離子選擇性(selectivity)(大小和電荷)∶某一種離子只能通過(guò)與其相應(yīng)的通道跨膜擴(kuò)散(安靜∶K>Na100倍、興奮;Na>K10-20倍);各離子通道在不同狀態(tài)下,對(duì)相應(yīng)離子的通透性不同。門控特性(Gating)∶失活狀態(tài)不僅是通道處于關(guān)閉狀態(tài),而且只有在經(jīng)過(guò)一個(gè)額外刺激使通道從失活關(guān)閉狀態(tài)進(jìn)入靜息關(guān)閉狀態(tài)后,通道才能再度接受外界刺激而***開放。離子通道的功能(FunctionoflonChannels)1.產(chǎn)生細(xì)胞生物電現(xiàn)象,與細(xì)胞興奮性相關(guān)。2.神經(jīng)遞質(zhì)的釋放、腺體的分泌、肌肉的運(yùn)動(dòng)、學(xué)習(xí)和記憶3.維持細(xì)胞正常形態(tài)和功能完整性膜離子通道的基因變異及功能障礙與許多疾病有關(guān),某些先天性與后天獲得性疾病是離子通道基因缺陷與功能改變的結(jié)果,稱為離子通道?。╥onchannelpathies)。離子通道的近代觀念源于Hodgkin、Huxley、Katz等人在20世紀(jì)30—50年代的開創(chuàng)性研究。德國(guó)細(xì)胞膜片鉗離子通道
對(duì)單細(xì)胞形態(tài)與功能關(guān)系的研究,將膜片鉗技術(shù)與單細(xì)胞逆轉(zhuǎn)錄多聚酶鏈?zhǔn)欠磻?yīng)技術(shù)結(jié)合,在全細(xì)胞膜片鉗記錄下,將單細(xì)胞內(nèi)容物或整個(gè)細(xì)胞(包括細(xì)胞膜)吸入電極中,將細(xì)胞內(nèi)存在的各種mRNA全部快速逆轉(zhuǎn)錄成cDNA,再經(jīng)常規(guī)PCR擴(kuò)增及待檢的特異mRNA的檢測(cè),借此可對(duì)形態(tài)相似而電活動(dòng)不同的結(jié)果做出分子水平的解釋或?yàn)閱渭?xì)胞逆轉(zhuǎn)錄多聚酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)提供標(biāo)本,為同一結(jié)構(gòu)中形態(tài)非常相似但功能不同的事實(shí)提供分子水平的解釋。目前國(guó)際上掌握此技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室較少,我國(guó)北京大學(xué)神經(jīng)科學(xué)研究所于1994年在國(guó)內(nèi)率先開展。德國(guó)雙分子層膜片鉗單細(xì)胞屯流鉗素向細(xì)胞內(nèi)注入刺激電流,記錄膜電位對(duì)刺激電流的反應(yīng)。
膜片鉗放大器的工作模式;(1)電壓鉗模式∶在鉗制細(xì)胞膜電位的基礎(chǔ)上改變膜電位,記錄離子通道電流的變化,記錄的是諸如通道電流;EPSC;IPSC等電流信號(hào)。是膜片鉗的基本工作模式.(2)屯流鉗素向細(xì)胞內(nèi)注入刺激電流,記錄膜電位對(duì)刺激電流的反應(yīng)。記錄的是諸如動(dòng)作電位,EPSP;IPSP等電壓信號(hào)。膜片鉗技術(shù)實(shí)現(xiàn)膜電位固定的關(guān)鍵是在玻璃微電極前列邊緣與細(xì)胞膜之間形成高阻(10GΩ)密封,使電極前列開口處相接的細(xì)胞膜片與周圍環(huán)境在電學(xué)上隔離,并通過(guò)外加命令電壓鉗制膜電位。
