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专题2:细胞生物学研究方法
本章内容
考点一:细胞形态结构的观察方法本章内容
考点二:细胞及其组分的分析方法本章内容
考点三:细胞培养与细胞工程本章内容
考点四:细胞及生物大分子的动态变化本章内容
考点五:模式生物与功能基因组的研究本章内容
很多内容可以自己看会,不懂的地方请看求臻讲解
考点一:细胞形态结构的观察方法考点一细胞形态结构有哪些观察方法?
细胞生物学常见观察对象:病毒直径 20-300 nm,支原体直径 0.1-0.3 μm,细菌直径 0.5-5.0 μm,动植物细胞直径 20-30 μm。活细胞多是无色透明的观察对象数值
细胞生物学分辨率:肉眼分辨率为0.2 mm,光学显微镜分辨率为0.2 μm,电子显微镜分辨率为0.2 nm,扫描隧道显微镜比电子显微镜分辨率更小,光学显微镜的放大倍数是1000倍,电子显微镜的放大倍数是10⁶倍。分辨率数值
一、光学显微镜
光学显微镜包括:普通光学复式显微镜、相差显微镜、微分干涉显微镜、荧光显微镜、激光扫描共焦显微镜、超高分辨率显微术。考试最常考的是各个显微镜的不同用途,难一点的问答题会问某显微镜原理光学显微镜
| 显微镜 | 核心组成 | 有效分辨率 | 原理 | 制样要求 | 主要用途 |
|---|---|---|---|---|---|
| 普通光学复式显微镜 | 目镜+物镜、光源+聚光镜、镜架及样品调节系统 | 最大分辨率 0.2 μm | 利用光学系统放大成像,通过染色产生明暗反差 | 死细胞,固定→包埋→切片→染色 | 观察单细胞生物、体外培养细胞 |
| 相差显微镜 | 普通光镜+环状光阑+相差板 | 有效分辨率同普通光镜 | 将细胞不同密度区域的光程差/相位差,通过干涉转换为振幅差(亮暗差异) | 无需染色,直接观察活细胞 | 观察非染色的活细胞,可看到细胞核、线粒体等细胞器的运动 |
| 微分干涉显微镜 | 偏振光光源、棱镜、物镜 | 优于相差显微镜,可分辨细微厚度差异 | 偏振光分束后经样品相邻部位,汇合后将厚度差异转化为明暗区别 | 无需染色,直接观察活细胞 | 活细胞研究,搭配录像机观察颗粒/细胞器动态(如微管运输) |
| 荧光显微镜 | 滤光片系统(激发+阻断)、专用物镜 | 高于普通光镜 | 短波激发光→荧光分子发射长波长荧光→阻断滤光片筛选荧光,暗视野提供高反差 | 荧光标记(免疫荧光、DAPI 染 DNA、GFP 融合蛋白) | 细胞内特异组分(蛋白、核酸等)定性定位;活细胞动态变化观察 |
| 激光扫描共焦显微镜 | 激光光源、共焦成像系统、二向色镜、检测器、计算机处理系统 | 比荧光显微镜高 1.4~1.7 倍,纵向分辨率显著改善 | 激光聚焦样品单点,排除焦平面外杂散光,通过光学切片+计算机重构三维图像 | 荧光标记样品,可用于厚样品 | 亚细胞结构/组分定位及动态变化;厚样品内部结构观察,三维结构重构 |
| 超高分辨率显微术 | 包括 TIRFM、PALM/STORM、4π 和 STED 等多种类型 | 实现纳米级分辨率 | 破了光的衍射极限而制作的显微镜 | - | 直接观察细胞内的蛋白质、细胞器等纳米尺度的结构和动态 |
(一)普通光学复式显微镜
1、组成
由3部分组成:
光学放大系统(目镜与物镜)
照明系统(光源和聚光镜)
镜架及样品调节系统
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2、分辨率(resolution)分辨率
显微镜最重要的性能参数,分辨率是指能区分开两个质点间的最小距离,普通光学显微镜最大分辨率 0.2 μm。分辨率名词解释
决定光学显微镜的分辨率的要素:物镜的镜口角(α)、入射光的波长(λ)以及介质的折射率(N)分辨率
R = 0.61λ / (N·Sinα/2),N·Sinα/2 为数值孔径又叫作镜口率,简写为 NA,故提高显微镜的分辨能力可以缩短波长、增大镜口率分辨率公式
3、用途
可以直接用于观察单细胞生物或体外培养细胞。用途
4、光学显微镜制样方法制样方法
(1)固定:使用固定剂(如甲醛)对材料进行处理。制样方法
(2)包埋:使用包埋剂(如石蜡)将固定好的样品包埋。制样方法
(3)切片:将包埋好的样品切成厚度约 5 μm 的薄片。制样方法
(4)染色:对切片进行染色,以便清晰观察。苏木精和伊红染色(H-E 染色) 是一种常用方法制样方法H-E染色
苏木精(一种碱性染料)与细胞核的某些成分特异性结合,呈现蓝紫色的细胞核。H-E染色
伊红(一种酸性染料)与细胞质的某些成分特异性结合,呈现红色的细胞质。H-E染色
(二)相差显微镜和微分干涉显微镜(可能问答题会考)
1、相差显微镜相差显微镜
(1)原理:
光学特性:光的光程差/相位差人眼无法感知,但光的振幅差能被人眼感知(振幅差即亮暗差异)相差显微镜原理
光程差的产生:光线穿过细胞不同区域(如细胞核与细胞质)时,因样品各部分的密度不同,光被滞留的时间也不同,于是光产生了光程差/相位差。相差显微镜原理
相位到振幅的转换:相差显微镜在普通光学显微镜基础上,增加“环状光阑”和“相差板”,将光程差/相位差通过光的干涉作用转换为人眼可识别的振幅差(即亮暗差异),从而区分细胞内不同密度的区域相差显微镜原理
(2)应用:
用于观察非染色的活细胞:解决了“生物样品固定后会失去活性”的问题,可实现对活细胞的细节观察。相差显微镜应用
相差显微镜可以观察到某些细胞器(细胞核或线粒体)的运动。相差显微镜应用
2、微分干涉显微镜原理:微分干涉显微镜
原理:以平面偏振光为光源,光线经棱镜折射后分成两束,在不同时间经过样品的相邻部位,然后再经过另一棱镜将这两束光汇合,从而使样品中厚度上的微小区别转化成明暗区别。微分干涉显微镜原理
应用:
微分干涉显微镜很适合用于研究活细胞微分干涉显微镜应用
微分干涉显微镜+录像机可制备录像增差显微镜:可用于观察记录活细胞中的颗粒和细胞器的运动,例如用来直接观察颗粒物质沿着微管运输的动态过程。微分干涉显微镜录像增差显微镜
(三)荧光显微镜荧光显微镜
荧光显微镜是在光镜水平上,对细胞内特异的蛋白质、核酸、糖类、脂质以及某些离子等组分进行定性定位研究的有力工具荧光显微镜
1、组成荧光显微镜
滤光片系统:荧光显微镜组成
激发滤光片:安装在光源和样品之间,只允许特定波长的激发光通过。荧光显微镜组成
阻断滤光片:安装在物镜和目镜之间,只容许荧光染料所发出的荧光通过。荧光显微镜组成
专用的物镜镜头荧光显微镜组成
2、原理荧光显微镜原理
①激光发出:光源发出的光,首先经过激发滤光片,筛选出特定波长的短波激发光,用以照射样品。荧光显微镜原理
②荧光产生:样品内的荧光分子吸收激发光后,发射出波长更长、颜色不同的荧光。荧光显微镜原理
③成像观察:阻断滤光片只容许荧光通过,同时完全阻挡残余的激发光。同时显微镜的暗视野为荧光信号提供了强反差背景,使非常微弱的荧光信号亦得以分辨。荧光显微镜原理
配图:荧光显微镜光路图(标注:光源、1. 激发光滤片、2. 反光镜、3. 阻断滤光片、物镜、目镜、样品)配图
3、用途荧光显微镜用途
对细胞内特异的蛋白质、核酸、糖类、脂类以及某些离子等组分进行定性定位研究;荧光显微镜用途
观察细胞内动态变化:荧光显微镜用途
可将标记荧光素的分子(如肌动蛋白)注射到细胞中,观察其组装过程。荧光显微镜用途
可将绿色荧光蛋白(GFP)的基因与某种蛋白质的基因融合,在活细胞中观察该蛋白质的动态变化。荧光显微镜GFP
4、荧光显微镜样品制备技术荧光显微镜制样
免疫荧光技术(后面有展开)荧光显微镜制样
荧光素直接标记技术(如染料 DAPI 可特异性结合细胞 DNA,显示细胞核/染色体的位置)荧光显微镜制样DAPI
5、荧光显微镜和普通显微镜区别对比
照明方式通常为落射式,即光源通过物镜投射于样品上;对比
光源为紫外光,波长较短,分辨率高于普通显微镜;对比
有两个特殊的滤光片,激发滤光片安装在光源和样品之间,只允许特定波长的激发光通过。阻断滤光片安装在物镜和目镜之间,只容许荧光染料所发出的荧光通过对比
6、荧光显微镜和相差显微镜及微分干涉显微镜应用方面的区别对比
二者都是观察活细胞对比
荧光显微镜强调观察蛋白质、DNA等生物大分子定性定位研究;而相差显微镜及微分干涉显微镜强调能观察到整体显微结构细节如细胞器对比
(四)激光扫描共焦显微镜(不是很重要)激光扫描共焦显微镜
1、相关原理激光扫描共焦显微镜原理
前言:普通荧光显微镜存在局限:样品焦平面以外的荧光图像反差小、分辨能力低;而激光扫描共焦显微镜,是在普通荧光显微镜基础上加装了一套激光共焦成像系统,并以激光(可见或紫外光)作为光源,以此提升成像效果。激光扫描共焦显微镜原理
“共焦”的核心含义:指聚光镜和物镜会同时聚焦到同一个点,因此只有聚光镜聚焦在样品中某一位点时产生的激发荧光,才能清晰成像;而来自焦平面以外的散射光则无法被聚焦,不能形成清晰像。激光扫描共焦显微镜名词解释
原理:激光扫描共焦显微镜原理
激发:激光束经二向色镜反射后,通过物镜会聚到样品的某一焦点。激光扫描共聚焦显微镜原理
检测:从该焦点发射的荧光经过物镜和光学系统会聚成像,被测量检测器检出。激光扫描共聚焦显微镜原理
排除杂散光:来自样品焦点以外其他部位的散射光(荧光)不会聚焦成像,因此被检测器有效阻挡,无法检出。激光扫描共聚焦显微镜原理
计算机成像:利用激光扫描装置和计算机高速采集与处理会聚每一个点上的信息,形成一幅清晰的二维图像。激光扫描共聚焦显微镜原理
优越性:激光扫描共聚焦显微镜
分辨率提高:激光扫描共焦显微镜的分辨率可以比普通荧光显微镜的分辨率提高1.4~1.7倍。激光扫描共聚焦显微镜优越性数值
纵向分辨率:其纵向分辨率也得到很大的改善。激光扫描共聚焦显微镜优越性
获取三维结构:由于可自动调节并改变观察的焦平面,所以可以通过“光学切片”即改变焦点获得一系列不同切面上的细胞图像,经叠加后重构出样品的三维结构。激光扫描共聚焦显微镜优越性光学切片
2、用途激光扫描共聚焦显微镜
研究亚细胞结构与组分的定位及动态变化,例如在细胞内动态变化的研究、观察细胞内特定蛋白质的动态变化等。激光扫描共聚焦显微镜用途
可以观察较厚样品的内部结构:可以获得一系列不同切面上的细胞图像,经叠加后重构出样品的三维结构。激光扫描共聚焦显微镜用途
(五)超高分辨率显微术(了解即可,几乎不考)★超高分辨率显微术
| 显微术名称 | 基本原理 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|---|
| 全内反射荧光显微术(TIRFM) | 基于斯涅耳定律,利用全内反射现象,激发靠近玻片的样品内特定的荧光分子发光,降低背景噪声,提高图像分辨率。 | 可以观察细胞紧靠玻片的大约 100 nm 范围内的特定荧光分子,提高图像分辨率。 | 只能观察细胞紧靠玻片的区域,对细胞其他部分的观察无能为力。 |
| 光激活定位显微术(PALM) | 利用 PA-GFP 的发光特性与单分子荧光的定位精度相结合,通过多次循环激活、激发、定位和漂白,实现超高分辨率成像。 | 分辨率比传统光学显微技术高 10 倍以上,可以用于外源表达蛋白的定位。 | 不能用于活细胞动态观察,图像采集时间长。 |
| 随机光学重构显微术(STORM) | 基于花青染料的特性,通过不同波长的光波控制荧光分子的发光或暗态,实现超高分辨率成像。 | 可以对多达 4 种内源性蛋白进行精细定位,分辨率可达 20 nm 左右。 | 得到一张超分辨图像的时间很长,在活细胞中很难实现。 |
| 4π 显微镜 | 基于增加物镜的接受角而等效增加物镜的数值孔径。在样品的两侧各放置一个相同的高性能物镜,使总的接受角接近 4π,进而提高了数值孔径。 | 将 z 轴分辨率从 500 纳米提高到 100 纳米。 | 没有突破衍射极限。 |
| STED 显微术 | 使用一束激光激发荧光基团,再用环状高强度脉冲激光照射,仅中间未完全损耗的荧光分子可以观察到,实现超高分辨率成像。 | 水平面分辨率可达纳米级,可以快速观察活细胞内的实时动态变化。 | 没有提高 z 轴方向的分辨率。 |
| 结构照明显微术(SIM) | 通过光栅的旋转和移动产生多重相互衍射的光束照射样本,并发生干涉,提取高分辨信息生成完整图像。 | x、y 平面分辨率达到 100 nm,z 轴向分辨率提高了 2 倍,适用于普通荧光标记样本。 | 分辨率远低于其他超高分辨率显微术。 |
