(Aus 4er Physiologisch-chemischen Anstalt der Universiti~t Basel.)

Zur Kenntnis der irreziproken Permeabilitiit und des Potentials der Froschhaut.

Von Fr. Leuthardt and A. Zeller.

Mit 3 Textabbildungen. (Eingegangen am 6. Januar 1934.)

In der vorliegenden Arbeit wird die Abh~ngigkeit des Potentials der Froschhaut yon verschiedenen Faktoren untersueht und seine yon ver- sehiedenen Autoren angenommene Beziehung zur sog. ,,irreziproken PermeabilitKt" diskutiert.

1. Die Durchsicht der einschliigigen Literatur zeigt, da6 der Begriff der irreziproken Permeabflitiit nicht immer klar umschrieben wird. Es soll deshalb zuerst erkl~rt werden, was wir unter einer ,,einseitig" (oder auch ,,ungleiehseitig") durehl~ssigen Membran verstehen wollen. Es ist dies eine Membran, die die Molekeln gewisser Stoffe in der einen Riehtung leichter durehtreten l~Bt als in der entgegengesetzten, oder im Grenzfall dieselben in der einen Richtung iiberhaupt nicht durehtreten l~Bt. Schaltet man eine solche Membran zwischen zwei gleichkonzentrierte L6sungen, so mul~, wie eine einfaehe (~berlegung zeigt, infolge der Ws bewegung der Molekeln der gelSste Stoff in der Richtung der gr61~eren DurchlKssigkeit dureh die Membran hindurehtreten und sich auf der einen Seite anreichern. Dies wtirde besagen, dab ein irreversibler Vorgang, niilnlieh die Diffusion, spontan in der umgekehrten Richtung verl~uft. Die irreziproke Permeabilit~t, wie wit sie oben definiert haben, ist also un- denkbar, wenn nicht gleiehzeitig angenommen wird, dab die Membran einen Meehanismus enthi~lt, der ihr osmotisehe Arbeit zu leisten gestattet . Es geht daraus hervor, da6 die irreziproke Permeabiliti~t den yon vielen Physiologen angenommenen aktiven Triebkrs vollkommen gleich- wertig ist 1. Es mum also jeder Erkl~rungsversuch, der diesen Umstand nicht berficksiehtigt, einen Fehler enthalten; insbesondere gilt dies auch ftir die Annahme, es sei. die irreziproke Permeabilit~t durch die Struktur als solehe bedingt, z .B. dureh die verschieden geformten Porenquer- schnitte auf beiden Seiten der Membran (,,polarer B a u d e r Poren" 3).

l Leuthardt: Kapitel ,,Permeabiliti~t" in NIedizinische Kolloidlehre. Leipzig 1932. - - 2 Die yon Manegold [Kolloid-Z. 49, 394 (1929)] entlehnte Anschauung, dab die Struktur der Poren (im Verein mit tier Gestalt der 3folekiile) die Ursaehe der einseitigen Durchli~ssigkeit ist, ist unrichtig, wie die genauere Analyse des Dilfusions- vorganges in dem angenommenen Beispiel (spaltf6rmige Offnung 4es Kanals auf tier einen Seite, kreisrunde auf der anderen) ohne weiteres zeigt. Wir mOehten aber darauf nicht n~her eingehen.

Pfliigers Arehiv f. d. ges. PhysioL Bd. 23~t. 25

370 Fr. Leuthardt und A. Zeller:

Dergleichen strukturelle Faktoren k6nnen wohl eine passive Ventilwirkung der Membran gegenfiber dem Durchpressen yon Flfissigkeit bewirken, und werden auch 5fters zur Erkl~rung des ungleiehen Filtrationswider- standes vieler Membranen herangezogen (J~ri~i5 ~). Sie kSnnten im Organismus dort yon Bedeutung sein, wo mechanische Druck~'~fte auf- treten. Die grSl~ere oder geringere Wahrscheinliehkeit soleher Meehanis- men soll hier nieht diskutiert werden. Sie sind jedenfalls strenge zu unterscheiden yore ungleichen Diffusionswiderstand ffir gelSste Stoffe, wie er bei der Froschhaut angenommen wird ~ und uns hier allein be- sch~ftigt (vgl. auch Brauner 8).

