In diesem Video geht es um die sogenannte Patch-Clamp-Methode. Eine Methode, mithilfe der man Ionenströme durch einzelne Kanäle innerhalb einer Plasma-Membran messen kann. Wahrscheinlich werdet ihr euch mit dieser Technik im schulischen Kontext im Inhaltsfeld Neurobiologie auseinandersetzen.
Ihr wisst vom Unterricht wahrscheinlich, wie Nervenzellen, sogenannte Neuronen, aufgebaut sind und welche Funktionen von ihnen ausgehen. Wie die Membranen anderer Zellen besteht auch die Zellmembran von Neuronen aus einer Lipid-Doppelschicht, die aufgrund ihres chemischen Aufbaus impermeabel ist für Ionen. Das heißt, dass Ionen diese Membranen nicht passieren können. Zumindest nicht ohne Schützenhilfe.
Denn in der Membran einer Nervenzelle sind zahlreiche Proteinmoleküle integriert, die als Ionenpumpen und Ionenkanäle fungieren. Diese Proteine transportieren Ionen von der einen Seite zur anderen Seite der Membran. und sorgen für die beidseitige Ladungsverteilung.
Diese Eigenschaft von Ionenkanäle, zum Beispiel der Transport von Ionen, war vor 60 Jahren noch nicht bekannt. Bis in die 1970er Jahre haben Wissenschaftler nur Vermutungen darüber angestellt, welche Eigenschaften von Ionenkanälen ausgehen. Mit der Patch-Clam-Technik, die von zwei deutschen Forschern 1978 entwickelt wurde und für die sie mit dem Nobelpreis 1991 ausgezeichnet wurden, ließen sich die Hypothesen erstmals testen. Tschüss.
Diese Methodik, die wir uns nachfolgend genauer anschauen, ermöglicht es, die winzigen elektrischen Ströme zu identifizieren, die vom Öffnen und Schließen einzelner Ionenkanäle verursacht werden. Um diese Ionenströme zu messen mittels der Patch-Clamp-Technik, muss diese Technik logischerweise an der Membran des Neurons der Nervenzelle ansetzen. Denn hier in der Membran sind die Ionenpumpen lokalisiert.
Dazu wird eine Mikropipette auf die Membran des Neurons aufgesetzt. Bei diesem Vorgang entsteht ein leichter Unterdruck. So wird das kleine Stück, der sogenannte Patch, der Plasmamembran durch die Pipette angesaugt und so das Stück an der Mündung der Mikropipette fixiert, festgehalten, klemmt und abgedichtet. Idealerweise enthält das an die Pipettenspitze angesaugte und abgedichtete Membranstück einen einzigen Ionenkanal. Wenn dies der Fall ist, kann der Ionenstrahl Strom gemessen werden, hervorgerufen durch das Öffnen und Schließen des isolierten Ionenkanals.
Wenn sich beispielsweise ein Natrium-Ionenkanal öffnet und positiv geladene Natrium-Ionen in die Zelle strömen, dann zieht dieser positive Bereich im Inneren der Membran negative Ladungen aus der Umgebung an. Die Folge ist ein lokaler, rascher Fluss elektrischer Ladung, der sogenannte Ionenstrom. Auch wenn man das Membranstück mitsamt Ionenkanal aus der Zelle löst, lässt sich die Aktivität der Ionenkanäle weiterhin messen.
Oft wird die Pipette dafür verwendet, dass die Ionenkanäle nicht mehr in die Zelle gelöst werden. dazu an ein Spannungsgerät angeschlossen. Sowohl im Biologie-LK als auch im GK muss die Methode immer wieder in Abiturklausuraufgaben erklärt werden. In dieser Zusammenfassung habe ich euch diejenigen Stellen farblich hervorgehoben, die den Erwartungshorizont bilden.