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The Properties of Ion Channels in the Endplate Membrane

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The Properties of Ion Channels in the Endplate Membrane
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340
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CC Attribution - NonCommercial - NoDerivatives 4.0 International:
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Sir Bernard Katz who shared the Nobel Prize in Physiology or Medicine 1970 with Ulf von Euler and Julius Axelrod participated eight times in the Lindau Nobel Laureate Meetings. "He was always a star on these occasions - many students embarked on careers in neuroscience after hearing him speak."[1] Katz was brought up in Leipzig where he completed his state exams in medicine before he escaped from Nazi Germany to England in 1935. He always remained fond of his Saxonian German accent, however. When listening to this second talk he gave in Lindau, one understands why Katz had a special ability to attract the attention of his audience and to spark their interest for neuroscience: He combines the profound knowledge of a successful research pioneer with an enormous educational skill, and holds a both rigorous, humorous and inspiring lecture. Whether neural signalling was purely electrical or involved chemical mediators had long been debated – until Henry Dale and Otto Loewi demonstrated the hybrid electrochemical nature of nervous transmission in the 1920s, a fundamental discovery for which they were awarded with the Nobel Prize in Physiology or Medicine in 1936. In the year before, as a young scientist in London, Bernard Katz had begun to study neuromuscular transmission. In the 1940s, working in John Eccles’ lab in Sydney, he showed that the endplate potential in muscle is indeed generated by the action of acetylcholine. Subsequently, he concentrated on the first stage of the neuromuscular transmission process, "namely the mechanism by which arrival of an impulse enables the motor nerve ending to release the transmitter substance"[2]. Using intracellular microelectrodes, Katz and his co-workers discovered miniature endplate potentials (MEPPs) and explained their origin by the quantal hypothesis of transmitter release: "Transmission at a nerve–muscle junction takes place in all-or-none 'quanta' whose sizes are indicated by the spontaneously occurring miniature discharges."[3] In this lecture, Katz first describes the scientific background and history of these discoveries that earned him a Nobel Prize. Then he moves on to outline the problem that challenges him since eight years: "What happens when acetylcholine reacts with single receptor molecules in the muscular endplate? Is it possible to record the individual synaptic molecular effect as a discrete event and to measure its characteristic time response and intensity?" When he started working on this problem with Ricardo Miledi, Katz says, such a possibility did not exist. Therefore they had chosen an indirect approach by measuring statistical fluctuations during continuous application of acetylcholine. The latter produces not only a measurable depolarization, he explains, but also a measurable excess of voltage noise in the endplate zone and thus allows meaningful insights into the properties and the behavior of acetylcholine ion channels. The results of this fluctuation analysis are remarkable, as Katz shows in many examples, but must be regarded as unproven predictions as long as the statistical deductions cannot be verified in direct observations. Fortunately, Katz finally says, two scientists at the Max-Planck-Institut in Göttingen recently have succeeded in elegantly overcoming this problem. With an introduction of Erwin Neher's and Bert Sakman's patch-clamp-technique and its possibilities, Bernard Katz concludes his lecture, as if he already wanted to introduce the next Nobel Laureates in his field of research. 13 years later, Neher and Sakman were awarded the Nobel Prize in Physiology or Medicine. Joachim Pietzsch [1] Bert Sakmann. Bernard Katz. Biogrophical Memoirs of Fellows of the Royal Society. 2007: 53, p. 199. [2] Bernard Katz. On the quantal mechanism of neural transmitter release, p. 485. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1970/katz-lecture.pdf [3] Del Castillo J and Katz B. Quantal components of the end-plate potential. J Physiol. 1954; 124(3): 560 – 573, p. 571.
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Transcript: German(auto-generated)
Ich danke Ihnen sehr, Herr Pfandegen, für Ihre sehr freundlichen Bemerkungen. Meine Damen und Herren, Sie werden sich vielleicht wundern, warum ich auf dem Programm nicht mit einem kleinen Sternchen angegeben bin.
Die Erklärung ist vielleicht, dass der Vortrag weniger auf Deutsch als auf Sächsisch als technischen Umständen gegeben wird.
