生理學(xué)/生物電現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制

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生理學(xué)

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早在1902年，Bernstein就提出膜學(xué)說，他根據(jù)當(dāng)時(shí)關(guān)于電離和電化學(xué)的理論成果提出了經(jīng)典的膜學(xué)說來解釋當(dāng)時(shí)用粗劣的電測(cè)量儀器記錄到的生物電現(xiàn)象。他認(rèn)為細(xì)胞表面膜兩側(cè)帶電離子的不同分布和運(yùn)動(dòng)，是產(chǎn)生物電的基礎(chǔ)。但在當(dāng)時(shí)和以后相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，還沒有測(cè)量單一細(xì)胞電活動(dòng)的手段和其他有關(guān)技術(shù)，因此他的學(xué)說長期未能得到證實(shí)。直到本世紀(jì)40～50年代，Hodgkin 和Huxley等開始利用槍烏賊的巨大神經(jīng)軸突和電生理學(xué)技術(shù)，進(jìn)行了一系列有意義的實(shí)驗(yàn)，不僅對(duì)經(jīng)典膜學(xué)說關(guān)于靜息電位產(chǎn)生機(jī)制的假設(shè)予以證實(shí)，而且對(duì)動(dòng)作電位的產(chǎn)生作了新的解釋和論證。通過這一時(shí)期的研究，對(duì)于可興奮細(xì)胞靜息電位和動(dòng)作電位的最一般原理已得到闡明，即細(xì)胞生物電現(xiàn)象的各種表現(xiàn)，主要是由于某些帶電離子在細(xì)胞膜兩側(cè)的不均衡分布，以及膜在不同情況下對(duì)這些離子的通透性發(fā)生改變所造成的。但是由于當(dāng)時(shí)對(duì)細(xì)胞膜的分子結(jié)構(gòu)和膜中蛋白質(zhì)的存在形式和功能還知之甚少，因此Hodgkin等對(duì)生物電的理解只能是宏觀的，對(duì)微細(xì)過程只能用數(shù)學(xué)模型來說明。隨著70年代以來蛋白質(zhì)化學(xué)和分子生物學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，蛋白質(zhì)分子從膜結(jié)構(gòu)中克隆出來，并從它們的分子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)來說明通道的功能特性；特別是70年代中期發(fā)展起來的膜片鉗（patch clamp）技術(shù)，可以觀察和記錄單個(gè)離子通道的功能活動(dòng)，使宏觀的所謂膜對(duì)離子通透性或膜電導(dǎo)的改變，得到了物質(zhì)的、可測(cè)算的證明。

1.靜息電位和K⁺平衡電位　Bernstein最先提出，細(xì)胞內(nèi)外鉀離子的不均衡分布和安靜狀態(tài)下細(xì)胞膜主要對(duì)K⁺有通透性，可能是使細(xì)胞能保持內(nèi)負(fù)外正的極化狀態(tài)的基礎(chǔ)。已知所有正常生物細(xì)胞細(xì)胞內(nèi)的K⁺濃度超過細(xì)胞外K⁺很多，而細(xì)胞外Na⁺濃度超過細(xì)胞內(nèi)Na⁺濃度很多，這是Na⁺泵活動(dòng)的結(jié)果；在這種情況下，K⁺必然會(huì)有一個(gè)向膜外擴(kuò)散的趨勢(shì)，而Na⁺有一個(gè)向膜內(nèi)擴(kuò)散趨勢(shì)。假定膜在安靜狀態(tài)下只對(duì)K⁺有通透的可能，那么只能有K⁺移出膜外，這時(shí)又由于膜內(nèi)帶負(fù)電荷的蛋白質(zhì)大分子不能隨之移出細(xì)胞，于是隨著K⁺移出，出現(xiàn)膜內(nèi)變負(fù)而膜外變得較正的狀態(tài)。K⁺的這種外向擴(kuò)散并不能無限制地進(jìn)行，這是因?yàn)橐频侥ね獾腒⁺所造成的外正內(nèi)負(fù)的電場力，將對(duì)K⁺的繼續(xù)外移起阻礙作用，而且K⁺移出的愈多，這種阻礙也會(huì)愈大。因此設(shè)想，當(dāng)促使K⁺外移的膜兩側(cè)K⁺濃度勢(shì)能差同已移出K⁺造成的阻礙K⁺外移的電勢(shì)能差相等，亦即膜兩側(cè)的電-化學(xué)（濃度）勢(shì)代數(shù)和為零時(shí)，將不會(huì)再有K⁺的跨膜凈移動(dòng)，而由已移出的K⁺形成的膜內(nèi)外電位差，也穩(wěn)定在某一不再增大的數(shù)值。這一穩(wěn)定的電位差在類似的人工膜物理模型中稱為K⁺平衡電位。Bernstein用這一原理說明細(xì)胞跨膜靜息電位的產(chǎn)生機(jī)制。不難理解，K⁺平衡電位所能達(dá)到的數(shù)值，是由膜兩側(cè)原初存在K⁺濃度差的大小決定的，它的精確數(shù)值可根據(jù)物理化學(xué)上著名的Nernst公式（1889）算出：

