1991年诺贝尔生理医学奖_ 17页

1991年诺贝尔生理医学奖得奖者：内尔（ErwinNeher）萨克曼（BertSakmann）王爱民 人物简介：内尔(E.Neher)(1944-)【３】Neher内尔，德国细胞生理学家，与Sakmann萨克曼共同获得1991年诺贝尔奖。1980年Neher、Sakmann合作发明了patchclamp技术，发现了细胞膜存在离子通道，Neher和Sakmann一起研究基本细胞功能并发挥微区-钳定技术，这项技术用于检验通过细胞膜的极微弱电流的通道。这一研究成果对于研究细胞功能的调控机制至关重要，可揭示神经系统、肌肉系统、心血管系统及糖尿病等多种疾病的发病机理，并提供治疗的新途径。 萨克曼(B.Sakmann)(1942-)【３】Sakmann萨克曼，德国科学家，细胞生理学家，与德国细胞生理学家Neher内尔合作发明了patchclamp技术，发现了细胞膜存在离子通道，而共同获得1991年诺贝尔奖。该技术是一种广泛用于细胞生物学及神经科学研究的方法，可藉以检验小至一万亿分之一安培的通过细胞膜的电流。他与Neher同在一个实验室，他们一道最终确认了细胞膜上离子通道的存在，离子信道是一些具特征性的机制，有的仅允许阳离子通过，有的仅允许阴离子通过，接着他们研究了多种细胞功能，终于发现离子通道在糖尿病、癫痫、某些心血管病.某些神经肌肉疾病中所引起的作用，这些发现使研究新的更为特异性的药物疗法成为可能。 得奖内容：发现细胞的单一离子通道之功能（fortheirdiscoveriesconcerning“thefunctionofsingleionchannelsincells）「单一离子通道记录法」（singlechannelrecordingorpatchclamprecording） 生物体内的各种细胞由于周遭离子分布的不均匀，因此在平常静止状态时，细胞内所带的电荷是“－＂的，而细胞外通常是比较“＋＂的，这就是所谓的静止膜电位（restingmembranepotential）。当细胞兴奋时如神经的传导，肌肉的收缩或腺细胞的分泌，细胞膜上的离子通道（如Na+channel）就会打开，让Na+离子由细胞外进入细胞内产生去极化现象（Depolarization）。因此要了解神经细胞间讯息的传递及肌肉细胞收缩的原理，首先就是要探讨细胞膜上各种离子通道如何选择性的运送离子。Neher和Sakmann使用微细之玻璃电极紧密地吸附着肌细胞膜而精确测量到单一离子通道的电流变化，使我们更清础离子通道本身开关之机转及调控困素。由于patchclamp技术之发明，使我们对一些疾病之病因有深层的认识。例如cysticfibrosis是由于氯离子通道（chloridechannels）产生病变而造成。 离子通道细胞是通过细胞膜与外界隔离的，在细胞膜上有很多通道，细胞就是通过这些通道与外界进行物质交换的。这些通道由单个分子或多个分子组成，允许一些离子通过。信道的调节影响到细胞的生命和功能。ErwinNeher和BertSakmann合作，结果发现当离子通过细胞膜上的离子通道的时候，产生十分微弱的电流。NeherandSakmann在实验中，利用与离子通道直径近似的钠离子或氯离子，最后达到共识：离子通道是存在的，以及它们如何发挥功能的。有一些离子通道上有接受体，他们甚至发现了这些接受体在通道分子中的定位 NeherandSakmann记录了流经单一离子通道的电流已知细胞膜上的离子改变是快速的，但Neher和Sakmann是第一发现有特殊的离子通道实际存在。为了说明离子信道的作用方式，所以必须记录信道是如何开启和闭合的。流经单一离子通道的离子性电流十分微小，这似乎难以证明前述情况。此外，有小的离子通道分子嵌在细胞膜上。Neher和Sakmann成功地解决了这些困难点。他们发明了细小的玻璃微量吸管（直径为athousandthsofamillimeter）作为记录电极。当微量吸管接触进入细胞膜，微量吸管的孔洞周围会形成紧实的密封状（Figure1A,B）。微量吸管内外部的离子改变，仅发生在膜上的离子通道。当单一的离子通道开启，带电的离子将会移动通过离子通道，形成电流。经过精密的电子设备，他们成功地估量出实验中的精微电流（”microscopical”current）。 HowDoesanIonChannelOperate?离子通道是如何运作的？离子信道有数种不同的型态。有些只充许带正电的离子通过，例如钠离子、钾离子、或钙离子等，有的只允许阴离子通过，如氯离子。Neher和Sakmann发现了这种特异性是很完备的。其中一个原因是由于离子通道的直径大小，仅适于一特定离子的直径。其中一种离子通道，具有两个带有正荷或是两个负荷胺基酸的环。这种环形成了离子滤器（seeFigure1C），只允许一个相反电荷的离子通过这个滤器。特别的是，Sakmann和其它不同的分子生物学家一样，完成了一个具创造性的反应，这个反应解释了离子通道分子的不同部分是如何运作的。 TheStudyofSecretoryProcesses分泌过程进行之研究神经细胞和产生荷尔蒙的细胞一样，会在hostdefence（例如mastcells）分泌出不同的作用物质。这些物质是储藏在膜包围的囊泡中。当细胞受刺激，囊泡便会向细胞表面移动。细胞膜与囊泡的膜融合，游离出作用物质。Mastcell会分泌组织胺（histamine）和其它作用物质，以提高局部性的发炎反应。