Das benötigt vielleicht einen besonderen Dolmetscher. Bei der vorherigen Tagung vor drei Jahren hatte ich Gelegenheit, eine neue Methode zu beschreiben, mit der mein Kollege Herr Riccardo Milledi und ich beschäftigt waren.
Wir hatten uns vorgenommen, die Molekularereignisse an der motorischen Endplatte unserer Muskelphasen zu studieren. Ich möchte nun zuerst noch mal kurz den Hintergrund schildern, von dem unsere Versuche hervorgingen.
Die Signalübertragung vom Nerven zum Muskel wird durch die Freisetzung eines chemischen Reizstoffes, einer Transmittersubstanz, aus den Nervenendigungen bewirkt. Diese Substanz, Acetylcholine in diesem Fall, wird vom Nervenende ausgeschieden, wenn der elektrische Impuls ankommt.
Acetylcholine diffundiert dann schnell durch die kleine Kontaktspalte zwischen Nerv- und Muskelzelle und reagiert mit spezifischen Rezeptoren. Das sind Eiweißmolekülen, die in der synaptischen Endplattenmembran der Muskelfaser verankert sind.
Diese Reaktion führt zu einer Öffnung von Ionengittern in der Muskelmembran mit dem Resultat, dass viele Cationen, insbesondere Natrium-Ionen, durch die geöffneten Membrankanäle wandern können.
Das Einströmen von positiven Natrium von der Außenflüssigkeit in die Zelle hinein verursacht eine lokale Potentialveränderung, eine Depolarisation der Muskelmembran, die man als Endplattenpotential beschreibt.
Normalerweise ist das ein sehr großer und schneller Potentialschwung. Er wirkt als überschwelliger elektrischer Reiz, der sich sofort impulsartig in der Muskelfaser fortpflanzt und eine Zuckung hervorruft. Vor vielen Jahren hatten wir gefunden, dass die Sekretion, die Ausscheidung von Acetycholine, immer in quantaler Weise stattfindet.
Das heißt, die Substanz wird nicht molekulär, sondern in großen multimolekularen Paketen zerniert, von
denen ein jenes Paket mehrere Tausende, ungefähr 5.000 bis 6.000 Moleküle enthält. Man hält es für wahrscheinlich, dass diese paketenweise Entladung auf einer diskreten subzellulären Verteilung des gespeicherten Acetycholines beruht.
Nur man kann das im Elektronmikroskop schon sehen, und zwar in der Form von im Nervenende angehäuften synaptischen Bläschen. Darf ich das erste Bild haben? Das ist von einem alten elektronmikroskopischen Bild einer Nervenmuskelsynapse am Frosch.
Sie sehen hier die in Falten gelagerte postsynaptische Muskelmembran, überlegt von einem Nervenende, das wiederum vom Bindegewebe durch eine Schwanzelle getrennt ist.
Im Nervenende sieht man diese angehäuften, kleinen sogenannten synaptischen Bläschen, die sich an bestimmten Stellen gegenüber den Falten der Muskelmembran besonders angehäuft finden.
Und die, so wie wir wissen, aus anderen Versuchen an Homogenaten, die anscheinend die Transmittersubstanz, also in diesem Fall hat das Acetycholin in konzentrierter Lösung enthalten. Kann ich das nächste Bild bitte haben? Das ist mit der Gefrieretzmethode von
einem, auch Acetylcholin erregten Organ, einem elektrischen Organ von dem Zitterrachen genommen worden. Das ist ein Bild von L.T. Potter und Elvira Nickel. Sie sehen hier gewissermaßen in Relief die synaptischen Bläschen an den Nervenendigungen.
Das ist die synaptische Spalte. Das ist die postsynaptische Membran der Elektroplax. Und man sieht hier und da Bläschen, die geöffnet sind und in unmittelbarer Verbindung mit der synaptischen Spalte stehen.
Nun, man stellt sich vor, man nimmt an, dass die Bläschen die Transmittersubstanz konzentriert enthalten und dass die quantale Entladung auf einer gewissermaßen Alles-oder-Nichts-Entladung eines einzelnen Bläschen beruht.