二、电子显微镜电子显微镜
(一)电子显微镜与光学显微镜的区别电子显微镜光学显微镜对比
| 分辨本领 | 光源 | 透镜 | 真空 | 成像原理 | |
|---|---|---|---|---|---|
| 光学显 | 200 nm | 可见光波长 | 玻璃透镜 | 不要求真 | 利用样本对光的吸收形成明 |
| 微镜 | 400-760 nm | 空 | 暗反差和颜色变化 | ||
| 电子显微镜 | 0.2 nm | 电子束波长 0.01-0.9 nm | 电磁透镜 | 要求真空 | 利用样品对电子的散射和透射形成明暗反差 |
(二)基本构造电子显微镜基本构造
(1)电子束照明系统:包括电子枪和聚光镜。电子显微镜基本构造
(2)成像系统:包括物镜、中间镜与投影镜等。电子显微镜基本构造
(3)真空系统电子显微镜基本构造
(4)记录系统:荧光屏、感光胶片、CCD 相机电子显微镜基本构造
(三)主要的电镜制样技术电镜制样技术
实际情况下,电镜的实际分辨率常受到生物制样技术本身的限制,如在超薄切片样品中其分辨率约为超薄切片厚度的 1/10,即通常超薄切片厚度若为 50 nm,则实际分辨率约为 5 nm,远远低于电镜本身的 0.2 nm。电镜制样技术分辨率数值
1、主要的电镜制样技术——超薄切片技术(熟练掌握)★★★超薄切片技术
a.定义:由于电子束的穿透能力有限,为获得较高分辨率,切片厚度一般仅为 40~50 nm,即一个直径为 20 μm 的细胞可被切成几百片,故称超薄切片★★★超薄切片技术定义数值
b.电镜制样要求:超薄切片技术制样要求
①要求样品很薄超薄切片技术制样要求
②样品既要具有一定韧性又要有一定刚性超薄切片技术制样要求
③要求保持样品的精细结构超薄切片技术制样要求
c.超薄切片技术流程:取材→固定→包埋→切片→染色→观察★★★超薄切片技术流程
(1)固定:保持样品真实性超薄切片技术固定
方法:超薄切片技术固定
化学法:固定剂:戊二醛和四氧化锇(OsO4,锇酸)超薄切片技术固定固定剂
物理法:低温冷冻等超薄切片技术固定
注意事项:快速进行处死和取材,防止细胞自融造成损伤超薄切片技术固定注意事项
(2)包埋:包埋前需要进行脱水处理超薄切片技术包埋
目的:保证在切片过程中,包埋介质能够均匀良好地支撑样品,以便获得连续完整并有足够强度的超薄切片超薄切片技术包埋目的
常用包埋剂:各种环氧树脂超薄切片技术包埋包埋剂
(3)切片:超薄切片技术切片
工具:常用玻璃刀进行切片超薄切片技术切片工具
注意事项:切片须捞在覆有支持膜的载网上超薄切片技术切片注意事项
(4)染色超薄切片技术染色
电镜样品用重金属盐进行染色。样品中的不同成分对各种重金属盐“染料”有不同的亲和性。超薄切片技术染色重金属盐
锇酸——脂质;超薄切片技术染色重金属盐
柠檬酸铅——蛋白质;超薄切片技术染色重金属盐
乙酸双氧铀——核酸超薄切片技术染色重金属盐
当电子束穿过样品时,样品中的金属离子不同程度地散射和吸收电子,在样品的图像上形成明暗差别。因此,电镜下观察到图像只能为黑白图像。超薄切片技术染色成像原理
注意:考研若出超薄切片技术流程填空题,若 4 个空,填:固定、包埋、切片、染色,若 5 个空,填:固定、脱水、包埋、切片、染色★★★超薄切片技术流程答题技巧
d.超薄切片技术应用超薄切片技术应用
(1)观察各种细胞的超微结构;超薄切片技术应用
(2)可以与放射同位素自显影、细胞化学、免疫化学和原位杂交等技术结合,在超微结构水平上完成蛋白质与核酸等组分的定性、定位和半定量研究。超薄切片技术应用
2、主要的电镜制样技术——负染色技术(熟练掌握)★★★负染色技术
(1)原理:用重金属盐,如磷钨酸或醋酸双氧铀溶液对铺展在载网上的样品进行染色,样品自然干燥后,整个载网上都铺上了一薄层重金属盐,从而衬托出样品的精细结构。★★★负染色技术原理重金属盐
(2)分辨率:分辨率可达 1.5 nm 左右。★★★负染色技术分辨率数值
(3)应用:显示经纯化的细胞组分或精细结构,如线粒体、核糖体、蛋白颗粒及细胞骨架纤维甚至病毒等。★★★负染色技术应用
3、主要的电镜制样技术——冷冻蚀刻技术(熟练掌握)★★★冷冻蚀刻技术
(1)原理冷冻蚀刻技术原理
总体可概括为两大步:冰冻断裂(如下第①)、蚀刻复形(如下第②-⑤)★★★冷冻蚀刻技术原理步骤
①冷冻断裂:在低温环境下,于液氮或液氦中快速冷冻样品使其迅速冷却,样品会从膜脂双分子层疏水端(结构相对“脆弱”部位)裂开,露出镶嵌在膜脂中的蛋白质颗粒。★★★冷冻蚀刻技术冷冻断裂
②升华蚀刻:通过冰的升华(即蚀刻),进一步增强图像的“浮雕”样效果。冷冻蚀刻技术升华蚀刻
③倾斜喷镀:用铂等重金属进行倾斜喷镀,形成对应凹凸断裂面的电子反差。冷冻蚀刻技术倾斜喷镀
④垂直喷镀:用碳进行垂直喷镀,在断裂面上形成一层连续的碳膜。冷冻蚀刻技术垂直喷镀
⑤复型膜获取:用消化液去除生物样品,将含图像信息的金属复型膜(碳膜及其被碳包裹的金属微粒镶嵌膜)移到载网上,以便后续电镜观察。冷冻蚀刻技术复型膜
(2)应用冷冻蚀刻技术应用
①该技术主要用于观察膜断裂面上的蛋白质颗粒、膜表面形貌特征。★★★冷冻蚀刻技术应用
②在此基础上发展出快速冷冻深度蚀刻技术,主要用于观察胞质中的细胞骨架纤维及其结合蛋白冷冻蚀刻技术快速冷冻深度蚀刻技术细胞骨架
(3)特点冷冻蚀刻技术特点
图像富有立体感,且样品无需包埋甚至固定,能更好保持真实结构。★★★冷冻蚀刻技术特点
4、主要的电镜制样技术——电镜三维重构技术和低温电镜技术电镜三维重构技术低温电镜技术
电镜三维重构技术和低温电镜技术是一系列技术统称,有如下这些技术电镜三维重构技术低温电镜技术
(1)电镜三维重构技术电镜三维重构技术
透射电镜图像包含样品三维结构的全部信息,可从二维图像出发构建三维图像。电镜三维重构技术原理
(2)低温电镜技术低温电镜技术
原理:不经过固定、包埋、染色和干燥步骤,而是将样品直接在冷冻剂中快速冷冻成 100~300nm 厚的冰膜,在电镜内-160℃低温下利用相位衬度成像,经数据处理后构建出样品的三维结构密度图。低温电镜技术原理数值
特点:负染色技术存在局限性(分辨率仅 1.5~2nm)、干燥过程会损伤样品结构,低温电镜技术能避免负染色技术的缺陷低温电镜技术特点负染色技术数值
(3)低温电镜单颗粒分析技术低温电镜单颗粒分析技术
原理:对包被在冰膜中相同、分散、取向随机的大量颗粒性样品拍照并进行三维重构低温电镜单颗粒分析技术原理
特点:目前研究生物大分子三维结构的主要方法,三维结构图像分辨率已接近原子尺度,为解析生命活动运转的分子结构与作用机理提供了手段。低温电镜单颗粒分析技术特点
(4)电子断层成像技术电子断层成像技术
原理:对样品同一物体在不同倾角下连续拍照,获得一系列二维投影图,再重构出三维结构。电子断层成像技术原理
特点:①它可用于研究蛋白质复合体,但分辨率明显低于低温电镜单颗粒分析技术;②同时也适用于更大尺度的细胞器、细胞骨架等研究,在细胞生物学中应用广泛,可用于冷冻样品或超薄切片样品。电子断层成像技术特点
(5)扫描电镜背散射电子成像技术扫描电镜背散射电子成像技术
原理:①经典扫描电镜是表面扫描,而该技术利用背散射电子成像,图像携带原子序数信息,组织染色后可显示细胞内部结构;②在扫描电镜中对样品做类似超薄切片的处理,结合背散射电子成像,可得到样品内部超微结构图像,进而构建整个组织的三维结构图像。扫描电镜背散射电子成像技术原理
特点:该技术可研究更大尺度细胞、组织的超微结构三维结构,是脑科学研究中不可或缺的技术。扫描电镜背散射电子成像技术特点脑科学
5、主要的电镜制样技术——扫描电镜技术(SEM)扫描电镜技术SEM
(1)原理扫描电镜技术原理
电子束经磁透镜会聚成极细的电子“探针”,在样品表面扫描,激发二次电子、背散射电子等信号,二次电子由探测器收集并转化为光信号,其产生量与样品表面形貌相关,从而获取样品表面的立体图像信息扫描电镜技术原理二次电子
(2)样品处理扫描电镜技术样品处理
干燥处理:为避免样品在扫描观察前发生表面变形,通常利用 CO₂ 临界点干燥法对样品进行干燥处理。扫描电镜技术样品处理干燥处理
导电处理:为获取正确的二次电子信号,需保证样品表面有良好导电性,因此样品在观察前要喷镀一层金膜。扫描电镜技术样品处理导电处理
(3)分辨率扫描电镜技术分辨率
一般是 3 nm,最高可达 0.7 nm。扫描电镜技术分辨率数值
(4)特点扫描电镜技术特点
扫描电镜技术一般不需要染色、对样品厚度没什么要求扫描电镜技术特点
不能观察活的生物样品;扫描电镜技术特点
(5)应用扫描电镜技术应用
可用于观察核孔复合体等更精细的结构;常用 SEM 观察染色体三维结构以及一些单细胞生物表面形态扫描电镜技术应用核孔复合体染色体
6、主要的电镜制样技术——透射电镜技术(补充知识)★透射电镜技术TEM
(1)原理透射电镜技术原理
透射电子显微镜(TEM)是一种以波长极短的电子束作为电子光源,利用电子枪发出的透射电镜技术TEM原理
透射电子流经电磁透镜多级放大后成像的高分辨率、高放大倍数的显微镜。电子显微镜透射电镜TEM定义
(2)特点透射电镜TEM特点
样品必须很薄,使电子束能够穿透,一般厚度要求小于 150 nm。透射电镜TEM特点数值
样品也需要染色,常用的染色方法包括重金属染色、负染色等;透射电镜TEM特点染色
透射电镜显微照片一般为黑白色,主要是因为其使用的是电子束光源而不是自然光。透射电镜TEM特点
(3)说明透射电镜TEM说明
想要从样品内部结构获得信息时,透射电镜(TEM)是最佳的选择,而当需要样品表面信息都想获取,那么用高科技——扫描透射电镜(STEM)透射电镜TEMSTEM扫描透射电镜
| 技术名称 | 原理 | 特点 | 应用 |
|---|---|---|---|
| 超薄切片技术 | 将样品切成 40~50nm 超薄切片,经固定-包埋-切片-染色处理 | 切片 50nm 时分辨率≈5nm;样品需薄、兼具韧刚性 | 观察细胞超微结构;结合其他技术做组分定性/定位 |
| 负染色技术 | 用重金属盐在载网上衬托样品结构 | 分辨率≈1.5nm | 观察纯化的细胞组分(线粒体、核糖体、病毒等) |
| 冷冻蚀刻技术 | 冰冻断裂样品+蚀刻复形(喷镀-制复型膜) | 无需包埋固定,图像有立体感,保留真实结构 | 观察膜表面/断裂面结构、细胞骨架结合蛋白 |
| 电镜三维重构系列技术 | ①三维重构:从二维图像重构三维结构 ②低温电镜:冷冻样品后成像,含单颗粒分析、电子断层成像等分支 | 低温电镜可减少样品损伤;单颗粒分析分辨率近原子尺度 | 研究生物大分子、细胞器、细胞/组织三维结构 |
| 扫描电镜(SEM) | 电子束扫描样品表面,收集二次电子信号成像 | 常规分辨率约 3 nm;高分辨型号可达 0.7 nm;需 CO₂干燥、喷金导电,无法观察活样 | 观察样品表面结构(染色体、单细胞表面、核孔等) |
| 透射电镜(TEM) | 电子束照射<150nm 的薄样品,收集透射电子成像 | 样品需薄,需染色,成像为黑白 | 获取样品内部超微结构信息 |
三、其他显微镜(STM、AFM)其他显微镜STMAFM
| 技术名称 | 原理 | 特点 | 应用 |
|---|---|---|---|
| 扫描隧道显微镜(STM) | 原理基于量子力学中的隧道效应:当两个电极间距极小(50nm 以内)时,会产生隧道电流,该电流与针尖和样品间距(d)呈指数关系,通过测量电流可确定针尖位置及样品表面形貌 | ①高分辨率:侧分辨率为 0.1-0.2nm,纵分辨率可达 0.001nm ②工作环境多样:可在真空、大气、液体(接近生理环境的离子强度)等条件下工作,在生物学研究中意义重大 ③非破坏性测量:扫描时不接触样品,且无高能电子束轰击,基本可避免样品形变 | 可直接观察到 DNA、RNA 和蛋白质等生物大分子及生物膜、病毒的结构 |
| 原子力显微镜(AFM) | 利用悬梁臂弹簧末端的微小探针操纵、测量样品;探针与样品作用时,悬梁臂的微小位移会通过“光杠杆”效应放大上千倍,投射到光电探测器上,并通过反馈通路控制探针和样品之间的相互作用 | 可以精确测量样品的形貌,可以测量样品的微观力学性质,适合细胞信号分子与配体结合、蛋白质分子的折叠和展开等研究 | 同特点 |
考点二:细胞及其组分的分析方法★★★考点二细胞组分分析考点二讲了哪些细胞及其组分的分析方法?