?。?）

(1)式中E_k表示K⁺平衡電位，R是通用氣體常數(shù)，Z是離子價(jià)，F(xiàn)是Farady常數(shù)，T是絕對(duì)溫度；式中只有［K⁺］_o和［K⁺］_i是變數(shù)，分別代表膜兩側(cè)的K⁺濃度。如果把有關(guān)數(shù)值代入，室溫以27°С計(jì)算，再把自然對(duì)數(shù)化為常用對(duì)數(shù)，則式（1）可簡化為；(2)

?。?）

如果，Bernstein應(yīng)用當(dāng)時(shí)物理化學(xué)最新成果說明細(xì)胞靜息電位產(chǎn)生機(jī)制的理論是正確的，那么在細(xì)胞實(shí)際測(cè)得的靜息電位的數(shù)值，應(yīng)相當(dāng)于把當(dāng)時(shí)細(xì)胞內(nèi)外K⁺濃度值代入式（2）時(shí)計(jì)算所得的E_k值。1939年Hodgkin等利用了槍烏賊的巨大神經(jīng)纖維和較精密的示波器等測(cè)量儀器，第一次精確地測(cè)出此標(biāo)本的靜息電位值，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此值和計(jì)算所得的K⁺平衡電位值非常接近而略小于后者；如在一次實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的靜息電位值為－77mV，而按當(dāng)時(shí)［K⁺］_o和［K⁺］_i值算出的E_k為－87mV，基本上符合膜學(xué)說關(guān)于靜息電位產(chǎn)生機(jī)制的解釋。

為了進(jìn)一步證實(shí)這一理論，Hodgkin等又用人工地改變標(biāo)本浸溶液中K⁺濃度即［K⁺］_o，因而也改變了［K⁺］ _o/［K⁺］ _i值的實(shí)驗(yàn)方法，觀察到所記錄的靜息電位的什也隨［K⁺］_o的改變而改變，而改變的情況基本上同根據(jù)式（2）計(jì)算出的預(yù)期值相一致。隨后用微電極細(xì)胞內(nèi)記錄法在纖細(xì)的哺乳類標(biāo)本也進(jìn)行了類似的實(shí)驗(yàn)，得到類似的結(jié)果，如在骨骼肌細(xì)胞測(cè)得的靜息電位為－90mV，而計(jì)算所得的E_k值為－95mV。這些實(shí)驗(yàn)都說明，大多數(shù)細(xì)胞的靜息電位的產(chǎn)生，是由于正常細(xì)胞的細(xì)胞內(nèi)液高K⁺而膜在安靜時(shí)又主要對(duì)K⁺有通透能力的結(jié)果；至于靜息電位的數(shù)值為何略小于理論上的E_k值，一般認(rèn)為是由于膜在靜息時(shí)對(duì)Na⁺也有極小的通透性（大約只有K⁺通透性的1/50～1/100）的緣故；由于膜外Na⁺濃度大于膜內(nèi)，即使小量的Na⁺逸入膜內(nèi)也會(huì)抵消一部分K⁺外移造成的膜內(nèi)負(fù)電位。

