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Ruhepotenzial – Bedeutung und Aufrechterhaltung

Das Ruhepotenzial beschreibt die elektrische Spannung zwischen Außen- und Innenseite erregbarer Zellen im Ruhezustand. Das Potenzial beträgt etwa -80 mV und wird aktiv durch die Natrium-Kalium-Pumpe, welche Ionen transportiert, um die Zelle in einem polarisierten Zustand zu halten, um erregbare Zellen für die Reizweiterleitung bereitzustellen. Klingt kompliziert? Gar nicht, wir erklären alles klar und knackig!

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Die Autor*innen
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Sabine Basine
Ruhepotenzial – Bedeutung und Aufrechterhaltung
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Ruhepotenzial – Bedeutung und Aufrechterhaltung Übung

Du möchtest dein gelerntes Wissen anwenden? Mit den Aufgaben zum Video Ruhepotenzial – Bedeutung und Aufrechterhaltung kannst du es wiederholen und üben.
  • Beschreibe die Ionenverteilung im Ruhepotential.

    Tipps

    Entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an.

    Die Natrium-Kalium-Pumpe hilft dabei, das Ruhepotential aufrechtzuerhalten.

    Lösung

    Die Zellmembran besteht aus einer Lipiddoppelschicht. Diese ist von Tunnelproteinen durchbrochen. Auf der Außenseite der Membran ist die extrazelluläre Flüssigzeit. Im Zellinneren befindet sich das Zytoplasma. In beiden Flüssigkeiten sind Ionen gelöst.

    Im Zytoplasma sind hauptsächlich organische Anionen und Kaliumionen zu finden. Natriumionen und Chloridionen sind hier nur in sehr geringen Mengen vorhanden. Diese sind hauptsächlich in der extrazellulären Flüssigkeit zu finden, wo wiederum die Anzahl der Kaliumionen und der Anionen sehr gering ist. Jedoch können die Kaliumionen durch die Membran diffundieren, da die Membranen eine hohe Leitfähigkeit für Kaliumionen aufweisen.

    Die Zellmembran ist auch für Natriumionen durchlässig, jedoch ist die Leitfähigkeit für diese geringer als für die Kaliumionen. Damit es hierbei nicht zu einem Natriumleckstrom kommt, wirkt die Natrium-Kalium-Pumpe.

  • Beschreibe das Ruhepotential.

    Tipps

    Intrazellulär ist eine Nervenzelle negativ geladen.

    Lösung

    An der Membran einer ruhenden, also unerregten Zelle sind Ionen ungleich verteilt. Innerhalb der Membran befinden sich überwiegend Kaliumionen und organische Anionen. Außerhalb sind Natrium- und Chloridionen zu finden.

    Kaliumionen können über Poren auch nach außen gelangen. Die organischen Anionen sind zu groß, sie können das Innere der Zelle nicht verlassen. Somit wird das Zellinnere negativ aufgeladen und die Außenseite positiv. Es entsteht ein elektrisches Feld. Die zunehmende negative Aufladung der Membraninnenseite behindert den Ausstrom weiterer Kaliumionen. Herrscht ein bestimmtes Potential, nämlich das Ruhepotential, ist der Diffusionsdruck für Kaliumionen genauso groß wie der gegenläufige Sog, der das positiv geladene Kaliumion wieder in das Innere zieht. Ein- und Ausstrom halten sich die Waage.

    Das Ruhepotential pendelt und beträgt je nach Zelltyp zwischen -50 mV und -100 mV, bei den meisten Nervenzellen liegt es zwischen -70 mV und -90 mV.

  • Erläutere die Wirkung von Temperatur und destilliertem Wasser auf das Ruhepotential.

    Tipps

    Bei hohen Temperaturen laufen chemisch-physikalische Prozesse schneller ab.

    Lösung

    Das Ruhepotential kann durch Außenfaktoren beeinflusst werden.

    Die Temperatur verändert die Geschwindigkeit der ablaufenden Prozesse. Sinkt die Temperatur ab, so laufen die Prozesse langsamer ab, auch die Wanderung der Ionen ist verlangsamt. Das bedeutet, der Wert des Potentials wird sich nicht ändern, aber es wird sich langsamer aufbauen.

    Bei Zugabe von destilliertem Wasser wird die Ionenkonzentration im Außenbereich verdünnt. Das bedeutet, dass nun mehr Kaliumionen bestrebt sind, nach außen zu diffundieren. Nun sind nicht mehr viele Kaliumionen im Innenbereich, was bedeutet, dass das Ruhepotential negativer wird.

