美国膜片钳离子通道

离子通道结构研究∶目前，绝大多数离子通道的一级结构得到了阐明但根本的还是要搞清楚各种离子通道的三维结构，在这方面，美国的二位科学家彼得·阿格雷和罗德里克麦金农做出了一些开创性的工作，他们到用X光绕射方法得到了K离子通道的三维结构，二位因此获得2003年诺贝系化学奖。有关离子通道结构不是本PPT的重点，可参考杨宝峰的<离子通道药理学>和Hill的<lonicChannelsOfExcitableMembranes》。对离子通道功能的研究，主要采用记录离子通道电流来间接反映离子通道功能，目前有如下两种技术：电压钳技术（VoltageClamp），膜片钳（patchclamp）技术。神经递质的释放、腺体的分泌、肌肉的运动、学习和记忆。美国膜片钳离子通道

1937年，Hodgkin和Huxley在乌贼巨大神经轴突细胞内实现细胞内电记录，获1963年Nobel奖1946年，凌宁和Gerard创造拉制出前列直径小于1μm的玻璃微电极，并记录了骨骼肌的电活动。玻璃微电极的应用使的电生理研究进行了重命性的变化。Voltageclamp（电压钳技术）由Cole和Marmont发明，并很快由Hodgkin和Huxley完善，真正开始了定量研究，建立了H一H模型（膜离子学说），是近代兴奋学说的基石。1948年，Katz利用细胞内微电极技术记录到了终板电位;1969年，又证实N—M接触后的Ach以"量子式"释放，获1976年Nobel奖。1976年，德国的Neher和Sakmann发明PatchClamp（膜片钳）。并在蛙横纹肌终板部位记录到乙酰胆碱引起的通道电流。德国细胞膜片钳电生理工具膜片钳记录技术与较早的单电极电压钳位相比进步了很多，尤其在单离子通道钳位记录方面。

膜片钳技术∶从一小片（约几平方微米）膜获取电子学方面信息的技术，即保持跨膜电压恒定——电压钳位，从而测量通过膜离子电流大小的技术。通过研究离子通道的离子流，从而了解离子运输、信号传递等信息。基本原理：利用负反馈电子线路，将微电极前列所吸附的一个至几个平方微米的细胞膜的电位固定在一定水平上，对通过通道的微小离子电流作动态或静态观察，从而研究其功能。研究离子通道的一种电生理技术，是施加负压将玻璃微电极的前列（开口直径约1μm）与细胞膜紧密接触，形成高阻抗封接，可以精确记录离子通道微小电流。能制备成细胞贴附、内面朝外和外面朝内三种单通道记录方式，以及另一种记录多通道的全细胞方式。膜片钳技术实现了小片膜的孤立和高阻封接的形成，由于高阻封接使背景噪声水平**降低，相对地增宽了记录频带范围，提高了分辨率。另外，它还具有良好的机械稳定性和化学绝缘性。而小片膜的孤立使对单个离子通道进行研究成为可能。

1976年德国马普生物物理化学研究所Neher和Sakmann在青蛙肌细胞上用双电极钳制膜电位的同时，记录到ACh启动的单通道离子电流，从而产生了膜片钳技术。1980年Sigworth等在记录电极内施加5-50cmH2O的负压吸引，得到10-100GΩ的高阻封接（Giga-seal），明显降低了记录时的噪声实现了单根电极既钳制膜片电位又记录单通道电流的突破。1981年Hamill和Neher等对该技术进行了改进，引进了膜片游离技术和全细胞记录技术，从而使该技术更趋完善，具有1pA的电流灵敏度、1μm的空间分辨率和10μs的时间分辨率。1983年10月，《Single-ChannelRecording》一书问世，奠定了膜片钳技术的里程碑。Sakmann和Neher也因其杰出的工作和突出贡献，荣获1991年诺贝尔医学和生理学奖。全自动膜片钳技术的出现标志着膜片钳技术已经发展到了一个崭新阶段。

这一设计模式似乎几十年都没有改变过，作为一个有着近20年膜片钳经验的科研工作者，记得自己进入实验室次看到的放大器就差不多是这样，也不觉得还会有什么变化。直到笔者在19年访问欧洲的一个同样做电生理的实验室的时候，发现了这样一款独特的放大器，让笔者眼前一亮，这款放大器从前置放大器出来的线竟然就直接连接在了电脑上，当笔者问他们放大器和数模呢？他们说，你看到的就是全部了，所以的部件都包含在了这个前置放大器中。Neher将膜片钳技术与Fura 2 荧光测钙技术结合。日本双分子层膜片钳技术

膜电导测定的依据是电学中的欧姆定律。美国膜片钳离子通道

对电极持续施加一个1mV、10～50ms的阶跃脉冲刺激，电极入水后电阻约4～6MΩ，此时在计算机屏幕显示框中可看到测试脉冲产生的电流波形。开始时增益不宜设得太高，一般可在1～5mV/pA，以免放大器饱和。由于细胞外液与电极内液之间离子成分的差异造成了液结电位，故一般电极刚入水时测试波形基线并不在零线上，须首先将保持电压设置为0mV，并调节“电极失调控制“使电极直流电流接近于零。用微操纵器使电极靠近细胞，当电极前列与细胞膜接触时封接电阻指示Rm会有所上升，将电极稍向下压，Rm指示会进一步上升。通过细塑料管向电极内稍加负压，细胞膜特性良好时，Rm一般会在1min内快速上升，直至形成GΩ级的高阻抗封接。一般当Rm达到100MΩ左右时，电极前列施加轻微负电压(-30～-10mV)有助于GΩ封接的形成。此时的现象是电流波形再次变得平坦，使电极超极化由-40到-90mV，有助于加速形成封接。为证实GΩ封接的形成，可以增加放大器的增益，从而可以观察到除脉冲电压的首尾两端出现电容性脉冲前列电流之外，电流波形仍呈平坦状。美国膜片钳离子通道

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