2．鋒電位和Na⁺平衡電位 Hodgkin等根據(jù)興奮時(shí)膜內(nèi)不僅出現(xiàn)負(fù)電位的消失，而且出現(xiàn)一定數(shù)值的正電位（相當(dāng)于前面提到的超射值）的事實(shí)，因而認(rèn)為對(duì)動(dòng)作電位上升支的出現(xiàn)，不能像Bernstein那樣簡單地解釋為膜對(duì)K⁺通透性的消失，因?yàn)檫@樣最多也只能使膜內(nèi)原有的負(fù)電位回升到零。他們據(jù)此設(shè)想膜在受到刺激時(shí)可能出現(xiàn)了膜對(duì)Na⁺通透性的突然增大，超過了K⁺的通透性，由于細(xì)胞外高Na⁺，而且膜內(nèi)靜息時(shí)原已維持著的負(fù)電位也對(duì)Na⁺的內(nèi)流起吸引作用，于是Na⁺迅速內(nèi)流，結(jié)果先是造成膜內(nèi)負(fù)電位的迅速消失；而且由于膜外Na⁺的較高的濃度勢(shì)能，Na⁺在膜內(nèi)負(fù)電位減小到零電位時(shí)仍可繼續(xù)內(nèi)移，直至內(nèi)移的Na⁺在膜內(nèi)形成的正電位足以阻止Na⁺的凈移入時(shí)為止。不難設(shè)想，這時(shí)膜內(nèi)所具有的電位值，理論上應(yīng)相當(dāng)于根據(jù)膜內(nèi)外Na⁺濃度差代入Nernst公式時(shí)所得出的Na⁺平衡電位值（可寫為E_Na）。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，動(dòng)作電位所能達(dá)到的超射值，即膜內(nèi)正電位的數(shù)值，正相當(dāng)于計(jì)算所得的E_Na；而且實(shí)驗(yàn)中隨著標(biāo)本浸溶液中Na⁺被同等數(shù)目的葡萄糖分子所代替（使［Na⁺］_o逐漸減?。?，可以看到所能記錄到的動(dòng)作電位的超射值和整個(gè)動(dòng)作電位的幅度也逐漸減小，其程度也同按Nernst公式算出的預(yù)期值基本一致。

但是，膜內(nèi)電位停留在E_Na水平的時(shí)間極短；隨后很快出現(xiàn)膜內(nèi)電位向靜息時(shí)的狀態(tài)恢復(fù)，亦即出現(xiàn)復(fù)極，造成了鋒電位曲線的快速下降支。如后來的實(shí)驗(yàn)證明，這下降支的出現(xiàn)是由于Na⁺通透性的消失，并伴隨出現(xiàn)了K⁺通透性的增大。

細(xì)胞每興奮一次或產(chǎn)生一次動(dòng)作電位，總有一部分Na⁺在去極化時(shí)進(jìn)入膜內(nèi)，一部分K⁺在復(fù)極時(shí)逸出膜外，但由于離子移動(dòng)受到各該離子的平衡電位的限制，它們的實(shí)際進(jìn)出量是很小的；據(jù)估計(jì)，神經(jīng)纖維每興奮一次，進(jìn)入膜內(nèi)的Na⁺量大約只能使膜內(nèi)的Na⁺濃度增大約八萬分，復(fù)極時(shí)逸出的K⁺量也類似這個(gè)數(shù)量級(jí)；即便神經(jīng)連續(xù)多次產(chǎn)生興奮，短時(shí)間內(nèi)也不大可能明顯地改變膜內(nèi)高K⁺和膜外高Na⁺這種基本狀態(tài)，而只要這種不均衡離子分布還能維持，靜息電位就可以維持，新的興奮就可能產(chǎn)生。細(xì)胞膜兩側(cè)K⁺、Na⁺離子的不均衡分布，主要是靠鈉泵蛋白質(zhì)消耗代謝能建立起來的，而由此形成的勢(shì)能貯備卻可供細(xì)胞多次產(chǎn)生興奮而不需當(dāng)時(shí)耗氧供能。不過實(shí)際上鈉泵的活動(dòng)又受膜內(nèi)外Na⁺、K⁺濃度的調(diào)控，它對(duì)膜內(nèi)Na⁺濃度增加十分敏感，Na⁺的輕微增加就能促使鈉泵的活動(dòng)，因此在每次興奮后的靜息期內(nèi)，都有鈉泵活動(dòng)的一定程度的增強(qiáng)，將興奮時(shí)多進(jìn)入膜內(nèi)的Na⁺泵出，同時(shí)也將復(fù)極時(shí)逸出膜外的K⁺泵入，使興奮前原有的離子分布狀態(tài)得以恢復(fù)。這時(shí)由于兩種離子的轉(zhuǎn)運(yùn)同時(shí)進(jìn)行，出入的離子總數(shù)又近于相等，故一般不伴有膜兩側(cè)電位的明顯改變。但在膜內(nèi)Na⁺蓄積過多而使鈉泵的活動(dòng)過度增強(qiáng)時(shí)，上述的定比關(guān)系可以改變，結(jié)果是泵出的Na⁺量有可能明顯超過泵入的K⁺量，這就可能使膜內(nèi)負(fù)電荷相對(duì)增多，使膜兩側(cè)電位向超極化的方向變化；這時(shí)的鈉泵，就稱為生電性鈉泵。有人認(rèn)為，鋒電位以后出現(xiàn)的正后電位，是由于生電性鈉泵作用的結(jié)果。至于負(fù)后電位，則一般認(rèn)為是在復(fù)極時(shí)迅速外流的K⁺蓄積在膜外側(cè)附近，因而暫時(shí)阻礙了K⁺外流的結(jié)果。