一、用超离心技术分离细胞组分超离心技术细胞组分分离
(一)离心技术概述离心技术概述
离心技术即超离心技术,是分离细胞组分的重要方法,主要包括差速离心和密度梯度离心两大类。★离心技术差速离心密度梯度离心
| 特性 | 差速离心 | 密度梯度离心 |
|---|---|---|
| 核心原理 | 利用颗粒大小/质量差异,在不同离心力下分批沉淀。 | 利用颗粒在梯度介质中的沉降速度差或密度差进行连续区带分离。 |
| 分离介质 | 均一的悬浮介质(如匀浆缓冲液)。 | 非均一的密度梯度介质(如蔗糖、氯化铯)。 |
| 操作过程 | 多次更换转速,每次取沉淀和上清。 | 一次离心,样品在梯度中形成多条区带。 |
| 分离效果 | 分辨率较低,组分间交叉污染较严重(沉淀会夹带上清中的小颗粒)。 | 分辨率很高,能分离沉降系数或密度非常接近的组分。 |
| 主要目的 | 快速富集、浓缩特定细胞器。 | 高纯度分离、分析亚细胞组分或生物大分子。 |
| 典型应用 | ①从组织匀浆中快速分离细胞核、线粒体等。 ②收集细菌或细胞沉淀。 ③血液中分离红细胞。 | ①速度沉降:分离核糖体亚基、多聚核糖体、不同大小的细胞器(如溶酶体与过氧化物酶体)。 ②等密度沉降:分离核酸(DNA/RNA)、纯化病毒、分离质膜与内质网膜。(经典案例:实验证明 DNA 半保留复制)。 |
(二)差速离心差速离心
1、差速离心定义差速离心定义
利用不同的离心速度所产生的不同离心力,将各种质量和密度不同的亚细胞组分和各种颗粒分开★★★差速离心定义名词解释
2、利用差速离心分离细胞组分差速离心分离细胞组分
通过低渗匀浆、超声破碎或研磨等方式破坏细胞质膜,可得到由细胞核、线粒体、叶绿体、内质网、高尔基体、溶酶体等细胞器,以及细胞组分共同组成的混合匀浆。★差速离心匀浆细胞器
用差速离心法分离细胞匀浆中的各种细胞组分,随着离心力(g)大小和离心时间的不同,各种细胞组分沉淀在离心管不同的位置差速离心离心力离心时间
(三)密度梯度离心密度梯度离心
1、定义密度梯度离心定义
密度梯度离心:将要分离的细胞组分小心地铺放在含有密度逐渐增加的、高溶解性的惰性物质(蔗糖或氯化铯)形成的密度梯度溶液表面,通过重力或离心力的作用使样品中不同组分以不同的沉降率在密度梯度溶液中沉降,形成不同的沉降带★★★密度梯度离心定义名词解释蔗糖氯化铯
沉降率:沉降率与各组分的形状和大小有关,通常以沉降系数(S值)表示。★★沉降率沉降系数S值
2、分类密度梯度离心分类
(1)速度沉降速度沉降
适用:适用于分离密度相近但大小不同的组分。★★速度沉降适用
操作:样品置于蔗糖梯度上层,各组分按大小以不同速率沉降,形成多个沉降带,可分别收集分析★★速度沉降操作蔗糖梯度
(2)等密度沉降等密度沉降
适用:分离不同密度的组分。★★等密度沉降适用
操作:细胞组分在连续梯度的高密度介质中,经离心力长时间作用,会沉降或漂浮至与自身密度相等的位置,形成不同的密度区带。★★等密度沉降操作密度区带
案例:利用¹⁵N 标记大肠杆菌 DNA,通过氯化铯等密度沉降法,直接证明了 DNA 的半保留复制★★★等密度沉降案例15N氯化铯半保留复制
| 对比项目 | 速度沉降(速率区带离心) | 等密度沉降(等密度区带离心) |
|---|---|---|
| 分离依据 | 颗粒的沉降速度,由颗粒大小、形状决定(要求颗粒密度相近) | 颗粒的密度差异(颗粒大小、形状影响小) |
| 对比项目 | 速度沉降(速率区带离心) | 等密度沉降(等密度区带离心) |
|---|---|---|
| 介质特点 | 密度均一,低于所有待分离颗粒密度,存在微弱密度梯度 | 密度范围覆盖所有待分离颗粒密度,存在连续且较陡的密度梯度 |
| 离心要求 | 短时间、中速离心,颗粒形成区带后立即停止 | 长时间、高速离心,直至颗粒迁移至对应密度的介质位置 |
| 分离结果 | 按沉降速度快慢形成区带,管上部为沉降速度慢的颗粒 | 颗粒停留在与自身密度一致的介质区带 |
| 适用样品 | 大小不同、密度相近的样品,如核糖体亚基、不同大小的细胞 | 密度不同的样品,如不同密度的细胞/细胞器、核酸纯化 |
二、细胞成分的细胞化学显示方法(第五版删除内容)细胞化学显示方法第五版删除内容
| 反应名称 | 检测物质 | 具体 |
|---|---|---|
| 福尔根反应 | 核酸 | DNA 的嘌呤水解暴露出醛基,与希夫试剂(品红)反应呈红紫色,可特异显示 DNA 的存在部位 |
| PAS 反应 | 多糖 | 过碘酸氧化多糖暴露出醛基,与希夫试剂(品红)反应呈红紫色,可确定多糖的存在 |
| 四氧化锇反应 | 脂肪 | 可证明脂肪滴的存在 |
| 苏丹 Ⅲ | 脂肪 | 常用于脂肪的鉴定 |
| 米伦反应及重氮反应 | 蛋白质 | 用来测定蛋白质 |
三、细胞内蛋白质的定位与定性细胞内蛋白质定位定性
免疫印迹(Western blotting)、放射免疫沉淀和蛋白质芯片、质谱分析等技术可对蛋白质组分进行体外分析定性,本部分接下来要学的是蛋白质组分细胞内分析定性★Western blotting免疫印迹蛋白质芯片质谱分析体外分析
细胞内蛋白的定位显示可通过抗原-抗体特异结合的方法得以实现,具体方法是免疫荧光与免疫电镜技术★抗原-抗体免疫荧光免疫电镜
(一)免疫荧光技术免疫荧光技术
(1)定义:将免疫学方法(抗原-抗体特异结合)与荧光标记技术相结合并用于研究特异蛋白抗原在细胞内分布的方法。★★★免疫荧光技术定义名词解释
(2)步骤:免疫荧光技术步骤
①荧光抗体的制备:将荧光分子与抗体偶联,形成荧光标记的抗体。★★免疫荧光技术步骤荧光抗体制备
②标本的处理:对细胞或组织进行适当的处理,以保持抗原性。★★免疫荧光技术步骤标本处理抗原性
③免疫染色:将荧光标记的抗体与待检测的抗原结合,形成荧光标记的抗原-抗体复合物★★免疫荧光技术步骤免疫染色
④观察记录:在荧光显微镜下观察并记录荧光信号,从而确定抗原在细胞内的分布情况。★★免疫荧光技术步骤观察记录荧光显微镜
(3)直接免疫荧光技术:将荧光分子与抗体偶联后直接用于免疫标记技术★★直接免疫荧光技术定义
(4)间接免疫荧光技术:先将抗体(称第一抗体)与抗原反应,然后加入与荧光分子相偶联的抗第一抗体的抗体(称第二抗体)★★★间接免疫荧光技术定义第一抗体第二抗体
(二)免疫电镜技术免疫电镜技术
定义:免疫电镜技术是指将抗体进行特异性免疫反应标记后再在电子显微镜下观察免疫反应结果的技术。免疫电镜技术可有效地提高样品的分辨率,在超微结构水平上研究特异蛋白抗原的定位。可分为免疫铁蛋白技术、免疫酶标技术与免疫胶体金技术,其主要区别是与抗体结合的标志物不同★★★免疫电镜技术定义名词解释免疫铁蛋白技术免疫酶标技术免疫胶体金技术
分类:主要区别是与抗体结合的标志物不同免疫电镜技术分类
(1)免疫铁蛋白技术:用得比较少;免疫铁蛋白技术
(2)免疫酶标技术:用得也比较少;免疫酶标技术
(3)免疫胶体金技术:电镜下金颗粒容易识别,并可以制成 5 nm,10 nm 或 20 nm 等不同直★免疫胶体金技术金颗粒数值双重标记
径的金颗粒,用以双重标记或多重标记。免疫胶体金技术金颗粒双重标记
| 技术名称 | 技术特点 | 应用范围 | 标记方式 | 样品制备 |
|---|---|---|---|---|
| 免疫荧光技术 | 快速、灵敏、特异性强,但分辨率有限 | 研究特异蛋白抗原在细胞内分布 | 荧光分子与抗体偶联 | 荧光抗体的制备、标本的处理、免疫染色和观察记录 |
| 免疫电镜技术 | 提高样品的分辨率,在超微结构水平上研究特异蛋白抗原的定位 | 在超微结构水平上研究特异蛋白抗原的定位 | 按铁蛋白、酶、胶体金颗粒等标记方式,可分为免疫铁蛋白技术、免疫酶标技术与免疫胶体金技术 | 样品的固定、包埋、超薄切片制备、免疫标记和染色 |
四、细胞内核酸的定位与定性细胞内核酸定位定性
(1)原位杂交:用标记的核酸探针通过分子杂交确定特异核苷酸序列在染色体上或在细胞中的位置★★★原位杂交定义名词解释核酸探针
(2)应用:运用于显微与亚显微水平上基因定位、特异 mRNA 表达等问题的研究。★★原位杂交应用基因定位mRNA
(3)光镜原位杂交技术光镜原位杂交技术
原位杂交技术最初在光镜水平发展起来,不同阶段的探针标记及检测方式如下:光镜原位杂交技术探针标记
①放射性标记法:与样品中的 DNA 或 RNA 杂交后,用显微放射自显影的方法显示杂交物的存在部位。★光镜原位杂交技术放射性标记法显微放射自显影
②荧光素标记法:在荧光显微镜下直接显示细胞中与探针杂交的特异核酸。★光镜原位杂交技术荧光素标记法荧光显微镜
③生物素标记法:以生物素等生物小分子代替同位素或荧光素标记探针,使原位杂交技术的应用范围得到了更广泛的拓展★光镜原位杂交技术生物素标记法
(4)电镜原位杂交技术电镜原位杂交技术
该技术可将特异序列核苷酸的定位与细胞的超微结构结合:电镜原位杂交技术超微结构
基本原理:与光镜原位杂交类似,核心差异是探针的标记物不同。★电镜原位杂交技术基本原理探针标记物
杂交反应的检测方式:通常通过与抗生物素抗体相连的胶体金颗粒,将杂交结果显示出来。★电镜原位杂交技术检测方式抗生物素抗体胶体金颗粒
五、细胞成分的分析与细胞分选技术细胞成分分析细胞分选技术
(1)流式细胞术可实现以下应用流式细胞术应用
①定量测定单一细胞中 DNA、RNA 的含量,或某一特异标记蛋白的含量;★★流式细胞术应用DNARNA特异标记蛋白
②统计细胞群体中“上述成分(DNA/RNA/特异标记蛋白)含量不同”的细胞的数量;★★流式细胞术应用统计
③分离特定细胞/染色体:从数以万计的细胞群体中分离某一特异染色的细胞;分离 DNA 含量不同的中期染色体;★★流式细胞术应用分离细胞中期染色体
④用于细胞的分选。★★流式细胞术应用细胞分选
(2)流式细胞术步骤流式细胞术步骤
①样本处理:细胞群体需先分散,之后对待测的某一种成分进行特异的荧光染色;★★★流式细胞术步骤样本处理荧光染色
②细胞进样:让含染色细胞的悬液,使细胞逐个快速通过流式细胞仪,速度可达每秒几万个细胞;★★★流式细胞术步骤细胞进样数值
③激光充电:当含单个细胞的液滴通过激光束时,带有不同荧光的细胞对应的液滴会被充上正电荷、负电荷,或不被充电;★★★流式细胞术步骤激光充电液滴电荷
④检测与记录:检测器同步测出并记录每个细胞中待测成分的含量;★★★流式细胞术步骤检测与记录
⑤细胞分选:因不同表面标志的细胞对应的液滴电荷种类不同,当液滴通过高压偏转板时,液滴会发生偏转,从而实现细胞分选★★★流式细胞术步骤细胞分选高压偏转板
考点三:细胞培养与细胞工程细胞培养细胞工程细胞培养的类型、原代培养与传代培养、细胞工程
一、细胞培养细胞培养
(一)动物细胞培养动物细胞培养
1、细胞培养类型细胞培养类型
(1)原代细胞:指从动物机体取出后立即进行培养的细胞;也有定义将传至 10 代以内的细胞归为原代细胞培养范畴。原代细胞名词解释
(2)传代细胞:原代细胞经过传代培养后(通常10代左右)得到的细胞,其中能适应体外持续传代培养条件的细胞被称为传代细胞。传代细胞名词解释
| 培养类型 | 定义 | 特点 | 传代次数 | 细胞状态 |
|---|---|---|---|---|
| 原代培养 | 从机体取出后立即进行的细胞培养 | 细胞直接来源于组织,保持原有特性 | 一般传至 10 代左右 | 单层贴壁生长以及接触抑制。后期细胞生长出现停滞,大部分细胞衰老死亡 |
| 传代培养 | 对原代培养的细胞进行连续培养 | 细胞适应体外培养条件,可连续传代 | 一般可顺利传 40-50 代次 | 细胞保持原来染色体的二倍体数量及接触抑制行为 |
2、原代培养原代培养
(1)定义原代培养
从动物机体取出后立即进行培养的细胞叫做原代细胞,这种细胞培养方法称为原代培养。原代培养名词解释
(2)原代细胞培养步骤原代培养
①取材剪碎:取出健康动物的组织,将其剪碎;原代培养实验步骤
②分散细胞:用浓度与活性适中的胰酶或胶原酶,配合 EDTA(螯合剂)处理细胞间的连接,使细胞分散;原代培养实验步骤
③细胞培养:提供良好的营养液与无菌环境(条件需接近体温、体内 pH),进行静置或缓慢转动培养;原代培养实验步骤
(3)一些考点知识考点知识
小牛血清作用:不论用何种培养液一般都要加一定量的小牛(或胎牛)血清提供生长因子,这样细胞才能很好地贴壁生长与分裂。小牛血清生长因子
细胞贴壁:分散的细胞悬液在培养瓶中很快(在几十分钟至数小时内)就贴附在瓶壁上,称为细胞贴壁。细胞贴壁名词解释
单层细胞培养:分散呈圆球形的细胞一经贴壁就迅速铺展并开始有丝分裂,逐渐形成致密的细胞单层,称为单层细胞,这种培养方法称为单层细胞培养。单层细胞培养名词解释
接触抑制:当细胞生长到彼此相互接触时,其运动和分裂活动将会停止,即接触抑制接触抑制名词解释
单层贴壁生长以及接触抑制是体外培养动物细胞生长特点接触抑制生长特点
3、传代培养:传代培养
(1)传代培养定义传代培养
原代培养的细胞在体外培养至一定代次(通常10代左右)后,将其转移至新的适宜培养条件下继续进行体外培养的过程。传代培养名词解释
(2)细胞系细胞系
原代培养的细胞传至 10 代左右时,通常难以继续传代:细胞生长出现停滞,大部分细胞会衰老死亡。细胞系传代培养
极少数细胞可传至 40~50 代,这些细胞仍保持原有染色体的二倍体数量及接触抑制行为,这类细胞被称为细胞系。细胞系名词解释
(3)有限细胞系与永生细胞系有限细胞系永生细胞系
有限细胞系:除胚胎干细胞等特殊细胞外,细胞传至 50 代以后会再次遭遇“危机”,难以继续传代,这类传代次数有限的体外培养细胞称为有限细胞系。有限细胞系名词解释
永生细胞系:永生细胞系
定义:传代过程中,部分细胞可能发生遗传突变,获得癌细胞的特性,能够在体外培养条件下无限制传代,这类细胞被称为永生细胞系或连续细胞系。永生细胞系名词解释
核心特点:染色体数量明显改变,多呈亚二倍体或非整倍体;失去接触抑制特性,易于传代培养。永生细胞系特点
