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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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Ruhepotenzial – Bedeutung und Aufrechterhaltung
lernst du in der Oberstufe 7. Klasse - 8. Klasse - 9. Klasse

Ruhepotenzial – Definition

Im Zytoplasma von Zellen und in der Zwischenzellflüssigkeit liegen positiv und negativ geladene Ionen vor. Wenn zwischen den Ladungen außerhalb und innerhalb der Zellen ein Ungleichgewicht herrscht, spricht man von einem Potenzial, das in Volt gemessen wird. Erregbare Zellen wie Nerven-, Sinnes- und Muskelzellen können dieses Potenzial ändern, wenn sie durch starke Reize erregt werden.

Das Ruhepotenzial (oder auch: Ruhemembranpotenzial) beschreibt die elektrische Spannung zwischen Außen- und Innenseite erregbarer Zellen im Ruhezustand. Dem steht das Aktionspotenzial gegenüber: eine vorübergehende Abweichung vom Ruhepotenzial durch eine Erregung.

Ruhepotenzial – Nervenzelle

Wie bereits erläutert führt die unterschiedliche Verteilung der Ionen innerhalb und außerhalb der Zelle zur Entstehung eines Potenzials. Das Ruhepotenzial bei Nervenzellen ist negativ und liegt bei etwa –70 Millivolt (mV).

Fehleralarm
Viele Schülerinnen und Schüler verwechseln das Ruhepotenzial mit dem Aktionspotenzial. Das Ruhepotenzial ist der stabile, negative Wert einer unerregten Zelle, während das Aktionspotenzial eine kurzzeitige Umkehr dieses Werts darstellt.

Ruhepotenzial – Ionenverteilung

Die ungleiche Ionenverteilung über die Zellmembran sieht beim Ruhepotenzial wie folgt aus:

  • Innerhalb der Zelle (Zytoplasma): hohe Konzentration an Kaliumionen ($K^{+}$) und organischen Anionen
  • Außerhalb der Zelle: hohe Konzentration an Natriumionen ($Na^{+}$) und Chloridionen ($Cl^{-}$)

Das Zellinnere wird dabei durch eine semipermeable (halb durchlässige) Membran vom Zelläußeren getrennt.

Ruhepotenzial – Entstehung und Aufrechterhaltung

Wie du nun weißt, befinden sich im Zytoplasma von erregbaren Zellen negativ geladene organische Anionen und positiv geladene Kaliumionen ($K^{+}$). In der Zwischenzellflüssigkeit um die erregbaren Zellen befinden sich negativ geladene Chloridionen ($Cl^{-}$) und positiv geladene Natriumionen ($Na^{+}$).

Da sich entgegengesetzte Ladungen (Kationen und Anionen) anziehen, ziehen sich die $Na^{+}$-Ionen und $Cl^{-}$-Ionen außerhalb der Zelle an. Im Inneren der Zelle ziehen sich die organischen Anionen und die $K^{+}$-Ionen gegenseitig an. Gleichzeitig stoßen sich die Anionen im Inneren und außerhalb der Zellen ab, wie sich auch die Kationen innen und außen gegenseitig abstoßen.

Nach den Gesetzen der Diffusion und Osmose bewegen sich Teilchen aufgrund des Konzentrationsgradienten von Bereichen höherer Konzentration zu Bereichen niedrigerer Konzentration, wodurch Konzentrationsunterschiede ausgeglichen werden.
Somit bewegen sich die $Na^{+}$- und $Cl^{-}$-Ionen aufgrund der diffusionsbedingten Kräfte ins Zytoplasma. Die $K^{+}$-Ionen und die organischen Anionen bewegen sich durch Poren in der Zellmembran in die Zwischenzellflüssigkeit.

Im Ruhepotenzial befinden sich demnach $Na^{+}$, $Cl^{-}$ und auch ein gewisser Anteil an $K^{+}$-Ionen in der Zwischenzellflüssigkeit und $K^{+}$ sowie organische Anionen befinden sich im Zytoplasma. Dieses Potenzial beträgt etwa –70 Millivolt (mV). Je nach Organismus und Nervenzelle kann es auch zwischen –60 und –100 mV liegen.