3.經(jīng)典的電壓鉗（或電壓固定）實(shí)驗(yàn) 從上述可知，Hodgkin等對(duì)于動(dòng)作電位產(chǎn)生機(jī)制的說明，關(guān)鍵在于膜受刺激時(shí)對(duì)Na⁺、K⁺的通透性發(fā)生了有選擇而時(shí)間亦有先后的改變，但這只是根據(jù)所測(cè)得的膜內(nèi)外電位改變對(duì)照Nernst公式進(jìn)行的推論，實(shí)驗(yàn)并沒有對(duì)膜的通透性進(jìn)行直接的測(cè)量和動(dòng)態(tài)描述。為此，他們又應(yīng)有當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的電子學(xué)技術(shù)，設(shè)計(jì)和進(jìn)行了著名的電壓鉗（voltage clamp）實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)根據(jù)是：離子作跨膜移動(dòng)時(shí)形成了跨膜離子電流（I），而通透性亦即離子通過膜的難易程度，就是膜的電阻（R）或其倒數(shù)電導(dǎo)（G），因此所謂膜對(duì)某種離子通透性增大時(shí)，實(shí)際是膜對(duì)該離子的電導(dǎo)加大；對(duì)于帶電離子來說，膜電導(dǎo)就是膜通透性的同義語。根據(jù)歐姆定律，I=VG，可知在膜兩側(cè)電位差（V）固定不變的條件下，測(cè)出的跨膜電流I的變化，就可作為膜電導(dǎo)變化的度量。測(cè)定膜在受刺激時(shí)跨膜電流的改變?cè)诩夹g(shù)上是容易的，但在這過程中要保持膜電位固定不變卻不容易；因?yàn)楫?dāng)存在跨膜離子電流時(shí)，離子的進(jìn)出膜會(huì)使不導(dǎo)電而有電容（C）特性的脂質(zhì)膜充電或放電，因而根據(jù)V=Q/C的關(guān)系（其中Q為電量，相當(dāng)于I和時(shí)間t的乘積），跨膜離子的移動(dòng)必然要引起跨膜電位的改變；實(shí)際上記錄到的動(dòng)作電位就是這種改變。正因?yàn)槿绱?，Hodgkin等自行設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用負(fù)反饋原理的電子學(xué)裝置，使它們能在跨膜電位維持恒定（恒定的數(shù)值可由實(shí)驗(yàn)者通過實(shí)驗(yàn)裝置預(yù)先設(shè)定）的情況下，測(cè)量跨膜離子電流的強(qiáng)度改變，并由此計(jì)算出膜電導(dǎo)即膜通透性的變化情況。電壓鉗實(shí)驗(yàn)的基本原理模式圖如圖2-12所示。圖中電極1插入巨大神經(jīng)軸突內(nèi)一定距離，用來測(cè)量和監(jiān)察這一段軸突膜內(nèi)的電位，此電極先連到一個(gè)電壓放大器，再在一個(gè)示波器上顯示；電極1測(cè)得電位值經(jīng)放大后同時(shí)輸給一個(gè)負(fù)反饋放大器（FBA），這是整個(gè)儀器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，它可把測(cè)得的膜內(nèi)電位同來自一個(gè)電壓源的、由實(shí)驗(yàn)者預(yù)先設(shè)定的要求保持恒定的電位值進(jìn)行比較，如果二者有差值，F(xiàn)BA就會(huì)通過電極2向軸突膜內(nèi)輸出相應(yīng)強(qiáng)度和方向的電流，由于儀器線路的精密設(shè)計(jì)和快速反應(yīng)，電極2輸出電流的改變正足以補(bǔ)償標(biāo)本由于跨膜離子電流使膜充放電而引起的跨膜電位的變動(dòng)，于是與電極1相邊的示波器上顯示出膜內(nèi)電位固定在設(shè)定的數(shù)值，而在電流放大器IA上測(cè)得的跨膜離子電流的變化，就反映了膜電導(dǎo)的變化。