2. Unsere Versuehe haben uns zu der Uberzeugung geffihrt, daft der Froschhaut die Eigenscha/t der irreziproken Permeabilitiit (ira ange- gebenen Sinne), die au8 den Ver.suchen Wertheimers anscheinend so ]clar hervorgeht, gar nicht zul~ommt: sie wird vorgeti~uscht durch das ungleiehe Verhalten der ~ul~eren und inneren Hautfls Wir haben systematiseh die LSsungen veri~ndert, welehe die innere und die ~u~ere Hautfls bespfilen. Dabei zeigt sieh, dal~ das Potential viel st~irker vonde r LSsung beeinflui~t wird, die die Aui~enseite der Hau t bespiilt, als yon derjenigen, die mit der Innenfl~ehe in Berfihrung steht (s. Tabelle 2 im Versuehsteil). Die J~nderung der Ladung der Membrankolloide mit der Elektrolyt- konzentration in der bespfilenden LSsung, deren unmittelbarer Ausdruck das Potential ist (s. Absehnitt 5), ist sieher nieht die einzige Wirkung der Elektrolyte auf die Haut. Verfi.nderungen ihrer kolloid-chemisehen Eigensehaften (Que]lung usw.) sind sehr wahrscheinlieh und teilweise auch direkt nachweisbar ~, und zwar in versehiedenem Grade an Innen- und Auitenseite. Diese versehiedene Reaktionsweise der beiden Haut - seiten legen den Gedanken nahe, da~ es sieh bei der Frosehhaut gar nich~ um eine verschiedene Durehl~ssigkeit in den beiden Richtungen handelt, sondern dal~ einfach die Permeabilit~t der Hau t verschieden ist, je nachdem der diffundierende StofI mit der Innen- oder der Aui~enseite in Beriihrung steht. Man muir notgedrungen den diffundierenden Stoff mit der AuBenseite in ]~erfiln'ung bringen, wenn man ihn yon au~en nach innen will diffundieren lassen, und mit der Innenseite im umgekehrten Fall. Man kann also infolge der verschiedenen Beschaffenheit der beiden t tautseiten die beiden Versuehe gar nieht unter den gleiehen Bedingungen durehffihren. Wir haben in den beiden Versuehen eine Membran mi t verschiedenen Eigensehaften vor uns. Das geht besonders eindrueksvoll aus den Versuehen Wertheimers fiber d~e Durchli~ssigkeit der Frosehhaut

1 J~ri'siS: Biochem. Z. 258, 449 (1932). ~ 2 Na.ch Werthei~ner [Protoplasms, (Berl.) 2, 606(1927)] ,,ist die Froschhaut das erste un4 gleichzeitig einfachste Beispiel Iiir die wichtige Tatsache, c[al] StoIfe, die an eine lebende ~embran herantreten, ge- richtet werden,, d. h. dab Xr~fte in dcr 1V~embran wirksam sind, die den durch- wandernden Stof~en eine bestimmte Richtung erteilen". -- Vgl. auch Pflfigers Arch. 199, 383 (1933); 200, 354 (1923). - - a Brauner: Jb. Bot. 7~, 513 (1930). - -

Wertheimer: Pflfigers Arch. 208, 669 (1925).

Kenntnis der irreziproken Permeabiliti~t und des Potentials der Froschhaut. 371

fiir Glucose hervor, bei denen das Elektrolytmi]ieu variiert wurde. Aus der nachstehenden Tabelle 1 geht hervor, dal~ die Permeabilit~t fiir Zucker

Imlenl6sung

Isotonische Glncoselssung

Ringer

Isotonische GlucoselSsung

Tab e 11 e 1 (nach Wertheimer).

Perme-I Aul]enlSsung abflit~tl InnenlSsung

Ringer + + Aqua destillata Glucose+Ringer

Isotonische 0 l~inger Glue0sel6sung I Glucose+Ringer

Aqua destillata + Aqua destillata

Au~enlSsung

G~ucose Ringer

Glucose-~Ringel Aqua destillata

Glucose+Ringe~

Perme- abilit~t

+ + 0

0 0

+ +

nur dann vorhanden ist, wenn die L6sung an der Innenseite elektrolytfrei ist. Unsere Potentialmessungen zeigen, dab auch Glucose keineswegs indifferent ist, sondern dab sie den Zustand der Hau t ver/~ndert, wie aus der _~nderung des Potentials hervorgeht.

Auch bei den Farbstoffen, welehe ja die eindrticklichsten Beispiele fiir die ,,irreziproke Permeabili t~t" zu liefern scheinen, braucht man unseres Erachtens nicht einen ungleichen Diffusionswiderstand in den beiden Richtungen anzunehmen, sondern muB die Ursache im verschie- denen Verhalten der beiden Hautseiten dem Farbstoff gegeniiber suchen. Wichtig scheint hier die Tatsache zu sein, dab sich mit den basischen Farbstoffen (Methylenblau), die yon innen nach auBen viel leichter durch- gehen als in umgekehrter Richtung, die AuBenseite der Hau t intensiv anfi~rbt, indes die Ilmenseite keinen Farbstoff aufnimmt. Der Farbstoff diffundiert rascher, wenn die angef~rbte AuBensei~e der farbstofffreien AuBenl5sung, als wenn sie der farbstoffhaltigen L6sung zugekehrt ist. Es bildet sich wohl pr imer ein Adsorbat an irgendwelche Bestandteile der iiui3eren Hautschieht. Die Elution erfolgt leiehter, wenn diese Ad- sorptionsschieht der farbstofffreien LSsung direkt zugekehrt ist, als werm das ganze Gewebe der Hautinnenseite dazwischen liegt. Soviel wir aus unseren bisherigen Versuchen ersehen k6nnen, ist bei Methylenblau die Anfi~rbung derjenigen Seite, die der farbstofffreien L6sung anliegt, eine conditio sine qua non fiir das Durchtreten des Farbstoffes. Je nach Art der L6sung kann er aber aus dem Adsorbat eluiert werden oder nicht. So wird, wenn man Methylenblau yon eiuer neutralen L6sung an der Innen- seite gegen eine alkalische an der Aul~enseite diffundieren 1ABt, zwar die AuBenseite intensiv angefi~rbt, und trotzdem tr i t t der Farbstoff nur spurweise durch; die alkalische AuBenl6sung verhindert die Elution. Umgekehrt wird yon einer schwach alkalisehen Methylenblaul6sung, die sich an de r AuBenseite befindet, die Innenseite der Membran angef~rbt 1

1 Welm auch schw~cher als die intensiv gef~rbte Aui]enseite, die yon ~ethylen- blau je4enfalls stets viel leichter angefi~rbt wird als die Innenseite.

