sie besteht aus einer doppelschicht Lipiden sowie vereinzelt aus Kanal-Proteinen. Um genauer zu verstehen wie die Ionen durch die Membran kommen betrachten wir uns erstmal die Permeabilität (d.h. Ionendurchlässigkeit) der Membran für die verschiedenen Stoffe, die für das Ruhepotenzial relevant sind, und sich entweder im Cytoplasma oder im extrazellulär befinden.

Darstellung des Ruhepotenzials durch Veranschaulichung der Ionenverältnisse und Ionenströme.

Konzentration der am Ruhepotenzial beteiligen Ionen.

Nun erkennen wir also zwei Dinge,

• K+ Ionen strömen aufgrund des Konzentrationsgefälles nach außen in das Extrazellulär, deswegen wird die Ladung im Cytoplasma negativer.
• Na+ Ionen diffundieren ständig von außen nach innen, hin zum Cytoplasma. So erzeugen sie eine Spannung von -60mV.

Dieser Prozess würde sich jedoch nach einer Weile nicht mehr rentieren, weil das Konzentrationsgefälle sinkt. Aus diesem Grund pumpt eine Na⁺-K⁺-Pumppe ständig Na+ Ionen und K+ Ionen gegen das Konzentrationsgefälle, so wird niemals ein Ausgleichspunkt erreicht.

Natrum-Kalium-Pumpe

Grafik der Na⁺-K⁺-Pumppe

Umwandlung von ATP zu Energie und von ADP zu ATP.

Das Ruhepotenzial müsste im Gleichgewichtszustand lange Zeit erhalten bleiben. Aufgrund des Membranpotenzials diffundieren jedoch immer kleine Mengen Na+ Ionen in die Membran und infolgedessen K+Ionen nach außen. Diese "Ionenleckströme" können nur durch einen aktiven (also Energie benötigenden) Transportmechanismus, der Natrium-Kalium-Pumpe ausgeglichen werden. Ohne diese Pumpe würde sich die Ionenkonzentrationen langsam ausgleichen die Spannung des Ruhepotenzial würde gegen 0 gehen. Die Na⁺-K⁺-Pumppe ist ein Menbranprotein das Na+ Ionen und K+ Ionen aus der Zelle transportiert. Um dies jedoch zu ermöglichen benötigt die Na⁺-K⁺-Pumppe Energie inform von ATP welches sie vom Körper erhält. In einem Zyklus tausch die Na⁺-K⁺-Pumppe so drei Na+ Ionen gegen zwei K+ Ionen aus. Damit ist es die Hauptaufgabe der Na⁺-K⁺-Pumppe das Ruhepotenzial wiederherzustellen, damit wiederum neue Signale transportiert werden können.