常见实例:HeLa 细胞系永生细胞系HeLa
(4)细胞株细胞株
细胞克隆:借助单细胞克隆培养或药物筛选的方法,从某一细胞系中分离出单个细胞,再通过增殖形成遗传性状基本一致的细胞群体。细胞克隆名词解释
细胞株:若通过细胞克隆得到的细胞群体经过生物学鉴定,具备特殊的遗传标记或特定生物学性质,即可将其称为细胞株。细胞株名词解释
(5)体外培养动物细胞的形态类型形态类型
体外培养的动物细胞(包括原代细胞和传代细胞)通常无法维持体内原有的细胞形态,大体可分为三种基本类型形态类型
成纤维样细胞;形态类型
上皮样细胞;形态类型
少量可移动的游走细胞;形态类型
(6)悬浮培养悬浮培养
除了单层细胞培养,还有一种叫悬浮培养悬浮培养
部分传代细胞可采用悬浮培养的方式培养,该方法的培养条件相对复杂,但其最大优势是能在有限体积的培养液中获取大量细胞。悬浮培养优势
悬浮方法培养例子:淋巴细胞悬浮培养淋巴细胞
(二)植物细胞培养植物细胞培养
| 培养类型 | 主要材料 | 关键步骤/特点 | 应用/结果 |
|---|---|---|---|
| 单倍体细胞培养 | 花药 | 用花药在人工培养基上进行培养;可以从小孢子直接发育成胚状体 | 长成单倍体植株 |
| 原生质体培养 | 植物的体细胞(二倍体细胞) | 先经纤维素酶处理去掉细胞壁,形成原生质体;在无菌培养基中生长与分裂;也可用不同植物的原生质体进行融合与体细胞杂交 | 经过诱导分化长成植株;获得体细胞杂交植株;是植物基因工程的基础 |
| 植物组织培养(无性繁殖) | 小块植物体(外殖体) | 在体外无菌条件下培养,形成愈伤组织;在一定条件下诱导分化 | 最终长成植株 |
二、细胞工程细胞工程
(一)细胞工程细胞工程
细胞工程是生物工程的重要领域之一。细胞工程所涉及的主要技术包括细胞培养、细胞分化的定向诱导、细胞融合和显微注射等。细胞工程名词解释
(二)细胞融合细胞融合
| 类别 | 内容 | |
|---|---|---|
| 定义 | 细胞融合是指两个或多个细胞融合成一个双核或多核细胞的现象。 | |
| 方法 | 动物细胞融合 | 常用促融剂为灭活的病毒(如仙台病毒)或化学物质(如聚乙二醇、PEG) |
| 植物细胞融合 | 需先用纤维素酶去掉细胞壁,再进行原生质体融合。 | |
| 电融合技术 | 将悬浮细胞在低压交流电场中聚集成串珠状细胞群/相对融合的单层培养细胞,再施加高压电脉冲处理使其融合。 |
(三)单克隆抗体技术单克隆抗体
| 类别 | 内容 | |
|---|---|---|
| 定义 | 单克隆抗体技术是将产生抗体的淋巴细胞与肿瘤细胞进行融合,形成能无限增殖并分泌特定抗体的杂交瘤细胞的技术方法。 | |
| 特点 | 最主要的优点是可以用混合性的异质抗原制备出针对某单一性抗原分子上特异决定簇的同质性单克隆抗体。 | |
| 基本步骤 | 1. 刺激免疫 | 使用特定抗原刺激动物产生免疫反应。 |
| 2. 细胞获取 | 从免疫后的小鼠脾脏中,分离得到脾 B 淋巴细胞;同时准备骨髓瘤细胞。 | |
| 3 细胞融合 | 将脾 B 淋巴细胞与骨髓瘤细胞进行细胞融合操作,得到包含不同融合状态细胞的混合体系。 | |
| 4. 筛选杂交瘤细胞 | 对融合后的细胞混合体系进行筛选,去除未融合的细胞等非目标细胞,得到兼具两种亲本细胞特性的杂交瘤细胞。 | |
| 5. 克隆化培养 | 将筛选得到的杂交瘤细胞进行克隆化培养,使单个杂交瘤细胞增殖形成单克隆的细胞群体。 | |
| 6. 抗体的检测和扩大培养 | 筛选出能分泌所需抗体的细胞株,随后对该细胞株进行扩大培养,大量制备单克隆抗体。 | |
| 细节解释 | B 淋巴细胞 | 特点是受外界抗原刺激后可产生相应抗体,但体外难以增殖。在单克隆抗体实验中 B 淋巴细胞用的是经绵羊红细胞免疫的小鼠脾细胞 |
| 骨髓瘤细胞 | 特点是不分泌抗体,但在体外培养条件下可无限传代。在单克隆抗体实验中骨髓瘤细胞用的是小鼠骨髓瘤细胞 | |
| 融合细胞特性 | 兼具两种亲本细胞的特点——可分泌抗绵羊红细胞的抗体,同时像肿瘤细胞一样能在体外培养条件下/移植到体内无限增殖。 | |
| 融合介导 | 通过聚乙二醇或灭活的病毒诱导融合 | |
| 筛选培养 | 骨髓瘤细胞因缺乏 TK 或 HGPRT,在含氨基蝶呤的培养液中不能成活;只有融合细胞可在 HAT(次黄嘌呤、氨基蝶呤和胸腺嘧啶核苷)培养液中,通过旁路合成核酸得以生存。 | |
| 获得细胞株 | 通过 HAT 选择培养和细胞克隆,得到能大量分泌单克隆抗体的杂交瘤细胞株。 | |
| 应用 | 发现新基因 | 与基因克隆技术结合,为分离、鉴定新的蛋白质和基因开辟途径 |
| 临床诊断 | 用于检测病原体、肿瘤标志物等,如早孕试纸和新冠病毒检测试剂盒 | |
| 疾病治疗 | 靶向结合病变靶点,用于癌症、自身免疫病的精准治疗 | |
| 药物开发 | 用于靶点筛选、药效评价,辅助新药的研发与验证 |
(四)显微操作技术与动物的克隆显微操作技术动物克隆
| 显微操作技术与动物的克隆 | |||
|---|---|---|---|
| 类别 | 内容 | ||
| 细胞拆合技术 | 定义 | 把细胞核与细胞质分离开,将不同来源的胞质体和核质体相互组合,形成核质杂交细胞。 | |
| 方法 | 物理法 | 用机械方法或短波光去掉或使细胞核失活,再用微吸管吸取其他细胞的核,注入去核的细胞质,组成新的杂交细胞; | |
| 化学法 | 用细胞松弛素 B 处理细胞,使细胞出现排核现象,结合离心技术,将细胞拆分为核质体和胞质体两部分。 | ||
| 显微操作技术 | 定义 | 是指在显微镜下,用显微操作装置对细胞进行解剖和微量注射的技术。 | |
| 应用 | 现在显微操作装置的设计愈来愈精密,不仅用于核移植,而且亦可对细胞核进行解剖和向核内注入基因 | ||
| 二者结合 | 细胞拆合、显微注射与现代分子生物学技术相结合使这些经典的胚胎学技术展现出极大的潜力,它不仅成为核质关系、细胞内某种 mRNA 或蛋白质功能等基础研究的重要手段,而且在转基因动物、高等动物的克隆方面的理论与实践研究中取得了重大的突破。 |
考点四:细胞及生物大分子的动态变化动态变化研究方法研究细胞及生物大分子动态变化的四大技术:FRAP、酵母双杂交、FRET、放射自显影
教科书上给了四个研究生物大分子的动态变化的技术方法分别是荧光漂白恢复技术、酵母双杂交技术、荧光共振能量转移技术、放射自显影技术。这四个技术方法教材上是直接平行的罗列,但为了更好地理解并应用好这些技术方法,求臻高分笔记把这四个方法按照研究蛋白质相互作用的技术、以及研究生物大分子运动分成两大类。前者包括酵母双杂交技术、荧光共振能量转移技术,后者包括荧光漂白恢复技术、放射自显影技术动态变化分类框架
一、研究蛋白质相互作用的技术蛋白质相互作用
(一)酵母双杂交技术酵母双杂交
1、定义酵母双杂交定义
酵母双杂交系统是一种利用单细胞真核生物酵母在体内分析蛋白质-蛋白质相互作用的系统。酵母双杂交名词解释
2、原理酵母双杂交原理
(1)技术基础:真核生物转录激活机制转录激活机制
细胞基因转录起始需要转录激活因子的参与转录激活因子
转录激活因子一般由两个或两个以上相互独立的结构域构成,即 DNA 结合域 DB 和转录激活域 AD。转录激活因子DBAD
只有 DB 与 AD 这两个独立结构域合并到一起形成复合物,转录激活因子才能发挥作用,报告基因才会表达DBAD报告基因
(2)基于真核生物转录激活机制研究蛋白质相互作用酵母双杂交原理
酵母双杂交系统正是利用上述转录激活机制原理来研究蛋白质-蛋白质的相互作用。故若要验证“蛋白 A 是否与蛋白 B 在细胞内相互作用”,或“寻找与蛋白 A 可能发生作用的蛋白”,需进行以下操作:酵母双杂交实验设计
①制备两种融合蛋白:将 DB 与蛋白 A 偶联,得到的融合蛋白称为“诱饵”(bait);将 AD 与蛋白 B(或可能与蛋白 A 作用的蛋白)偶联,得到的融合蛋白称为“猎物”(prey)。诱饵猎物baitprey
②结果判断:若蛋白 A 与蛋白 B(或其他猎物蛋白)在细胞内相互结合,则会形成兼具 DB酵母双杂交结果判断
和 AD 结构域的、类似转录激活因子的复合物,进而启动报告基因的表达;反之,报告基因不表达;酵母双杂交
3、特点酵母双杂交
优点:高灵敏度、可在活细胞内研究蛋白质相互作用★★酵母双杂交必背优缺点
缺点:由于“猎物”蛋白可能与“诱饵”蛋白存在非特异性结合,该实验系统有可能存在假阳性的问题★★酵母双杂交必背优缺点假阳性
4、应用酵母双杂交
研究蛋白质相互作用(哺乳动物、高等植物均可),广泛应用于细胞信号转导网络中各种蛋白质的相互关系研究等领域。★★酵母双杂交必背应用
(二)荧光共振能量转移技术 FRETFRET
1、定义FRET
荧光共振能量转移 FRET 技术,是用来检测活细胞内两种蛋白质分子是否直接相互作用的重要手段。★★FRET必背名词解释
2、原理:FRET
①供体与受体的激发响应差异:在一定波长的激发光照射下,只有携带发光基团A的供体分子可被激发出荧光A,而同一激发光不能激发携带发光基团B的受体分子发出荧光B。★FRET原理
②FRET 的发生条件及现象:然而,当供体所发出的荧光光谱 A 与受体上的发光基团的吸收光谱 B 相互重叠,并且两个发光基团之间的距离小到一定程度时,就会发生不同程度的能量转移现象,即以供体的激发波长 A 激发时,可观察到受体发射的荧光 B,这种现象称为 FRET。★★FRET原理大题
③检测蛋白质相互作用:在体内,如果两个蛋白质分子(前提是先打上荧光标记)的距离在10 nm之内,就可能发生FRET现象,由此认为这两个蛋白质存在着直接的相互作用。★★FRET原理数据
3、具体案例:FRET
①选择青色荧光蛋白(CFP)和黄色荧光蛋白(YFP)的基因,分别与蛋白A与蛋白B的基因融合表达。★FRETCFPYFP实验设计
②若蛋白 A 与蛋白 B 之间的距离大于 10 nm:在一定波长的激发光照射下,只有蛋白 A 中的 CFP 被激发,放出蓝色荧光。★FRETCFPYFP实验设计
③若蛋白 A 与蛋白 B 之间的距离在 5~10 nm 范围内:蛋白 A 中 CFP 发出的荧光会被蛋白 B 中的 YFP 吸收,进而激发 YFP 发出黄色荧光;此时可通过测量 CFP 的荧光强度损失量,判断这两个蛋白是否存在相互作用。★★FRETCFPYFP实验设计大题
4、应用:FRET 技术用于检测体内两种蛋白质之间是否存在直接的相互作用。★★FRET应用必背
(三)补充:免疫共沉淀(Co-IP)技术Co-IP
这个技术在教材中没有展开,但是它也是一种验证蛋白质互作的技术,既然教材中没有提及,那么其具体原理你也不需要掌握,只需要知道它是一种蛋白质互作技术并且知道何种情况用它即可Co-IP非重点
一般来说:★★Co-IP酵母双杂交FRET技术选择
筛选未知互作→优先选酵母双杂交;技术选择
验证天然已知互作→优先选免疫共沉淀;技术选择
看活细胞动态互作→必选 FRET技术选择
间接互作能检测→Co-IP、Y2H;技术选择
仅能检测直接互作→FRET技术选择
离体检测→Co-IP;酵母内活体检测→Y2H;高等生物活细胞实时检测→FRET★★Co-IP酵母双杂交FRET技术选择必背
| 对比维度 | 免疫共沉淀(Co-IP) | 酵母双杂交技术(Y2H) | 荧光共振能量转移技术(FRET) |
|---|---|---|---|
| 核心应用定位 | 验证已知蛋白间的天然互作;鉴定某一已知蛋白的互作蛋白 | 筛选未知蛋白间的互作;大规模筛选互作蛋白库;验证已知蛋白是否互作 | 实时检测活细胞内蛋白互作的动态变化;验证蛋白是否直接结合;定位互作发生的亚细胞位点 |
| 互作检测类型 | 天然生理性互作(直接/间接均可) | 酵母细胞内蛋白互作 | 仅检测蛋白间直接、近距离(1-10nm)互作 |
| 检测体系/条件 | 体外或活体裂解后检测; | 酵母活体内,需构建 AD/BD 融合蛋白 | 活细胞内实时检测;也可体外检测 |
| 应用 | 验证细胞内生理性存在的蛋白互作、鉴定蛋白复合物组成 | 筛选未知互作蛋白;大规模绘互作网络;初步验已知互作 | 追踪互作动态变化;定位亚细胞互作位点;监测蛋白构象 |
| 优势 | 1. 接近生理状态,结果可信度高; 2. 可捕获天然蛋白复合物; 3. 操作相对成熟 | 1. 高效筛选未知互作蛋白,性价比高; 2. 无需提前知道互作蛋白; 3. 适合大规模筛选 | 1. 活细胞实时动态检测,无损伤; 2. 精准判断直接互作; 3. 可定位互作位点,兼顾定性 + 半定量 |
| 局限 | 1. 仅能验证已知蛋白,无法筛选未知; 2. 抗体特异性直接影响结果; 3. 无法区分直接/间接互作 | 1. 假阳性高; 2. 仅适用于能进入酵母细胞核的蛋白; 3. 无法反映高等生物体内真实互作; 4. 无法检测瞬时互作 | 1. 对荧光标记和成像设备要求高; 2. 荧光蛋白可能影响蛋白功能; 3. 仅检测近距离直接互作,漏检间接互作; 4. 半定量为主,定量精度有限 |
| 是否能定量 | 可半定量 | 仅定性 | 可半定量 |
二、研究生物大分子运动的技术生物大分子运动
(一)荧光漂白恢复技术荧光漂白恢复
1、定义荧光漂白恢复
荧光漂白恢复技术是指使用亲脂性或亲水性的荧光分子与蛋白或脂质偶联,用于检测所标记分子在活体细胞表面或细胞内部的运动及其迁移速率的技术。★★荧光漂白恢复必背名词解释
2、原理荧光漂白恢复
①光漂白:利用高能激光束照射细胞的某一特定区域,使该区域内标记的荧光分子发生不可逆的淬灭,这一区域被称为光漂白区。★★荧光漂白恢复原理必背
②荧光恢复:由于细胞中脂质分子或蛋白质分子的运动,周围非漂白区的荧光分子会不断向光漂白区迁移,最终使光漂白区的荧光强度逐渐恢复到原有水平,这一过程称为荧光恢复。★★荧光漂白恢复原理必背
3、应用荧光漂白恢复