Ruhepotential

Elektrochemischer Gradient

Es ergibt sich zunächst ein elektrochemischer Gradient. Über die Membran hinweg gibt es ein Konzentrationsgefälle, Kaliumionen ($K^{+}$) liegen innerhalb der Zelle beispielsweise in einer deutlich höheren Konzentration vor als außerhalb. Ionen haben eine zufällige Eigenbewegung (brownsche Molekularbewegung) und streben einen Konzentrationsausgleich an – das haben wir weiter oben bereits behandelt. So diffundieren die Ionen vom Ort höherer zum Ort niedrigerer Konzentration – es entsteht ein chemischer Gradient.

Bewegen sich positiv geladene Kaliumionen ($K^{+}$) nun beispielsweise aus der Zelle heraus, nimmt die elektrische Ladung innerhalb der Zelle ab und es entsteht ein Spannungsfeld. Nicht nur die Teilchen tendieren dazu, Konzentrationen auszugleichen, sondern auch elektrische Ladungen tendieren zum Ausgleich. Der elektrische Gradient wirkt dem chemischen Gradienten also entgegen, indem er Kaliumionen ($K^{+}$) in unserem Beispiel zurückhält. Da beide Gradienten nicht klar voneinander getrennt werden können, spricht man vom elektrochemischen Gradienten.

Selektive Permeabilität

Die Ionen werden von der semipermeablen Membran an einer Gleichverteilung gehindert, denn sie ist nicht für alle Ionen gleich durchlässig. Im Ruhezustand ist die Zellmembran vor allem für Kaliumionen ($K^{+}$) durchlässig, sodass diese hauptverantwortlich für die Entstehung des Ruhepotenzials sind. Sie strömen aus der Zelle heraus.

Natrium-Kalium-Pumpe

Obwohl $Na^{+}$-Ionen die Zellmembranen kaum durchdringen können, diffundieren immer wieder $Na^{+}$-Ionen durch sogenannte Leckströme in das Zellinnere. Diese Natrium-Leckströme gefährden das Ruhepotenzial.

Natrium-Kalium-Pumpe Animation

Natrium-Kalium-Pumpen sind Ionenpumpen, die in den Zellmembranen eingebettet sind. Sie befördern unter Energieverbrauch, also unter dem Verbrauch von Adenosintriphosphat (ATP), jeweils drei positiv geladene $Na^{+}$-Ionen aus dem Zellinnenraum heraus und im Gegenzug jeweils zwei positiv geladene $Ka^{+}$-Ionen in die Zelle hinein. Die Energie in Form von ATP benötigen die Ionenpumpen, da dieser aktive Ionentransport dem passiv verlaufenden Konzentrationsgefälle entgegenwirken muss.

Wusstest du schon?
Das Gehirn verbraucht etwa 20 Prozent der gesamten Energie des Körpers. Ein Großteil dieser Energie wird verwendet, um das Ruhepotenzial der Nervenzellen aufrechtzuerhalten. Dein Gehirn ist also ein echter Energiefresser!

Ruhepotenzial – Bedeutung

Nur die Aufrechterhaltung des Ruhepotenzials gewährleistet, dass erregbare Zellen durch die Einwirkung eines Reizes auch erregt werden können. Für die Reizweiterleitung und die entsprechenden Reaktionen ist das Ruhepotenzial somit von großer Bedeutung, zum Beispiel für die normale Funktion von Nerven- und Muskelzellen.

Ausblick – das lernst du nach Ruhepotenzial – Bedeutung und Aufrechterhaltung

Bereite dich auf weitere spannende Themen vor! Die Videos zum Aktionspotenzial und zur Erregungsleitung in Nervenzellen zeigen dir die nächsten Schritte. Verstehe, wie das Ruhepotenzial aufrechterhalten wird und was passiert, wenn Nervenzellen erregt werden.