圖 2-12 電壓鉗實(shí)驗(yàn)布置模式圖

電壓固定實(shí)驗(yàn)獲得了許多有意義的結(jié)論。首先一點(diǎn)是，只有設(shè)定的膜內(nèi)電位固定在去極化水平時(shí)，才有可能出現(xiàn)膜的Na⁺電導(dǎo)（G_Na)和K⁺電導(dǎo)（G_k）的增大，并且設(shè)定電位愈接近零值，電導(dǎo)的增大也愈明顯；相反，如果設(shè)定的膜內(nèi)電位值是超極化的，則不可能引起跨膜離子電流和膜電導(dǎo)的改變，這一點(diǎn)以后還要談到。以圖2-13的記錄曲線為例，分析不同離子的電導(dǎo)在一次興奮過程中的變化情況。圖中最上方曲線表示在一次電壓鉗實(shí)驗(yàn)中，把膜內(nèi)電位由靜息時(shí)的－65mV突然固定（這就是（clamp）的意思）在－9mV，結(jié)果很快引起一次如曲線A的跨膜電流變化曲線，這曲線的開始部分是內(nèi)向的，以后逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橥庀螂娏?。只記錄到?nèi)向或外向電流還不能說明電荷的攜帶者是何種離子，根據(jù)過去的實(shí)驗(yàn)者有理由認(rèn)為，先出現(xiàn)的內(nèi)向電流可能是Na⁺電流（I_Na），外向電流則可能是K⁺電流（I_k）。用附加的實(shí)驗(yàn)觀察證明了這點(diǎn)：假定把標(biāo)本浸浴液中的NaCI用相同摩爾數(shù)的氯化膽堿來代替，則在同樣的條件下只能記錄到較晚出現(xiàn)的曲線B，它是外向的，這顯然是因?yàn)椴荒艹霈F(xiàn)內(nèi)向的I_Na的結(jié)果；把曲線A和B逐點(diǎn)相減，就能得到曲線C，它就是內(nèi)向的I_Na；由I_Na、I_k兩條曲線，就可算出G_Na和G_k的變化曲線，其特點(diǎn)是：（1）G_Na和G_k都是電壓依從性的，只能由跨膜電位的去極化所激活，但G_Na被激活得早，是動(dòng)作電位上升支出現(xiàn)的基礎(chǔ)，而G_k激活出現(xiàn)緩慢，是動(dòng)作電位復(fù)極到靜息電位水平的基礎(chǔ)；（2）G_Na有失活（inactivation）狀態(tài)而G_k沒有此特性，其證明是圖2-13中曲線C只存在1～2ms，以后跨膜電壓雖仍固定在－9mV的水平，但G_Na早已恢復(fù)到原初水平，而代表G_k的曲線B雖然出現(xiàn)較晚，但它在設(shè)定電位持續(xù)期間一直維持在較同的水平。G_Na失活的出現(xiàn)和G_k的激活是造成神經(jīng)纖維和骨骼肌細(xì)胞表現(xiàn)短促的鋒電位的原因；在膜復(fù)極以后G_Na的失活狀態(tài)才能消失，這時(shí)G_Na才能因膜的去極化而再出現(xiàn)增大。

