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離子通道的基礎(chǔ)知識(shí)及其技術(shù)醫(yī)學(xué)神經(jīng)生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室1.電生理學(xué)——生命科學(xué)中的信息科學(xué)組織的生物電場(chǎng)信息高級(jí)處理細(xì)胞的電脈沖信息整合和編碼細(xì)胞膜的電流電信號(hào)發(fā)生和傳遞1.電生理學(xué)——生命科學(xué)中的信息科學(xué)之一離子通道:生物電發(fā)生的基本元件,也是重要的藥物治療靶點(diǎn)。組織的生物電場(chǎng)信息高級(jí)處理細(xì)胞的電脈沖信息整合和編碼細(xì)胞膜的電流電信號(hào)發(fā)生和傳遞2.1重要的生理功能細(xì)胞生物電現(xiàn)象的基礎(chǔ)——靜息電位的形成2.1重要的生理功能細(xì)胞生物電現(xiàn)象的基礎(chǔ)——?jiǎng)幼麟娢坏男纬?.1重要的生理功能參與維持細(xì)胞正常形態(tài)2.1重要的生理功能細(xì)胞興奮-分泌-興奮偶聯(lián)2.1重要的生理功能細(xì)胞跨膜信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)2.離子通道:重要的藥物靶點(diǎn)2.2關(guān)鍵的藥物治療靶點(diǎn)2002年由FDA提供的分析報(bào)告指出,目前所有FDA認(rèn)可的藥品中涉及到的治療靶點(diǎn)基因僅為273個(gè),其中完全認(rèn)定為藥物靶點(diǎn)的7%為離子通道;2006年的調(diào)研表明,配體門控和電壓門控的離子通道是第三和第四大現(xiàn)有的可治療基因家族(僅排在G蛋白基因家族和核受體基因家族之后),分別占據(jù)7.9%和5.5%;經(jīng)典的離子通道類臨床用藥見表1:3.離子通道——分類分類方法具體類別電壓門控性,voltagegated又稱電壓依賴性(voltagedependent)或電壓敏感性(voltagesensitive)離子通道:因膜電位變化而開啟和關(guān)閉,以最容易通過的離子命名,如K+、Na+、Ca2+、Cl-通道4種主要類型,各型又分若干亞型.配體門控性,ligandgated又稱化學(xué)門控性(chemicalgated)離子通道,由遞質(zhì)與通道蛋白質(zhì)受體分子上的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合而開啟,以遞質(zhì)受體命名,如乙酰膽堿受體通道、谷氨酸受體通道、門冬氨酸受體通道等.非選擇性陽離子通道(non-selectivecationchannels)系由配體作用于相應(yīng)受體而開放,同時(shí)允許Na+、Ca2+
或K+
通過,屬于該類.機(jī)械門控性,mechanogated又稱機(jī)械敏感性(mechanosensitive)離子通道:是一類感受細(xì)胞膜表面應(yīng)力變化,實(shí)現(xiàn)胞外機(jī)械信號(hào)向胞內(nèi)轉(zhuǎn)導(dǎo)的通道,根據(jù)通透性分為離子選擇性和非離子選擇性通道,根據(jù)功能作用分為張力激活型和張力失活型離子通道.基因相似性根據(jù)基因序列的相似性或同源性而歸類的離子通道,例如TRP家族等。在1902年,Bernstein創(chuàng)造性地將Nernst的理論應(yīng)用到生物膜上,提出了“膜學(xué)說”。他認(rèn)為在靜息狀態(tài)下,細(xì)胞膜只對(duì)鉀離子具有通透性,即細(xì)胞靜息電位的鉀離子學(xué)說;而當(dāng)細(xì)胞興奮的瞬間,膜的破裂使其喪失了選擇通透性,所有的離子都可以自由通過。Hodgkin、Huxley、Katz等人在20世紀(jì)30—50年代做出了開創(chuàng)性研究。他們基于電壓鉗技術(shù),提出并驗(yàn)證了所謂的Hodgkin—Huxley方程,數(shù)學(xué)模擬出和真實(shí)狀況相符合的神經(jīng)沖動(dòng)的傳導(dǎo),由此建立了細(xì)胞動(dòng)作電位的鈉離子學(xué)說。