Zusammenfassung – Ruhepotenzial

  • Das Ruhepotenzial (oder auch: Ruhemembranpotenzial) beschreibt die elektrische Spannung zwischen Außen- und Innenseite der Membran einer unerregten Zelle.
  • Bei Nervenzellen liegt das Ruhepotenzial bei etwa –70 Millivolt (mV).
  • Das Ruhepotenzial beruht auf dem elektrochemischen Gradienten, der selektiven Permeabilität der Zellmembran und den Natrium-Kalium-Pumpen.
  • Das Ruhepotenzial ermöglicht die Erregbarkeit von Zellen und stellt somit die normale Funktion von Muskel- und Nervenzellen sicher.

Häufig gestellte Fragen zum Thema Ruhepotenzial

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Vorschaubild einer Übung

Michi regt sich mal wieder nur auf. "Eyyy, Michi, chill mal deine Basis! Bring mal deine gestressten Neuronen ins Ruhepotential." Was ein nerdiger Rat.. Was hat es mit dem "Ruhepotential" eigentlich auf sich? Was ist seine "Bedeutung" und wie wird es "aufrechterhalten"? DAS klären wir hier. Bevor wir nochmal auf Michi und seinen stressigen Tag zu sprechen kommen, klären wir erst einmal ein paar Grundlagen, die unsere Nervenzellen betreffen. Im Zytoplasma eines Neurons sind positiv und negativ geladene Ionen gelöst. Das Neuron ist von der Lipiddoppelschicht seiner Zellmembran umhüllt, die eine natürliche Barriere für die Ionen darstellt. Daher ist ein vollständiger Konzentrationsausgleich der geladenen Ionen durch die Zellmembran nicht möglich. Jedoch ist sie für bestimmte Ionen durchlässig – dazu später mehr. Grundsätzlich spricht man von einem Membranpotenzial, wenn zwischen den Ladungen beziehungsweise der Konzentration an geladenen Teilchen außerhalb und innerhalb der Zelle ein Ungleichgewicht herrscht. Das Membranpotenzial beziehungsweise die elektrische Spannung wird dabei in Volt gemessen. Erregbare Zellen, wie unsere Nervenzellen, können das Potenzial ändern, wenn sie zum Beispiel durch starke Reize erregt werden. Was ist nun das Ruhepotenzial? Das Ruhepotenzial ist das Membranpotenzial erregbarer Zellen im Ruhezustand, wobei eine bestimmte elektrische Spannung zwischen Innen- und Außenseite der Zellmembran vorliegt. Dabei ist das Innere des Neurons gegenüber der extrazellulären Seite negativ geladen. Für Wirbeltierneuronen werden je nach Zelltyp Werte zwischen minus vierzig und minus neunzig Millivolt gemessen. Keine Sorge, das sehen wir uns gleich nochmal genauer an. Was wir uns unbedingt merken sollten ist, dass das Ruhepotenzial und seine Aufrechterhaltung unglaublich wichtig sind, damit Zellen überhaupt erregbar sind und so miteinander kommunizieren beziehungsweise Reize weitergeleitet werden können. Ruhe ist also auch für Neuronen sehr wichtig. Wie sieht die Ionenverteilung beim Ruhepotenzial aus? Betrachten wir einmal die Zellmembran – hier siehst du die Doppellipidschicht, die teilweise von Tunnelproteinen unterbrochen wird. Auf der Außenseite der Membran befindet sich extrazelluläre Flüssigkeit, im Zellinneren das Zytoplasma. In beiden Flüssigkeiten sind Ionen zu unterschiedlichen Anteilen gelöst. Im Zellinneren liegen hauptsächlich Kaliumionen und organische Anionen wie Proteine vor. Letztere werden von der Zelle produziert und sind so groß, dass sie nicht durch die Zellmembran diffundieren können. Außerdem befinden sich Natrium- und Chloridionen in sehr geringer Konzentration im Zellinneren. Auf der Außenseite der Membran sind hingegen viele Natrium- und Chloridionen und nur wenige Kaliumionen vorhanden. Wie wird das Ruhepotenzial aufrechterhalten? Wie du sicher weißt, ziehen sich entgegengesetzte Ladungen an. Im Zytoplasma halten sich demnach organische Anionen und Kaliumionen gegenseitig fest und auf der Außenseite der