Einleitung

Ziel dieses Programms und des Praktikumsversuchs "Membranpotential" ist es, zu verstehen,

• wie ein Membranpotential durch unterschiedliche intra- und extrazelluläre Ionenkonzentrationen entsteht,
• wie selektive Membranleitfähigkeiten dieses Membranpotential beeinflussen,
• und welche Ionenströme durch unterschiedliche Membranpotentiale und Leitfähigkeiten hervorgerufen werden (und wie daraus das Gleichgewichtspotential einer Ionenspezies experimentell bestimmt werden kann).

Dazu wird ein Versuchsaufbau simuliert, der tatsächlich auch von Elektrophysiologen zur Erforschung von z. B. Ionenkanälen verwendet wird! Grundlage für den Versuch sind Oozyten aus Xenopus laevis, die nach Injektion einer entsprechenden mRNA einen bestimmten Ionenkanal in großer Menge exprimieren. Die Oozyten eignen sich, allein aufgrund ihrer Größe, sehr gut um direkte Messungen des Membranpotentials durchzuführen. Dazu wird eine, mit einer Salzlösung (3 M KCl) gefüllte, spitze Glas-Mikroelektrode bis ins Cytosol der Oozyte gestochen. So kann eine zwischen der Membraninnenseite und der Badlösung bestehende Potentialdifferenz, sprich das Membranpotential, gemessen werden.

Ablauf der Versuchssimulation

• Als erstes musst du festlegen, welche Oozyten-Charge, sprich welchen exprimierten Ionenkanal du untersuchen willst. Wähle den gewünschten Kanal im Fenster "Bedienung" aus.
• Die Badlösung kann (auch jederzeit während des Experiments) im Fenster "Badlösung" verändert werden. Es stehen zwei Eingabezeilen zur Verfügung, um ein schnelles Switchen zwischen den Lösungen zu erlauben.
• Jetzt kannst du die Elektrode zunächst ins Wasserbad führen. Das Messgerät beginnt automatisch damit, die Werte von Spannung (unten, rot) und Strom (oben, schwarz) aufzunehmen.  
• Wie du siehst, sorgt bereits der Kontakt der Elektrode mit der Badlösung für eine kleine, messbare Potentialdifferenz. Dieses sogenannte "Junction"-Potential ist messtechnisch bedingt und für die Messung nicht erwünscht. Es kann mit dem sogenannten "Offset"-Potential (Anzeige über dem Messdisplay) ausgeglichen werden. Ein Klick auf den Button "Komp." genügt.
• Nun kannst du die Elektrode in die Zelle stechen. Beobachte, welches Membranpotential jetzt angezeigt wird!
• Zur eigentlichen Aufzeichnung der Messung kannst du zwischen 3 Modi wählen:
  • Der Modus "nur aufzeichnen" erlaubt dir z. B. aufzuzeichnen, was beim Wechsel auf  unterschiedliche Badlösungen passiert.
  • Ganz anders funktioniert die Spannungsklemme: Hierbei wird das Membranpotential nicht mehr gemessen, sondern aktiv durch die Elektrode vorgegeben. Gleichzeitig wird aber weiterhin der Strom über die Membran gemessen. Du kannst das Membranpotential V_mem, auf das du die Oozyte klemmen möchtest, beliebig wählen. (drücke dann "Start"
  • Neben der Spannungsklemme bei einem festen Membranpotential steht auch der Modus "IV-Curve" zur Wahl.

IV-Curve

• Die Zelle wird zunächst auf V_mem geklemmt, dann wird das Membranpotential pulsartig für kurze Zeit verändert. Dies wird treppenförmig wiederholt, so dass mit jedem neuen Puls ein höheres Membranpotential erreicht wird. Der erste Spannungswert und die Stufenhöhe können vorab unter "zusätzliche Einstellungen" frei gewählt werden.
• Gleichzeitig wird der Strom über die Membran weiterhin gemessen.
• Die aus der "IV-Curve"-Messung gewonnen Daten erlauben die Bestimmung einer einfachen Strom-Spannungs-Beziehung. "Lade" dazu, sobald die Messung nach 60 s abgeschlossen ist, die Daten in das Fenster "Strom-Spannungs-Beziehung".
• Das Programm überträgt jetzt, für jede gemessene Potential-"Stufe", den erzeugten Strom (bzw. dessen maximalen Wert) in den Graphen.
• Das Programm bietet weiterhin die Möglichkeit, eine Kurve über diese – gemessenen - Werte zu fitten. Dies ermöglicht auch, auf die Einzelkanal-Offenwahrscheinlichkeit des untersuchten Kanals zu schließen. Dazu musst du zunächst aussuchen, welcher Kurven-Typ über die Daten gefittet werden soll. Wähle z. B. für die daueroffenen Kaliumkanäle, eine Gerade aus. Fitte jetzt die Daten.
• Im rechten Fenster "Offenwahrscheinlichkeit-Spannungs-Beziehung" wird jetzt die (maximale*!) Offenwahrscheinlichkeit P_{0, max} in Abhängigkeit des Membranpotentials dargestellt.

*Tatsächlich ist bei den meisten Ionenkanälen die Einzelkanal-Offenwahrscheinlichkeit nicht nur vom Membranpotential, sondern auch von der Zeit abhängig. Man spricht hier von der gating- bzw. Schalt-Kinetik. Dies wird hier nicht berücksichtigt, es wird nur der maximale Wert über die Zeit angezeigt.

Gestaltung und ©

Diese Seite wurde gestaltet von Pierre Kreins, Physiologisches Institut Freiburg, Abteilung Physiologie II, in Anlehnung an das Skript zum Physiologischen Praktikum der Albert-Ludwigs-Universität Freiburg.

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