电压钳制和膜片钳制技术技术分析.ppt

第二节 电压钳制技术 Voltage clamp technique 利用微电极技术，虽然记录到细胞内的电变化过程，但不能阐明这种变化的原因。要阐明跨膜电变化机制，必须应用电压钳制技术。这一技术首先是由Cole及其同事设计，在经Hodgkin等人加以改进，用于神经电生理研究，弄清了神经纤维在兴奋时离子流的情况。 一、细胞膜的生物物理特性 (Biophysical properties of cell membrane) 细胞膜上以脂质双分子层为支架，镶嵌着不同特性的蛋白质。细胞膜的电紧张及其扩布规律，膜的极化状态及其形成过程中等都是细胞膜电缆性质(cable properties)的反映。(轴浆电阻与膜电阻、膜电容的组合，使电流对膜电位的影响起着依距离而衰减以及在时间上的延缓作用――神经的“电缆”性质)。细胞膜的电缆特性从它的等效电路及其时间常数和空间常数得到证实。 (一) 细胞膜的等效电路 从电学特点上分析，细胞膜可等效地模拟为电阻－电容器。它具备细胞浆电阻（纵向电阻，Ro），膜电阻（横向电阻，Rm），膜电容（Cm）和膜电位（Em）四方面的电学特性，根据这四方面特性即可构成其等效电路（Equivalent Circuit）。 outside inside 膜电位等效电路的简化图 Cm 膜电容 Rm 膜电阻 Em 离子平衡电位 Ro 细胞外液的纵向电阻（Ω/cm） Ri 轴浆的纵向电阻（Ω/cm） Ro Cm Rm Em + - 离子通道等效电路 细胞膜的等效电路是一个并联的阻容电路，膜活动时既有电压的改变，同时又有电流的改变。电位的改变可引起电容器的充、放电，也可用于电阻器上的电流流动。通过电容器的电流为Ic ，通过电阻的电流为Ir。 1 纵向电阻（Ro、Ri） 由胞浆的性质所决定，具有较高的电阻率，它与直径呈反比关系（直径大、电阻小，直径小，电阻大）。由于它的存在，使生物电的传导主要沿细胞膜所包围的容积导体进行。它是单位长度的电阻，单位是Ω/cm ，细胞外间质的容积很大，其单位长度电阻（Ro）较Ri小。 2.横向电阻（redial resistance） 即细胞膜本身具有的膜电阻。细胞膜由双层脂质构成，厚度很薄，但具有很高的电阻，即绝缘性。膜电阻表示离子通过膜的有限能力。 膜电阻反映了离子是否容易通透膜的情况。膜电阻（Rm）的大小反映了膜结构电学方面的差异。 2.横向电阻（redial resistance） 膜电位、膜电流和膜电阻的关系遵循欧姆定律： Em = Im . Rm I = V/R 膜电阻越大，对电流的导通能力越小。 膜电阻反映了离子是否容易通透膜的情况。膜电阻（Rm）的倒数膜电导（G，g）。I = g V（膜电位恒定的情况下，膜电导越大，膜电流也越大。 不同的离子有不同的电导。 电导的单位是Siemens( S ). 3.膜电容（capacity） 表示膜的绝缘及储存电荷的性质。任何一种装置使两个导体中间插入一个绝缘体并安排在一起，称为电容器。细胞外液及细胞内液均为含电解质的溶液，可看作为两个导体；细胞膜是含脂质的膜，可视作为绝缘体。细胞外液-细胞膜-细胞内液三者组成了电容。 3.膜电容（capacity） 电容大小与细胞体积和细胞膜表面积有关。膜电容和膜面积呈正比，与膜的厚度呈反比。 电容的单位是法拉第（F）。 膜电容的测量可用于细胞膜表面积的测定，对推算某种离子通道在单位膜面积上的密度有一定帮助。 4 膜电位 （membrane potential） 当膜上离子通道开放而引起带电离子跨膜流动时，就相当于在电容器上充电或放电而产生电位差，即跨膜电位。膜电位的高低决定于跨膜电化学梯度；膜电位的高低与膜两侧的电荷成正比。 在膜两側离子浓度不变的情况下，膜电位则取决于膜电导的改变（离子通透性的改变）。反过来，膜电导的大小又受到膜电位的控制（离子通透性的电压依赖性）。 5 膜电流（membrane current） 任何电流都是电容电流（Ic）和电阻电流（Ir）两种形式通过细胞膜，前者导致膜电荷的改变，后者实际上是由离子携带流经细胞膜的。 I m = Ic + Ir 5 膜电流（membrane current） 电位的变化引起膜电容的充电或放电，而电流的变化则表现在膜电阻上的电流流动。Ic只在膜电位发生变化的一瞬间出现，若将膜电位固定在一定水平，记录到的仅为Ii（Ir），这是电压钳制技术的电学基础之一。 (二) 细胞膜的时间常数（time constant） 时