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Ruhepotenzial als Phänomen

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Lernziele

Wenn Sie diese Seite durchgearbeitet haben, sollten Sie wissen

  • was man unter dem Ruhepotenzial einer Zelle versteht,
  • wie man das Ruhepotenzial misst,
  • was der Unterschied zwischen einer Depolarisierung und einer Hyperpolarisierung ist.

Messung des Membranpotenzials

An der Membran einer jeden Zelle besteht ein Ladungsunterschied zwischen Innen und Außen. In der Regel ist die Innenseite der Membran leicht negativ geladen, während die Außenseite leicht positiv geladen ist. Über die Ursachen dieser Membranspannung bzw. dieses Membranpotenzials werden wir uns später noch unterhalten. Vorab eine wichtige Definition:

Elektrische Spannung, elektrisches Potenzial = Ladungsunterschied.
Eine Spannung wird grundsätzlich in Volt V oder Millivolt mV gemessen.

Auf dieser Seite möchte ich erläutern, wie man die Membranspannung überhaupt messen kann.

Messung des Ruhepotenzials

Messung des Ruhepotenzials

Die Abbildung 1 zeigt das Grundprinzip dieser Messung. Man benötigt zwei Elektroden, eine Messelektrode und eine Bezugselektrode. Die Bezugselektrode kann sehr einfach gebaut sein, für manche Versuche reicht bereits ein chloriertes Silberplättchen. Die Messelektrode dagegen muss sehr fein sein, denn man will sie ja in die lebende Nervenzelle hineinstechen.

Bei den riesigen Nervenzellen von Tintenfischen ist das noch recht einfach, aber bei den kleinen Nervenzellen von Säugetieren ist doch einiges an Know-how erforderlich. Eine typische Messelektrode besteht aus einem dünnen Glasröhrchen, das mit einem Elektrolyten gefüllt ist, zum Beispiel Kaliumchlorid- oder Kaliumnitratlösung, meistens aber Natriumchloridlösung (Kochsalz). Das Glasröhrchen der Messelektrode ist am Ende zu einer extrem feinen Spitze ausgezogen, deren Durchmesser bei nur 1 µm oder weniger liegt (1 µm = 1 Mikrometer = 1/1000 Millimeter!).

Beide Elektroden sind an einen Verstärker angeschlossen, der wiederum mit einem Voltmeter, einem Oszilloskop oder einem Computer verbunden ist.

In einer mit Salzwasser gefüllten Schale liegt nun eine Nervenzelle, ein lebendes Neuron. Gut geeignet sind dazu die Riesennervenzellen bestimmter Tintenfische. Diese Riesennervenzellen sind so groß sind, dass man sie mit bloßem Auge sehen kann.

Solange sich die beiden Elektroden in dem Salzwasser befinden passiert noch gar nichts. Man kann keine Spannung messen, weil ja kein Ladungsunterschied vorhanden ist; beide Elektroden befinden sich im gleichen Medium.

Sticht man nun die Messelektrode vorsichtig in das Neuron, so beobachtet man auf dem Messgerät  eine Spannung von 50 mV, 70 mV oder sogar 90 mV. Dabei stellt man fest, dass die Innenseite der Zelle negativ geladen ist im Vergleich zum Außenmedium. Deswegen gibt man dem Membranpotenzial ein negatives Vorzeichen: -50, -70 bzw. -90 mV.

Membranpotenzial = Ladungsunterschied zwischen der Innenseite der Membran und dem Außenmedium. Das Membranpotenzial kann zwischen -110 mV und +30 mV schwanken, jenachdem ob die Zelle sich im Ruhezustand befindet oder ob sie erregt ist.

Ruhepotenzial = Membranpotenzial, das man im Ruhezustand einer Zelle messen kann. Das Ruhepotenzial tierischer Zellen liegt zwischen -50 und -90 mV.

Aktionspotenzial = Membranpotenzial, das man am Axon einer gerade erregten Nervenzelle messen kann. Das Aktionspotenzial liegt im Bereich um +30 mV, die Innenseite der Membran ist also positiv gegenüber dem Außenmedium geladen.

Hier eine kleine Zusammenfassung:

Die Innenseite der Membran einer Nervenzelle ist gegenüber dem Außenmedium negativ geladen. Sticht man eine Messelektrode in die Nervenzelle hinein und lässt die Bezugselektrode im Außenmedium, so kann man im Ruhezustand der Zelle ein Membranpotenzial von ca. -70 mV messen. Diese Spannung bezeichnet man als Ruhepotenzial.

Zustandekommen des Ruhepotenzials

Es stellt sich nun die Frage, wie das Ruhepotenzial einer Nervenzelle zustande kommt. Damit beschäftigen wir uns ausführlich auf der nächsten Seite. Vorher müssen wir allerdings noch ein paar wichtige Fachbegriffe klären.

Depolarisierung und Hyperpolarisierung

Zwei wichtige Fachbegriffe, die in der Neurobiologie immer wieder vorkommen, sind die Depolarisierung und die Hyperpolarisierung.

Depolarisierung = Abschwächung der vorhandenen Membranspannung, zum Beispiel von -70 mV auf -40 mV.

Hyperpolarisierung = Verstärkung des Membranpotenzials, zum Beispiel von -70 mV auf -85 mV.

Tipp für Abiturienten

Wenn Sie in einer Abituraufgabe oder in einer Klausuraufgabe die Begriffe Depolarisierung und Hyperpolarisierung erklären müssen, dann verwenden Sie auf jeden Fall konkrete Zahlenbeispiele, so wie ich es in den obigen Definitionen gemacht habe.

Lesen Sie sich auf jeden Fall die beiden Lexikonseiten zur Depolarisierung und Hyperpolarisierung gründlich durch, dort wird auch auf typische Fehler im Umgang mit diesen Begriffen hingewiesen. Bei einer mündlichen Abiturprüfung dürfen Sie gerne auf die dort beschriebene Problematik mit dem "Steigen" oder "Sinken" des Membranpotenzial eingehen.

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