25*

879, Fr. Lcuthardt und A. Zeller:

und dementsprechend tr i t t der Farbstoff in die angrenzende L6sung fiber, w~hrend norm~lerweise die Haut veil aul~en nach innen nicht durch. l~ssig ist. Welche histologisehen Elemente aiigef~rbt werden und wie sich aiidere Farbstoffe verhalten, ist uns nicht bekannt. Wir m6chten uns eine diesbezfigliche Untersuchung vorbehalten. Die Beobachtungen Kellers 1, naeh denen der Ladungssinn der Farbstoffe, wie er sich bei seinen vital-f~rberischen Untersuehungen zu erkennen gibt, mit dem ,,Wanderuiigssinn" in den Versucheii Wertheimers fibereinstimmt, finden wohl durch die eben vorgetragene Auffassung, naeh welcher die /~irbe- rischen Eigenscha/ten in erster Linie das Verhalten der Farbstoffe in den Werthei~nerschen Versuehen bestimmen, eine IIatfirlichere Er- kls als durch die Annahme einer direkten, dutch das Hautpoteiitial bedingten Kataphorese. Auch zur Erkl/~rung des ungleiehen Filtrations- widerstandes ffir Wasser und ws L6sungen scheint uns die Annahme komplizierter Strukturen oder gar ,,physiologischer Sperrvorrichtuiigen" (vgl. J~ri~i~ 2) nieht notweiidig.

Aus den im ersten Abschnitt angedeuteten ~berlegungen geht hervor, dal~ der Beweis ffir das Bestehen echter einseitiger Durchl/~ssigkeit bei der l%oschhaut durch den Nachweis aktiver Triebkr~fte erbraeht werden k6nnte. Uber die Frage, ob die fiberlebende Frosehhaut Wasser trans- portieren kann, wenn man sie zwischen isotonische LSsungen bringt, haben wir keine eigenen Versuehe angestellt. Diese F~higkeit wird yon verschiedenen Autoren der Haut zugeschrieben, yon anderen aber be- zweifelt oder verneint. Entspreehende Versuehe fiber den Transport veil gelSsten Stoffen sind dadurch aussichtslos, daft die zu erwartenden Untersehiede viel zu klein sind, als dab man sic noch feststellen kSnnte. Man mfiBte die Konzentration in den meisten F/~llen auf Bruchtefle eines Prozentes~ genau bestimmen kSnnen. Viele Stoffe werden auch dutch die Haut ehemisch ver~ndert, Glucose z .B. wird oxydiert, Me~hylenblau reduziert, so daI~ die .Bestimmung der diffundierten Stoffmengr recht unsicher wird. Die irreziproke Permeabilits verschwindet, wenn man die I{aut durch h'gendwelche Ageiizien ,,abtStet" 3. Uiis scheint daffir nicht das Verniehten jeglieher Lebenserscheinungen der Grund zu sein, soiidern die ZerstSrung der feineren Strukturen, die das verschiedene Verhalten der Aul3cn- und Innenseite bedingen. Die Diffusionsversuche erstrecken sich meist fiber viele Stunden, so dal~ man zum vornherein nieh~ annehmen darf, da2 unter den herrschendeii Bedingungeii die Zellen fiberleben. Wir haben in der Abhiingigkeit des Potentials vonder Sauersto]]versorgung einen sehr feinen Indicator ffir dan Zustaiid der Haut. Diese Reaktion verschwindet aber nach wenigen Stundeii. Die Erschei- nungen, die sieh nachher noch beobachten lassen, sind alle als rein physi- kalische und IIieht als physiologisehe Ph~Lnomene zu bewerten.

i-Keller: Elektrizitit der Zelle. ~hrisch-Ostr~u 1932 . - 2 J~ri~i': Biochem. Z. 2~8, 449 (1932). - - 3 Wertheimer: Pfliigcrs Arch. 199, 383 (1923),