Membran ziehen sich Natrium- und Chloridionen an. Das bedeutet auch, dass sich organische Anionen und Chloridionen gegenseitig abstoßen, weil beide negativ geladen sind. Ebenso verhält es sich mit den Natrium- und Kaliumionen aufgrund ihrer positiven Ladung. Und jetzt ist dein Wissen zur Diffusion und Osmose gefragt! Aufgrund ihrer Eigenbewegung diffundieren Teilchen stets vom Ort höherer zum Ort niedriger Konzentration, um Konzentrationsunterschiede auszugleichen. Erinnerst du dich? Natrium- und Chloridionen sind demnach bestrebt, ins Zytoplasma zu wandern; Kaliumionen und organische Anionen umgekehrt in den Extrazellularraum. Es ergibt sich ein chemischer Gradient. Natriumionen, Chloridionen und organische Anionen sind aufgrund ihrer Hydrathülle aus Wassermolekülen jedoch viel zu groß, um die Membran zu durchqueren. Für die Kaliumionen sind kleine Kanäle in der Membran geöffnet, durch die sie diffundieren können. Die Membran ist somit SELEKTIV PERMEABEL. So befinden sich, wie bereits erwähnt, auch einige Kaliumionen auf der Außenseite der Membran, was unter anderem dafür sorgt, dass diese positiv geladen ist und das Zellinnere negativ – das ist der Zustand im Ruhepotenzial. Neben dem chemischen Gradienten gibt es allerdings auch einen ELEKTRISCHEN. Nicht nur Teilchen sind bestrebt, Konzentrationen auszugleichen, sondern auch elektrische Ladungen streben nach Ausgleich. Der elektrische Gradient wirkt dem chemischen also in unserem Beispiel entgegen, indem er Kaliumionen zurückhält. Beide Gradienten sind nicht klar voneinander zu trennen, weshalb man auch vom elektrochemischen Gradienten spricht. Immer wieder können auch Natriumionen in geringem Umfang in die Zelle diffundieren – man spricht hierbei vom Natrium-Leckstrom. Was hat das für Folgen? Hast du eine Idee? Naja, würden Natriumionen ungehindert in die Zelle einströmen, würde die Konzentration an positiven Ladungen innerhalb der Zelle langsam steigen und die Spannung abnehmen. In der Realität bleibt das Ruhepotenzial in lebenden Nervenzellen jedoch konstant – wie kann DAS sein? Ein Protein in der Zellmembran ist hierfür verantwortlich : es transportiert Natriumionen gegen das Konzentrationsgefälle aus der Zelle heraus und Kaliumionen gleichzeitig in die Zelle hinein. Der aktive Transport durch diese NATRIUM-KALIUM-PUMPE passiert unter ATP-Verbrauch. Ob du es glaubst oder nicht: dieser Transport ist für etwa siebzig Prozent des Energieverbrauchs deines Gehirns verantwortlich – WOW! Wir fassen noch einmal IN RUHE zusammen. Im Zytoplasma sowie im Extrazellularraum sind positiv und negativ geladene Ionen gelöst. Die Zellmembran eines Neurons ist eine natürliche Barriere für diese Ionen. Das Ruhepotenzial beschreibt die elektrische Spannung zwischen Innen- und Außenseite der Membran einer unerregten Zelle. Bei menschlichen Nervenzellen liegt es bei etwa minus siebzig Millivolt. Die Ionenverteilung kann dabei in etwa SO dargestellt werden. Das Ruhepotential beruht auf einem elektrochemischen Gradienten , der selektiven Permeabilität der Membran und auf dem aktiven Ionentransport der Natrium-Kalium-Pumpe. Das Ruhepotential ist wichtig, damit eine Erregung der Zellen überhaupt erst möglich ist und Reize weitergeleitet werden können. Und somit ist der Hinweis, Michi solle seine Neuronen ins Ruhepotential bringen, auch nicht ganz korrekt. Seine Nervenzellen müssen ja die ganze Zeit miteinander kommunizieren, damit er überhaupt lernen und arbeiten kann. Aber siehste, da hat er sich auch schon wieder beruhigt.

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.
  • Tipps

    Im Ruhezustand ist das Innere der Nervenzelle deutlich negativer als das Äußere.

