25、离子通道：从微观到宏观的探索

离子通道：从微观到宏观的探索

离子通道研究技术

在离子通道的研究中，有两项关键技术起到了重要作用。

第一项是膜片钳技术，它通过将玻璃微电极紧密密封在神经元膜上，能够记录微小的电流。借助现代放大器，该技术虽受约翰逊热噪声限制，但可测量低至 0.1 pA 的电流。凭借在理解离子通道方面的快速进展以及离子通道在细胞和神经生物学中的基础作用，Neher 和 Sakmann 于 1991 年荣获诺贝尔医学奖。

第二项技术是重组 DNA 技术以及相关的分子生物学工具。现在，通道可以被常规克隆，并且能够评估替换单个氨基酸对通道功能的影响。结合晶体学分析，这使得过去十年中对离子通道的研究激增，包括其性质、三维结构、生物物理特性以及相关的氨基酸序列等方面。

尽管单个离子通道携带的电流非常微小，但我们仍需了解它们与引发动作电位和启动突触传递的宏观电流之间的关系。与数字计算机不同，生物系统中结构反映功能，因此理解负责电信号传导的组件至关重要。

离子通道的特性

通道的生物物理学特性

单个离子通道的电流随时间的变化轨迹揭示了其独特的特性。以乙酰胆碱（ACh）作用于快速烟碱型通道为例，当膜电位固定在 -80 mV 时，尽管输入恒定，但离子电流在零和 3 nA 两个状态之间切换，通道随机在开放和关闭状态之间交替。

对于配体门控突触离子通道，其开放和关闭速率会随神经递质分子与通道复合物的结合而变化；对于电压依赖性通道，开放和关闭速率则随施加的膜电位系统地变化。

从生物物理学角度看，单个通道类似于二进制开关元件，要么关闭无电流通过，要么开放且在恒定电压下有固定电流通过。随着电压依赖性通道