2021-08-15何谓电压钳和膜片钳?简述其原理和应用

电压钳（voltage clamp）技术是通过插入细胞内的一根微电极向胞内补充电流，补充的电流量正好等于跨膜流出的反向离子流，这样即使膜通透性发生改变时，也能控制膜电位数值不变。经过离子通道的离子流与经微电极施加的电流方向相反，数量相等。因之可以定量测定细胞兴奋时的离子电流。膜通透性的改变是迅速的，但如使用一个高频响应的放大器，可以连续、快速、自动地调整注入电流，达到保持膜电位恒定的目的。它可以测量细胞的膜电位、膜电流和突触后电位。欧文.内尔（Erwin Neher）和伯特.萨克曼（Bert Sakinann）在电压钳的基础上发展了膜片钳（patch clamp）技术，采用较大的微电极和神经元的细胞膜紧紧接触，两者间形成一高阻抗密封区。于是，微电极就以一个低阻抗的电特性进入细胞内(右图示)。膜片钳不仅可以观察单离子通道电流，而且有多种模式可以方便地对细胞进行电压钳制和电流钳制，观察各种离子通道电流及其调控，并与分子生物学技术结合进行离子通道与受体的分子结构和功能研究，广泛应用于神经生物学、生理学、药理学等各个领域。为此他们获得 1991年诺贝尔生理学一医学奖。

膜片钳是一种可以直接观察单一的离子通道蛋白质分子对相应离子通透难易程度等特性的一种实验技术。其基本原理是用一个尖端光洁，直径约为0.5~3um的玻璃微电极同神经或肌细胞的膜接触而不刺入，然后在微电极另一端开口处施加适当的负压，将与电极尖端接触的那一小片膜轻度吸入电极尖端的纤细开口，这样在这一小片膜周边与微电极开口处的玻璃边沿之间，会形成紧密的封接，其电阻可达数个或数十个千兆欧，这实际上把吸附在微电极尖端开口处的那一片膜同其余部分的膜在化学上完全隔离出来，由微电极记录到的电流变化只同该膜片中通道分子的功能状态有关。如果在这一小片膜中只包含了一个或少数几个通道蛋白分子，那么通过微电极测量出的电流，就是某种带电离子经由开放的单一通道蛋白质分子进行跨膜移动的结果。　　应用：直接观察神经细胞，肌细胞，及其他各种细胞中的单一的离子通道蛋白质分子对相应离子通透难易等特性，由于这时微电极不刺入细胞，即使用于纤小的细胞也不致造成损伤。膜片钳实验技术及其各种变式，是从分子水平研究跨膜离子移动和其他功能的重要手段。