Das ist natürlich eine Vorstellung, die auf einer Reihe von Effizienz beruht, die aber immer noch etwas kontroversierter ist. Was wir wissen ist, dass Kalzium-Ionen zum Entladungsprozess benötigt werden und man nimmt an,
dass das Kalzium an einer Reaktion, an einer spezifischen Reaktion zwischen Bläschenmembran und Zelloberfläche teilnimmt, wobei die zwei Membranen miteinander verschmelzen und sich öffnen, gewissermaßen platzen, mit dem Resultat, dass der gesamte diffusible Inhalt eines Bläschen unmittelbar in die synaptische Spalte entladen wird.
Jede solche Entladung verursacht eine kleine, unterschwellige Depolarisation der Muskelfaser von ungefähr einem halben Millivolt und einen Strompuls von ungefähr 5 Nanoamperes, das ist also 5 mal 10 hoch minus 9 Amperes.
Solche Einzelpakete werden spontan mit ziemlich langen, unregelmäßigen Intervallen sezerniert, sie passieren durchschnittlich einmal pro Sekunde. Wenn der Nervenimpuls ankommt, dann verursacht er eine plötzliche, enorme
Beschleunigung dieses Sekretionsvorganges, sodass hunderte Pakete während einer Millisekunde abgeliefert werden. Das ist also ungefähr eine hunderttausendmal größere Sekretionsgeschwindigkeit. Kann ich mal das dritte Bild haben, das von dem ersten Versuch, den Paul Fett und ich über diesen quantalen Sekretionsvorgang gemacht haben.
Man sieht hier auf der linken Seite oben mit starker Vergrößerung diese unregelmäßig spontanen Entladungen der sogenannten Miniatur-Endplattenpotenziale,
die gewissermaßen die Quanten darstellen, aus denen sich das vom Nervenimpuls hervorgerufene hundertmal größere Endplattenpotenzial zusammensetzt. Hier unten, mit viel geringerer Verstärkung und viel größerer Zeitgeschwindigkeit, sehen
wir das große Endplattenpotenzial, das überschwellig ist und sofort einen Impuls hervorruft, der dann zwei Millimeter weg in derselben Phase fortgepflanzt nach einer etwas größeren Verzögerung aufgenommen wird.
Nun, also das sind alte Versuche. Was wir nun wissen wollten, war etwas mehr über die Elementarreaktion. Was passiert denn, wenn Acetylcholine mit einzelnen Rezeptormolekülen in der Endplatte reagiert?
Das quantitative Ausmaß und der zeitliche Ablauf des Molekularvorganges, der Transmitterreaktion und nicht nur des Acetycholins, sondern auch der Reaktion von anderen in der Medizin benutzbaren Reiz- und Hemmungssubstanzen, das sind alles Probleme, die von besonderem theoretischem und praktischem Interesse sind.
Aber vor weniger als zehn Jahren sah es noch so aus, als ob diese Probleme mit den uns zur Verfügung stehenden experimentellen Methoden nicht erfolgreich angegriffen werden können.
Jedenfalls nicht in direkter Weise. Wenn man sich die Fortschritte ansieht, die in der synaptischen Zellphysiologie gemacht worden sind, so kann man wohl sagen, dass sie im Wesentlichen von Verbesserungen der elektrischen Registriermethoden abhängig gewesen sind. Die Einführung der Oszillografen mit Röhrenverstärkung, der intracellulären Mikroelektrode,
der Voltage-Clump, das ist Stabilisierung des Membranpotentials durch Stromrückkopplung und weitere Verbesserungen in der Empfindigkeit und Stabilität der Aufzeichnungsmethoden.
Alle diese technischen Entwicklungen haben es ermöglicht, zuerst den Alles -oder-Nichts-Impuls der Einzelzelle und das große Endplattenpotential zu beobachten. Etwas später wurde es möglich, das viel kleinere quantale Miniaturpotenzial
zu untersuchen, das gewissermaßen eine unterzählige Alles-oder-Nichts-Reaktion darstellt. In den letzten Jahren haben die technischen Entwicklungen zur indirekten und schließlich auch zur direkten Registrierung der einzelnen Ionenkanäle, das heißt also der molekularen Elementarreaktion, geführt.