Kenntnis der irreziproken Permeabilitiit und des Potentials der Froschhaut. 373

3. Das Potent ia l der frisch en tnommenen Froschhaut setzt sich also aus einem ,,physiologischen" und einem ,,physikalischen" Summanden zusammen. Zum gleichen Schlul] ist k~ 'z l ieh Francis 1 gelangt. Man kann die Abhangigkei t des Potentials yon der Sauerstoffversorgung, die der eine yon uns sehon vor einigen Jahren beobachtet ha t te (1929, un- verSffentlieht, ohne Kenntnis der Versuche yon Lund 2), wohl nieht anders deuten, als dab das Potent ial irgendwie mit oxydat iven Vorgiingen zusammenh/ingt. Ober den Meehanismus wissen wit niehts. Die Er- kli~rung, die Lund dafiir gibt, ist eine miBverstandene Anwendung des Begriffes des Oxydoreduktionspotentials . Die Wirkung versehiedener Alkohole, ferner des Chloroforms und Sehwefelwasserstoffes, die im Versuehsteil genauer beschrieben wird, scheint physikalischer Natu r zu sein und nieht die physiologisehe Komponente zu betreffen. Die Frosch- haut gehSrt zu den Membranen, deren Micellen gegentiber dem inter- micellaren Wasser negat iv geladen sind, deren Pro to typ also die getroek- nete Kol lodiummembran yon Michaelis ist. I n einer solchen Membran sind die Anionen weniger beweglich als die Kationen. In RingerlSsung ist die Aul]enseite der Membran negativ gegen die Innenseite (,,yon auBen einsteigender Ruhes t rom" der glteren Antoren). Das Bestehen einer Potentialdifferenz bei identisehen L6sungen zu beiden Seiten der Mere- bran ha t seine Ursaehe in der ungleichen Strukturdichte der Innen- und Aul]enseite, +vie sie aus dem histologischen Aufbau unmit te lbar hervorgeht : Die Epidermis besteht aus mehreren diehtgelagerten Zell- sehichten, und ist naeh au~en durch eine wohlausgebildete Cutieula abgegrenzt, die Cutis dagegen baut sieh aus loekeren Bindegewebszfigen auf. Die Versuche yon Michaelis a lehren, dab die Potentialdifferenz an

�9 einer Membran, die sich zwisehen verschieden konzentr ier ten Salzl6sungen befindet (der sog. , ,Konzentrationseffekt"), mit der Strukturdichte zunimmt. Is t also die Konzent ra t ion der diffusiblen Elektrolyte in der H a u t versehieden yon der Au$enkonzentrat ion, so mfissen sieh an den beiden Seiten Potentialdifferenzen entgegengesetzten Vorzeichens, aber verschiedener GrSBe ausbilden 4. Mit dieser Vorstellung s t immen alle beobachteten Erseheinungen aufs Beste fiberein. Der augenscheinliehste

1 Francis: Nature (Lend.) 131, 805 (1933). - - 2 Lund: J. of exper. Zool. 51, 265 (1928); 60, 249 (1931). -- 3 Miehaelis: Naturwiss. 14, 33 (1926). -- 4 Es erhebt sich bier die Frage, inwiefern man eine so kompliziert gebaute Membran wie die Froschhaut mit der einfachen getrockneten Kollodiummembran vergleichen kann. Bei Anderung der Salzkonzentration an der Aufienseite verhMt sie sich (abgesehen yon der Umladbarkeit) in der Tat wie eine solche, wobei die Frage offenbleibt, in welchen Schichten der Epidermis der Potentialabfal] erfolgt. (Bei der menschlichen Haut ist es naeh Rein die Grenze zwischen stratum germina- tivum und sbratum corneum.) Entsprechend dem viel komplizierteren Aufbau der Curls sind die Verh~ltnisse bei ~nderung der Salzkonzentration an der Innen- seite nicht so klar zu fibersehen wie an der AuBenseite. Der Vergleieh mit der Kollodiummembran gilt daher nur fiir die,,potentialbildende" Schicht der Epidermis (also nur fiir die eine Fl~che der Membran!).

874 Fr. Leuthardt und A. Zeller:

Effekt ist die starke Abnahme der Negativit/~t der AuBenseite, wenn man hier die angrenzende RingerlSsung dureh destilliertes Wasser ersetzt. (An der AuBenseite ist der Effekt sehr viol grSBer als an der Innenseite). Die AuBenseite ist stark positiv gegen die Innenseite, wenn sieandestil[iertesWassergrenzt (vgl. Tabelle 2). SieistgegenAnderungen der Elektrolytkonzentration s empfindlieh. Das Potential ist verschieden, wenn sie an destilliertes Wasser odor an gewShnliches Leitungswasser grenzt (Abb. 1). Wir haben auch versucht, die Mieellen

\,

~6,0 ~. ............ -'-"-: ............... Abb. 1. Abszisso : Zoit in Minuten. Ordinate : Potent ia ld i f ferenz dot Aul]enseite gegen die Innen- soito in Millivolt. I~urve I : Unterschiod der Wir- kung zwischen destiltiertoln und Brunnonwasser . I lmonseito lZinger, Alll]enseito Aqua destillata, v o m Pfeil weg Brunnenwasser . K u r v o I I : Untor- schied der Wi rkun g zwischen pr imhroln (p. B.) a n d sokundiireln Butyla lkohol (s .B.) einorseits und ter t i f i rem Isobtl tylalkohol (t. i. ]3.) andersei ts ; bei don naoh nn ton gor ichte ten Pfei!en wordon die Alkohole m i t Ringer ausgewaschen. K u r v e I I I : Verlauf des Potent ia ls ohno/~ugero ]3eeinflussung (sauorstoffgos/~ttigto Ringerl6sung). NB.: Die scheinbaro Diskrepanz zwisehon den dutch die Pfeile gekennzeichneten Ze i tpunk ten und dora ]3e- g inn des Poten t ia lans t iegs odor -abfalls r f lhr t da- hot, dal] zwisehen der le tz ten Ablesung vo r dora Zusatz und dem Zusatz des be t ref fenden Stoffos

no tged rungen einigo Zeit v e r s t r e i c h t .

