吴!静!!四川省南充高级中学!南充!I"MK$%"
摘!要!本文对运用电压钳和膜片钳检测神经纤维上的电信号的基本原理%结构组成%基本步骤%技术发展和运用进行了介绍$关键词!电压钳!膜片钳!基本原理!神经纤维!电信号 !!人教版高中生物学教材!'$$M版"必修"第%M页关于检测神经纤维上电信号是这样描述的)在蛙的坐
骨神经上放置两个电极#连接到一个电表上#静息时#电表没有测出电位差#说明神经表面各处电位相等$教材虽没有明确说明是什么电表#但似乎在暗示为电压表$笔者梳理了'$$#年至'$%K年的全部高考真题#发现仅有"道题明确指出电表的类型)'$$K年重庆卷第"$题为电位计#'$%"年四川卷第"题为灵敏电流计#'$%"年安徽卷第"$题为电位计$教辅资料习题中明确表述为电压表或电流表的都普遍存在#究竟是电压表还是电流表抑或两者都可以0笔者通过查阅文献发现#检测神经纤维上电信号是由电压钳或膜片钳技术来完成的$
!"电压钳技术
细胞膜对离子跨膜具有阻碍作用#可等效为电路中的电阻!O)"#细胞外液细胞膜细胞内液构成的体系具有电容效应!7)"#即细胞膜相当于一个并联的阻容电路&%'#如图%所示$由于所测电流既包括离子电流又包 括电容电流#因而无法准确测定除极化引起某种离子跨膜移动的时间%方向和数量变化$为解决这一难题#'$世纪#$年代#F,.3=/1A D+3和F310<X
=(R,<?在前人工作的基础上创造了电压钳技术#他们利用该技术并结合药理学方法等#阐明了动作电位发
生的离子机制#分享了%KI"年的诺贝尔生理或医学奖$
图%!细胞膜的并联阻容电路示意图
激光电筒电压钳的基本原理如图'所示#将尖端直径约为
$:#+)的两根微电极插入细胞内#一根电极用于检测记录膜电位b)#另一根电极用于向细胞内注入电流$
反馈放大器!^8F#T<<1*.-D.)5,+T+<0"的正输入端接受人为控制的指令电压b7的输入#负输入端接受膜电位b
)的输入#^8F
的输出端连接电流注入电极$若b)g
b
7
#输出电流为零#若两者出现差异#^8F会产生一个电压输出#将相反极性的电流注入细胞内#以维持
b
)
g b
7
#注入电流的大小与跨膜离子流相等$其实#离子跨膜流动过程中膜电位b)会不断变化#但通过这种
负反馈作用#膜电位被钳制在b7水平#此时细胞膜没有充放电过程#电容电流为零#测量的只有离子电流#而该电流变化可通过注入电流表示$
网络采集图'!电压钳的基本原理示意图
伊枯草菌素
电压钳技术主要用于巨大细胞的全细胞电流研究#对于体积小的细胞难以操作$微电极需刺破细胞膜会造成细胞浆流失#破坏了细胞生理功能的完整性$同时#电压钳钳制的细胞膜面积很大#包含大量随机开放和关闭的离子通道#背景噪音大#因而不能测定单一离子通道电流$
#"膜片钳技术
为克服电压钳的缺点#%KMI年德国科学家Q<;<0和>.D).33发明了膜片钳#利用该技术首次在青蛙肌细胞上记录到了5F级!%$m%'F"的乙酰胆碱激活的单通道离子电流#带来了一场技术革命#两人因而荣获%KK'年的诺贝尔生理或医学奖$
':%!膜片钳的结构组成!基本组成包括)!负反馈放大器)通过负反馈作用对微电极尖端的膜片进行电
压或电流钳制#是系统的核心("微电极)包括玻璃微吸管%电极内液和测试电极#检测时#玻璃微吸管与细胞膜进行高阻抗封接#吸管内部的测试电极与放大器连接#从而实现离子通道电信号的检测(#倒置显微镜)观察微电极尖端在细胞膜上的操作情况($三维液压微操纵器(%计算机数据采集和分析系统(&模数转换器)实现膜片钳的模拟信号与计算机的数字信号
的转换$除基本组成外#膜片钳装置系统还包括防震台%电极拉制器%灌流系统等$':'!膜片钳的基本原理!将尖端直径为$:#*%+)的玻璃微电极吸附到细胞膜表面#通过负压抽吸使尖端接触的那小片膜轻度吸入
尖端开口#形成紧密的高阻抗封接#使该膜片与周围的细胞膜在电学上绝缘#理想情况下其电阻可达到数十个Z .!%Z .g %$K
."$面积仅为几平方微米的该膜片上只有一个或几个通道#通过对细胞膜进行电压或电流钳制#可获得单一!或多个"离子通道的电信号$
膜片钳有两种工作模式)电压钳模式%电流钳模式&''
$电压钳模式是用指令电压b 7
钳制细胞膜电位b )
#使b )
g b 7
超导失超#检测膜片上离子通道的电流信号P )#如图"!.