Vor 30 Jahren wurde die Entdeckung des Miniatur-Endplattenpotentials, das ist also der quantalen Wirkung von Tausenden von Acetylcholin-Molekülen, als eine ganze Leistung betrachtet.
Und im Vergleich mit den 100-mal größeren synaptischen und Aktionspotentialen der ganzen Zelle war das damals schon verständlich. Nun, im Jahre 1970 wollten Ricardo Miledi und ich nun die Untersuchung einige Dimensionen weiter heruntertreiben und die Molekularwirkung quantitativ und zeitlich verfolgen.
Wir wussten schon, dass ein Molekül von Acetylcholin oder möglicherweise zwei oder drei Moleküle in kooperativer Zusammenwirkung mit einem Membranrezeptor reagieren, dass sie einen Ionenkanal vorübergehend öffnen und dass sie dadurch einen kleinen
Beitrag zu dem depolarisierenden Stromstoß machen, den wir als Miniaturstrom registriert hatten. Die Frage war, ist es möglich, den individuellen synaptischen Molekulareffekt als einen separaten, diskreten Vorgang zu registrieren und seinen charakteristischen Zeitverlauf und seine Intensität zu messen.
Vor acht Jahren hatten wir keine Hoffnung, ein direktes Bild dieses Elementarprozesses zu erreichen. Wir wussten von unseren Versuchen mit elektrophoretischer, mit elektrophoretisch kontrollierter Applizierung, dass
man bei fortschreitend kleineren Dosen des Acetylcholins eine kontinuierlich fallende elektrische Potentialschwankung erhält. Dieses Potential zeigte keine diskreten Beiträge und anscheinend seine molekularen Bestandteile waren
offensichtlich viel zu klein und ließen sich mit unserer Methode nicht auflösen. Wir entschlossen uns deshalb, unser Ziel etwas einzuschränken und zunächst mal einen indirekten Weg einzuschlagen. Wenn man eine konstante Dose des Acetycholins zum Beispiel mit
einem kontinuierlichen elektrischen Strom durch eine Mikropipette appliziert, dann werden die Endplattenrezeptoren von vielen Molekülen mit einer konstanten Durchschnittsfrequenz stetig bombardiert. Nehmen wir mal an, dass wir mit einer bestimmten Dose durchschnittlich 10.000 oder sagen wir 20.000 Ionenkanäle zu jeder Zeit offen halten.
Diese Anzahl muss nun statistisch von einem Moment auf den nächsten in charakteristischer zufälliger Weise fluktuieren, und zwar nach dem Poissonchen Gesetz mit einer Standard-Normal-Abweichung, die
von der Quadratwurzel des Mittelwertes, in unserem Beispiel also von 100 oder 140 Kanälen, gegeben ist. Also die Depolarisation, die wir messen, sollte von momentanen kleinen Schwankungen begleitet sein, deren Normalabweichung ungefähr 1 bis 1
,5 Prozent des Mittelwertes in diesem Beispiel beträgt und den man dann als elektrisches Geräusch, neues, vielleicht messen kann. Es handelt sich hier um statistische Fluktuationen, die durch Molekularbewegungen verursacht sind, die aber
hunderte und nicht einzelne Ionenkanäle betreffen und sich deshalb vielleicht mit unserer Methode registrieren lassen. Ricardo Mileti und ich nahmen uns also vor, mit genügend empfindlicher Messungsmethode nach solchen Molekularschwankungen zu suchen.
Wenn Sie sich finden lassen, dann ist es ziemlich leicht, die Größe und den Zeitverlauf des einzelnen Elementarprozesses daraus zu berechnen. Die Größenordnung des einzelnen Kanalpulses ergibt sich nämlich direkt aus dem Verhältnis,
aus dem Quotienten zwischen der gemessenen elektrischen Varianz und dem Mittelwert der Depolarisation. Kann ich bitte das nächste Bild haben? Das stammt aus dem ersten Versuch, den Ricardo Mileti und ich über dieses Problem machten, um diese neue Fluktuation während stetiger Acetylcholine-Dosierung zu beobachten.
