玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

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植物生理专题讨论之二. 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用. 汪 晓 丽 E mail : lila77 @ sina.com Tel: 7979645, 7978723. 内 容. 玻璃微电极技术简介 玻璃微电极及离子选择性玻璃微电极 离子选择性玻璃微电极技术 在研究离子跨膜转运中的应用 在研究离子分室化中的应用 展望. Part 1. 玻璃微电极技术简介. Glass Microelectrode ( T he size of a glass microelectrode tip is less than 1 micrometer ). - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

玻璃微电极技术及其在植物胞内测量中的应用

汪 晓 丽

Email : [email protected]: 7979645, 7978723

植物生理专题讨论之二

Page 2: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

内 容 玻璃微电极技术简介

玻璃微电极及离子选择性玻璃微电极 离子选择性玻璃微电极技术

在研究离子跨膜转运中的应用 在研究离子分室化中的应用 展望

Page 3: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

玻璃微电极技术简介

Part 1

Page 4: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Glass Microelectrode(The size of a glass microelectrode tip is less than 1 micrometer )

Page 5: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Microelectrode measuring nitrate in leaf cells

Page 6: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Insertion of microelectrode into plant protoplasts

Page 7: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Diagram of a glass microelectrode measuring the membrane potential of a plant cell

Page 8: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Diagram of a liquid membrane double-barrelled ion-selective microelectrode suitable for intracellular recording

Page 9: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Double-barrelled microelectrode

Diameter of the tip is < 1 micrometer

Inset: end view showing the open ends of each barrel.

Page 10: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Electrode B measuring Em caused by the gradient of K+

Electrode A with the nitrate sensor measuring ele-chemical potential combined with two parts:

i) Em caused by the gradient of K+

ii) Elec-chemical potential caused by the concentration gradient of NO3

-

NO3- potential

= A-B(mV)

= 58 log[NO3-]o/ [NO3

-]i

NO3- ion-selective microelectrode work theory

Page 11: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

离子选择性微电极法是测量单个细胞内离子活度的唯一方法。

进行胞内测量时主要的优点: 原位测定,不会对细胞造成伤害; 可同时测定单个细胞的跨膜电势梯度和化学势梯度;

可同时测定多种离子; 与其它胞内测量方法相比,相对比较便宜。

最大的缺点是: 只能测量细胞内单点的离子活度。

Page 12: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

拉制玻璃针( Pulling of micropipettes ) 硅化玻璃管内壁( Silanizaion of the inside surface ) 灌注离子选择性液膜( Backfilling with sensor ) 灌注电解质溶液( Backfilling with salt solution ) 校正( Calibration ) 测量( Intracellular measurement ) 再次校正( Recalibration )

离子选择性微电极技术Ion-selective microelectrode technique

Page 13: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Pulling a double-barelled micropipettes with a vertical puller

Silanization of the glass inside surface to form a hydrophobic layer

Page 14: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Some examples of sensors for liquid membrane ion-selective microelectrodes

IonSensor molecule(s)

Detection limit

Major interfering ions in plant cells

Ca2+ ETH 129 ETH 1001

10 nM 40 nM

H+, K+, Mg2+ H+, K+, Mg2+

Cl- Mn(III)TPPCa 1-5 mM acetate,HCO3-,SCN-,NO3

-, pH > 7.6

H+ Tridodecylamine ETH 1907

>pH 9 pH 9

K+ K+

K+ Valinomycin 100 µM Ca2+, NH+

Mg2+ ETH 5214 200 µM Ca2+, K+

Na+ ETH 227b ETH 157b

3 mM 2 mM

Ca2+, H+, K+ H+, K+

NH4+ Nonactinb 2 μM K+

NO3- MTDDA.NO3 0.5 mM Cl-, NO2

-, SCN-

Page 15: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

A schematic representation showing an ideal ion-selective microelectrode calibration curve.

E = E0±s·log [ ai + ΣKi, j pot(aj)

zi/zj ] (Nicolsky-Einsenman Equation)

s = 2.303RT/ ziF = 58mV (20 , z℃ i=1)

Main characteristics defining an ion-selective electrode: Selectivit

y coefficient, Slope, Detection limit, Response time.

