膜片钳实验与技术

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除脑片膜片钳和盲膜片钳法之外;实验所需标本均为具有生物活性的离体 细胞;其来源包括急性分离 原代和传代培养的细胞 从理论上来讲;膜片钳实 验用的细胞标本可来自体内各种组织细胞;只要细胞表面光滑;能与微电极尖 端形成高阻封接即可 但在标本制备上;不同组织细胞间联接牢固程度不同;采 用的分离方法也不完全相同 大体上包括冲洗 酶解消化或机械分离以及清洗 等步骤
1 微电极的制备
微电极是用拉制器由玻璃毛细管拉制而成 玻璃微电极的选材和 拉制质量直接影响封接电阻及记录时的噪声大小
1选材 膜片钳实验用微电极可根据不同记录模式选用不同的玻璃毛 细管拉制 从玻璃毛细管材料方面;可分为软质玻璃和硬质玻璃两类
2拉制 膜片钳实验用微电极与细胞外记录和细胞内记录用微电极不同;其 尖端较短;锥度较大;尖端直径为1~5μm;充灌林格氏液时阻抗约1~5MΩ; 因此一般采用两步拉制法 第一步将玻璃软化;拉出一个长7~10mm 直径 200~400μm的杆;第二步再从杆中央以较小电流拉出两根尖端锥度较大 的微电极
膜片钳技术讲座
在《膜片钳技术及应用》2003一书的序言中写道:
通常;一篇非常专业的科技论文公开发表后;若被其他的论文引 用数次;其作者就会感到欣慰;假如被别的作者引用十次以上;就可称得 上是一篇好论文;要是有幸被引用几十上百次;甚至几百次;那它无疑是 一篇高质量杰作;通常发表在权威的专业期刊或者是著名的科学杂志上; 如Nature ; Science; Cell和 Neuron等
二 离子通道的分子结构
随着生物物理学和分子生物学的迅速发展;新的研究技术的 应用;特别是膜片钳片技术与分子克隆 基因突变和异体表达等技 术的结合;使离子通道的研究迅速进入到分子 亚分子水平;人们已 开始有能力从分子水平来确定通道的分子结构和解释离子通道的 孔道特性
1 电压门控离子通道的基本结构
经纯化 克隆和测定表明;离子通道蛋白是 由多个亚基构成的复合体 电压门控离子通道 由α β γ δ等亚基构成;但不同的离子通道 的组成略有差异;如钠通道由α β1 β2和β3 β4亚基组成;钙通道由α1 α2 β γ和δ亚基 组成;钾通道由α和β亚基组成等 在各亚基 中;α亚基是构成离子通道的主要功能单位; 而其它亚基则只起调节作用
四 离子通道的研究技术
1 电压钳技术 电压钳技术是1949年Cole及Marmont设计的;后经Hodgkin Huxley 和Katz等加以改进;并成功地应用于枪乌贼巨轴突动作电位期间离子电 流的研究
他们直接测定了膜电流并分析了电流的离子成分;推算出动作电位 期间钠电导和钾电导的变化;其基本概念至今仍被沿用 鉴于Hodgkin Huxley 和Eccles
4充灌 微电极使用前要充灌电极内液;电极内液需经0 2μm的滤膜或 滤纸过滤 充灌时首先将电极尖端浸入电极内液;利用虹吸作用使尖端 部分充满液体;然后再从电极尾端充灌 在充灌中应避免电极内出现气 泡;如有气泡可使电极尖端向下;轻敲管壁除去 也应避免充灌电极内液 太多;否则影响实验噪声基线
2 细胞标本的制备
然而;你是否知道 有一篇论文;它的作者当时 还不太有名;刊登的杂志也不算顶级;可是论文发表20年 来;已神话般地被世界各地的科技工作者引用了一万二 千余次;遍及生物医学的众多领域;而且近年来还在以平 均每年约一千多篇的速度继续被引用;它就是由 Hamill;Marty;Neher;Sakmann和Sigworth等五人于1981 年发表在《欧洲生理学杂志》上的著名论文<Improved
3 膜片钳记录的模式
根据研究需要及记录膜片的不同;膜片钳记录可形成以下四种基本模式 1 细胞贴附式cell attached patch 2 内面向外式insideout patch 3 外面向外式outsideout patch 4 全细胞记录式whole cell recording
4 膜片钳实验系统的组建

一 离子通道的概念 二 离子通道的分子结构 三 离子通道的分类 四 离子通道的研究技术 五 膜片钳实验方法 六 膜片钳改良模式及其它研究方法

