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Der GORTER-GRENDEL-Versuch

Ein entscheidender Versuch

Rote Blutkörperchen enthalten keinen Zellkern und auch sonst so gut wie keine inneren Strukturen, sie bestehen hauptsächlich aus der Zellmembran, dem Zellplasma und dem darin enthaltenen Hämoglobin. Sie lassen sich leicht in großen Mengen gewinnen und können durch einfache Deplasmolyse (Zugabe von dest. Wasser) zum Platzen gebracht werden. Daher eigenen sich rote Blutkörperchen hervorragend zur Analyse von Biomembranen. Experimente mit roten Blutkörperchen führten im Jahre 1927 zum Lipid-Doppelschicht-Modell (lipid bilayer model).

Ich möchte Ihnen hier nun den berühmten Versuch von GORTER und GRENDEL aus dem Jahre 1924 vorstellen und erläutern.

Der GORTER-GRENDEL-Versuch

  • Zähle die roten Blutkörperchen in einer Blutprobe.
  • Berechne die Gesamt-Membranoberfläche G aller Blutkörperchen.
  • Bringe alle Blutkörperchen der Blutprobe zum Platzen (Zugabe von dest. Wasser).
  • Zentrifugiere die Membranlipide ab.
  • Gib die isolierten Membranlipide auf eine Wasseroberfläche, die groß genug ist.
  • Bestimme die Fläche F des Lipid-Flecks.

Nun zur Erläuterung der einzelnen Schritte.

Rote Blutkörperchen zählen

Dazu bestimmt man zunächst das Volumen einer Blutprobe, beispielsweise 0,3 ml. Mit einer geeigneten Mikropipette bringt man nun einen kleinen Teil der Probe, zum Beispiel 0,01 ml auf einen Objektträger, legt vorsichtig ein Deckglas darauf und schiebt das Präparat dann unter ein Lichtmikroskop. Natürlich kann man nicht den ganzen Tropfen auszählen, sondern nur einen kleinen Ausschnitt davon. Für diesen Zweck gibt es eigene Messokulare und Deckgläser bzw. Objektträger mit einer Skala. So kann man leicht bestimmen, wie viele Blutkörperchen sich in einem bestimmten Abschnitt des Präparats befinden, und daraus kann man dann wieder die Gesamtzahl der Blutkörperchen in der Blutprobe errechnen.

Gesamt-Membranoberfläche berechnen

Dazu muss man natürlich die genaue Gestalt der Erythrocyten kennen und die genauen Ausmaße. Das ist nicht ganz einfach, denn rote Blutkörperchen sind ja nicht kugelförmig, sondern sehen eher aus wie Drops: eine abgeplattete Kugel mit einer Delle in der Mitte.

Blutkörperchen zum Platzen bringen

Das ist nun eine recht einfache Aufgabe, die sogar als Schülerversuch durchgeführt werden könnte. Man muss nur destilliertes Wasser zu den Blutkörperchen geben. Es setzt dann eine Plasmolyse ein. Im Plasma der roten Blutkörperchen ist Salz enthalten, und zwar mehr Salz als im dest. Wasser. In Folge dessen enthält das Zellplasma der Blutkörperchen weniger Wasser pro Volumeneinheit als das dest. Wasser. Die Wasserkonzentration in den roten Blutkörperchen ist quasi geringer als die Wasserkonzentration im dest. Wasser. Dies wiederum hat zur Folge, dass Wasser-Moleküle aus dem dest. Wasser durch die Membran in das Blutkörperchen strömen. Das Blutkörperchen nimmt dieses Wasser auf, wird immer dicker und platzt schließlich.

Zentrifugieren

Gibt man die Flüssigkeit mit den geplatzten roten Blutkörperchen in ein Zentrifugenglas und schleudert dieses mit irrwitziger Geschwindigkeit im Kreis herum (das ist eben das Grundprinzip einer jeden Zentrifuge), so setzen sich die schweren Bestandteile am Boden des Zentrifugenglases ab, während die leichteren Bestandteile in den oberen Regionen schwimmen. Die Lipide der Zellmembranen werden sich dann weiter oben im Zentrifugenglas absetzen und können dann mit geeigneten Werkzeugen entnommen werden.

