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<lonic Channels Of Excitable Membranes 》。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(Voltage Clamp),膜片钳(patch clamp)技术。典型的单通道电流呈一种振幅相同而持续时间不等的脉冲样变化。芬兰全自动膜片钳产品介绍
全细胞膜片钳记录(whole-cellpatch-clamprecording)是应用*早,也是*广的钳位技术,它相当于连续的单电极电压钳位记录,也就是说全细胞记录类似于传统的细胞内记录,但它具有更大的优越性,如高分辨率、低噪声、极好的稳定性以及能控制细胞内的成分等。全细胞记录技采测定的是一个细胞内全部**通道的电流,记录过程中电极的溶液取代了原细胞质的成分。虽然膜片钳记录技术与*初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,细胞或脑片的组织选择及实验溶液的制备仍然是很重要的步骤。美国全自动膜片钳技术Neher创膜片钳的膜电容检测与碳纤电极电化学检测联合运用的技术。
高阻封接问题的解决不仅改善了电流记录性能,还随之出现了研究通道电流的多种膜片钳方式。根据不同的研究目的,可制成不同的膜片构型。(1)细胞吸附膜片(cell-attachedpatch)将两次拉制后经加热抛光的微管电极置于清洁的细胞膜表面上,形成高阻封接,在细胞膜表面隔离出一小片膜,既而通过微管电极对膜片进行电压钳制,分辨测量膜电流,称为细胞贴附膜片。由于不破坏细胞的完整性,这种方式又称为细胞膜上的膜片记录。此时跨膜电位由玻管固定电位和细胞电位决定。因此,为测定膜片两侧的电位,需测定细胞膜电位并从该电位减去玻管电位。从膜片的通道活动看,这种形式的膜片是极稳定的,因细胞骨架及有关代谢过程是完整的,所受的干扰小。
与药物作用有关的心肌离子通道,心肌细胞通过各种离子通道对膜电位和动作电位稳态的维持而保持正常的功能。近年来,国外学者在人类心肌细胞离子通道特性的研究中取得了许多进展,使得心肌药理学实验由动物细胞模型向人心肌细胞成为可能。对离子通道生理与病理情况下作用机制的研究,通过对各种生理或病理情况下细胞膜某种离子通道特性的研究,了解该离子的生理意义及其在疾病过程中的作用机制。如对钙离子在脑缺血神经细胞损害中作用机制的研究表明,缺血性脑损害过程中,Ca2+介导现象起非常重要的作用,缺血缺氧使Ca2+通道开放,过多的Ca2+进入细胞内就出现Ca2+超载,导致神经元及细胞膜损害,膜转运功能障碍,严重的可使神经元坏死。维持细胞正常形态和功能完整性。
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。膜片钳技术原理膜片钳技术是用玻璃微电极接触细胞,形成吉欧姆(GΩ)阻抗。高通量全自动膜片钳研究
膜片钳技术实现了小片膜的孤立和高阻封接的形成,增宽了记录频带范围,提高了分辨率。芬兰全自动膜片钳产品介绍
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。芬兰全自动膜片钳产品介绍
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