一 离子通道的概念
离子通道ion channels是镶嵌在细胞膜脂 质双分子层上的一种 特殊整合蛋白;在特 定情况下;形成具有 高度选择性的亲水性 孔道;允许适当大小 和电荷的离子以被动 转运的方式通过
电压门控钾离子通道
钾离子通道potassium channels;简称钾通道是广泛存在 种类 最多 最为复杂的一大类离子通道;仅电压门控钾通道就已克隆出几 十种亚型;根据其电流动力学特点可分为延迟外向整流钾通道 瞬时 外向钾通道和内向整流钾通道三类
3 化学门控离子通道 化学门控离子通道chemically gated ion channels又称配体门控
5 其它门控离子通道 除上述离子通道外;尚发现具有其它门控特性的离子通道存在;如
细胞容积敏感的钾通道Kvo l在细胞肿胀时通道开放;Na+激活钾通道 KNa对电压 细胞内ATP浓度及细胞内钙均不敏感;只有细胞内Na+浓度 升高到20mmol/L以上时开放;存在于多种肌细胞的静息活化钙通道; 在没有电压 化学或机械刺激时;参与静息钙内流;调制静息时的细胞内 钙浓度
膜片钳实验系统虽然可因研究目的不同而有所区别;但其基 本组成是相同的;包括膜片钳放大器和接口;显微镜和视频监视 器以及防震台和屏蔽罩等
视频监 视器
温度控 制系统
倒置显 微镜
探 头
微操纵 器
模数转 换器
计算 机
膜片钳 放大器
数据采 集及分 析软件
五 膜片钳实验方法
膜片钳实验方法包括:
◦ 微电极的制备 ◦ 细胞标本的制备 ◦ 高阻封接的形成 ◦ 离子单通道电流的记录或全细胞记录
2 化学门控离子通道的基本结构
当各种化学物质与化学门控离子通道相应部位结合后;会导致通 道蛋白发生构型变化;引起通道开放;产生离子电流 体内这种离子通道 的种类很多;主要包括各种神经递质门控离子通道 ATP敏感钾通道和钙 依赖性钾通道等
神经递质门控离子通道又称为离子通道受体;主要有乙酰胆碱门控 离子通道 GABA门控离子通道及谷氨酸门控离了通道三大类
Patch clamp
Erwin Neher 1944~
Bert Sakmann 1942~
膜片钳技术是用尖端直径1~2μm的玻璃微电极吸管与经蛋白酶处 理干净的细胞膜接触;通过20~30cm H2O的负压吸引造成电极尖端与细 胞膜形成高阻封接10~100GΩ;使电极尖端下的小块膜片与膜的其它部 分在电学上绝缘;并在此基础上固定膜片电位;监测几个μm2膜片上1~3 个离子通道活动的方法 膜片钳技术可用一根玻璃微电极同时完成膜片 或全细胞电位的监测 钳制及通道电流的记录
对通道研究的突出贡献;获得1963年诺贝尔医学或生理学奖
A L Hodgkin 1914~1998
A F Huxley 1917~
电压钳技术是通过一个反馈电路使膜电位保持在指定的水平;
当离子通道开放产生跨膜电流;导致膜电位改变时;可通过反馈电路经 微电极向胞内注入电流;补充的电流量正好等于跨膜流出的反向离子 流;使膜通透性发生改变时膜电位保持不变;此时注入电流的变化就可 反应膜电导或膜电流的改变 电压钳技术工作原理如示意图:
离子通道具有两大共同特征;即离子选择性及门控特性 选择性 包括通道对离子大小的选择性及电荷选择性;如安静时神经细胞膜离
子通道对K+的通透性比Na+大100倍;而神经兴奋时;对Na+通透性又
比K+大10~20倍 通道闸门的开启和关闭过程称为门控gating 通道可 表现为三种状态;即备用 激活及失活状态
膜片钳技术具有1pA的电流分辨率;10 μs的时间分辨率和1 μm2 的空间分 辨率;使其成为在活体细胞上进行电生理学研究的重要手段
随着该技术的逐渐完善及应用;目前已成为从功能角度探讨各种生理 病理生理及药物作用机制最直接 最理想的电生理学研究方法;也为多学科 探讨生命活动规律 疾病与转归机理及药物作用等细胞和分子水平的研究; 开辟了广泛前景
2 电压门控离子通道
电压门控离子通道voltagegated ion channels又称电压依赖性离子通道;这一类 通道的开启或关闭受膜电位的变化决定; 具有电压依赖性和时间依赖性 电压门控 离子通道一般以最容易通过的离子命名; 如钠离子通道 钙离子通道及钾离子通道 等
