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Lexikon der Neurowissenschaft: patch clamp

patch clamp [E, =], Membranfleckklemme, ein experimenteller Meßaufbau, der die Messung elementarer Vorgänge an Zellen und Ionenkanälen (Untersuchung sehr kleiner Membranstücke) ermöglicht. Die patch clamp-Technik ist eine Fortentwicklung der Spannungsklemme (voltage clamp). Die Grenzen dieser Methode lagen in dem unvermeidlichen Rauschen, das bei jeder Ableitung einer Zelle vorhanden war. Da die Elementarströme an Nervenmembranen nur wenige Picoampère groß sind, gingen sie im Rauschen unter und entzogen sich einer Analyse. Ende der 1970er Jahre gelang es E. Neher und B. Sakmann, die Technik derart fortzuentwickeln, daß dieses Hindernis überwunden werden konnte ( siehe Abb. ). Hierbei wird über eine Glaspipette (Patchpipette) ein Stück der Nervenmembran so lang angesogen, bis sich ein Widerstand im Gigaohmbereich ausbildet (der mechanische Kontakt zwischen dem Pipettenrand und der Zellmembran ist extrem dicht); man spricht deshalb von einem giga seal. Diese Konfiguration wird als cell attached (patch) bezeichnet. Je nach Fragestellung kann nun entweder in die Zelle eingebrochen werden, indem das Membranstück (patch) unter der Pipette durchbrochen wird, oder das Membranstück wird vorsichtig herausgezogen. Bei Einbruch in die Zelle wird die Meßanordnung Ganzzellmodus (E whole-cell mode) genannt und entspricht einer klassischen intrazellulären Ableitung bei stark vermindertem Rauschen. Im Gegensatz zu intrazellulären Ableitungen kommt es jedoch zu einer intrazellulären Dialyse, einem Austausch der Pipettenflüssigkeit mit dem intrazellulären Milieu. Da das Flüssigkeitsvolumen der Pipette ein Vielfaches der Zelle beträgt, bestimmt die Zusammensetzung der Pipettenflüssigkeit das intrazelluläre Milieu während der Messung. Auf diese Weise können auch Substanzen in das Zellinnere verabreicht werden. Alternativ dazu kann aus der cell-attached- oder der whole-cell-Konfiguration das Stück Membran unter der Pipette herausgezogen werden. Je nachdem, ob die ehedem zum Zellinneren gelegene Seite der Membran sich nun auf der Außenseite befindet oder umgekehrt, spricht man von inside-out-patch bzw. outside-out-patch. Diese Konfiguration erlaubt im Idealfall die Messung eines einzelnen Ionenkanals in diesem Membranstück ( siehe Zusatzinfo ). Es entstehen charakteristische Erregungsmuster, wobei der Kanal ein oder mehrere diskrete Leitfähigkeitszustände einnehmen kann. In der Regel durchläuft ein Kanal den offenen, inaktivierten und geschlossenen Zustand, wobei sich eine stochastische Öffnungswahrscheinlichkeit dem Erregungsmuster überlagert. Aus dem zeitlichen Anteil des offenen Zustandes an der Gesamtableitungszeit wird die durchschnittliche Kanalöffnungszeit (mittlere Offenzeit) und die Kanalöffnungswahrscheinlichkeit (open probability) ermittelt. Einzelkanalstrom, Elektrophysiologie.



patch clamp

Diese Methode ist zu einer Standardtechnik bei neurophysiologischen Untersuchungen geworden. 1990 wurden Neher und Sakmann dafür mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

patch clamp

Solche Messungen wurden ursprünglich an motorischen Endplatten durchgeführt. Nach Applikation von Acetylcholin oder seiner Strukturanaloga in die Pipettenlösung kam es zum wiederholten Erscheinen kurzlebiger, elementarer Endplattenströme mit einer Amplitude von 3-5 pA und einer Dauer von einigen ms. Diese Ströme beruhten auf der vorübergehenden Öffnung eines einzigen nicotinischen Acetylcholinrezeptors.

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