Das Ruhemembranpotential ist der Spannungsunterschied der Flüssigkeiten innerhalb einer Zelle und außerhalb einer Zelle, der normalerweise zwischen -70 und -80 Millivolt (mV) liegt. Alle Zellen haben diesen Unterschied, aber er ist besonders wichtig in Bezug auf Nerven- und Muskelzellen, da jeder Reiz, der die Spannung ändert und sie vom Ruhemembranpotential unterscheidet, es den Zellen ermöglicht, elektrische Signale zu übertragen. Wenn die Zellen keine Spannungsdifferenz hätten, wären sie neutral und würden keine Informationen übertragen.
Hintergrund
Alle Zellen haben eine Membran, die als Barriere zwischen der Flüssigkeit außerhalb und der Flüssigkeit im Inneren dient und um zu kontrollieren, welche Arten von Partikeln in die Zelle ein- und austreten können. Einige Partikel, wie Sauerstoff, können die Membran von selbst passieren, aber andere größere benötigen spezielle Kanäle, um durchzukommen. Einige dieser Kanäle lassen nur einen Partikeltyp ein und aus und schieben oder ziehen die Partikel nicht aktiv in irgendeine Richtung, während andere mehrere Partikeltypen aufnehmen und sie aktiv in die Zelle hinein oder aus dieser herausdrücken können. Beide Typen können von der Zelle zu bestimmten Zeiten geöffnet oder geschlossen werden, um den Partikelfluss zu steuern.
Ruhepotential
Wenn eine Zelle ruht, ist die Flüssigkeit im Inneren etwas negativer als die Flüssigkeit außerhalb, die im Allgemeinen eine Ladung von 0 mV hat. Dies liegt an elektrisch geladenen Teilchen, die als Ionen bezeichnet werden. Die Ionen, die den Spannungsunterschied verursachen, sind die Art von Partikeln, die Kanäle benötigen, um durch die Membran zu gelangen, und umfassen Dinge wie Kalium (K+) und Natrium (Na+). Wenn eine Zelle ruht, enthält sie eine Konzentration großer negativer Ionen sowie etwas K+ und etwas Na+. Die Außenseite der Zelle ist unter anderem von Na+ und etwas K+ umgeben.
Da Flüssigkeiten idealerweise verschiedene Arten von Partikeln gleichmäßig verteilt haben möchten, möchte das K+ innerhalb der Zelle aus ihr heraus und das Na+ möchte hineinkommen, damit dort Ionen gleichmäßig verteilt werden. Sie können dies jedoch nicht, weil die Kanäle, die Na+ durch die Membran passieren lassen, im Ruhezustand der Zelle geschlossen sind und die für K+ nur leicht geöffnet sind, wodurch nur ein wenig K+ austreten kann. Darüber hinaus gibt es einen dritten Kanaltyp, der aktiv überschüssiges Na+ aus der Zelle schiebt und jedes austretende K+ zurück in die Zelle nimmt. Dies bedeutet, dass die leicht negative Spannung im Inneren der Zelle aufrechterhalten wird, wodurch das Ruhemembranpotential entsteht.
Aktionspotentiale
Ein Aktionspotential ist die Art und Weise, wie Zellen elektrische Informationen übertragen und als Reaktion auf einen Reiz auftreten. Wenn eine ruhende Zelle einen ausreichenden Reiz erhält, um die Ladung der Flüssigkeit in ihr auf -55 mV zu erhöhen, öffnen sich die Kanäle, die Na+ durchlassen, wodurch viel Na+ in die Zelle strömt. Dies erhöht die Ladung der Flüssigkeit im Inneren weiter bis auf etwa +30 mV. Sobald die Flüssigkeit diese Ladung erreicht, schließen sich die Na+-Kanäle und die K+-Kanäle öffnen sich ganz, sodass K+ aus der Zelle fließen kann. Es dauert jedoch länger, bis sich diese Kanäle öffnen als die Na+-Kanäle, sodass die Zellflüssigkeit noch eine Weile positiv geladen bleibt.
Refraktärzeit
Sobald die K+-Kanäle vollständig geöffnet sind, fließt viel K+ aus der Zelle, wodurch ihre interne Spannung auf etwa -90 mV sinkt. Dies wird Hyperpolarisation genannt und verhindert, dass der Reiz zurückkommt und dieselbe Zelle erneut beeinflusst, da die Flüssigkeit jetzt eine viel niedrigere Spannung hat, was bedeutet, dass ein viel größerer Reiz benötigt wird, um sie wieder auf -55 mV zu bringen. Danach beginnen die Kanäle, die K+ aufnehmen und Na+ ausstoßen, zu arbeiten und bewegen die Zelle schließlich zurück auf das Ruhemembranpotential von -70 mV.