In der oberen Reihe wurde kein Acetylcholine appliziert. Jedes Bild besteht aus einer gleichzeitigen Aufzeichnung, wobei die obere Linie mit einem niedrigen Gleichstromverstärker aufgenommen wurde.
Wenn sich die Membran depolarisiert, dann hebt sich die obere Linie. Die untere Linie wurde gleichzeitig mit einer 25-mal größeren Wechselstromverstärkung aufgenommen, um die Fluktuation zu beobachten.
Hier unten haben wir dann Acetycholine stetig appliziert. Diese obere Linie hat sich ungefähr um 9 Millivolt gehoben. Das heißt also, der Abstand der beiden Linien ist größer geworden. Und gleichzeitig mit der Depolarisation sieht man ein verstärktes Geräusch hier, das
auf der Gabe des Acetycholins beruht, jedenfalls das wir weiter untersucht haben. Diese großen Ausschläge hier sind durch Miniaturpotenziale, die spontan zu zufälligen Momenten auftreten, verursacht.
Das Miniaturpotenzial, das früher das kleinste war, das wir sehen konnten, sieht
hier ziemlich groß aus, weil wir nämlich die molekularen Schwankungen untersuchen wollen. Nun, wie gesagt, dieses Lichtbild stammt aus dem ersten Experiment, in dem wir die Acetycholinschwankungen registrierten. Seitdem ist die Messung und die Analyse dieses Phänomens nicht nur
bei uns, sondern in mehreren anderen Laboratorien weiterentwickelt und erheblich verbessert worden. Und es ist gelungen, eine Reihe ganz neuer und interessanter Befunde über den Mechanismus und über die Kinetik der synaptischen Wirkungsstoffe zu gewinnen.
Die Analyse ergab die folgenden Werte. Der Ionenkanal, der von Acetycholin geöffnet wird, hat eine Leitfähigkeit von ungefähr 2 bis 3 mal 10 hoch minus 11 Reziproken Ohms.
Das heißt, der Kanal hat einen elektrischen Widerstand von ungefähr 50.000 Megohms. Der Kanal steht bei 20 Grad Celsius im Durchschnitt nur eine Millisekunde lang offen. Während dieses Zeitraumes werden über 10.000 Natrium-Ionen in das Innere der
Muskelfaser transportiert, was zu einer Membran-Depolarisation von etwa 0,25 Mikrovolt führt. Das ist ungefähr 1 bis 2.000 Mal kleiner als das normale Miniaturpotenzial, das heißt als die quantale Wirkung eines Acetycholin-Paketes.
Es ist 100.000 Mal kleiner als das vom Nervenimpuls in der Einzelfaser ausgelöste Endplattenpotenzial. Und es ist 100.000.000 Mal kleiner als die Entladung des elektrischen Organs gewisser Zitterrochen.
Immerhin genügt der Elementarvorgang eines Rezeptormolekülers, um mehr als 10.000 Natrium-Ionen innerhalb einer Millisekunde durch die Membran fließen zu lassen. Wenn man die Wirkung des Acetycholins mit anderen neuromuskulären Reizstoffen vergleicht,
da findet man interessante und charakteristische Unterschiede im zeitlichen Verlauf, in der durchschnittlichen Öffnungszeit oder sagen wir Lebensdauer der Ionenkanäle. Zum Beispiel Carbakol oder Acetyl-Teocholin verursachen kürzer dauernde Strompulse.
Wahrscheinlich beruht das darauf, dass die Verbindung dieser Substanzen mit dem Rezeptor weniger stabil ist und sie sich nach kürzerer Zeit, nach etwa einem Fünftel oder einem Drittel einer Millisekunde, schon wieder von der Membran abspalten.
Im Gegensatz dazu fanden wir, dass Superryldicholin anscheinend fester reagiert und den Ionenkanal noch länger offen hält als Acetycholin selbst. Kann ich das nächste Bild bitte haben?