離子通道的近代觀念也由此產(chǎn)生。4.離子通道研究理論4.離子通道研究技術(shù)微電極電壓鉗-電流鉗技術(shù)傳統(tǒng)膜片鉗技術(shù)ErwinNeher(1944-)KennethCole(1900-1984)表2.膜片鉗技術(shù)的歷史角色年份電生理學(xué)中標(biāo)志性事件1786LuigiGalvani首次在蛙類體內(nèi)發(fā)現(xiàn)生物電現(xiàn)象,電生理學(xué)的創(chuàng)始人,1887SidneyRinger發(fā)明了蛙心灌流試驗(yàn)用的溶液。1888WaltherNernst提出了Nernst方程。1902JuliusBemstein提出靜息電位的K+學(xué)說。1937Renshaw首次使用微電極成功記錄到了脊髓中間神經(jīng)元的電活動(dòng)。1946Gerard首次使用微電極測(cè)定了蛙肌細(xì)胞膜電位。1949Ling發(fā)明了微電極細(xì)胞內(nèi)記錄技術(shù),Cole首創(chuàng)的電壓鉗技術(shù)問世,成為電生理學(xué)史上重要的里程碑,電生理研究進(jìn)入細(xì)胞時(shí)代。1949Hodgkin和Katz提出了動(dòng)作電位Na+學(xué)說。1952Hodgkin和Huxley分離出Na+、K+電流和漏電流。1953Fatt和Katz分離出了Ca2+電流。1964Deck、Kern和Trantwein在浦肯野氏纖維上進(jìn)行電壓鉗研究。1976E.Neher和B.Sakmann創(chuàng)立了膜片鉗技術(shù),使電生理研究空前活躍,并作為重要的里程碑,標(biāo)志著電生理分子時(shí)代的到來。1980~膜片鉗技術(shù)、生物大分子技術(shù)以及生物光學(xué)技術(shù)的結(jié)合,使人們對(duì)生物電現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)水平在分子水平取得了重大的突破和豐富。5.傳統(tǒng)膜片鉗設(shè)備的組成電學(xué)部分信號(hào)放大器數(shù)據(jù)采集卡
PC周邊設(shè)備控制器等光學(xué)部分:熒光顯微鏡
CCD照相機(jī)監(jiān)視器激光器等機(jī)械部分防震臺(tái),氣壓泵或氣瓶高精密微電極操作器灌流操作器顯微鏡移動(dòng)平臺(tái)或可移動(dòng)載物臺(tái)輔助部分:信號(hào)屏蔽罩微電極拉制儀藥物灌流設(shè)備溫度控制器6.全自動(dòng)膜片鉗設(shè)備的組成工作站平板芯片+即:德國(guó)Nanion公司Patchliner德國(guó)Nanion公司Syncropatch96美國(guó)MolecularDevices公司Ionworks7.不同膜片鉗技術(shù)的比較傳統(tǒng)膜片鉗高信息量:通道功能的各項(xiàng)指標(biāo)、結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)記錄高靈敏度:pA級(jí)、單通道水平適用范圍廣:不受樣本種類限制操作過程復(fù)雜,對(duì)實(shí)驗(yàn)者要求高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)量低,難以應(yīng)用于藥物篩選全自動(dòng)膜片鉗操作自動(dòng)化,簡(jiǎn)單培訓(xùn)即可使用高效率、高通量實(shí)現(xiàn)某些傳統(tǒng)膜片鉗不具有的功能,例如全細(xì)胞模式內(nèi)液灌流。保持傳統(tǒng)膜片鉗高信息量和高靈敏度方面程度不一,樣本兼容性不一2各自的優(yōu)缺點(diǎn)醫(yī)學(xué)神經(jīng)生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
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