圖2-13　電壓鉗實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖

將巨大神經(jīng)纖維的膜電位由原來的-65mv突然上升并固定于-9mv的水平時(shí)，

膜的離子電流的變化情況（曲線A、B、C的意義見正文）

根據(jù)圖2-13中I_Na和I_k兩條電流曲線，即可計(jì)算出同這兩者相對(duì)應(yīng)的G_Na和G_k曲線，再根據(jù)這一段膜所具有的電容的數(shù)值（有人測(cè)得每cm²的槍烏賊軸突膜的電容約為1μF），就可算出如果“允許”每一瞬間的離子移動(dòng)在電容上形成電位改變時(shí)，有可能造成怎樣的跨膜電位的改變，這正是不進(jìn)行“電壓固定”時(shí)的情況，而由此作出的電位變化曲線正好同在一般實(shí)驗(yàn)中記錄到的動(dòng)作電位的波形特點(diǎn)一致，如圖2-14所示。這進(jìn)一步說明了電壓鉗實(shí)驗(yàn)證明動(dòng)作電位產(chǎn)生機(jī)制的正確性。

4．膜片鉗實(shí)驗(yàn)和單通道離子電流的記錄通過上節(jié)關(guān)于電壓門控通道的特性分析已知，所謂膜對(duì)某種離子通透性的改變，實(shí)際上決定于膜結(jié)構(gòu)中有關(guān)離子通道蛋白質(zhì)分子的功能狀態(tài)；例如，Hodgkin等測(cè)出的G_Na的變化，實(shí)際是那一段軸突膜上眾多的電壓門控式Na⁺通道因膜的去極化而開放的結(jié)果。在Hodgkin等當(dāng)時(shí)進(jìn)行的膜電導(dǎo)改變的數(shù)學(xué)模擬中，已經(jīng)明確提示，G_Na和G_k的改變不是均勻地發(fā)生在整個(gè)膜平面上，而是與膜上某些特定的“點(diǎn)”有關(guān)，不久又發(fā)現(xiàn)，有些藥物可以選擇性地阻斷某種離子的跨膜移動(dòng)，如河豚毒可以單獨(dú)阻斷G_Na而不影響G_k，四乙基銨可以單獨(dú)阻斷G_k而不影響G_Na；以同位素標(biāo)記的河豚毒只能與膜上某些特殊的“點(diǎn)”作特異性結(jié)合，而標(biāo)記的四乙基銨只能與另一些“點(diǎn)”結(jié)合。這些實(shí)驗(yàn)以及興奮過程中離子移動(dòng)數(shù)目之多與快，逐漸使人們推斷膜結(jié)構(gòu)中有特殊的蛋白質(zhì)離子通道的存在。這說明，“通道”概念的提出，遠(yuǎn)在通道的實(shí)質(zhì)被闡明以前，是前者促進(jìn)了對(duì)后者的進(jìn)一步探索。70年代中期由Neher和Sakmann等發(fā)展出一種能夠記錄膜結(jié)構(gòu)中單一的離子通道蛋白質(zhì)分子的開放和關(guān)閉、亦即測(cè)量單通道離子電流和電導(dǎo)的技術(shù)，稱為膜片鉗實(shí)驗(yàn)。

圖 2-14 電導(dǎo)變化與電位變化的關(guān)系示意圖

根據(jù)電壓鉗實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的Na⁺電導(dǎo)（G_Na）和K⁺電導(dǎo)（G_k）的變化過程，

可以算出在膜電位不進(jìn)行人為固定時(shí)，相應(yīng)的Na⁺、K⁺離子電流在膜電容

上引起的電位變化（實(shí)線），其形狀正同在標(biāo)本上記錄到的動(dòng)作電位的波形一致

膜片鉗實(shí)驗(yàn)的基本原理如圖2-15A所示：用一個(gè)尖端光潔、直徑約0.5～3μm的玻璃微電極同神經(jīng)或肌細(xì)胞的膜接觸而不刺入，然后在微電極另一端開口施加適當(dāng)?shù)呢?fù)壓，將與電極尖端接觸的那一小片膜輕度吸入電極尖端的纖細(xì)開口，這樣在這小片膜周邊與微電極開口處的玻璃邊沿之間，會(huì)形成緊密的封接，在理想的情況下其電阻可達(dá)數(shù)個(gè)或數(shù)十千兆歐（其物理過程目前尚不清楚），這實(shí)際上把吸附在微電極尖端開口處的那一小片膜同其余部分的膜在電學(xué)上完全隔離開來；如果在這一小片膜中只包含了一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)通道蛋白質(zhì)分子，那么通過此微電極就可能測(cè)量出單一通道開放時(shí)的離子電流和電導(dǎo)，并能對(duì)單通道的其他功能特性進(jìn)行分析。

