Das Signal, mit dem Nervenzellen kommunizieren, das Aktionspotential, ist eine schnelle Änderung der Membranspannung. Sie
geht vom Ruhewert bei -80 mV aus, erreicht für wenige ms positive Werte und stellt sich dann wieder auf den Ruhewert ein.
Solche Spannungsänderungen können mit einer intrazellulären Elektrode gemessen werden, die mit zwei Operationsverstärkern
als Spannungsklemme verschaltet ist. Operationsverstärker (dreieckige Symbole) haben zwei Eingänge und einen Ausgang. Der Ausgang dient dazu,
das elektrische Potential an den beiden Eingängen immer gleich zu halten.
Am (-)-Eingang des linken Operationsverstärkers ("Messverstärker") ist die Meßelektrode angeschlossen, mit dem (+)-Eingang ist ein
Oszilloskop (grün) verbunden. Da beide Eingänge immer das gleiche Potential haben, wird auf dem Oszilloskop das Membranpotential
(= die Membranspannung) abgebildet.
Der Operationsverstärker rechts ("Rückkopplungsverstärker") sorgt dafür, daß die beiden Eingänge des Messverstärkers auf gleichem Potential bleiben.
Der (+)-Eingang des Rückkopplungsverstärkers ist auf Erde (0 mv); sein (-)-Eingang empfängt des Ausgang des Messverstärkers.
Da jede Ungleichheit des Potentials am Messverstärker automatisch eine Ungleichheit der Potentiale am Rückkopplungsverstärker (ein Potential
am (-)-Eingang ungleich 0) verursacht, sorgt der Rückkopplunsverstärker dafür, dass der (+)-Eingang des Messverstärkers
immer das Potential der Messelektrode beibehält. Mit hilfe dieser Rückkopplungsschaltung ist gewährleistet, daß das Oszilloskop
immer die Membranspannung misst.
Strom könnte nur dann durch die Messelektrode fließen, wenn das Potential der Elektrode einen anderen Wert hätte als das Membranpotential. Weil die Rückkopplungsschaltung
aber das Potential der Elektrode dem Membranpotential angleicht, fließt kein Strom (DI = 0). Daher der Name
Stromklemme.
Messung des Membranstroms: die Spannungsklemme
Bei der Untersuchung von Membranströmen wird die Membranspannung auf einem konstanten Wert gehalten und die
dabei auftretenden Ionenströme gemessen. Hierzu wird am (+)-Eingang des Messverstärkers eine
Spannung (VSOLL) angelegt, und der Operationsverstärker hält den (-)-Eingang
und damit Messelektrode und Zellmembran auf dem selben Potential. Das geschieht wiederum über eine
Rückkopplungsschaltung: Wenn ein Membranstrom (IM) von der Messelektrode registriert wird,
produziert der Messverstärker an seinem Ausgang eine Spannung Vaus, die über einen
Rückkopplungswiderstand R eine Kompensationsstrom Icomp schickt. Dieser Kompensationsstrom
hat die gleiche Amplitude aber eine IM entgegengesetzte Polarität: Icomp = - IM.
Membranstrom und Kompensationsstrom heben sich gegenseitig auf, so daß sich die Membranspannung nicht ändert ("Spannungsklemme").
Das Oszilloskop am Ausgang des Messverstärkers registriert eine dem Membranstrom proportionale Spannung:
Vaus = R * Icomp. Durch Wahl eines hohen Rückkopplungswiderstandes kann man auch
Signale, die von kleinen Membranströmen ausgehen, verstärken und registrieren. In biologische Experimenten
werden Verstärkungsgrade bis zu 1000 mV/pA (1 Volt Ausgangsspannung bei 10-12 A Membranstrom) eingesetzt;
siehe: Einzelkanalmessungen.
Institut für Biologische Informationsverarbeitung im