"所示$运算放大器F %%F '和反馈电阻O T
构成放大电路#F %的负输入端与玻璃微电极相连#正输入端接受指令电压b 7
#通过负反馈电路使细胞膜电位钳制在b 7
水平$离子跨膜电流P )
通常为5F 3F 量级#十分微弱#放大电路可将细胞产生的5F 级电流信号转换并放大至)b 级#该电路的输入为电流#输出为电压#故称为电流电压转换器$电流钳模式是由指令电压b 7
产生钳制电流P -#将该电流通过微电极注入细胞#使P 7
g P )
#检测在该电流的钳制下细胞膜电位b )
的变化#如图"!*"所示$利用膜片钳的两种工作模式可分别对离子跨膜流动引起的电流或电压变化的相关参数进行定量检测#进一步可用来研究离子通道的构象及开闭状态随着时间或外界刺激!电压%机械压迫%药物等"的变化情况等$
图"!膜片钳的基本原理示意图
':"!
膜片钳的基本操作!基本操作包括&"'
)!配制
溶液)根据所研究细胞和通道的不同配制相应溶液("制备标本)主要来自培养细胞和急性分离细胞(#制备微电极)用拉制仪采用两步法拉制玻璃管#热抛光使尖端光滑以提高封接成功率#在电极尖端涂敷疏水材料硅酮树脂以减小电极内部与溶液之间的
电容#最后灌注电解质溶液($形成高阻封接)在倒置显微镜下#利用微操纵器完成微电极与目标细胞的封接#形成稳定的高阻封接是实验成功的关键(%给予钳制电位或电流等指令条件#采集相应数据并进行分析$':H!膜片钳的发展和运用!随着技术的进步与发展#膜片钳形成了适用于不同实验研究的多种方法$例如#在整体动物上研究感觉系统对外界刺激反应的在体膜片钳技术#具有高通量和高准确性的全自动膜片钳技术#利用红外线穿透组织切片并用显微摄像机直接观察细胞的红外线膜片钳技术#将膜片钳技术与荧光技术%C 7O 等生物学技术相结合&H '
等$膜片钳技术是研究离子通道的，金标准-#广泛运用于细胞分子生物学%神经科学%药理学%病理生物学%运动生理学等多个领域$
人教版高中生物学教材检测电信号的示意图源于最初的双电极电压钳细胞内记录法#但应用这种记录方
式描述常见的动作电位是不够准确的#目前大多采用单电极膜片钳技术#即一根探头给予去极化刺激并同时检测膜电流变化来记录动作电位&#'
$当然#向高中生介绍抽象复杂的电压钳或膜片钳技术是不明智的#笔者揣测教材化抽象为具体#从中提炼出检测技术的本质#采用易被学生理解的方式来解释动作电位的检测#目的是让学生仅对其有定性的认识#站在中学物理学关于电压表和电流表知识的角度#由于不清楚具体怎样检测电信号#这种简化处理引起了不少学生和教师对电压表还是电流表的讨论#其实这样的纠结没有意义$因为膜片钳技术既有电压钳模式又有电流钳模式#无论测量的是电流还是电压#根据欧姆定律#两者可进行定量转换$因此中学教师一方面要努力提高自身的专业素养#另一方面在教学过程中要适当取舍#把精力花在，刀刃-上$
变压器油泵主要参考文献
&%'韩旭东#王益民#刘彦强#等：膜片钳技术原理及在中药研究
中的应用&N '：实验室科学#'$%%#%H !H ")%$M %%':
&''贾炜姣#代广斌#耿国帅#等：膜片钳技术在细胞电生理研究
方面的最新应用&N '：高校化学工程学报#'$%&#"'!H ")
MIM MM&:
钳流表&"'田!晶：膜片钳技术的应用进展&N '：吉林医药学院学报#'$$&#'K !H ")''M ''K:
&H '曹建斌：膜片钳技术的发展及其应用&N '：运城学院院报#
'$$K #'M !'")#"##:&#'
林显光：电生理膜片钳技术教学中的一些心得&N '：科教导刊#
'$%"##!%%")&'
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