der Membran umzuladen. Dies gelingt sowohl mit einwertigen Kationen bei h6herer Konzen- tration, als aueh mit dem drei- faeh positiven Aluminium sehon bei sehr kleinen Konzentratio- non. Die Umladung der Mere- bran/iul3ert sich ill der Umkeh- rung der selektiven Ionenper- meabilit/it : es ist nunmehr das Kation weniger beweglieh. Wenn man von kleineren zu gr6Beren Konzentrationen fort- schreitet, so wird die Fltissigkeit gegenfiber der Haut positiver, w/s sie bei grSl3erer Bewegliehkeit des Kations in der Haut negativer wird. Abb. 3 zeigt diesen Effekt. Die Kurven gleiehen denjenigen, die R e i n 1

an der lebenden menschlichen Haut gewonnen hat.

4. Eine der interessantesten Erscheinungen, die wir beob-

achtet haben, ist das Verhalten gegen die Alkohole der aliphatischen Reihe. Diese Stoffe verringern das Potential der Haut, die sich zwischen RingerlSsung befindet, und zwar steigt die Wh'kung in der geihe mit unverzweigter Kohlenstoffkette, die wit bis zum n-Amylalkohol unter- sueht haben, stetig an. Die Isomeren mit verzweigter Kohlenstoffkette sind stets weniger wirksam als die normalen Glieder (vgl. Abb. 1 und 2). Diese l%esultate sind ghnlieh denjenigen, die Stiles und seine Mitarbeiter ~ fiber die toxische Wirkung der Alkohole erhalten haben. Sie beniitztel~ dabei die gesteigerte Exosmose der Elektrolyte aus Kartoffelseheiben bei Gegenwart der Alkohole als Indikator. Aueh die Glucose hat eine Wirkung auf das Potential.

1 Rein: Z. Biol. 85, 195 (1926). - - 2 Stiles: Protoplasma (Berl.) 16, 79 (1932).

Kenntnis der irreziproken Permeabilit/~t und des Potentials der Froschhaut. 375

Wie Abb. 1 und 2 zeigen, ist die Wirkung der Alkohole reversibel. Sie steht offenbar mit ihrer Capillaraktivit/~t irn Zusammenhang. Wir sind aber nicht imstande, eine genauere Erkl/irung dafiir zu geben.

5. In gleicher Weise wie die Alkohole erniedrigen Chloroform und Sehwefelwasserstoff das Potential. Aueh hier ist die Wirkung reversibe], wenn man nicht zu hohe Konzentrationen anwendet. In einer frfiheren Arbeit aus unserem Inst i tut yon Wowsi 1 wurde die Ansieht ausge- sprochen, d a b es sich hiebei um eine Wirkung auf die physiologische Komponente des Potentials handle. Aber auch diese Erseheinungen sind sicher physikaliseher Natur, da man sie aueh an H~uten beobachten kann, die 12 Stunden und mehr zwisehen den Elektroden eingespannt sin&

6. Von der Vorstellung ausgehend, dab in der Froschhaut tats/~chlieh der Diffusionswiderstand in den beiden Richtungen verschieden ist, hat man aus naheliegenden Griinden einen Zusammenhang dieser vermeint- liehen irreziproken Permeabilit/~t mit dem elektrisehen Potential ange- nommen 3. Aus dem Vorstehenden geht zur Geniige hervor, dab ein soleher Zusammenhang gar nieht bestehen karm, weil die Erscheinungen nieht auf der ungleiehen Diffusionsgesehwindigkeit, sondern im verschiedenen Verhalten der beiden Hautseiten gegen identisehe L6sungen beruhen. Der eine yon uns hat denn aueh in Versuchen, die sehon vor einigen Jahren angestellt wurden, nie einen Anhaltspunkt fiir einen solchen Zusammenhang gefunden. Das gleiehe Resultat erh/~lt Amson a. Der Vergleieh der vorliegenden Messungen mit den Wertheimerschen Ver- suehen deekt nut insofern einen Zusammenhang auf, als sieh in der Abh/~ngigkeit des Potentials vom Elektrolygmilieu das versehiedene Verhalten der beiden Hautseiten widerspiegelt, das unseres Eraehtens die Erseheinungen bedingt.

Die Tatsache, dab aus einem Frosehhautsack in normaler Lage mehr Farbstoff herausdiffundiert als aus einem gewendeten, besteht nattir- lieh zu l~eeht, nnd man kann gegen unsere Argumentation einwenden, dab man diese Eigensehaft, gleichgiiltig auf welehem Meehanismus sie beruht, als irreziproke Permeabilits bezeiehnen kann. Wir sollten aber die Bezeiehnung itir die Eigensehaft derjenigen Membranen vorbehalten, die tats/~ehlieh der Diffusion in den beiden entgegengesetzten Riehtungen ungleiehen Widerstand entgegensetzen, d. h. aktive Triebkr/~fte besitzen, sonst wird immer wieder die i~berlebende Frosehhaut mit den resorbierenden oder sezernierenden Eloithelien vergliehen, deren wesentliehe Eigenscha/t, der Umsatz chemiseher Energie in osmotisehe, ihr gerade abgeht. DaB der lebenden Frosehhaut aktive Triebkr/~fte zukommen, ist durchaus wahr. sehein]ich und soll hier nicht bestritten werden. Die vom KSrper abge- trennte Hau t aber ist in ihren wesentliehen Eigensehaften als leblose

1 Wowsi: Protoplasma (Berl.) 14, 170 (1931). - - ~ Keller: Elektrizit/it der Zelle. M~hrisch-Ostrau 1932. - - 3 Amson: Pfl~igers Arch. ~25, 467 (1930).