    Lösung

    Das Ruhepotenzial einer menschlichen Nervenzelle beträgt etwa –70 Millivolt. Es ist die elektrische Spannung zwischen Innen- und Außenseite einer unerregten Zelle. <hr> Im Zytoplasma einer Nervenzelle befinden sich positiv und negativ geladene Ionen. Die Nervenzelle wird von einer Lipiddoppelschicht umgeben. Diese Zellmembran stellt eine natürliche Barriere für Ionen dar. Ein vollständiger Konzentrationsausgleich der geladenen Ionen über die Zellmembran ist daher nicht möglich. Allerdings ist die Membran für bestimmte Ionen durchlässig, sie ist selektiv permeabel.

    Man spricht von einem Membranpotenzial, wenn ein Ungleichgewicht zwischen den elektrischen Ladungen beziehungsweise der Konzentration geladener Teilchen innerhalb und außerhalb der Zelle besteht.

    Das Membranpotenzial, also die elektrische Spannung zwischen innen und außen, wird in Volt gemessen.

    Erregbare Zellen, wie Nervenzellen, sind in der Lage, ihr Membranpotenzial zu verändern – beispielsweise, wenn sie durch einen starken Reiz erregt werden.

  • Tipps

    Hier siehst du die Ionenverteilung im Innern und außerhalb einer Nervenzelle.

    Hier siehst du die Natrium-Kalium-Pumpe, die die Ionen entgegen ihrem Konzentrationsgefälle unter Energieverbrauch transportiert.

    Das Ruhepotenzial ist das Membranpotenzial erregbarer Zellen im Ruhezustand, wobei eine bestimmte elektrische Spannung zwischen Innen- und Außenseite der Zellmembran vorliegt.

    Lösung

    Die ungleiche Verteilung von Ionen innerhalb und außerhalb einer Nervenzelle wird allgemein als Membranpotential bezeichnet. Innen befinden sich vor allem Kalium-Ionen und negativ geladene organische Anionen, während außen in höherer Konzentration Natrium- und Chlorid-Ionen vorliegen. Die Zellmembran lässt nicht alle Ionen gleich gut passieren – man spricht deshalb von selektiver Permeabilität.

    Kleine Kanäle in der Zellmembran ermöglichen vor allem Kalium-Ionen entlang ihrem elektrochemischen Gradienten zu diffundieren und die Zelle zu verlassen. Allerdings diffundieren ständig kleine Mengen an Natrium-Ionen zurück in die Zelle – ein Vorgang, der als Natrium-Leckstrom bezeichnet wird. Damit das Ruhepotential stabil bleibt, muss die Natrium-Kalium-Ionenpumpe dagegen arbeiten. Sie pumpt unter Energieverbrauch mehr Natrium-Ionen nach außen als Kalium-Ionen nach innen.

  • Tipps

    Die ungleiche Ionenverteilung und die selektive Permeabilität der Membran vor allem für Kalium-Ionen ist Voraussetzung für die Entstehung eines Ruhepotentials.

    Trotz geringer Durchlässigkeit der Zellmenbran für Natrium-Ionen diffundieren diese nach und nach ins Zellinnere. Dieser Natrium-Leckstrom stört den Aufbau des Ruhepotentials. Dem Natrium-Leckstrom wirkt die Natrium-Kalium-Pumpe entgegen.

    Lösung

    Die ungleiche Ladungsverteilung und selektive Permeabilität der Membran vor allem für Kalium-Ionen ist Voraussetzung für die Entstehung eines Ruhepotentials. Im Folgenden sind die einzelnen Schritte dargestellt, die zur Entstehung und Erhalt eines Ruhepotentials führen:

    1.$~$Die Kalium-Ionen diffundieren durch Kalium-Kanäle aus der Zelle heraus.

    2.$~$Dadurch entsteht eine negative Ladung im Zytoplasma der Zelle.

    3.$~$Das Ruhepotential wird durch den Natrium-Leckstrom gestört.

    4.$~$Die Natrium-Kalium-Pumpe verhindert den Zusammenbruch des Ruhepotentials.

    5.$~$So entsteht ein stabiles Ruhepotential bei - 70 mV.