1937年,Hodgkin和Huxley在烏賊巨大神經(jīng)軸突細(xì)胞內(nèi)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)電記錄,獲1963年Nobel獎(jiǎng)1946年,凌寧和Gerard創(chuàng)造拉制出前列直徑小于1μm的玻璃微電極,并記錄了骨骼肌的電活動(dòng)。玻璃微電極的應(yīng)用使的電生理研究進(jìn)行了重命性的變化。Voltageclamp(電壓鉗技術(shù))由Cole和Marmont發(fā)明,并很快由Hodgkin和Huxley完善,真正開始了定量研究,建立了H一H模型(膜離子學(xué)說(shuō)),是近代興奮學(xué)說(shuō)的基石。1948年,Katz利用細(xì)胞內(nèi)微電極技術(shù)記錄到了終板電位;1969年,又證實(shí)N—M接觸后的Ach以"量子式"釋放,獲1976年Nobel獎(jiǎng)。1976年,德國(guó)的Neher和Sakmann發(fā)明PatchClamp(膜片鉗)。并在蛙橫紋肌終板部位記錄到乙酰膽堿引起的通道電流。這是一種以記錄通過(guò)離子通道的離子電流來(lái)反映細(xì)胞膜單一的或多個(gè)的離子通道分子活動(dòng)的技術(shù)。
一、記錄設(shè)備首先,盡可能完善膜片鉗記錄設(shè)備是實(shí)驗(yàn)前的重要步驟,如用模型細(xì)胞測(cè)定電子設(shè)備、安裝并測(cè)試應(yīng)用軟件、調(diào)節(jié)光學(xué)顯微鏡、檢驗(yàn)防震工作臺(tái)等。二、微電極的制備膜片鉗電極是用外徑為1-2mm的毛細(xì)玻璃管拉制成的。標(biāo)準(zhǔn)的毛細(xì)玻璃管(外經(jīng)1.5mm,管壁厚0.3mm)適合于制作單通道記錄的微電極,而全細(xì)胞記錄則應(yīng)選管壁較?。?.16mm)的毛細(xì)玻璃管,這樣可以使電極阻抗較低。三、封接(Sealing)技術(shù)封接(seal)是膜片鉗記錄的關(guān)鍵步驟之一。封接不好噪聲太大必然影響細(xì)胞膜電信號(hào)的記錄,一般要求封接阻抗至少20GΩ才可進(jìn)行常規(guī)記錄。為了形成良好封接必須保持清潔的溶液、良好的視野以及適當(dāng)?shù)碾姌O鍍膜。為了獲得較好的"千兆歐封接",細(xì)胞表面必須裸露以便微電極前列能接觸細(xì)胞,細(xì)胞的大小也是成功記錄的個(gè)因素,一般選擇10-20um的細(xì)胞比較理想。脂質(zhì)層電導(dǎo)很低,由于雙分子層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),形成了細(xì)胞的膜電容,通道蛋白開閉狀況主要決定了膜電導(dǎo)的數(shù)值。美國(guó)多通道膜片鉗多少錢
早期的研究多使用雙電極電壓鉗技術(shù)作細(xì)胞內(nèi)電活動(dòng)的記錄。德國(guó)細(xì)胞膜片鉗離子通道
膜片鉗放大器是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的主要,它可用來(lái)作單通道或全細(xì)胞記錄,其工作模式可以是電壓鉗,也可以是電流鉗。從原理來(lái)說(shuō),膜片鉗放大器的探頭電路即I-V變換器有兩種基本結(jié)構(gòu)形式,即電阻反饋式和電容反饋式,前者是一種典型的結(jié)構(gòu),后者因用反饋電容取代了反饋電阻,降低了噪聲,所以特別適合較低噪聲的單通道記錄。由于供膜片鉗實(shí)驗(yàn)的專門的計(jì)算機(jī)硬件及相應(yīng)的軟件程序的相繼出現(xiàn),使得膜片鉗實(shí)驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、效率提高。如與EPC-9型膜片鉗放大器(內(nèi)含ITC-16數(shù)據(jù)采集/接口卡)配套使用的軟件PULSE/PULSEFIT,它既可產(chǎn)生刺激波形,控制數(shù)據(jù)采集,又可分析數(shù)據(jù),同時(shí)具有用于膜電容監(jiān)測(cè)的鎖相放大器,多種軟件功能集成于一體。德國(guó)細(xì)胞膜片鉗離子通道
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