Mini-Ströme sichtbar gemacht

Setzt man eine ultrafeine Glaspipette an die Zellmembran und erzeugt durch Ansaugen einen leichten Unterdruck, so wird ein winziger Membranfleck mitsamt dem darin enthaltenen Ionenkanal gegenüber seiner Umgebung elektrisch isoliert. Bild vergrößern
Setzt man eine ultrafeine Glaspipette an die Zellmembran und erzeugt durch Ansaugen einen leichten Unterdruck, so wird ein winziger Membranfleck mitsamt dem darin enthaltenen Ionenkanal gegenüber seiner Umgebung elektrisch isoliert.

Seit den fünfziger Jahren konnte man zwar die elektrischen Ströme messen, die auftreten, wenn Ionen durch solche Kanäle in der Membran hindurchwandern, aber mit der vorhandenen Technik ließ sich nur der Gesamtstrom erfassen, der durch einige 1000 bis 10.000 einzelne Ionenkanäle gleichzeitig floss. Es gab keine Methode, um Einzelkanalströme an Zellmembranen direkt zu messen. Sie verschwanden im so genannten Hintergrundrauschen – ähnlich wie die Signale einer weit entfernten Radiostation, die man mit einer Antenne von zu geringer Reichweite zu empfangen versucht. Das Problem lag darin, die schwachen Stromsignale von einem billionstel Ampere (10-12 A) unverdeckt von den rund hundertmal stärkeren „Nebengeräuschen“ zu erfassen, die von den elektrischen Aktivitäten in der engeren und weiteren Umgebung des betreffenden Ionenkanals ausgingen.

1976 entwickelten die beiden Max-Planck-Forscher Erwin Neher und Bert Sakmann eine Methode, für die sie 15 Jahre später den Nobelpreis bekommen sollten, und mit der sich zum ersten Mal der durch einen einzigen kleinen Ionenkanal fließende Strom registrieren ließ – die sogenannte „Patch-Clamp-Technik“. Das Grundprinzip ist äußerst einfach: Indem man die Spitze einer superfeinen Glaspipette dicht auf die Zellmembran aufsetzt, isoliert man ein eingegrenztes Membranareal (den Membranfleck oder „patch“) und den sich darin befindenden Ionenkanal elektrisch von der übrigen Membran. Diese Methode wird heute in hunderten von Forschungslaboratorien weltweit eingesetzt. Sie lieferte den Schlüssel zum Verständnis zahlreicher Lebensprozesse auf zellulärer Ebene.

Der Acetylcholin-Rezeptor der Skelettmuskelzellen ist ein Natrium-Kalium-Kanal, der sich bei Anlagerung des Botenstoffs Acetylcholin öffnet. In der Geschichte der Ionenkanäle nimmt er einen besonderen Platz ein: Er war der erste Ionenkanal, den man reinigen konnte, dessen Aminosäuresequenz aufgeklärt wurde, den man in funktionsfähiger Form in künstliche Lipid-Doppelschichten einbauen konnte und für den das elektrische Signal eines einzelnen Kanals registriert wurde.

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