von Anna Rothweil und Lina Quarrou (Q3)
Die beiden Biologie Leistungskurse der Q3 von Frau Michaela Köller und Frau Katharina Lücker hatten am 20. September 2024 die Möglichkeit, ein eintägiges Praktikum im Lernlabor Biologie der TU Darmstadt durchzuführen. Dafür haben wir uns um 8:30 Uhr im Seminarraum der Universität mit unserem Labortagsleiter, Dr. Guido Klees, getroffen, welcher uns vorab in die sechs unterschiedlichen Stationen einführte. Allgemein handelte der Labortag zur Elektrophysiologie von schnellen Pflanzenbewegungen, die durch elektrische Potentialänderung über den Zellmembran initiiert werden. Als Präparate werden Internodialzellen der Armleuchteralge Chara corallina und die Fangblätter der Venusfliegenfalle Dionaea muscipula verwendet.
Die erste Station „Theoretische Ionenpotentialdifferenz“ hatte das Membranpotential als Thema. Bei unterschiedlich hoher Konzentration der Ionen an einer Biomembran stellt sich Ionengleichgewichtspotential ein, wenn diese für nur eine Ionensorte selektiv permeabel ist. Es lässt sich also eine elektrische Potentialdifferenz über der Membran in Form einer Spannung messen, wenn als Referenz eine elektrische Ableitung des Intrazellularraums gegen den Extrazellularraum stattfindet. Diese Potentialdifferenz wird auch als Membranpotential bezeichnet. Mittels der Nernest- Gleichung lässt sich unter anderem die Ionengleichgewichtspotentiale für Kalium und Chlorid bei den gegebenen Ionenkonzentrationen berechnen. Beispielsweise beträgt die Kaliumkonzentration im Inneren der Membran 100mM und im Äußeren der Membran 1mM, so beträgt die elektrische Potentialdifferenz rechnerisch -116mV.
Bei der zweiten Station „Herstellung der Messelektroden“ stellten wir ein 2%-iges Agargel mit 1M KCl- Lösung her. Für 30ml Lösung haben wir 0,6g Agarmenge benötigt. Die Mischung im Erlenmeyerkolben aus Agar und KCl- Lösung stellten wir schließlich in die Mikrowelle, welche anschließend in zwei Pipettenspitzen gefüllt und zur Fertigstellung der Elektroden ein chlorierten Silberdraht eingehängt wurde. Diese Vorbereitung war für die darauffolgende Station notwendig.
Bei der dritten Station „Messung der Ionenpotentialdifferenz“ benötigten wir die bereitgestellte Messapparatur und das Oszilloskop. Um die Messung durchführen zu können, war es zunächst erforderlich, dass wir die Messapparatur richtig vorbereiten. Dafür haben wir eine Ionentauschermembran zwischen Gummidichtungen eingelegt, die Messkammer zusammengebaut, die Elektrodenhalterung eingesetzt, anschließend die Messkammer „innen“ mit 100mM KCl- Lösung und die Messkammer „außen“ mit der 1mM KCl- Lösung gefüllt. Dann wurde auch die Luft in dem Kanal zur Ionentauschermembran entfernt, die vorbereiteten Elektroden in die größere Öffnung der Halterform eingesetzt und an der Elektrodenhalterung befestigt sowie zum Schluss an das Oszilloskop angeschlossen. Die Kammer „außen“ wurde möglichst rückstandsfrei von der Lösung befreit und mit der nächst höher konzentrierten Lösung befüllt. Die Messergebnisse zur Potentialdifferenz ergaben, dass die wie bei Station eins schon berechneten Werte bei einer KCl- Konzentration von 1mM außen und im Inneren der Membran 100mM -116mV betragen müssten, von uns jedoch -88mV gemessen wurden. Durch noch drei weitere berechnete Werte mit anderen Konzentrationen stellten wir fest, dass manche gemessene Werte näher an den von uns berechneten Werten lagen als andere.
Bei der vierten Station „Kalium -Anästhesiemethode bei Chara corallina“ untersuchten wir, wie eine hohe Kaliumkonzentration die Zellmembranleitfähigkeit der Internodialzellen beeinflusst. Durch das Anlegen eines externen Kalium-Mediums wird die Zellmembran elektrisch durchlässig, sodass Spannungspotentiale über die Membran direkt messbar werden. Die Kalium-Anästhesiemethode ermöglichte es uns, das Schwellenpotential und schließlich ein Aktionspotential in den Algenzellen auszulösen und zu untersuchen. Durch langsame Spannungserhöhung am Potentiometer wurden die Internodialzellen depolarisiert, bis ein Aktionspotential auf dem Oszilloskop sichtbar wurde. Dieses liegt bei gewöhnlichen Zellen bei ca. -70mV.
An der fünften Station wurde die extrazelluläre Ableitung bei der Venusfliegenfalle untersucht. Diese widmete sich dem Fangmechanismus der Pflanze, welcher durch elektrische Reize initiiert wird. Hierbei wird die Venusfliegenfalle durch mehrfache Berührungen der sensiblen Fühlborsten so gereizt, dass ein Summieren der Aktionspotentiale auftritt. Dieses Summieren führt zu einer Veränderung des Zellinnendrucks (Turgor), wodurch sich das Fangblatt schlagartig schließt. Um dies nachzuvollziehen, haben wir Spannungspotentiale an verschiedenen Fühlborsten gemessen und konnten auf dem Oszilloskop die Aufsummierung der Aktionspotentiale beobachten, die schließlich das Fangblatt schließen lässt.
Zusätzlich zu den praktischen Aufgaben an den Pflanzen gab es spezifische Messungen und Analysen der Membranpotenziale. In beiden Stationen haben wir die Membranruhepotentiale der Zellen bestimmt und deren Schwellenpotenziale sowie die Refraktärzeit gemessen. Durch sukzessives Erhöhen der Spannung und durch Einhalten bestimmter Intervalle wurden Aktionspotentiale ausgelöst und deren Werte dokumentiert.
Ein weiteres Experiment zielte darauf ab, pflanzliche und neuronale Aktionspotenziale zu vergleichen. Dies führte zu spannenden Einblicken in die Gemeinsamkeiten und Unterschiede der Aktionspotentiale in Pflanzenzellen und tierischen Nervenzellen. Durch die Darstellung der Spannungskurven wurde deutlich, dass pflanzliche Aktionspotenziale tendenziell langsamer verlaufen und in ihrer Verlaufsdauer länger sind als neuronale Signale.
Insgesamt war der Tag im Lernlabor Biologie an der TU Darmstadt eine bereichernde Erfahrung. Die spannenden Experimente und die Möglichkeit, elektrophysiologische Vorgänge direkt zu beobachten, haben uns nicht nur ein tieferes Verständnis für die komplexen Prozesse in Pflanzen vermittelt, sondern auch viel Freude bereitet. Ein herzliches Dankeschön an das Team von Dr. Guido Kless der TU Darmstadt, das uns diesen unvergesslichen Tag ermöglicht hat!
Im Folgenden sind einige Impressionen dargestellt:
