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Entstehung des Ruhepotentials?
Die Entstehung des Ruhepotentials in/an einer Nervenzelle wird meist von Biologen etwas unphysikalisch beschrieben, was dazu führt, dass die Vorgänge selbst nicht klar beschrieben werden. Was ist z. B. der Grund dafür, dass "am Anfang" zwischen extrazellulärem Raum und Zellinnerem ein K+ -Konzentrationsunterschied existiert, der zur Permeation von Kalium durch die Zellwand führt?. Bitte nicht den Konzentrationsgradienten mit Osmose erklären! Ich frage nach den Ursachen, nicht nach den Folgen.
sorry Kathi, ich bin Physikochemiker. Wie Batterien funktionieren, weiß ich und auch, warum eine Ladungstrennung zu einer Potentialdifferenz führt. Ich interessiere mich für die Ursache der unterschiedlichen Konzentrationen ganz zu Beginn.
@jtk:
Wenn ich das recht verstehe, sind "zu Beginn", also bei t=0, extrazellulär sowohl mehr Na wie auch K vorhanden und K kann auf Grund seiner guten Membrangängigkeit ins Zellinnere diffundieren, Na unter diesen Bedingungen nur schlecht. Da schließen sich wie immer gleich 2 neue Fragen an: 1. Warum ist die Alkaliionenkonzentration im extrazellulären Raum größer und 2. welche Kationen sind denn die Gegenionen im Zellinneren? Die Proteinanionen, Aminosäureanionen oder auch die anorganischen Anionen brauchen ja immerhin irgendetwas Positives. Mg2 , Ca2 oder was?
2 Antworten
- Anonymvor 7 JahrenBeste Antwort
Die wichtigste Rolle spielt hierbei ein membran-durchgängiges Molekül, das unter Energieverbrauch (chemisch in Form von Adenotriphosphat (ATP) gebunden) K+/Na+ Ionen aus bzw. in die Zelle transportiert: Die Natrium-Kalium-Pumpe bzw. Natirum - Kalium ATPase.
"Ganz zu Beginn" ist ein sehr schwammiger Begriff, weil die Übergänge in der Biologie leider nicht komplett vereinfacht werden können, wie es häufig bei physikalischen Gedankenexperimenten der Fall ist (ich beziehe mich auf Vereinfachungen wie etwa "geschlossene Systeme ohne Energieverlust").
Dennoch, stellen wir das mal so dar, mit zunächst "gestoppter Zeit".
t=0:
Zelle frisch aus der Zellteilung entstanden, aber bereits komplette Austattung an Zellorganellen, repliziertem Genom, Enzymen etc., noch keine Aktivitäten an der Zellmembran, die Zelle befindet sich in einem wässrigen Medium mit den relevantesten beweglichen Ladungsträgern (Na+,K+,Ca 2+,Cl-, wobei hier vereinfacht nur Na+, Cl- und K+ betrachtet werden sollen) in derselben Konzentration wie innerhalb der Zelle.
Innerhalb der Zelle befinden sich zusätzlich im physiologischen Grundzustand negativ geladene Proteine und organische Phosphate, die aufgrund ihrer Größe nicht dem Konzentrationsgefälle nach durch die Zellmembran diffundieren können.
t>0:
Die oben genannte Natrium-Kalium-Pumpe spaltet 1 Molekül ATP (in 1 ADP und ein anorganisches Phosphat) und nutzt die freigewordene Energie, um aktiv zwei Kalium-Ionen in die Zelle zu transportieren und drei Natrium-Ionen aus der der Zelle zu transportieren.
Kalium-Ionen sind recht gut membrangängig und diffundieren durch die Zellmembran ihrem Konzentrationsgradienten folgend, wieder aus der Zelle.
Natrium-Ionen sind schlecht membrangängig, weshalb ihr passiver gradientenbedingter Rückfluss im Verhältnis ignoriert werden kann.
Die leicht membrangängigen Chlorid-Ionen werden durch die negative Ladung der zellinternen Proteine aus der Zelle gedrängt, bis der chemische Gradient überwiegt.
Auf diese Weise entsteht beispielsweise in einer Skelettmuskelzelle eine effektive Konzentration in mmol/kg H2O bei 37°C (nach Conway) von
Ka+: 4,5 (extrazellulär) zu 160 (intrazellulär), Gleichgewichtspotential -95mV
Na+: 144 (extrazellulär) zu 7 (intrazellulär), Gleichgewichtspotential +80mV
Cl-: 114 (extrazellulär) zu 7 (intrazellulär), Gleichgewichtspotential -80mV
Je nach Zelltypus pendelt sich ein Ruhepotenital von minus 60-100mV ein (Beispiel Nervenzelle: -70mV)
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zu weitere Details (mal sehen, wie viel ich noch tippen darf in dieser Antwort):
Eigentlich war mein hypothetisches t=0 (dieser Zustand kommt NICHT in der Natur vor) so gemeint, dass inner und außerhalb der Zelle die gleiche Konzentration der betrachteten Ionen vorliegt, also kein chemischer Gradient besteht.
Dementsprechend auf Frage 1.: die Na+Konzentration ist extrazellular erst größer, wenn die Na+/K+-Pumpe ihre Tätigkeit verrichtet und eben aktiv den Gradienten verändert.
Zu Frage 2.: Um ehrlich zu sein, besitze ich hierzu auch keine weiterführenden Informationen. Vermutlich sind eben Na+/K+ als in wässriger-Lösung recht leicht reversible Salzbildner geeignet, zumindest bei der DNA-Doppelhelix ist dies teilweise so. Entschuldige bitte meine Unwissenheit, aber bevor ich weitere Mutmaßungen hierzu anstelle, schweige ich lieber.
Quelle(n): U.a.: Linder - Biologie - vor 7 Jahren
Falls Dir diese physikalische Einfach-Darstellung reicht:
Das Potential entsteht wie bei einer Batterie.
Innen und auÃen bei einer Zelle lagern sich unterschiedliche Mineralien an, die mit der Zellwand dazwischen eine Spannung/Potential aufbauen.
Die Stärke ist von der Art der Mineralien abhängig, die immer gleich sein sollte; dann aber auch von deren menge.
Wenn der Mensch zu wenig Mineralien zuführt, verringert sich das Potential bis hin zu fast 0V.
schöne GrüÃe
Kathi
Quelle(n): Nachtrag: jtk hat natürlich mit seiner wissenschaftlichen Beantwortung völlig recht, ich habe nur versucht die physikalische Seite dabei zu betrachten. Die biologische kann man sich er-googeln.
