Home > Biologie > Neurobiologie > Grundlagen > Bau und Funktion des Neurons > Ruhepotenzial

Ursachen des Ruhepotenzials 2

Messung - Modell 1 - Modell 2 - Kalium-Diffusion - Na/K-Pumpe 1 - Na/K-Pumpe 2 - RP lite - Lernkarten 1 - Lernkarten 2

Auf der letzten Seite hatten wir grob geklärt, wie das Ruhepotenzial zustande kommt: Kalium-Ionen diffundieren von innen nach außen, die negativ geladenen organischen Anionen verbleiben in der Zelle, weil sie zu groß sind für eine Diffusion. Es baut sich ein Ladungsunterschied quer über die Membran auf. Auf der Außenseite bildet sich ein Überschuss positiver Ladungen, auf der Membraninnenseite ist es negativ: Membranpotenzial.

Die Kalium-Diffusion hat ihre Ursache in dem großen Konzentrationsgradienten der Kalium-Ionen. Auf dieser Seite soll geklärt werden, wie dieser Konzentrationsgradient überhaupt entsteht, der ja die Vorraussetzung für die auf der Vorseite beschriebenen Diffusionsvorgänge ist.

Schauen wir uns noch einmal die Ionenverhältnisse an bzw. in einer Säugetier-Nervenzelle an.

Ionenkonzentrationen innerhalb/außerhalb eines Säugetierneurons

Diese starken Konzentrationsunterschiede entstehen nicht von selbst, sondern werden von der Zelle unter Energieverbrauch erzeugt.

Die Natrium-Kalium-Pumpe

Das Protein, welches für die Bildung des Kalium-Konzentrationsgradienten und des Natrium-Konzentrationsgradienten verantwortlich ist, ist die Natrium-Kalium-Pumpe. Unter Verbrauch von 1 ATP transportiert dieses Protein drei Natrium-Ionen aus dem Zellinneren nach außen und im Gegenzug zwei Kalium-Ionen von außen nach innen.

Schematische Darstellung der Wirkung der Natrium-Kalium-Pumpe

Stellen Sie sich vor, innerhalb und außerhalb der Zelle hätten wir die gleichen Konzentrationen an Natrium- und Kalium-Ionen. Wenn jetzt die Na+/K+-Pumpe anfängt zu arbeiten, wird die Zahl der Natrium-Ionen auf der Innenseite verringert, während sie auf der Außenseite ansteigt. Umgekehrt wird außen die Zahl der Kalium-Ionen weniger, während sich innen immer mehr Kalium-Ionen ansammeln. Auf diese Weise entstehen die bekannten Konzentrationsunterschiede, die wiederum die Vorraussetzung für die Bildung des Ruhepotenzials sind.

Na+/K+-Pumpe = komplexes Protein, das unter Verbrauch von ATP drei Natrium-Ionen aus der Zelle herauspumpt und im Gegenzug zwei Kalium-Ionen in die Zelle hineinpumpt. Die Na+/K+-Pumpe ist die Hauptursache für die Entstehung der Kalium- und Natrium-Konzentrationsgradienten, wie man sie bei einer Nervenzelle beobachten kann.

Übrigens kommt die Na+/K+-Pumpe nicht nur in Nervenzellen vor, sondern in nahezu allen Zellen eines Lebewesens. Aber Nervenzellen benötigen die Na+/K+-Pumpe besonders dringend, weil durch die Aktionspotenziale viele Natrium-Ionen nach innen und viele Kalium-Ionen nach außen gelangen. Die anderen Zellen benötigen die Na+/K+-Pumpe nur, um "zufällig" eingedrungene Natrium-Ionen wieder nach außen und "zufällig" eingedrungene Kalium-Ionen wieder nach innen zu transportieren. Die Zellen verwenden einen Großteil des in den Mitochondrien produzierten ATPs nur zum Betreiben dieser Na+/K+-Pumpe.

Die Na+/K+-Pumpe ist elektrogen

Es werden immer drei Na+-Ionen nach außen gepumpt, und nur zwei K+-Ionen nach innen. Im Endeffekt wird also eine positive Ladung mehr nach außen transportiert, was zur Folge hat, dass die Innenseite der Membran negativ und die Außenseite positiv wird. Die Natrium-Kalium-Pumpe produziert durch ihre Tätigkeit also ein elektrisches Feld. Man sagt auch, die Natrium-Kalium-Pumpe ist elektrogen.

Allerdings wirkt sich dieser elektrogene Effekt nur zu ca. 10% auf die Bildung des Ruhepotenzials aus. Die restlichen 90% werden durch die Diffusion der Kalium-Ionen erzeugt. Voraussetzung hierfür ist aber der Kaliumgradient, und der wird wiederum von der Natrium-Kalium-Pumpe erzeugt.