肾上腺髓质细胞则会游离出压力作用荷尔蒙–adrenaline，胰脏的betacells则分泌胰岛素（insulin）。Neher说明了这些细胞种类的分泌过程，暨而发明出一种新的技术，以记录囊泡与细胞膜之融合。Neher了解若是细胞表面状况改变了，将会影响细胞的电性质，如此就有可能记录到实际的分泌过程。他们进一步设计了复杂的设备，最后，如何记录与细胞膜融合的小囊泡之方法已被解答。 RegulationonChannelFunction离子通道的调节功能Neher和Sakmann也使用微量吸管电极将不同的作用物质注射到细胞内，因此研究出细胞分泌不同的阶段。在这个方法中，说明了细胞分泌的机制为cyclicAMP或是钙离子所担任的。例如，现在我们已较了解荷尔蒙在血液中的量是有某种程度的维持度。胰岛素分泌的基础机制也已被证实。血液葡萄糖的浓度控制了insulin-formingcell的细胞内葡萄糖浓度，然后依次再去调节ATP这个能量物质。ATP会直接作用在特定种类的离子通道，以控制细胞的膜电位。然后，膜电位的改变会直接影响其它的离子通道，以充许钙离子通过细胞。钙离子随后会引发胰岛素的分泌。糖尿病患的胰鸟素分泌则是发生紊乱的。某些药物可直接作用在被ATP所控制的离子通道（ATP-controlledionchannels）上，用以刺激糖尿病患的胰岛素分泌，许多疾病是完全、或部分地由于离子通道的调节有缺陷所致，而有些药物则可直接作用在离子通道上。许多病理机制经过这些离子通道的研究显得更清楚，例如囊胞性纤维症（氯离子通道）、癫痫症（钠离子和钾离子通道）、一些心血管疾病（钙离子通道）、以及像是Lambert-Eatons疾病类的神经肌肉失序（钙离子通道）等。 单一离子通道记录法的发明他们利用一个毛细玻璃管，管口的直径比一个细胞还小，大约只有二到三微米（10-6米）。如果这个毛细管口非常干净，在显微镜底下将它轻轻压位细胞的表面，再加点吸力，细胞膜就会紧紧黏在管口上。如果细胞膜上有一个离子通道的分子，经过电流的记录仪器，就可以记录在这个离子通道进出的离子流。应用这套技术，顺利地记录出青蛙肌肉细胞上单一离子通道流过电流的大小。Neher和Sakmann的结果显示，肌肉细胞的细胞膜上一个离子通道可通过的电流约为二十微微安培（10-12安培），换成离子数目大约是每秒通过一亿个离子。 利用patchclamp测定单一乙酰胆碱看到管道立刻打开引入离子流（钠离子钾离子，见Aigure2用一个真实例子说明，利用patchclamp测定单一乙酰胆碱后，可看到管道立刻打开引入离子流（钠离子钾离子，见Figure2A），而且离子管道有一定开放的大小（见Figure2B），随后离子管道很快关闭（见Figure2C），而在开放期间会不定期地关闭。这个结果显示：离子通道的蛋白可能存在「开」和「闭」二种不同的状，而乙酰胆碱与receptor结合后，可在千分之一秒内让通道从一个状态跳到另一个状态。从横坐标可以看出离子通道开闭的过程，緃坐标则表示离子通道流的大小。Patchclamp技术除了告诉我们，细胞膜上有各式各样的离子通道（大约二十到四十种）外，它还能告诉我们，这些离子通道如何因应不同的环境而改变其特性。 换句话说，离子通道并非一成不变。组成通道的蛋白质在不同环境下，会改变形态，造成离子流量的变化，譬如　说胰脏分泌胰岛素，就是受到胰岛细胞膜离子通道的影响；利用patchclamp技术，科学家发现，这些离子通道和胰岛细胞内能量的供应有关。能量供应愈充分，表示血液中糖分浓度愈高，透过离子通道的调节，可以促成胰岛细胞释放胰岛素来降低血中的糖分。），而且离子管道有一定开放的大小（见B），随后离子管道很快关闭（见C），而在开放期间会不定期地关闭。这个结果显示：离子通道的蛋白可能存在「开」和「闭」二种不同的状，而乙酰胆碱与receptor结合后，可在千分之一秒内让通道从一个状态跳到另一个状态。从横坐标可以看出离子通道开闭的过程，緃坐标则表示离子通道流的大小。 意义：这个技术是独一无二的，因为它表示了单一通道分子需如何改变构形，以及在以百万分之一秒计数的时间单位内，是如何控制内部的电流活动。由于patchclamp技术之发明，使我们对一些疾病之病因有深层的认识。例如cysticfibrosis是由于氯离子通道（chloridechannels）产生病变而造成。同时利用patchclamp之方法，可更精确测量到中枢神经细胞所产生之微小兴奋性神经突电位（miniatureexcitatorypostsynapticpotential（mEPSP））。使我们对脑中记忆和学习形成过程有更进一步的了解。总之，由于patchclamp方法之发明，使我们更清楚知道细胞膜离子流动及细胞功能之关联。对于生命之奥妙及疾病病因之探讨，有了划时代的进展。 谢谢观看 利用patchclamp技术,测定单一乙酰胆碱receptor信道表现的记录。 Figure1.Neher和Sakmann使用记录电仪来记录单一离子通道的电流。A图中显示出玻璃微量吸管（glassmicropipette）接触进入至细胞中，图B，则是使用高级放大仪，将膜上的离子通道与微量吸管的尖端相触，以放大一部分的细胞膜。其中，微量吸管内连接了电流放大器。D，表示电流通过离子信道，离子信道开启。C为通道的高度放大：细胞外覆着接受体以及离子泸器（ionfilter）。