Man kann die durchschnittliche Lebensdauer der Ionenkanäle aus einer Spektralanalyse der Stromfluktuationen ablesen. Umso schneller die Fluktuationen ablaufen, umso weiter streckt sich ihr analysiertes Spektrum in das höhere Frequenzbereich.
Was man hier aufgezeichnet hat, ist eine Analyse der Fluktuationen des Geräusches, das man mit verschiedenen Reizagenten erhält. Es wird spektral durch eine Folieanalyse unterzogen. Man sieht hier, dass Acetycholin und Superryldicholin benutzt wurden.
Nun sieht man, dass Acetycholin das schnellste Geräusch hervorruft, was man
abliest, denn das Geräusch sich am weitesten in das hohe Frequenzbereich erstreckt. Superryldicholin ist das Langsamste, Acetycholin ist zwischen den beiden.
Man kann aus solchen Spektralkurven die durchschnittliche Lebensdauer des einzelnen Ionenkanals direkt ablesen, auf verhältnismäßig einfache Weise. Man kann die Lebenszeit des Endplattenkanals auch durch andere experimentelle Eingriffe beeinflussen.
Die Öffnungszeit ist sehr stark von der Temperatur abhängig. Wenn man den Nerven operativ durchschneidet und den Muskel konisch denerviert, entwickeln
sich neuartige Rezeptoren an der Muskelmembran, die Ionenkanäle mit mehrfach verlängerer Lebenszeit produzieren. Ein anderes Beispiel ist, dass wenn man das Membranpotenzial elektrisch verändert, wenn man die Membran hyperpolarisiert, dann führt das auch zu einer Verlängerung der Kanalzeit.
Nun, alle diese Befunde wurden zum ersten Mal durch die Fluktuationsanalyse gewonnen und diese Arbeitsrichtung wurde bald und mit großem Erfolg von vielen Laboratorien aufgenommen und intensiv verfolgt. Bei der Ausdeutung der Resultate blieb uns aber immer ein theoretischer Einwand.
Unsere Schlüsse beruhten auf einer indirekten Methodik. Wir waren nicht in der Lage gewesen, den einzelnen Molekularvorgang diskret zu beobachten, sondern hatten ihn durch statistische Analyse aus einem massiven multimolekularen Fluktuationsphänomen abgeleitet.
Diese Ableitung beruht auf gewissen Annahmen, nämlich dass der Mittelwert der Depolarisation und die überlagerten kleinen Schwankungen aus identischen statistischen Elementarvorgängen zusammengesetzt sind.
Diese Grundannahme ist zwar sehr einfach und sehr plausibel. Wir konnten sie aber nicht direkt beweisen und deshalb mussten wir bei unseren Schlussfolgerungen immer etwas bedenken, immer etwas zurückhalten bleiben.
Professor Meleti und ich versuchten vor vier Jahren unsere Methode weiterzuentwickeln, mit der Hoffnung schließlich doch den einzelnen Kanalpuls zu erfassen und dadurch unsere Resultate direkt zu überbriefen. Wir hatten aber keinen besonderen Erfolg und wir gaben das auf.
Es sah so, als ob unser Ziel immer noch viel zu weit weg war und die Auflösungskraft unserer Technik war immer noch zwei Größenordnungen zu gering. Dagegen gelang es vor zwei Jahren unseren Kollegen in Göttingen, Herrn Erwin Neher und Bert Sagmann
am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie, dieses schwierige Problem in ganz glänzender Weise zu lösen. Ihre Methoden und Resultate stellen einen wichtigen Fortschritt dar und ich möchte sie nun etwas genauer beschreiben. Neher und Sagmann beruhten eine besondere Mikropippette, eine abgerundete und abgeschliffene Mikropippette, die sie mit einer Lösung von Acetycholin
oder einer analogen Substanz, z.B. Carbakol oder Soporidicolin, füllten und vorsichtig auf eine rezeptive Stelle der Muskelmembran anlegten.