荧光恢复的速度,在很大程度上能反映标记的脂质或蛋白质在细胞中的运动速率;FPR 技术不仅能给出活细胞内脂质或蛋白质运动的定性结果,还可以获得定量信息(如膜脂分子的扩散系数、蛋白质的迁移率等)。★★荧光漂白恢复应用必背
(二)放射自显影技术放射自显影
1、定义放射自显影
放射自显影技术,是利用放射性同位素的电离射线对乳胶(含 AgBr 或 AgCl)的感光作用,对细胞内生物大分子进行定性、定位与半定量研究的一种细胞化学技术。★★放射自显影必背名词解释
2、步骤放射自显影
① 同位素标记:用合适的放射性前体分子标记机体或细胞,根据实验需求,按标记持续时间分为持续标记和脉冲标记。★放射自显影步骤
② 样品制片:将标记后的组织与细胞,按照常规方法制作成实验样品片。放射自显影步骤
③ 敷乳胶膜:在暗室环境中,向样品表面均匀敷上一层厚度为 3~10 μm 的乳胶膜。放射自显影步骤
④ 暗盒曝光:将处理后的样品置于暗盒中进行曝光(也称自显影),时长为数天。放射自显影步骤
⑤ 显影定影:对曝光后的样品进行显影、定影处理。放射自显影步骤
⑥ 显微镜观察:在显微镜下观察样品,细胞中银颗粒所在的部位,即为放射性同位素的标记部位。★放射自显影步骤
3、应用放射自显影
对细胞或生物体内生物大分子进行动态研究和追踪★★放射自显影应用必背
4、常用的同位素放射自显影同位素
| 研究对象 | 对应的同位素标记物 |
|---|---|
| DNA 合成 | 氚(³H)标记的胸腺嘧啶脱氧核苷(³H-TdR) |
| RNA 合成 | 氚(³H)标记的尿嘧啶核苷(³H-U) |
| 含硫蛋白分子代谢 | ³⁵S 标记的蛋氨酸和半胱氨酸 |
| 蛋白质合成 | ³H 或 ¹⁴C 标记的蛋氨酸、亮氨酸等 |
考点五:模式生物★★模式生物模式生物:概念、特点与七大代表生物
一、模式生物的概念及特点模式生物
模式生物是指在生物学研究中被广泛使用的、具有代表性的生物种类★★模式生物必背名词解释
模式生物基因具有进化上的保守性、遗传密码具有通用性,从该类生物中获得的实验结果通常可适用于其他生物或对其他生物具有借鉴性。★★模式生物特点必背
模式生物通常个体较小,容易培养,操作简单,生长繁殖快★★模式生物特点必背
二、模式生物代表模式生物
| 常见模式生物 | 特点 |
|---|---|
| 大肠杆菌 | 1997 年测定完其基因组,培养方便,生长快,突变株的诱变、分离和鉴定容易,基因简单,相关转基因技术成熟,基因定位容易 |
| 酵母 | 生长迅速,易于遗传,是基因表达、蛋白互作、细胞分化等研究的重要材料,包括芽殖酵母和裂殖酵母 |
| 线虫 | 基因组测定完成,繁殖快,胚胎发育过程中细胞分裂、分化、死亡具有高度的程序性,适用于遗传研究 |
| 果蝇 | 基因组序列测定完成,表型特征丰富,许多基因在进化上很保守 |
| 斑马鱼 | 基因数目与人类的相近,易饲养,鱼卵和胚胎透明易于观察 |
| 小鼠 | 进化方面最接近人类,研究人类疾病小鼠模型,转基因小鼠、基因打靶、条件基因打靶及 RNA 干扰等技术在小鼠中应用广泛 |
| 拟南芥 | 个体小,生长周期快,种子多,生命力强,自花授粉易获得突变体 |
章节题库 · A组+B组 共 120 题(C组、D组按你的要求未收录)
AA 组题(一轮复习,注意按照发给你的学习计划刷题)
考点一:细胞形态结构的观察方法混合
考点二:细胞及其组分的分析方法混合
考点三:细胞培养与细胞工程混合
考点四:细胞及生物大分子的动态变化混合
BB 组题(二轮复习,经典题、经典真题合集)
一、填空题填空题
二、判断题判断题
三、选择题选择题
四、问答题问答题
教材原文对照1 处
When light passes through a living cell, the phase of the light wave is changed according to the cell’s refractive index: a relatively thick or dense part of the cell, such as a nucleus, slows the light passing through it. The phase of the light, consequently, is shifted relative to light that has passed through an adjacent thinner region of the cytoplasm (Figure 9–6C). The phase-contrast microscope and, in a more complex way, the differential-interference-contrast microscope increase these phase differences to produce amplitude differences, or contrast, when the sets of waves recombine, thereby creating an image of the cell’s structure.
当光穿过一个活细胞时,光波的相位会依细胞的折射率而改变:细胞中较厚或较致密的部位(例如细胞核)会使穿过它的光减慢。因此,相对于穿过邻近较薄的细胞质区域的光,此处光的相位发生了位移(图9–6C)。相差显微镜,以及以更复杂方式实现同样目的的微分干涉差显微镜,会放大这些相位差,使两组光波重新汇合时转变为振幅差、即反差,从而形成细胞结构的图像。
教材原文对照1 处
This microscope is similar to an ordinary upright or inverted light microscope except that the illuminating light, from a very powerful source, is passed through two sets of filters—one to filter the light before it reaches the specimen, and one to filter the light obtained from the specimen. The first filter passes only the wavelengths that excite the particular fluorescent dye, while the second filter blocks out this light and passes only those wavelengths emitted when the dye fluoresces (Figure 9–10C). Fluorescence microscopy is most often used to detect specific proteins or other molecules in cells and tissues.
这种显微镜与普通的正置或倒置光学显微镜相似,区别在于来自极强光源的照明光要通过两组滤光片——一组在光到达标本之前滤光,另一组滤过来自标本的光。第一片滤光片只让能激发该特定荧光染料的波长通过,第二片则挡掉这些激发光、只放行染料发出荧光时的发射波长(图9–10C)。荧光显微术最常用于检测细胞和组织中的特定蛋白质或其他分子。
教材原文对照1 处
The precise antigen specificity of antibodies makes them powerful tools for the cell biologist. When chemically coupled to fluorescent dyes, antibodies are invaluable for locating specific molecules in cells by fluorescence microscopy (Figure 9–14). When labeled with electron-dense particles such as colloidal gold spheres, they are used for similar purposes in the electron microscope (discussed later). The antibodies employed in microscopy are commonly either purified from antiserum so as to remove all nonspecific antibodies or they are specific monoclonal antibodies that only recognize the target molecule.
抗体精确的抗原特异性使它们成为细胞生物学家的有力工具。当与荧光染料化学偶联后,抗体在荧光显微镜下定位细胞内特定分子时极为有用(图9–14)。当用胶体金球等电子致密颗粒标记时,它们在电子显微镜下用于同样的目的(后文讨论)。显微术中所用的抗体,通常要么是从抗血清中纯化、除去了全部非特异性抗体的抗体,要么是只识别靶分子的特异性单克隆抗体。
教材原文对照1 处
Because the specimen is exposed to a very high vacuum in the electron microscope, living tissue is usually killed and preserved by chemical fixation. As electrons have very limited penetrating power, the fixed tissues normally have to be cut into extremely thin sections (25–100 nm thick, about 1/200 the thickness of a single cell) before they are viewed. This is achieved by dehydrating the specimen, permeating it with a monomeric resin that polymerizes to form a solid block of plastic, then cutting the block with a fine glass or diamond knife on a special microtome.
由于标本在电子显微镜中要处于极高真空环境,活组织通常先被杀死并用化学固定加以保存。因为电子的穿透能力非常有限,固定后的组织通常必须切成极薄的切片(厚 25–100 nm,约为单个细胞厚度的 1/200)才能观察。做法是先对标本脱水,再用单体树脂浸透,树脂聚合后形成固体塑料块,然后在专门的切片机上用锋利的玻璃刀或金刚石刀切开该块。
教材原文对照1 处
Some rapidly frozen specimens can be examined directly in the electron microscope using a special cooled specimen holder. In other cases, the frozen block can be fractured to reveal interior cell surfaces or the surrounding ice can be sublimed away to expose external surfaces. However, we often want to examine thin sections, and the frozen tissue can be sectioned directly in a cooled microtome.
有些快速冷冻的标本可以用特制的冷冻样品台直接在电子显微镜中观察。在另一些情况下,可以把冷冻的样品块断裂开以暴露细胞内部的断面,或者让周围的冰升华掉以暴露外表面。不过我们常常还是希望观察薄切片,此时冷冻组织可以直接在低温切片机上切片。
教材原文对照1 处
Such cell fractionations became possible only after the commercial development in the early 1940s of an instrument known as the preparative ultracentrifuge, which rotates extracts of broken cells at high speeds (Figure 8–4). This treatment separates cell components by size and density: in general, the largest objects experience the largest centrifugal force and move the most rapidly. At relatively low speed, large components such as nuclei sediment to form a pellet at the bottom of the centrifuge tube; at slightly higher speed, a pellet of mitochondria is deposited; and at even higher speeds and with longer periods of centrifugation, first vesicles and then ribosomes can be collected (Figure 8–5).