  • Tipps

    Die Natrium-Kalium-Pumpe transportiert Ionen aktiv, während die Ionenkanäle einen passiven Transport ermöglichen.

    Der Natrium-Ionenkanal ist teilweise geschlossen.

    Lösung

    Das Ruhepotential beruht auf einem elektrochemischen Gradienten, der selektiven Permeabilität der Membran und auf dem aktiven Ionentransport der Natrium-Kalium-Pumpe. Das Ruhepotential ist wichtig, damit eine Erregung der Zellen überhaupt erst möglich ist und Reize weitergeleitet werden können.

    Die Doppellipidschicht wird durch Tunnelproteine unterbrochen. Innerhalb und außerhalb der Membran befinden sich Ionen zu unterschiedlichen Anteilen gelöst. Im Zellinneren liegen hauptsächlich Kalium-Ionen und organische Anionen wie Proteine vor. Letztere werden von der Zelle produziert und sind so groß, dass sie nicht durch die Zellmembran diffundieren können. Außerdem befinden sich Natrium- und Chlorid-Ionen in sehr geringer Konzentration im Zellinneren. Auf der Außenseite der Membran sind hingegen viele Natrium- und Chlorid-Ionen und nur wenige Kalium-Ionen vorhanden.

    • Aufgrund ihrer Eigenbewegung diffundieren Teilchen stets vom Ort höherer zum Ort niedriger Konzentration, um Konzentrationsunterschiede auszugleichen. Natrium- und Chlorid-Ionen sind demnach bestrebt, ins Zytoplasma zu wandern; Kalium-Ionen und organische Anionen umgekehrt in den Extrazellularraum. Es ergibt sich ein elektrochemischer Gradient.
    • Für die Kalium-Ionen sind kleine Kanäle in der Membran geöffnet, durch die sie diffundieren können. Die Membran ist somit selektiv permeabel. So befinden sich auch einige Kalium-Ionen auf der Außenseite der Membran, was unter anderem dafür sorgt, dass diese positiv geladen ist und das Zellinnere negativ – das ist der Zustand im Ruhepotenzial.
    • Immer wieder können auch Natrium-Ionen in geringem Umfang in die Zelle diffundieren (Natrium-Leckstrom).
    • Ein weiteres Protein ist in der Zellmembran dafür verantwortlich, das die Natrium-Ionen wieder gegen das Konzentrationsgefälle aus der Zelle heraus transportiert und ein kleinerer Anteil Kalium-Ionen gleichzeitig in die Zelle hinein. Der aktive Transport durch diese Natrium-Kalium-Pumpe passiert unter ATP-Verbrauch und stabilisiert das Ruhepotential.


    Dieser Transport ist für etwa 70 Prozent des Energieverbrauchs deines Gehirns verantwortlich!

  • Tipps

    Eine Antwort ist falsch und bleibt übrig.

    Lösung

    Das Ruhepotenzial ist das Membranpotenzial erregbarer Zellen im Ruhezustand, wobei eine bestimmte elektrische Spannung zwischen Innen- und Außenseite der Zellmembran vorliegt. Dabei ist das Innere des Neurons gegenüber der extrazellulären Seite negativ geladen. Für Wirbeltierneuronen werden je nach Zelltyp Werte zwischen -40 und -90 Millivolt gemessen.

  • Tipps

    Der elektrochemische Gradient besteht aus zwei entgegengesetzten Kräften: dem chemischen Gradienten, der aufgrund des Konzentrationsgefälles entsteht und dem elektrischen Gradienten, der aufgrund der Anziehung oder Abstossung der Ladungen entsteht.

    Eine Depolarisation kennst du vielleicht vom Aktionspotential. Die Innenseite der Zellmembran wird positiver.

    Lösung

    Normalerweise diffundiert Kalium aus der Zelle heraus, da es innen höher konzentriert ist als außen.

    Wenn außen mehr Kalium vorhanden ist, wird der Konzentrationsgradient kleiner und weniger Kalium verlässt die Zelle. Dadurch nimmt die negative Ladung innen ab:

    • Das Ruhepotenzial wird weniger negativ.
    • Es kommt zu einer Depolarisation und möglicherweise zu Zellschädigungen.

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