Lipidfleck erzeugen

Dieser Teil des Versuchs erinnert an den berühmten Ölfleck-Versuch aus dem Chemie-Unterricht. Gibt man die Lipid-Fraktion auf eine glatte Wasseroberfläche (zum Beispiel in einer großen Glasschüssel), so breiten sich die Lipid-Moleküle auf dem Wasser aus - und zwar in einer monomolekularen Schicht, einer Schicht also, die aus nur einer einzigen Lage ("mono") von Molekülen besteht.

Ein Fettauge im Querschnitt

Ein Querschnitt durch eine monomolekulare Lipidschicht

In diesem Bild sehen wir einen Querschnitt durch eine solche einschichtige Lipidschicht.

Fläche F des Flecks bestimmen

Manchmal ist es gar nicht so einfach, die Größe dieses Lipidflecks zu bestimmen. Oft hilft es, wenn man die Wasseroberfläche zuvor mit einem feinen Pulver bestreut. Bärlappsporen, das sind feine Sporen eines Farnes, eignen sich besonders gut dafür. Streut man Bärlappsporen auf die Wasseroberfläche, so sieht man einen gelben Film auf dem Wasser schwimmen. Gibt man nun einen Tropfen der Lipid auf die Wasseroberfläche, so breiten sich diese schlagartig aus und bilden einen Fleck, der frei von Bärlappsporen ist. So kann man den Lipidfleck recht gut sehen. Die Bestimmung der Fläche ist dann nur noch ein mathematisches Problem. Millimeterpapier, das man vorher unter die Glasschüssel gelegt hat, kann hier sehr hilfreich sein. Am besten photographiert man den Fleck im Augenblick der Entstehung, denn dann ist er wirklich noch monomolekular. Kurze Zeit später zieht sich der Fleck nämlich wieder etwas zusammen, ob sich hier dann mehrlagige Schichten bilden, weiß ich jetzt nicht, denke es aber.

Ergebnisse des GORTER-GRENDEL-Versuchs

Eigentlich hatten GORTER und GRENDEL erwartet, dass F = G gilt. Die Fläche des Lipidflecks sollte also in etwa der berechneten Fläche der Membranen der roten Blutkörperchen entsprechen.

Die Forscher fanden aber F = 2 G. Die monomolekulare Schicht war also doppelt so groß wie die Gesamtoberfläche der roten Blutkörperchen.

Die Tabelle aus GORTER und GRENDELs Original-Artikel

Die Tabelle aus GORTER und GRENDELs Original-Artikel

In obiger Tabelle aus dem Original-Artikel von GORTER und GRENDEL vom 14. Dezember 1924 können Sie erkennen, dass die beiden Forscher viele solcher Versuche an verschiedenen Tieren wie Hund, Schaf, Kaninchen, Meerschweinchen und Ziege sowie mit menschlichem Blut durchgeführt haben (linke Spalte). Die Zahl der Erythrocyten in je einem Kubikmillimeter (= 1/1000 ml) der Blutproben war jeweils ziemlich hoch (beispielsweise 4.740.000 beim menschlichen Blut). Aber wir wollen uns hier nicht in Einzelheiten verlieren. Am interessantesten sind doch die drei rechten Spalten. In der dritten Spalte von rechts sehen wir die Gesamtoberfläche G der Erythrocyten der Blutprobe. In der zweiten Spalte von rechts lesen wir die Gesamtoberfläche F des Lipidflecks ab, der sich auf der Wasseroberfläche gebildet hatte. In der letzten Spalte ist das Verhältnis F : G abzulesen, dass immer in der Nähe des Wertes 2 liegt.

Nur die Annahme, dass jedes Blutkörperchen von einer doppelten Lipidschicht umhüllt ist, konnte diese Beobachtung erklären.

In den vierziger Jahren bestätigten elektronenmikroskopische Aufnahmen dieses Lipid-Doppelschicht-Modell.

interne Links

Membranlipide
Phospholipide

externe Links

Original-Artikel von GORTER und GRENDEL

Arbeitsblatt zum GORDER-GRENDEL-Versuch (Lehrerfortbildung-bw.de)