这类细胞分级分离只有在 20 世纪 40 年代初制备型超速离心机商品化之后才成为可能,该仪器把破碎细胞的提取物高速旋转(图8–4)。这种处理按大小和密度分离细胞组分:一般来说,最大的颗粒受到的离心力最大、移动最快。在相对低速时,细胞核这类大组分沉降到离心管底部形成沉淀;转速略高时线粒体沉淀下来;在更高转速和更长的离心时间下,先是囊泡、随后是核糖体被收集下来(图8–5)。
教材原文对照1 处
Most vertebrate cells stop dividing after a finite number of cell divisions in culture, a process called replicative cell senescence (discussed in Chapter 17). Normal human fibroblasts, for example, typically divide only 25–40 times in culture before they stop. In these cells, the limited proliferation capacity reflects a progressive shortening and uncapping of the cell’s telomeres, the repetitive DNA sequences and associated proteins that cap the ends of each chromosome (discussed in Chapter 5).
大多数脊椎动物细胞在培养中分裂有限次数之后就停止分裂,这一过程称为复制性细胞衰老(见第17章)。例如正常人成纤维细胞在培养中通常只分裂 25–40 次就停下来。在这些细胞中,增殖能力受限反映的是细胞端粒的逐渐缩短与"去帽",端粒即封盖每条染色体末端的重复 DNA 序列及其结合蛋白(见第5章)。
教材原文对照1 处
First, interactions between one protein and another can be monitored by Förster resonance energy transfer, also called fluorescence resonance energy transfer but both abbreviated to FRET. In this technique, two molecules of interest are each labeled with a different fluorochrome, chosen so that the emission spectrum of one fluorochrome, the donor, overlaps with the absorption spectrum of the other, the acceptor. If the two proteins interact in such a way as to bring their fluorochromes into very close proximity (closer than about 5 nm), one fluorochrome, when excited, can transfer energy from the absorbed light directly (by resonance, nonradiatively) to the other.
首先,蛋白质之间的相互作用可以用福斯特共振能量转移来监测,它也叫荧光共振能量转移,两者都缩写为 FRET。在该技术中,两个目标分子各自用一种不同的荧光基团标记,选择的原则是:其中一个荧光基团(供体)的发射光谱与另一个(受体)的吸收光谱相互重叠。如果两个蛋白质发生相互作用、使它们的荧光基团靠得非常近(近于约 5 nm),那么被激发的那个荧光基团就能把吸收的光能直接地(以共振方式、非辐射地)转移给另一个。
教材原文对照1 处
This method, called equilibrium sedimentation, is so sensitive that it can separate macromolecules that have incorporated heavy isotopes, such as 13C or 15N, from the same macromolecules that contain the lighter, common isotopes (12C or 14N). In fact, the cesium-chloride method was developed in 1957 to separate the labeled from the unlabeled DNA produced after exposure of a growing population of bacteria to nucleotide precursors containing 15N; this classic experiment provided direct evidence for the semiconservative replication of DNA (see Figure 5–5).
这种方法称为平衡沉降,它非常灵敏,能把掺入了 13C 或 15N 等重同位素的大分子,与含较轻常见同位素(12C 或 14N)的同种大分子分开。事实上,氯化铯法正是在 1957 年为分离细菌在含 15N 的核苷酸前体中生长后产生的标记 DNA 与未标记 DNA 而建立的;这一经典实验为 DNA 的半保留复制提供了直接证据(见图5–5)。
教材原文对照1 处
Another way to exploit GFP fused to a protein of interest is known as fluorescence recovery after photobleaching (FRAP). Here, a strong focused beam of light from a laser is used to extinguish the GFP fluorescence in a specified region of the cell, after which one can analyze the way in which remaining unbleached fluorescent protein molecules move into the bleached area as a function of time. This technique, like photoactivation, can deliver valuable quantitative data about a protein’s kinetic parameters, such as diffusion coefficients, active transport rates, or binding and dissociation rates from other proteins (Figure 9–20).
利用与目标蛋白融合的 GFP 的另一种方式,称为光漂白后荧光恢复(FRAP)。在这里,用来自激光的强聚焦光束把细胞中某一指定区域内的 GFP 荧光淬灭,随后就可以分析剩余未被漂白的荧光蛋白分子如何随时间迁入被漂白的区域。这项技术与光激活一样,能提供关于某蛋白动力学参数的宝贵定量数据,例如扩散系数、主动运输速率,或与其他蛋白的结合与解离速率(图9–20)。
教材原文对照1 处
Molecules in all kinds of thin sections can be labeled to identify and localize them. We have seen earlier how antibodies can be used in conjunction with fluorescence microscopy to localize specific macromolecules. An analogous method—immunogold electron microscopy—can be used in the electron microscope. The usual procedure is to incubate a thin section first with a specific primary antibody, and then with a secondary antibody to which a colloidal gold particle has been attached. The gold particle is electron-dense and can be seen as a black dot in the electron microscope (Figure 9–43).
各种薄切片中的分子都可以被标记,以便鉴定和定位。前面我们已经看到抗体如何与荧光显微术结合来定位特定的大分子。一种与之对应的方法——免疫金电子显微术——可以用于电子显微镜。通常的做法是先用特异性一抗孵育薄切片,再用连有胶体金颗粒的二抗孵育。金颗粒是电子致密的,在电子显微镜下可见为一个黑点(图9–43)。
教材原文对照1 处
Because the aberrations of an electron lens are considerably harder to correct than those of a glass lens, however, the practical resolving power of modern electron microscopes is, even with careful image processing to correct for lens aberrations, about 0.05 nm (0.5 Å) (Figure 9–39). This is because only the very center of the electron lenses can be used, and the effective numerical aperture is tiny. Furthermore, problems of specimen preparation, contrast, and radiation damage have generally limited the normal effective resolution for biological objects to 1 nm (10 Å). This is nonetheless about 200 times better than the resolution of the light microscope.
然而,由于电子透镜的像差比玻璃透镜的像差难校正得多,即使配合仔细的图像处理来校正透镜像差,现代电子显微镜实际的分辨本领也只有约 0.05 nm(0.5 Å)(图9–39)。这是因为只能使用电子透镜最中心的部分,有效数值孔径极小。此外,制样、反差和辐射损伤等问题,通常把生物样品的常规有效分辨率限制在 1 nm(10 Å)。即便如此,这仍比光学显微镜的分辨率高约 200 倍。
教材原文对照1 处
A specific protein can be identified after its fractionation on a polyacrylamide gel by exposing all the proteins on the gel to a specific antibody that has been labeled with a radioactive isotope or a fluorescent dye. This procedure is normally carried out after transferring all of the separated proteins in the gel onto a sheet of nitrocellulose paper or nylon membrane. Placing the membrane against the gel and driving the proteins out of the gel with a strong electric current transfers the protein onto the membrane. The membrane is then soaked in a solution of labeled antibody to reveal the protein of interest. This method of detecting proteins is called Western blotting, or immunoblotting (Figure 8–17).
一种特定蛋白质在聚丙烯酰胺凝胶上分离之后,可以通过把凝胶上的全部蛋白质暴露于一种用放射性同位素或荧光染料标记的特异性抗体来加以鉴定。这一步通常是在把凝胶中已分离的全部蛋白质转移到硝酸纤维素膜或尼龙膜上之后进行的。把膜贴在凝胶上,用强电流把蛋白质从凝胶中驱出,即可把蛋白质转移到膜上。然后把膜浸在标记抗体的溶液中,从而显示出目标蛋白。这种检测蛋白质的方法称为 Western 印迹法,或免疫印迹法(图8–17)。
五、实验题实验题
教材原文对照1 处
Another optical method for probing protein interactions uses green fluorescent protein (discussed in detail later) and its derivatives of different colors. In this application, two proteins of interest are each labeled with a different fluorescent protein, such that the emission spectrum of one fluorescent protein overlaps the absorption spectrum of the second. If the two proteins come very close to each other (within about 1–5 nm), the energy of the absorbed light is transferred from one fluorescent protein to the other. The energy transfer, called fluorescence resonance energy transfer (FRET), is determined by illuminating the first fluorescent protein and measuring emission from the second (see Figure 9–19).
另一种探测蛋白质相互作用的光学方法利用绿色荧光蛋白(后文详述)及其不同颜色的衍生物。在这一应用中,两个目标蛋白各自用一种不同的荧光蛋白标记,使其中一种荧光蛋白的发射光谱与另一种的吸收光谱相重叠。如果两个蛋白彼此靠得非常近(约 1–5 nm 之内),被吸收的光能就会从一种荧光蛋白转移到另一种。这种能量转移称为荧光共振能量转移(FRET),其判定方式是照射第一种荧光蛋白并测量第二种的发射(见图9–19)。
教材原文对照1 处
This fundamental capacity of a single-strand nucleic acid molecule, either DNA or RNA, to form a double helix with a single-strand molecule of a complementary sequence provides a powerful and sensitive technique for detecting specific nucleotide sequences. Today, one simply designs a short, single-strand DNA molecule (often called a DNA probe) that is complementary to the nucleotide sequence of interest. Because the nucleotide sequences of so many genomes are known—and are stored in publicly accessible databases—designing a probe to hybridize anywhere in a genome is straightforward.
单链核酸分子(DNA 或 RNA 均可)能与具互补序列的单链分子形成双螺旋,这一基本能力提供了检测特定核苷酸序列的强大而灵敏的技术。今天,人们只需设计一段与目标核苷酸序列互补的短单链 DNA 分子(常称为 DNA 探针)。由于如此多基因组的核苷酸序列都已知晓、并存放在可公开检索的数据库中,设计一条能杂交到基因组任意位置的探针是很容易的事。
教材原文对照1 处
A key method for identifying proteins that bind to one another tightly is co-immunoprecipitation. A target protein is immunoprecipitated from a cell lysate using specific antibodies coupled to beads, as described earlier. If the target protein is associated tightly enough with another protein when it is captured by the antibody, the partner precipitates as well and can be identified by mass spectrometry. This method is useful for identifying proteins that are part of a complex inside cells, including those that interact only transiently; for example, when extracellular signal molecules stimulate cells (discussed in Chapter 15).
鉴定彼此紧密结合的蛋白质,一个关键方法是免疫共沉淀。用偶联到珠子上的特异性抗体,把靶蛋白从细胞裂解液中免疫沉淀下来(如前所述)。如果靶蛋白被抗体捕获时与另一种蛋白结合得足够紧密,那么这个伙伴蛋白也会一并被沉淀下来,并可用质谱加以鉴定。该方法适用于鉴定细胞内属于同一复合物的蛋白,包括那些只发生瞬时相互作用的蛋白;例如细胞外信号分子刺激细胞时的情形。
教材原文对照1 处
Sometimes, a double mutant will show a new or more severe phenotype than either single mutant alone. This type of genetic interaction is called a synthetic phenotype, and if the phenotype is death of the organism, it is called synthetic lethality. In most cases, a synthetic phenotype indicates that the two genes act in two different parallel pathways, either of which is capable of mediating the same cell process. Thus, when both pathways are disrupted in the double mutant, the process fails altogether, and the synthetic phenotype is observed.
有时,双突变体会表现出比任一单突变体都新的或更严重的表型。这类遗传相互作用称为合成表型;如果该表型是生物体死亡,就称为合成致死。多数情况下,出现合成表型说明这两个基因作用于两条不同的平行通路上,而其中任一条都能介导同一细胞过程。因此,当双突变体把两条通路都破坏掉时,该过程就彻底失败,于是观察到合成表型。
教材原文对照1 处
B lymphocytes normally have a limited life span in culture, but individual antibody-producing B lymphocytes from an immunized mouse, when fused with cells derived from a transformed B lymphocyte cell line, can give rise to hybrids that have both the ability to make a particular antibody and the ability to multiply indefinitely in culture (Figure 8–3). These hybridomas are propagated as individual clones, each of which provides a permanent and stable source of a single type of monoclonal antibody. Each type of monoclonal antibody recognizes a single type of antigenic site; for example, a particular cluster of five or six amino acid side chains on the surface of a protein.
B 淋巴细胞在培养中通常寿命有限,但来自免疫小鼠的单个产抗体 B 淋巴细胞,与源自转化 B 淋巴细胞系的细胞融合后,可以产生同时具备两种能力的杂种细胞:既能制造某一特定抗体,又能在培养中无限增殖(图8–3)。这些杂交瘤以单个克隆的形式扩增,每个克隆都提供一种单一类型单克隆抗体的永久而稳定的来源。每一种单克隆抗体只识别一种类型的抗原位点;例如蛋白表面某一簇由五六个氨基酸侧链组成的位点。
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教材原文对照2 处
Negative staining is a similar approach that also allows fine detail to be seen in isolated molecules or macromolecular machines. In this technique, the molecules are supported on the thin film of carbon on a grid and mixed with a solution of a heavy-metal salt such as uranyl formate or acetate. After the sample has dried, a very thin film of metal salt covers the carbon film everywhere except where it has been excluded by the presence of an adsorbed macromolecule.
负染色是一种类似的方法,同样能显示分离的分子或大分子机器的精细结构。在该技术中,分子被支撑在载网的碳支持膜上,并与重金属盐溶液(如甲酸铀酰或醋酸铀酰)混合。样品干燥后,除被吸附的大分子占据(把染液排开)的位置以外,碳膜各处都覆盖上一层极薄的金属盐薄膜。
The shapes of isolated molecules can be roughly determined by electron microscopy techniques involving negative staining or heavy-metal shadowing, but detailed molecular structures require cryoEM and single-particle reconstruction using computational manipulations of data obtained from multiple images and multiple viewing angles to produce detailed reconstructions of macromolecules and molecular complexes.