Dann kann ich mal das nächste Bild. Das ist eine schematische Darstellung der Methode, die Sie benutzten. Diese Pippette hier, eine ziemlich große Pippette, die hier abgerundet war, wurde
mit dem Agonisten gefüllt und wurde gleichzeitig zur Messung der Membran-Strompulse benutzt. Auf die elektronischen Einzelheiten der Technik will ich hier nicht eingehen. Sie beruhte auf einer sinnreichen Anwendung der Voltage-Clump-Methode, wobei das
Membranpotenzial festgehalten wird und zwar durch automatische Rückkopplung des dazu benötigten Stromes. Es ist das eine Nullpunkt-Methode, bei der der kompensierende Strom eine direkte Messung des Membranstromes ermöglicht. Der Erfolg der Versuche hing aber hauptsächlich davon ab, dass man
eine gut abgedichtete Versiegelung zwischen der Glaspippette und der Muskelmembran erhielt. Um das zu erreichen, mussten näher und sagt man erst mal die Zelloberfläche chemisch reinigen. Die Autoren wandten proteolytische Enzyme an, also eine Art von biologischen Waschpulver, um Kollagenfasern und Spuren
von anderen angehaften Zellen zu entfernen, bevor sie die Pippette andrückten, um ein gutes Siegel zu erhalten. Zweitens war es nötig, das im Registriersystem steckende elektrische Rauschen zu vermindern, und zwar
viel besser, als es uns gelungen war. Das war wirklich, warum wir keinen Erfolg hatten. Nun, die Autoren erreichten das durch eine sehr geeignete Auswahl der experimentellen Bedingungen, die es ihnen ermöglichten, den Zeitraum der Ionenkanäle, also ihre Öffnungszeit, stark zu verlängern.
Dabei machten sie guten Gebrauch von der bereits vorhandenen Information. Sie wählten die richtigen Manipulationen, unter denen war operative konische Dennavierung, niedrige Versuchstemperatur, Anwendung von Suboryldicholin, Hyperpolarisation der Muskelmembran.
Die Kombination von allen diesen Eingriffen änderte die kinetischen Eigenschaften der Endplattenkanäle und verlängerte ihre Lebensdauer von einer Millisekunde auf 30 bis 40 Millisekunden.
Und das wiederum befähigte die Autoren, die Bandweite ihres Registriersystems 30-mal zu reduzieren und dadurch das unvermeidliche elektronische Geräusch wenigstens fünfmal zu verringern. Auf diese Weise waren die Herren Näher und Sackmann in der Lage, die einzelnen Molekulareffekte sichtbar zu machen.
Nun, hier sieht man die charakteristischen Strompulse, Membranstrompulse, die sie registrierten, die von einer kleinen Dose von Suboryldicholin hervorgerufen wurden.
Man kann sehen, dass die Strompulse scharf ansteigen und gewissermaßen rechtwinkliche Strompulse sind. Ihre Amplitude ist ungefähr drei Picoamperes und ihre einzelne Dauer variiert
in charakteristisch exponentieller Dispersion mit einem Mittelwert von etwa 30 Millisekunden. Also das sind nun die Strompulse, die durch einen von Suboryldicholin, einem analogen Acetycholin-Substanz direkt in der Membran der Muskelfaser hervorgerufen werden.
Nun, die Resultate, die sie zuerst erzielten, waren in der Tat schon von der Fluktuationsanalyse vorausgesagt worden. Aber wir konnten sie nicht direkt beweisen, bis diese Schotteffekts individuell dargestellt wurden.
In vielen Beziehungen, in der Pulsamplitude, im zeitlichen Verlauf, in der Lebensdauer des Ionenkanals, in den charakteristischen Unterschieden der Öffnungszeit zwischen verschiedenen Reizagenten, in diesen Beziehungen haben die neuen Resultate frühere Befunde bestätigt.
Es ist uns aber ganz klar, dass diese Methode einen ganz neuen Weg eröffnet hat und dass sie das Studium der Kinetik sowohl als das Molekularmechanismus von vielen Drogen stark befördern wird.
Es ist eine Methode, die nicht nur von theoretischem Interesse ist für jeden, der biologische Membranen untersuchen will, sondern sie wird auch von großem Interesse sein für die medizinische Anwendung von membranwirkenden Stoffen.