Page 16: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Equipments for intracellular recording

microscope

manipulator

electrometer

computer

Page 17: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

An example of calibration and recalibration

Y(mM)=1000{{10^{(x (mV)-p1)/p2}} -p3} (x= A-B)pNO = -log [NO3

- activity] p1 = Eo-offset potential of circuitry

p2 = slope or gradient of calibration p3 = detection limit

Nitrate activity (mmol L-1)

Calibration(mV)

Recalibration(mV)

pNO1 100.0 -24.7 -25.1

pNO2 10.0 24.4 25.6

pNO3 1.0 71.9 72.8

pNO4 0.1 111.3 112.3

pNO5 0.01 118.1 124.9

p1 - 75.76 mV -75.21 mV

p2 - 50.51 mM -50.25 mM

p3 0.0001254 mM 0.00009257 mM

Page 18: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

玻璃微电极技术在研究离子跨膜转运中的应用

Part 2

Page 19: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

e.g. soilK+ 0.5 mMpH 5-6Ca2+ 1 mM

Membrane transport - key process

•Nutrients accumulation e.g. K+ 100 mM•Regulate cytoplasm e.g. pH 7.2, Ca2+ 100 nM•Remove toxic and waste substances•Export products

Page 20: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Brief introduction of membrane transport systemsBrief introduction of membrane transport systems

Page 21: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Overview of transport proteins in the plasma membrane of plant cells and their proposed transport specifities. Transport through most channel proteins (red) and carrier proteins (orange) is energized by the membrane potential (negative on the inside) and proton gradient generated by the plasma membrane H+-ATPase (blue, middle).

Page 22: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Data refer to experiments with Nitella translucens(Spanswick and Williams,1964)

Ion species Em Ecal Ed Type of uptake

Na+ -138 - 67 - 71 passive

K+ -138 -179 + 41 active

Cl- -138 + 99 -237 active

Em — measured electropotential differences

Ecal — calculated electropotential differences

Ed — driving force, = Em – Ecal

For cations, Ed<0 (Em< Ecal), indicates a passive uptake;

Ed>0 (Em> Ecal), indicates an active uptake.

For anions, Ed >0 (Em> Ecal), indicates an active uptake;

Ed<0 (Em< Ecal), indicates a passive uptake.

Page 23: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Assaying nitrate transporter activity in maize roots by microelectrode measurement

(From: McClure PR, et al. 1990. Plant Physiol)

Page 24: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

经载体转运的动力学分析经载体转运的动力学分析

Page 25: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Assaying nitrate

transporter activity

in Arabidopsis mutants

by microelectrode

measurement

( From: Wang R, et al. 1996. Proc Nart Acad USA)

Page 26: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

` NO3-NO3

-

NO3-=1mM

pH = 6.0NO3

- = 5 mMpH = 7.2 = -100 mV

Vacuole

PMCytoplasm Bathing medium

Cell wall

Aminoacids

Xylem

ATP

ADP

H+ H+

2 H+ 2 H+

NO3-

NO3-=10~200mM

pH = 5.5 = -10 mV

Page 27: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Assaying ammonium transporter activity in rice roots by microelectrode measurement

(From: Wang MY, et al. 1994. Plant Physiol)

Page 28: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

The effect of cyanide (CN-) on the membrane potential

Page 29: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

玻璃微电极技术在研究离子分室化中的应用

Part 3

Page 30: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Triple-barrelled ion-selective microelectrodes

pH barrel allows identification of the cell compartment(cytosol or vacuole)

Page 31: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Triple-barrelled ion-selective micro-electrodes

A A - B = NO3-

B B = EmC

C - B = H+

Cell

Page 32: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

Using triple-barrelled K+ and H+ -selective microelectrode to identify the compartmentation of barley root cell

(From: Walker DJ, et al. 1995. Plant Physiol)

Page 33: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

结 论 与 展 望

Part 4

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Experimental arrangement for leaf cell measurements

Page 35: 玻璃 微电极技术及其在 植物胞内测量中的应用

谢 谢 !

敬请批评指正!