分离出来的分子,其形状可以用负染色或重金属投影这类电镜技术大致测定;但精细的分子结构则需要冷冻电镜和单颗粒重构——即对多幅图像、多个观察角度所得的数据进行计算处理,从而重建出大分子及大分子复合物的精细结构。
教材原文对照2 处
The cell cultures obtained by disrupting tissues tend to suffer from a problem—eventually the cells die. Most vertebrate cells stop dividing after a finite number of cell divisions in culture, a process called replicative cell senescence (discussed in Chapter 17). Normal human fibroblasts, for example, typically divide only 25–40 times in culture before they stop.
通过打散组织得到的细胞培养物往往有一个问题——细胞最终会死亡。多数脊椎动物细胞在培养中经过有限次数的分裂后就停止分裂,这一过程称为复制性细胞衰老(见第 17 章)。例如,正常人成纤维细胞在培养中通常只分裂 25~40 次就停下来。
Many animal and plant cells survive and proliferate in a culture dish if they are provided with a suitable culture medium containing nutrients and appropriate signal molecules. Although many animal cells stop dividing after a finite number of cell divisions, cells that have been immortalized through spontaneous mutations or genetic manipulation can be maintained indefinitely as cell lines.
只要提供含有营养物和适当信号分子的合适培养基,许多动物细胞和植物细胞都能在培养皿中存活并增殖。虽然许多动物细胞在有限次数的分裂后就停止分裂,但那些通过自发突变或遗传操作而实现永生化的细胞,可以作为细胞系被无限期地维持下去。
教材原文对照2 处
For example, the experiments to decipher the mechanisms of protein synthesis began with a cell homogenate that could translate RNA molecules to produce proteins. Fractionation of this homogenate, step by step, produced in turn the ribosomes, tRNAs, and various enzymes that together constitute the protein-synthetic machinery. Once individual pure components were available, each could be added or withheld separately to define its exact role in the overall process.
例如,破译蛋白质合成机制的那些实验,是从一份能够翻译 RNA 分子以生成蛋白质的细胞匀浆开始的。对这份匀浆逐步进行分级分离,依次得到了核糖体、tRNA 以及共同构成蛋白质合成机器的各种酶。一旦获得了单个的纯化组分,就可以逐一加入或去除,以确定它在整个过程中的确切作用。
A major goal for cell biologists is the reconstitution of every biological process in a purified cell-free system. Only in this way can we define all of the components needed for the process and control their concentrations, which is required to work out their precise mechanism of action. Although much remains to be done, a great deal of what we know today about the molecular biology of the cell has been discovered by studies in such cell-free systems. They have been used, for example, to decipher the molecular details of DNA replication and DNA transcription, RNA splicing, protein translation, muscle contraction, particle transport along microtubules, and many other processes that occur in cells.
细胞生物学家的一个主要目标,是在纯化的非细胞体系中重建每一个生物学过程。只有这样,我们才能确定该过程所需的全部组分并控制它们的浓度,而这正是弄清其精确作用机制所必需的。尽管仍有大量工作要做,但我们今天所掌握的细胞分子生物学知识,有很大一部分正是通过这类非细胞体系的研究获得的。例如,它们已被用于阐明 DNA 复制与 DNA 转录、RNA 剪接、蛋白质翻译、肌肉收缩、颗粒沿微管运输,以及细胞内许多其他过程的分子细节。
教材原文对照2 处
Because the macromolecule allows electrons to pass through it much more readily than does the surrounding heavy-metal stain, a reverse or negative image of the molecule is created. Negative staining is especially useful for quickly and cheaply viewing large macromolecular aggregates such as viruses or ribosomes and for seeing the subunit structure of protein filaments (Figure 9–44B). Shadowing and negative staining can provide high-contrast surface views of small macromolecular assemblies, but the size of the smallest metal particles in the shadow or stain limits the resolution of both techniques to about 2 nm.
由于电子穿过大分子远比穿过周围的重金属染液容易,于是形成该分子的一个反转的、即负性的图像。负染色特别适合快速而廉价地观察病毒、核糖体这类大型大分子聚合体,也适合观察蛋白质纤维的亚基结构(图 9–44B)。投影(喷镀)与负染色都能给出小型大分子组装体的高反差表面形貌,但阴影或染液中最小金属颗粒的尺寸,把这两种技术的分辨率限制在约 2 nm。
A special sample holder keeps this hydrated specimen at –160°C in the vacuum of the microscope, where it can be viewed directly without fixation, staining, or drying. Unlike negative staining, in which what we see is the envelope of stain exclusion around the particle, cryoEM produces an image from the macromolecular structure itself.
特制的样品台把这一含水样品保持在显微镜真空环境中的 –160°C,使其无需固定、染色或干燥即可直接观察。与负染色不同——负染色看到的是颗粒周围染液被排开所形成的外廓——冷冻电镜得到的图像来自大分子结构本身。
教材原文对照3 处
Provided that the homogenization medium has been carefully chosen (by trial and error for each organelle), the various components—including the vesicles derived from the endoplasmic reticulum, called microsomes—retain most of their original biochemical properties. The different components of the homogenate must then be separated. Such cell fractionations became possible only after the commercial development in the early 1940s of an instrument known as the preparative ultracentrifuge, which rotates extracts of broken cells at high speeds (Figure 8–4).
只要匀浆介质选择得当(针对每种细胞器反复试验确定),各种组分——包括由内质网衍生而来、被称为微粒体的那些囊泡——都能保留其大部分原有的生化特性。随后必须把匀浆中的不同组分分开。这类细胞分级分离只有在 20 世纪 40 年代初制备型超速离心机作为商品问世之后才成为可能,该仪器可使破碎细胞的提取物高速旋转(图 8–4)。
These procedures break many of the membranes of the cell (including the plasma membrane and endoplasmic reticulum) into fragments that immediately reseal to form small closed vesicles. If carefully carried out, however, the disruption procedures leave organelles such as nuclei, mitochondria, the Golgi apparatus, lysosomes, and peroxisomes largely intact.
这些操作把细胞的许多膜(包括质膜和内质网)打碎成片段,这些片段随即重新封闭,形成小的封闭囊泡。但若操作得当,破碎过程仍会使细胞核、线粒体、高尔基体、溶酶体和过氧化物酶体等细胞器基本保持完整。
Studies of organelles and other large subcellular components isolated in the ultracentrifuge have contributed enormously to our understanding of the functions of different cell components. Experiments on mitochondria and chloroplasts purified by centrifugation, for example, demonstrated the central function of these organelles in converting energy into forms that the cell can use. Similarly, resealed vesicles formed from fragments of rough and smooth endoplasmic reticulum (microsomes) have been separated from each other and analyzed as functional models of these compartments of the intact cell.
用超速离心分离得到的细胞器及其他大的亚细胞组分,对它们的研究极大地增进了我们对各种细胞组分功能的理解。例如,用离心纯化的线粒体和叶绿体所做的实验,证明了这些细胞器在把能量转换成细胞可利用形式方面的核心作用。同样,由粗面内质网与光面内质网片段重新封闭形成的囊泡(即微粒体)也已被彼此分开,并作为完整细胞中这些区室的功能模型加以分析。
教材原文对照2 处
Another way to exploit GFP fused to a protein of interest is known as fluorescence recovery after photobleaching (FRAP). Here, a strong focused beam of light from a laser is used to extinguish the GFP fluorescence in a specified region of the cell, after which one can analyze the way in which remaining unbleached fluorescent protein molecules move into the bleached area as a function of time. This technique, like photoactivation, can deliver valuable quantitative data about a protein’s kinetic parameters, such as diffusion coefficients, active transport rates, or binding and dissociation rates from other proteins (Figure 9–20).
利用与目的蛋白融合的 GFP 的另一种做法,称为光漂白后荧光恢复(FRAP)。其做法是:用激光发出的强聚焦光束熄灭细胞某一指定区域内的 GFP 荧光,随后即可分析剩余未被漂白的荧光蛋白分子随时间迁入漂白区域的方式。该技术与光激活一样,能给出关于蛋白质动力学参数的有价值的定量数据,例如扩散系数、主动运输速率,或与其他蛋白质的结合与解离速率(图 9–20)。
A strong focused pulse of laser light will extinguish, or bleach, fluorescent proteins. By selectively photobleaching a set of fluorescently tagged protein molecules within a defined region of a cell, the microscopist can monitor recovery over time, as the remaining fluorescent molecules move into the bleached region (see Movie 10.6).
一束强聚焦的激光脉冲会熄灭(即漂白)荧光蛋白。通过选择性地漂白细胞内某一限定区域中的一组荧光标记蛋白质分子,显微镜使用者就能随时间监测荧光的恢复,因为其余未被漂白的荧光分子会不断迁入该漂白区域(见 Movie 10.6)。
教材原文对照2 处
Another way to exploit GFP fused to a protein of interest is known as fluorescence recovery after photobleaching (FRAP). Here, a strong focused beam of light from a laser is used to extinguish the GFP fluorescence in a specified region of the cell, after which one can analyze the way in which remaining unbleached fluorescent protein molecules move into the bleached area as a function of time. This technique, like photoactivation, can deliver valuable quantitative data about a protein’s kinetic parameters, such as diffusion coefficients, active transport rates, or binding and dissociation rates from other proteins (Figure 9–20).
利用与目的蛋白融合的 GFP 的另一种做法,称为光漂白后荧光恢复(FRAP)。其做法是:用激光发出的强聚焦光束熄灭细胞某一指定区域内的 GFP 荧光,随后即可分析剩余未被漂白的荧光蛋白分子随时间迁入漂白区域的方式。该技术与光激活一样,能给出关于蛋白质动力学参数的有价值的定量数据,例如扩散系数、主动运输速率,或与其他蛋白质的结合与解离速率(图 9–20)。
A strong focused pulse of laser light will extinguish, or bleach, fluorescent proteins. By selectively photobleaching a set of fluorescently tagged protein molecules within a defined region of a cell, the microscopist can monitor recovery over time, as the remaining fluorescent molecules move into the bleached region (see Movie 10.6).
一束强聚焦的激光脉冲会熄灭(即漂白)荧光蛋白。通过选择性地漂白细胞内某一限定区域中的一组荧光标记蛋白质分子,显微镜使用者就能随时间监测荧光的恢复,因为其余未被漂白的荧光分子会不断迁入该漂白区域(见 Movie 10.6)。
教材原文对照2 处
B lymphocytes normally have a limited life span in culture, but individual antibody-producing B lymphocytes from an immunized mouse, when fused with cells derived from a transformed B lymphocyte cell line, can give rise to hybrids that have both the ability to make a particular antibody and the ability to multiply indefinitely in culture (Figure 8–3). These hybridomas are propagated as individual clones, each of which provides a permanent and stable source of a single type of monoclonal antibody.
B 淋巴细胞在培养中通常寿命有限,但取自免疫小鼠的单个产抗体 B 淋巴细胞,在与来源于转化 B 淋巴细胞系的细胞融合后,可以产生既能制造某一特定抗体、又能在培养中无限增殖的杂交细胞(图 8–3)。这些杂交瘤被作为一个个单独的克隆加以扩增,每个克隆都提供某一单一类型单克隆抗体的永久而稳定的来源。
But if the B lymphocytes that produce the various components of this antiserum are made into hybridomas, it becomes possible to screen individual hybridoma clones from the large mixture to select one that produces the desired type of monoclonal antibody and to propagate the selected hybridoma indefinitely so as to produce that antibody in unlimited quantities.
但如果把产生这份抗血清中各种成分的 B 淋巴细胞制成杂交瘤,就有可能从庞大的混合群体中筛选单个杂交瘤克隆,挑出能产生所需类型单克隆抗体的那一个,并把选中的杂交瘤无限扩增,从而无限量地生产该抗体。
教材原文对照1 处
Cell lines can often be most easily generated from cancer cells, but these cultures—referred to as transformed cell lines—differ from those prepared from normal cells in several ways. Transformed cell lines often grow without attaching to a surface, for example, and they can proliferate to a much higher density in a culture dish. Similar properties can be induced experimentally in normal cells by transforming them with a tumor-inducing virus or chemical.
细胞系往往最容易由癌细胞建立,但这类培养物——被称为转化细胞系——在若干方面不同于由正常细胞制备的培养物。例如,转化细胞系常常不贴附于表面也能生长,而且能在培养皿中增殖到高得多的密度。用致瘤病毒或化学致癌剂转化正常细胞,也可以在实验上诱导出类似的性质。
教材原文对照1 处
First, interactions between one protein and another can be monitored by Förster resonance energy transfer, also called fluorescence resonance energy transfer but both abbreviated to FRET. In this technique, two molecules of interest are each labeled with a different fluorochrome, chosen so that the emission spectrum of one fluorochrome, the donor, overlaps with the absorption spectrum of the other, the acceptor. If the two proteins interact in such a way as to bring their fluorochromes into very close proximity (closer than about 5 nm), one fluorochrome, when excited, can transfer energy from the absorbed light directly (by resonance, nonradiatively) to the other.
首先,一种蛋白质与另一种蛋白质之间的相互作用,可以通过福斯特共振能量转移来监测,它也被称为荧光共振能量转移,两者都缩写为 FRET。在该技术中,两个目标分子各自用一种不同的荧光基团标记,所选的荧光基团须满足:其中一个(供体)的发射光谱与另一个(受体)的吸收光谱相互重叠。如果两种蛋白质的相互作用使它们的荧光基团彼此靠得非常近(近于约 5 nm),那么其中一个荧光基团被激发后,就能把所吸收光的能量直接(以共振方式、非辐射地)转移给另一个。
教材原文对照1 处
Antibodies are proteins produced by the vertebrate immune system as a defense against infection (discussed in Chapter 24). They are unique among proteins in that they are made in billions of different forms, each with a different binding site that recognizes a specific target molecule (or antigen). The precise antigen specificity of antibodies makes them powerful tools for the cell biologist. When chemically coupled to fluorescent dyes, antibodies are invaluable for locating specific molecules in cells by fluorescence microscopy (Figure 9–14).