376 ~'r. Leuthardt und A. Zeller:

Membran zu bewerten, wie z . B . auch die Ahnl ichkei t m i t der yon B r a u n e r 1 unte r such ten Kas tan ienscha le deut l ich zeigt ~. Es s ind keine sicheren Anha l t spunk te daffir vorhanden , dal3 die in den ers ten S tunde n an der Sauerstoffabhi~ngigkeit des Po ten t ia l s noch erkennt l ichen Lebens- s ffir die Permeabi l i t~ t eine Rolle spielen.

Man kann sich auf Grund der e lekt roosmot ischen Ph~nomene einfache Modelle einsei t ig pe rmeab le r Membranen ausdenken a. Wi r wissen abe r wenig darf iber , wieweit diese MSglichkeiten in der N a t u r real is ier t sind. I n der Regel s ind Stoffaufnahme, S tof fabgabe und S tof f t ranspor t sehr kompl iz ie r te Vorg~nge. Die schSnen Unte r suchungen yon H i r s c h ,

S teude l u. a. 4 fiber die Aufnahme yon Eisensalzen und L i t h i u m e a r m i n bei Wirbel losen geben davon ein eindrfiekliehes Bild. Die lebenden Zellen sind eben fiir die meis ten Stoffe n ieht blol~ Diffusionsweg; wir mfissen vie lmehr annehmen, dal~ gerade die physiologisehe wiehtigert Subs tanzen in das Getr iebe des lebenden Pro top lasmas aufgenommen werden, sobald sie e inmal in die Zelle e ingedrungen sind.

Methodik und Versuche. Es werden H/iute yon Rana temporaria benutzt. Die Tiere werden 4ekapitiert,

und entsprechende Stficke tier gleiehmaBig gebauten Bauchhaut (keine Drtisen- felder !) in sauerstoffgesattigter RingerlSsung gesptilt und zwisehen die Sehliffe der ElektrodengefaBe, die mit leichtem Federdruek gegeneinandergeprel]t werden, eingespannt. Bei jeder t L u t werden zuerst die Cuvetten mit t~ingerl6sung, durch die Sauerstoff perlt, geffillt und das entspreehende ,,AnfangspotentiM" abgelesen, urn einen Anhal~ fiber die Reaktionsweise der t taut zu gewinnen. Von den Cuvetten ffihren agargeffillte Glasr6hrchen in kleine Beeherglaser, die mit gesattigter XCl-L6sung gefiillt sind; yon diesen wird das Potential mittels gesattigter Kalomelelektroden abgeleitet. Als Mel3instrument dient ein Lindemann-Elektro- meter s in Nadelschaltung. Dutch versehieden starke Aufladung der Quadranten kann die Empfindlichkeit des Instrumentes bequem reguliert werden. Wit bentitzen meistens eine Empfindliehkeit yon 2 3/Iillivolt pro Teilstrieh, eine Genauigkeit, die ftir die vorliegende Untersuehung weitaus geniigt. Die Einstellung der Nadel erfolgt bei dieser Empfindliehkeit aperiodisch un4 raseh.

Das Anfangspotential ist bei unserem Material in allen Fallen so beschaffen, dab die AuSenseite negat iv is t gegeniiber der inneren. Sein Wert schwankt zwischen 20--70 ~illivolt. Bei vielen tiauten steigt das anfangliehe Potential um 10 bis 20 Millivolt (Abb. 1), um dann ffir mehrere Stunden ziemlieh konstant zu bleiben. Dies steht ira Gegensatz zu den Angaben yon Amson ~, der nach 1--2 Stunden nnr noch Potentiale yon wenigen Millivolt beobachtet hat 7 Aueh sieher tote tIaute zeigen in vielen Fallen noeh eine erhebliehe Spannung (20 Millivolt und mehr).

1 Brauner: Jb. Bot. 78, 513 (1930). - - 2 Zum selben Schlu$ ist schon Amsor~ (1. e.) gelangt. - - a Leuthardt: Kapitel ,,Permeabilitat" in ~edizinische Xolloidlehre. Leipzig 1 9 3 2 , - 4 Vgl. Jordan in ttandbuch der normalen und pathologisehen t)hysiologie, Bd. 4, S. 167. Berlin 1929. - - 5 Vgl. z .B. Umrath: Protoplasma (Berl.) 9, 576 (1930). -- s Amson: Pfliigers Arch. 225, 467 (1930). - - 7 Vielleicht hangt dieser Untersehied damit zusammen, dag in Amsons Anordnung die Cuvetten zwischen denen die )/Iembran ausgespannt ist, gleichzeitig Ms Kalomelelektroden dienen, so dab die t Iaut dauernd mit kalomelgesattigter LSsung in Beriihrung steht, oder es spielt die mangelnde Sauerstoffversorgung eine Nolle.