圖2-15 膜片鉗實(shí)驗(yàn)布置示意圖

A：圖中I_p為記錄到的單通道電流，V_CMD決定設(shè)定的膜電位數(shù)值

B：在大鼠胚胎骨骼肌細(xì)胞膜片上記錄到的由ACH激活的單通道

離子電流，強(qiáng)度為pA（皮安）級(jí)

從Neher等最初用膜片鉗技術(shù)觀察骨骼肌終板膜處的單一ACh-門控通道機(jī)能特性開始，已經(jīng)對(duì)多種通道進(jìn)行了觀察，發(fā)現(xiàn)它們一般有如下共同特性：（1）不論是化學(xué)門控或電壓門控通道，它們的開放和關(guān)閉都是突然的，使描繪出的電流曲線呈方波狀，說明相應(yīng)的蛋白質(zhì)分子可以從一種構(gòu)象快速地躍變到另一種構(gòu)象；（2）每種通道開放時(shí)具有恒定的電導(dǎo)，即在恒定的情況下，只能看到“開”或“關(guān)”兩種狀態(tài)，很少看到“半開”或“部分開”的情況；（3）即使是同一通道分子，每次開放的持續(xù)時(shí)間長短也不一致，似乎說明蛋白質(zhì)分子可在開放和關(guān)閉兩種構(gòu)象之間“擺動(dòng)”，停留在某種狀態(tài)的長短具有隨機(jī)的性質(zhì)；（4）在化學(xué)門控通道結(jié)合了相應(yīng)的化學(xué)信號(hào)分子，或電壓門控通道所在膜兩側(cè)處于特定的電位差的情況下，“擺動(dòng)”的次數(shù)增多，開放的機(jī)率增大，而“失活”使開放的機(jī)率減小。

用單通道記錄可說明在自然情況下整段膜的離子電導(dǎo)和離子電流的形成機(jī)制；以上述G_Na增大為例，它顯然是該段膜中眾多的Na⁺通道在去極化的影響下出現(xiàn)開放的機(jī)率增加所決定的，而在每一瞬間同時(shí)出現(xiàn)的各通道的電導(dǎo)或離子電流相互疊加，于是如圖2-16B所示，這種疊加形成的Na⁺電流曲線，正好和圖2-13中的曲線C相似。

膜片鉗實(shí)驗(yàn)可用于各種細(xì)胞，由于微電極不刺入細(xì)胞，即使用于纖小的細(xì)胞也不致造成損傷。膜片鉗實(shí)驗(yàn)已有各種變式，如吸著在微電極尖端的小膜片可以隨電極而同原細(xì)胞脫離，把它們浸入人工浸浴液中，就可以觀察某些因素在膜的胞漿側(cè)怎樣影響通道功能；也可以形成膜的胞漿側(cè)面向微電極尖端開口而膜表面?zhèn)让嫦蚪∫旱膶?shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑鹊?。膜片鉗實(shí)驗(yàn)也已用于細(xì)胞生物電以外的功能研究，如細(xì)胞的分泌過程等。

圖2-16 電壓門控Na⁺通道的膜片鉗記錄A：

隨著靜息電位（Em）由－110mV突然固定到－50mV，

在3次膜片鉗實(shí)驗(yàn)記錄到的離子電流 B：將144次膜片鉗記錄

到的離子電流曲線進(jìn)行平均疊加，得到一條類似圖

2-13中曲線C的Na⁺電流曲線，說明后者是多數(shù)Na⁺通道激活的結(jié)果

細(xì)胞的靜息電位和動(dòng)作電位 | 興奮的引起和興奮的傳導(dǎo)機(jī)制

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