  • Bestimme, wie sich das Potential der Zelle verändert.

    Tipps

    Die negativen Cyanidionen der Blausäure hemmen die ATP-Bildung. Die Natrium-Kalium-Pumpe benötigt Energie in Form von ATP, um ihre Arbeit zu verrichten.

    Die Natrium-Kalium-Pumpe dient der Aufrechterhaltung des Ruhepotentials. Sie pumpt Natrium und Kalium durch die Membran, um die Ladungen voneinander zu trennen.

    Das Ammoniumion $NH_4^+$ ist positiv geladen. Es kann die Zellmembran nicht passieren.

    Lösung

    Lena konnte folgende Beobachtungen machen:

    Bei der Zugabe von NaCl wurde das Ruhepotential etwas negativer. Die Natriumionen und Chloridionen wandern ins Zellinnere. Allerdings arbeitet die Natrium-Kalium-Pumpe einwandfrei und befördert einige der Natriumionen wieder nach außen.

    Bei der Zugabe von KCl wurde das Potential positiver. Die Kaliumionen sind positiv und wandern ins Zellinnere, dieses wird positiver. Die Chloridionen haben keinen großen Einfluss, da sie nur in geringen Maßen ins Innere gelangen.

    Bei der Zugabe von Ammoniumchlorid wurde das Potential etwas positiver. Es wandern hierbei nur sehr wenige Chloridionen ins Zellinnere und erhöhen die negative Ladung daher weniger stark.

    Bei der Zugabe von Blausäure sinkt das Ruhepotential laufend ab. Die negativen Cyanidionen der Blausäure hemmen die ATP-Produktion. Diese Energie wird aber für die Natrium-Kalium-Pumpe benötigt. Sie kann nun nicht mehr richtig arbeiten und das einströmende Natrium kann nicht mehr nach außen transportiert werden.

  • Bewerte die Aussagen zum Ruhepotential.

    Tipps

    Gleiche Ladungen stoßen sich ab.

    Lösung

    Die Zellmembran ist in geringem Umfang auch für Natriumionen durchlässig. Das bedeutet, dass ein paar Natriumionen hindurch diffundieren und ins Zellinnere gelangen können. Das kann zu einem Ausgleich des Membranpotentials führen, denn wenn positiv geladene Ionen in das negative Zellinnere gelangen, wird das Ruhepotential positiver.

    Es ist also wichtig, dass zur Aufrechterhaltung des Ruhepotentials aktive Transportvorgänge stattfinden. Diese werden von der Natrium-Kalium-Pumpe durchgeführt. Bei jedem Transportvorgang werden drei Natriumionen aus der Zelle heraustransportiert und zwei Kaliumionen hineingeschleust. Somit wird das Potential aufrechterhalten. Dazu benötigt die Pumpe Energie in Form von ATP.

    Die Hydrathülle vergrößert ein Ion zusätzlich, sie erleichtert nicht die Diffusion.

  • Erkläre den Weg vom Reiz zur Reaktion.

    Tipps

    Der Begriff Transduktion kommt aus dem Lateinischen und steht für „Überführung“.

    Der Begriff der Transformation kommt ebenso aus dem Lateinischen und heißt übersetzt umwandeln.

    Lösung

    Lebewesen besitzen die Fähigkeit, Reize aus ihrer Umwelt aufzunehmen und auf diese zu reagieren. Solche Reize können von außen auf das Lebewesen wirken (Licht, Druck, Temperatur, usw.) oder von innen aufgrund einer Zustandsänderung im Organismus wirken.

    Der Reiz wird von speziellen sensorischen Rezeptoren aufgenommen. Diese bewirken eine Veränderung des Membranpotentials. Diese Änderung wird als Erregung oder Rezeptorpotential bezeichnet. Es folgt die Transduktion, also Weiterleitung der Reizenergie, und Transformation. Bei diesem Vorgang wird das Rezeptorpotential in Aktionspotenzial umgewandelt. Nun folgen die Schritte Transmission und Verarbeitung (=Integration).

    Auch Pflanzen können auf Reize reagieren. Die Reizaufnahme erfolgt bei ihnen zum Beispiel durch lichtsensible Pigmente. Die Signalweiterleitung erfolgt auf chemischem Weg, denn Pflanzen besitzen keine Nervenzellen. Ihre Reaktion kann zum Beispiel eine Wachstumsbewegung sein. Vielleicht kennst du den Spruch „Die Pflanze wächst zum Licht hin.“ Damit reagiert sie auf den Lichtreiz mit Wachstum zur Reizquelle hin.