Kenntnis der irreziloroken Permeabilit~it und des Potentials der Froschhaut. 377

1. EM/lufi des Sauersto]/s au/ das Hautpotential. ~ach Messen der Anfangspotentiale werden die ElektrodengefgBe an Stelle yon

Sauerstoff mit Stickstoff, der sauerstofffrei gemacht wird, indem er fiber Kupfer in einer elektrisch geheizten l~Shre gefiihrt wird, durchperlt. Das l%tentiM sinkt dann um 10--40%, um auf die alte tI6he anzu- steigen, wenn wider Sauer- stoff zugeleitet wird (s. Abb. 2). Die gleiehen Kur- yen sind von Lund ~ erhal- ten worden. Es ist wiehtig, dab der Stiekstoff vollst~n- dig sauerstoffrei ist. Diese Reaktion kann als Indi- kator ftir den Lebenszu- stand der tIaut dienen; sie versehwindet in der Regel nach einigen Stunden.

2. Ein/lufl yon Chloro- /or~t.

Chloroform, das einfach in die mit Wasser beschick- ten W~schflaschen ffir den potential bis auf sehr ldeine

o 1o zo so vo so r zo 8o so 1oo m lzo

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I alkohol ~.fnZl- ~ J , v T . I ......... alko}ol t~ropjd- ~ lz-Butvl-

alkAXd i-Pflopyl- ~/k;A~'/ alkohal

Abb. 2. Absz isse : Ze i t in 1V1inuten. Ordin~t,e: wie Abb. l . Ausgezogene K u r v e : Verl~nf des Poten~iMs bei Verdre ibung des Sauers tof fs d~reh St icks toff . P u n k t i e r t e K u r v e : E in f lug y o n a l ipha t i schen Alkoholen (0,2 m) gelSst in R i n g e r au f d~s Po ten t iM; bei den naeh u n t e n g e r i c h t e t e n P~eilen werden

die Alkohole ra i l R i n g e r ausgewasehen .

Sauerstoff gebracht wird, erniedrigt das Anfangs- Werte, aueh n~ch vielen Stunden. Bei nur kurzer

Einwirkung (1 Min.) ist die Erniedrigung reversibel. Auf die Umkehrung der PotentiMditferenz bei Beriihrung der AuBenseite mit destilliertem Wasser hat Chloroform keinen EinfluS.

3. Ein/lufi yon Schwe/elwassersto M. Mit Schwefelwasserstoff ges~ittigte RingerlSsung reduziert die PotentiMdiffe-

renz rasch auf Null.

4. Ein/lufl yon aliphatischen Alkoholen.

Die Alkohole werden in RingerlSsung aufgeldst. Der PotentiMunterschie4 zwischen Innen- und Augenseite wird um so mehr vermindert, je l~nger die Kohlen- stoffkette ist. Wir haben die Reihe vom Methyl- bis zum AmylMkohol gepriift (Abb. 2). Die ersten 3 Glieder wurden bei einer Konzentration von m/5 untersucht. Bei den hSheren Gliedern ist es schwer, die richtige Konzentration (m/0,05 bis m/O,005) zu linden, um die verschiedenen Alkohole miteinander vergleichen zu kdnnen, well die versehiedenen I-I~ute bei der nStigen sehr starken Verdiinnung bisweilen noeh sehr stark, bisweilen gar nicht reagieren. Der sekund~tre Propyl- alkohol wirkt schw~cher als der 10rimi~re. Der sekundi~re Butylalkohol ~ber reagiert immer gleich wie der prim~re, der tertii~re IsobutylMkohol jedoch deutlich schwacher als der prim~Lre und sek~nd/~re (Abb. 1).

5. Egn/lu/3 der Elektrolyten au/ das Potential. Abb. 3 zeigt die Ver~nderung des Potentials, welm die AuBenseite mit LSsungen

verschiedener Konzentration in J3erfihrung gebracht wird. LaBt man an Stelle des destillierten Wassers nacheinancler st~rkere I(onzentrationen eines SMzes mit

I Zund: J. of. exl0er. Zool. 51, 265 (1928); 60, 249 (1931).

878

§ - I i

I

§

- N - ",%/

-dO ~bb, 3. Umladu.ng der Mere_- bran dutch KC1 und A1CIs. Abszisse: Negativer Loga- rithmus der molaren Konzen- tration. Ordinate wie Abb. 1.

Fr. Leuthardt und A. Zeller:

einwertigem Kation durchstrSmen, so sinkt das Poten- tial bis zu 4er Konzentration yon m/100 un4 steigt yon 4er Konzen~ration m/10 wieder an. Es ist also in diesem Intervall eine Umladung der 1V[embran erfolgt. Bei SMzen mit mehrwertigem Kation (A1Cls). erfolgt diese Umkehrung der Kurve schon bei einer Konzentration von m/10 000--m/100.