电压门控钠离子通道
钠离子通道sodium channels;简称钠通道;是选择性地容许 Na+跨膜通过的离子通道 根据其对钠通道阻滞剂河豚毒素 tetrodotoxin; TTX和μ食鱼螺毒素μconotoxin;μ CTX的敏感性 不同分为神经类 骨骼肌类和心肌类钠通道三类
3处理 微电极拉制成功后;其尖端需进一步处理 这一过程包括涂硅酮树酯 sylgard coating和热抛光heat polish 前者是将硅酮树酯涂于微电极尖端以外部 分;达到使浸入浴液中的微电极表面呈疏水性;减小电极内部与溶液之间的电容
热抛光是在显微镜下;将微电极尖端接近热源通电加热的铂丝或白金丝等; 使电极尖端表面变得更加宽阔和光滑;经热抛光处理的微电极可使高阻封接的 成功率明显提高
电压门控钙离子通道 钙离子通道calcium channels;简称钙通道是选择性容许Ca2+跨膜 通过的离子通道 根据肌细胞和神经元电压门控离子通道对膜电位变 化的敏感性;将神经元质膜电压门控钙离子通道分为T L及N三种类型; 后来应用不同的毒素阻断钙电流的某种特定的成分;在神经元又增加 了P Q和R型;共6型
当膜去极化时;每一个功能区的S4肽段做螺旋运动而使正电荷移 出产生微弱而短暂的门控电流;导致通道构象变化 当四个结构域S4肽段 均发生这种构象变化时;则通道便处于激活开放状态;因此;S4肽段又称为 激功能活区闸的门Sa1c之tiv间at的io肽n 链ga构te;成m失闸活门闸在门通in道ac开tiv放ati后on;很ga快teⅢ; 结h闸构门域;形的成S6与一活Ⅳ 瓣;将通道内口阻塞;调控通道的失活过程
PathClamp Technigues for HighResolution Current
Recording from Cells and Cellfree Membrane Patches> 在此之前五年;身为德国科学家的Neher和 Sakmann共同发明了膜片钳技术1976;并于15年后共同荣 获1991年诺贝尔 生理学或医学奖
2 膜片钳技术
1976年Neher和Sakmann完成电极与膜之间50MΩ的封接;首次记 录到去神经蛙肌纤维膜上的单通道电流;为证实生物膜离子单通道是 以全或无规律 随机开放关闭的假说提供了有力依据 但是;当时实验记 录的背景噪声较大 1980年;Neher利用负压吸引实现了GΩ封接;背景 噪声显著减低 1991年膜片钳技术的创始人Neher和Sakmann荣获诺贝 尔医学或生理学奖
通道ligand gated channels 这一类通道的门控行为主要受其相应配体 的控制;配体是包括神经递质 激素等各种激动剂和阻滞剂在内的多种 化学因素 当激动剂与化学门控离子通道结合后;会引起通道蛋白构型 变化;导致通道开放;产生离子电流
ห้องสมุดไป่ตู้
4 机械门控离子通道
机械门控离子通道mechanically gated ion channels是由机械 牵拉激活的离子通道;主要见于触觉和听觉感受器;如声波传入内耳 后;引起内耳毛细胞顶端纤毛发生弯曲或偏斜;从而使毛细胞顶端机 械门控通道开放;阳离子内流产生听觉的感受电位
◦非门控离子通道 ◦门控离子通道 ◦电压门控性通道 ◦化学门控性通道 ◦机械门控性通道
1 非门控性离子通道
有些离子通道始终处于开放状态;离子可随时进出细胞;并 不受外界信号的明显影响;这些通道称为非门控离子通道 如神 经和肌肉细胞静息电位就是由于细胞膜上的离子通道允许K+自 由进出细胞;而引起的K+电化学平衡电位;此种K+通道即属于非 门控性离子通道
乙酰胆碱门控离子通道 由α1γα2βδ 五个亚基组成;呈五边形排列 每个亚基有4个 跨膜区段即M1~4;由五个亚基的M2共同构成孔道的内壁 在α1和α2 亚基N端的细胞外部分各有一个ACh结合位点;当两个ACh分子与 α亚基结合后;便引起通道蛋白的构象变化和通道开放;主要引起 Na+内流增多
三 离子通道的分类
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