Patch Clamp-Technik / -Methode [Biologie, Neurobiologie, Oberstufe]

Описание: In diesem Video geht es um die sogenannte Patch-Clamp-Methode, eine Methode, mithilfe der man Ionenströme durch einzelne Kanäle innerhalb einer Plasmamembran 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 Lipiddoppelschicht, die aufgrund ihres chemischen Aufbaus impermeabel ist für Ionen – d.h., dass Ionen (Na, K, …) diese Membran 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 Eigenschaften von Ionenkanäle- z.B. der Transport von Ionen - waren 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-Clamp-Technik, die von den deutschen Forschern Bert Sakmann und Erwin Neher 1978 entwickelt wurde und für die sie mit dem Nobelpreis 1991 ausgezeichnet wurden, ließen sich diese Hypothesen erstmals testen. 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 logischer Weise 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 (patch) der Plasmamembran durch die Pipette angesaugt und so das Stück an der Mündung der Mikropipette fixiert – festgehalten (clamp) und abgedichtet. Idealerweise enthält das an die Pipettenspitze angesaugte und abgedichtete Membranstück einen einzigen Ionenkanal. Wenn dies der Fall ist, kann der Ionenstrom gemessen werden, hervorgerufen durch das Öffnen und Schließen des isolierten Ionenkanals (vlt. entsprechende Abb. einblenden).
Wenn sich beispielsweise ein Natrium-Ionenkanal öffnet und positiv geladene Natriumionen 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 Ladungen – 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 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.
Erwartungshorizont: Die Patch-Clamp-Technik erlaubt es, den Ionenfluss durch einen Ionenkanal zu messen. Dazu wird eine sehr feine Saugkapillare mit einer Messelektrode so auf die Membran eines Neurons gesetzt, dass idealerweise nur ein Ionenkanal enthalten ist. ● Die Membran wird leicht angesaugt, sodass der Rand dicht abgeschlossen ist. Wird das Neuron einem Reiz ausgesetzt, kann der Ionenfluss durch den Kanal über die Änderung der Stromstärke ermittelt werden.
Der Purves, der Lehrbuchklassiker der Biologie, definiert sie als Methode zur elektrischen Isolierung eines winzigen Membranstücks (Patch) vermittels einer sehr feinen Glaspipette (Clamp), um die Ionenbewegungen durch einen winzigen Membrankanal untersuchen zu können. Ihr seht, dass diese Definition weitaus präziser ist, es aber auch einiger Erklärungen bedarf, um die Technik zu verstehen.