Die Versuche zeigen deutlieh, dab die Anderung der Potentialdiiferenz zwisehen Innen- und AuBen- seite gr6Ber ist, wenn die Elektrolytkonzentration auf tier AuBenseite, als wenn sie auf der Innenseite ge/~ndert wir4. Bei diesen und den vorangehenden Versuehen werden die Elektrodengef/tBe dauernd mit den sauerstoffges/tttigten L6sungen durchspfilt, um einen Einflufl der Diffusion yon Salzen aus der I-Iaut aui die Konzentration der sehr stark ver4iinm ten LSsungen auszuschalten (]3eispiele s. Tabelle 2).

h~[it NaC1 erhglt man gleiche Z~hlen. Sehr ein- driicklich ist der Unterschied z~ischen destilliertem Wasser und Brunnenwasser: Ersetzt man auf 4er

Aul]enseite destilliertes Wasser 4urch Brunnenwasser, so sinkt die Spannung yon hohen 1)luswerten bis auf wenige l~illivolt (Abb. 1).

InnenIOsung

l~inger

0,01 m KC1 0,01 . . . . 0,01 . . . .

Aqua destillata

T a b e l l e 2.

Anflenl6sung l Sp~nnung'

I Ringer i - - 45 )5.-u

0 ,01mKC1 4 8 ,, Aqua destillata § 92 ,,

~inger i - - 18 ,, 0,01 mXC1 I 1 ,,

Aqua destillata § 44 ,,

Ringer 1 - -10 ,, 0,01 m KC1 - - 8 ,,

Aqua destillata § 60 ,,

T a b e l l e 3.

Span- Dureh- Innenl6sung Au~enlSsung nung 1/issigkeit

Isotonische Glucosel6sung

Ringer

Isotonische GlueoselSsung Aqua destilla~a

Ringer

Isotonisehe Glueosel6sung

Aqua destill~ta

Glucose

Glucose§ Ringer I Ringer Glucose+Ringer / +-

Glucose4Ringer Aqua destillata Aqua destillata IGlueose-kRinger

--> bedeutet ,,yon innen nach au~en durchlassiger"; <-- yon auBen naeh innen durehl/~ssiger.

- - 8

- - 4 5

q- 70

4 20

4 7O + 3

0

+ -->

4 4 ~- 0 0

0 4 4 <--

6. Glucosepermeabi l i t i i t u n d

H a u t p o t e n t i a l .

~u Tabelle 1 zeigt, hat Wert- Mimer eine je nach ~Iilieu ~ndernde Glucosepermeabilit~t gefundem Wir hubert nun die Spannung bei diesen 8 Y~llen untersucht. DaB wir anstat t der Schenkels~eke nach Wertheimer zwisehen den Elektrodengef~Ben ausgespannte BauehMute ver- wen4et haben, bedingt keinen Untersehied, d~ Messungen an

Sehenkels~cken genau

[ibereinstimraende Resul- tate geliefert haben. Die Zahlen tier T~belle 3 sind nach 2- -4 Stunden ~bge- lesene Werte des Poten- tials, aus beliebigen Ver- suehen herausgegriffen. Sie lassen erkennen, dab ein direkter Zusammenhgng zwischenPermeabilit/~t und Potential, wie es nueh der Theorie yon R. Keller 1 zu erwarten w&re, nicht be- steh~. Auf Grund seiner Versuche mit Methylenblau ist K. Amson ~- zum gleiehen SehluB gekommen.

1 Keller: Etektriziti~t der Zelle. lVi~hriseh-Ostr~u 1932. - - ~ Amson: Pfliigers Arch. 225, 467 (1930).

Kenntnis der irreziproken Permeabilit~it und des Potentials der Froschhaut. 379

Zusammenfassung. 1. Der Begriff der sog. ,,irreziproken Permeabilit/it" wird klargestellt,

da der Ausdruck in der Literatur in verschiedenem Sinn gebraucht wird. 2. Die v0n Wertheimer besehriebene irreziproke Permeabilits der

Frosehhaut ist vom Hautpotential nicht direkt abhiingig. 3. Der iiberlebenden Froschhaut kommt eine echte irreziproke Permeabili-

tdit gar nicht zu, denn die beobachteten Erscheinungen sind nieht durch osmotisehe Leistungen der Haut zu erkl/iren, sondern im wesentlichen dutch den verschiedenen kolloidchemisehen Aufbau der beiden Haut- seiten bedhlgt. Ffir die Farbstoffe wird eine Erkl/irung vorgesehlagen.

4. Die beiden Hautseiten verhalten sieh gegen Elektrolyte verschieden: J(nderung der Elektrolytkonzentration an der Aul~enseite hat eine viel st/~rkere ~nderung des Potentials zur Folge als eine entspreehende )~nde- rung an der Innenseite.

5. Die Membran 1/~l~t sich dureh mehrwertige Kationen leieht umladen (dureh einwertige erst bei hSherer Konzentra t ion)wie dies Rein auch fiir die menschliche Haut gezeigt hat.

6. Das Potential ist bei der frisehen t tau t yon der Sauerstoffver- sorgung abh/~ngig.

7. Die a]iphatisehen Alkohole setzen den absoluten Weft des Poten- tials herab, und zwar um so mehr, je 1/~nger ihre Kohlenstoffkette ist. Es lassen sich so isomere Verbindungen mit gerader und verzweigter Kohlen- stoffkette unterscheiden.