Das Ruhepotenzial ist die elektrische Spannung über der Zellmembran einer nicht erregten Nervenzelle. Sie beträgt typischerweise −70 mV (Innenseite negativ gegenüber der Außenseite). Es ist die Voraussetzung für jede elektrische Signalübertragung im Nervensystem und wird ständig aktiv aufrechterhalten.
Innen und außen der Membran herrschen unterschiedliche Ionenkonzentrationen. Außen dominiert Na+ mit etwa 145 mmol/l (innen 12 mmol/l), außen Cl− mit 110 mmol/l. Innen dominiert K+ mit etwa 140 mmol/l (außen 4 mmol/l) und große organische Anionen (Proteine, Phosphate). Diese Asymmetrie ist die chemische Grundlage des Ruhepotenzials.
Die Natrium-Kalium-Pumpe ist ein integrales Membranprotein, das unter ATP-Verbrauch 3 Na+ nach außen und 2 K+ nach innen befördert. Sie arbeitet elektrogen (Nettoladungsverschiebung) und verbraucht etwa 20% des gesamten zellulären ATP. Sie hält die Konzentrationsgradienten dauerhaft aufrecht.
Im Ruhezustand ist die Membran fast ausschließlich für K+ permeabel: Spezifische K+-Leakkanäle (z. B. TASK, TREK) sind dauerhaft offen. K+ strömt seinem Konzentrationsgefälle folgend nach außen. Dadurch wird die Innenseite zunehmend negativ. Das so entstehende elektrische Feld zieht K+ wieder zurück. Im Gleichgewicht heben sich chemische Triebkraft und elektrische Triebkraft auf.
Das Gleichgewichtspotenzial eines Ions berechnet sich nach Nernst:
\[ E_{Ion} = \frac{RT}{zF} \cdot \ln\frac{[Ion]_{au\beta en}}{[Ion]_{innen}} \]
Für K+ ergeben sich etwa −90 mV, für Na+ etwa +60 mV. Da die Membran in Ruhe weit überwiegend für K+ permeabel ist, liegt das Ruhepotenzial nahe E_K. Eine geringe Na+-Permeabilität verschiebt es auf den real gemessenen Wert von −70 mV (Goldman-Gleichung).
Ohne Ruhepotenzial wäre kein Aktionspotenzial möglich. Fällt die Na+/K+-Pumpe aus (z. B. bei Hypoxie oder Vergiftung mit Ouabain), depolarisiert die Membran und die Zelle wird unerregbar.
Abitur-Tipp: Schlüsselgrößen: −70 mV Ruhepotenzial, 3 Na+ raus / 2 K+ rein, Ruhemembran ist K+-selektiv. Die Pumpe baut den Gradienten auf, die Leakkanäle erzeugen das Potenzial.