抗体是脊椎动物免疫系统为抵御感染而产生的蛋白质(见第 24 章)。它们在蛋白质中独一无二之处在于:可以有数十亿种不同形式,每一种都带有一个不同的结合位点,能识别某一特定的靶分子(即抗原)。抗体这种精确的抗原特异性,使其成为细胞生物学家的有力工具。当与荧光染料化学偶联后,抗体对于用荧光显微镜定位细胞内的特定分子极为宝贵(图 9–14)。
真选择题8 题
真判断题2 题
真填空题2 题
真简答题4 题
教材原文对照1 处
There are many other membrane-enclosed organelles in eukaryotic cells. Unlike the nucleus, most of them are enclosed by single membranes. The most extensive organelle is the endoplasmic reticulum (ER), which is where most cell membrane components are made, along with materials destined for secretion to the outside of the cell. The Golgi apparatus receives these molecules from the ER and modifies and packages them for secretion or transport to another cell compartment. Lysosomes are small irregularly shaped organelles in which intracellular digestion occurs. Peroxisomes are small vesicles where hydrogen peroxide is used to inactivate toxic molecules.
真核细胞中还有许多其他膜包裹的细胞器。与细胞核不同,它们大多数由单层膜包裹。最庞大的细胞器是内质网(ER),大多数细胞膜组分以及待分泌到细胞外的物质都在这里合成。高尔基体从内质网接收这些分子,对其修饰并包装,以便分泌或转运到另一个细胞区隔。溶酶体是形状不规则的小型细胞器,细胞内消化就在其中进行。过氧化物酶体则是小囊泡,其中利用过氧化氢使有毒分子失活。
教材原文对照1 处
In these cells, the limited proliferation capacity reflects a progressive shortening and uncapping of the cell’s telomeres, the repetitive DNA sequences and associated proteins that cap the ends of each chromosome (discussed in Chapter 5). Human somatic cells in the body have turned off production of the enzyme, called telomerase, that normally maintains the telomeres, which is why their telomeres shorten with each cell division.
在这些细胞中,增殖能力受限反映的是细胞端粒的逐渐缩短与“失帽”;端粒即封盖每条染色体末端的重复 DNA 序列及与之相关的蛋白质(见第 5 章)。人体内的体细胞已经关闭了端粒酶——这种正常维持端粒的酶——的产生,这就是它们的端粒会随每次细胞分裂而缩短的原因。
教材原文对照1 处
Human fibroblasts can often be coaxed to proliferate indefinitely by providing them with the gene that encodes the catalytic subunit of telomerase; in this case, they can be propagated as an immortalized cell line. Some human cells, however, cannot be immortalized by this trick. Although their telomeres remain long, they still stop dividing after a limited number of divisions because culture conditions cause excessive stimulation of cell proliferation, which activates a poorly understood protective mechanism that stops cell division—a process sometimes called culture shock.
如果给人类成纤维细胞导入编码端粒酶催化亚基的基因,它们往往就能被诱导着无限增殖,此时可作为永生化细胞系传代。不过,有些人类细胞并不能用这一招永生化:尽管它们的端粒仍然很长,却依旧在有限次数的分裂后停止分裂,因为培养条件会过度刺激细胞增殖,从而启动一种尚未弄清的保护性机制来停止细胞分裂——这一过程有时被称为“培养休克”。
教材原文对照1 处
The cell cultures obtained by disrupting tissues tend to suffer from a problem—eventually the cells die. Most vertebrate cells stop dividing after a finite number of cell divisions in culture, a process called replicative cell senescence (discussed in Chapter 17). Normal human fibroblasts, for example, typically divide only 25–40 times in culture before they stop. In these cells, the limited proliferation capacity reflects a progressive shortening and uncapping of the cell’s telomeres, the repetitive DNA sequences and associated proteins that cap the ends of each chromosome (discussed in Chapter 5).
通过打散组织而获得的细胞培养物往往面临一个问题——细胞最终会死亡。大多数脊椎动物细胞在培养中经过有限次数的细胞分裂后就停止分裂,这一过程称为复制性细胞衰老(见第 17 章)。例如,正常人成纤维细胞在培养中通常只分裂 25~40 次就停止。在这些细胞中,增殖能力受限反映的是细胞端粒的逐渐缩短与去帽;端粒即位于每条染色体末端、起帽子作用的重复 DNA 序列及其结合蛋白(见第 5 章)。
真问答题2 题
教材原文对照1 处
Unlike yeast, most tissue cells are not adapted to living suspended in fluid and require a solid surface on which to grow and divide. For cell cultures, this support is usually provided by the surface of a plastic culture dish. Cells vary in their requirements, however, and many do not proliferate or differentiate unless the culture dish is coated with materials that cells adhere to, such as polylysine or extracellular matrix components.
与酵母不同,大多数组织细胞并不适应悬浮于液体中生存,而需要一个固体表面供其生长和分裂。在细胞培养中,这种支撑通常由塑料培养皿的表面提供。不同细胞的要求各异,许多细胞除非培养皿被包被上细胞可黏附的材料(如多赖氨或细胞外基质成分),否则不会增殖或分化。
教材原文对照1 处
Embryonic stem cells are an important cell type isolated from the early mammalian embryo. As described in Chapter 22, these cells are pluripotent; that is, they have the potential to differentiate into any cell type in the body. When cultured in the presence of the appropriate extracellular signaling factors and nutrients, stem cells can be directed to differentiate into a wide range of specific cell types. Under some conditions, it is even possible to stimulate these cells to assemble into three-dimensional multicellular structures that are miniature versions of certain organs, such as the gut. These organoids provide a powerful tool for the analysis of tissue function (see Chapter 22).
胚胎干细胞是从哺乳动物早期胚胎中分离出的一类重要细胞。如第 22 章所述,这些细胞是多能的,即具有分化为体内任何细胞类型的潜能。在含有适当的细胞外信号因子和营养成分的条件下培养时,干细胞可被定向诱导分化为多种特定细胞类型。在某些条件下,甚至可以刺激这些细胞装配成三维的多细胞结构,即某些器官(如肠)的微型版本。这些类器官为分析组织功能提供了强有力的工具。
真论述题1 题
教材原文对照1 处
Cryo-electron microscopy (cryoEM) depends crucially on very rapidly freezing the aqueous specimen to form vitreous ice, which does not allow ice crystals to form and therefore does not damage the specimen. A very thin (about 100 nm) film of an aqueous suspension of purified macromolecular complex is prepared on a microscope grid and is then rapidly frozen by being plunged into a coolant.
冷冻电镜(cryoEM)至关重要地依赖于将含水样品极快速冻结以形成玻璃态冰;玻璃态冰不允许冰晶形成,因而不会损伤样品。先将纯化的大分子复合物水悬液制成非常薄(约 100 nm)的膜,附于镜用载网上,再把它投入冷却剂中快速冻结。
真实验题23 题
教材原文对照1 处
When centrifuged, the various components in the mixture move as a series of distinct bands through the solution, each at a different rate, in a process called velocity sedimentation (Figure 8-6A). For the procedure to work effectively, the bands must be protected from convective mixing, which would normally occur whenever a denser solution (for example, one containing organelles) finds itself on top of a lighter one (the salt solution). This is achieved by augmenting the solution in the tube with a shallow gradient of sucrose prepared by a special mixing device.
离心时,混合物中的各种组分以不同速率向下运动,形成一系列彼此分开的条带,这一过程称为速度沉降。为使该方法有效,必须保护条带不受对流混合的干扰——只要较重的溶液(例如含细胞器的那一层)处于较轻溶液(盐溶液)之上,就会发生对流混合。解决办法是用专门的混合装置在离心管内制备一个浅蔗糖梯度。
教材原文对照1 处
The ultracentrifuge is also used to separate cell components on the basis of their buoyant density, independently of their size and shape. In this case, the sample is sedimented through a steep density gradient that contains a very high concentration of sucrose or cesium chloride. Each cell component begins to move down the gradient as in Figure 8–6A, but it eventually reaches a position where the density of the solution is equal to its own density.
超速离心机还可以根据细胞组分的浮力密度、而与其大小和形状无关地将它们分开。这时,样品被离心通过一个含有很高浓度蔗糖或氯化铯的陡密度梯度。每一种细胞组分都像图 8–6A 那样开始沿梯度下行,但最终会到达一个位置,在那里溶液的密度恰好等于它自身的密度。
教材原文对照2 处
Molecules in all kinds of thin sections can be labeled to identify and localize them. We have seen earlier how antibodies can be used in conjunction with fluorescence microscopy to localize specific macromolecules. An analogous method—immunogold electron microscopy—can be used in the electron microscope. The usual procedure is to incubate a thin section first with a specific primary antibody, and then with a secondary antibody to which a colloidal gold particle has been attached. The gold particle is electron-dense and can be seen as a black dot in the electron microscope (Figure 9–43). Different antibodies can be conjugated to different-sized gold particles so multiple proteins can be localized in a single sample.
各类超薄切片中的分子都可以被标记,以便鉴定和定位。前文已介绍了如何将抗体与荧光显微术结合来定位特定大分子;类似的方法——免疫胶体金电镜术——也可用于电子显微镜。通常的做法是先用特异性的第一抗体与超薄切片孵育,再用偶联了胶体金颗粒的第二抗体孵育。金颗粒具有电子致密性,在电镜下表现为黑点。不同抗体可偶联不同大小的金颗粒,因而可在同一样品中定位多种蛋白质。
Biological tissues are composed mainly of atoms of very low atomic number (primarily carbon, oxygen, nitrogen, and hydrogen). To make them more readily visible, tissues are often impregnated (before or after sectioning) with the salts of heavy metals such as uranium, lead, and osmium. The degree of impregnation, or “staining,” with these salts will vary for different cell constituents. Lipids, for example, tend to stain darkly after osmium fixation, revealing the location of cell membranes (see, for example, Figure 12–2 or Figure 12–15).
生物组织主要由原子序数很低的原子(主要是碳、氧、氮、氢)组成。为了使它们更易于观察,常常要用铀、铅、锑等重金属的盐对组织(在切片前或切片后)进行浸泡。不同细胞成分对这些盐的浸泡程度(即“染色”)各不相同。例如,脂质在锑酸固定后往往着色很深,从而显示出细胞膜的位置。
教材原文对照2 处
Because the specimen is exposed to a very high vacuum in the electron microscope, living tissue is usually killed and preserved by chemical fixation. As electrons have very limited penetrating power, the fixed tissues normally have to be cut into extremely thin sections (25–100 nm thick, about 1/200 the thickness of a single cell) before they are viewed. This is achieved by dehydrating the specimen, permeating it with a monomeric resin that polymerizes to form a solid block of plastic, then cutting the block with a fine glass or diamond knife on a special microtome. The resulting ultrathin sections, free of water and other volatile solvents, are supported on a small metal grid for viewing in the microscope (Figure 9–41).
由于样品在电镜中暴露于极高真空,活组织通常要用化学固定杀死并保存。因为电子的穿透能力很有限,固定后的组织通常必须先切成极薄的切片(25–100 nm 厚,约为单个细胞厚度的 1/200)才能观察。具体做法是:将样品脱水,用单体树脂渗透并使其聚合成固体塑料块,再用精细的玻璃刀或钻石刀在专用切片机上切开塑料块。所得的超薄切片不含水及其他易挥发溶剂,被承载在小小的金属载网上以供镜下观察。
However, we often want to examine thin sections, and the frozen tissue can be sectioned directly in a cooled microtome. A compromise is to rapidly freeze the tissue, replace the water with organic solvents, embed the tissue in plastic resin, and finally cut sections. This approach, called freeze substitution, stabilizes and preserves the tissue in a condition very close to its original living state (Figure 9–42).
不过,我们往往仍希望观察薄切片,而冻结的组织可以在冷却的切片机上直接切片。一种折中的做法是:先将组织快速冻结,再用有机溶剂置换其中的水,然后用塑料树脂包埋,最后切片。这种方法称为冷冻置换(freeze substitution),它能使组织稳定并保存在与其原来活体状态极为接近的状况中。
教材原文对照2 处
It is possible to fuse one cell with another to form a heterokaryon, a combined cell with two separate nuclei. Typically, a suspension of cells is treated with certain inactivated viruses or with polyethylene glycol, each of which alters the plasma membranes of cells in a way that induces them to fuse.
可以将一个细胞与另一个细胞融合,形成异核细胞(heterokaryon)——一个含有两个独立细胞核的融合细胞。典型做法是用某些灭活病毒或聚乙二醇处理细胞悬液,二者都能改变细胞的质膜,从而诱导细胞相互融合。
After a small region of the plasma membrane is selectively photobleached, the remaining fluorescent molecules diffuse rapidly within the plane of the membrane and populate the bleached region. This recovery can be followed as a function of time.
在质膜的一个小区域被选择性地光漂白之后,剩余的荧光分子会在膜平面内快速扩散,并填充到漂白区域中。这一恢复过程可以作为时间的函数加以追踪。
教材原文对照1 处
This treatment separates cell components by size and density: in general, the largest objects experience the largest centrifugal force and move the most rapidly. At relatively low speed, large components such as nuclei sediment to form a pellet at the bottom of the centrifuge tube; at slightly higher speed, a pellet of mitochondria is deposited; and at even higher speeds and with longer periods of centrifugation, first vesicles and then ribosomes can be collected (Figure 8–5). All of these fractions are impure, but many of the contaminants can be removed by resuspending the pellet and repeating the centrifugation procedure several times.
这一处理按大小和密度分离细胞组分:一般而言,最大的颗粒受到的离心力最大,也运动得最快。在相对低的转速下,细胞核这类大组分沉降到离心管底形成沉淀;转速稍高时,得到线粒体的沉淀;转速更高、离心时间更长时,则依次可收集到囊泡和核糖体。所有这些组分都不纯,但可以把沉淀重新悬浮并反复离心多次,以除去其中许多杂质。
教材原文对照2 处
The antibodies employed in microscopy are commonly either purified from antiserum so as to remove all nonspecific antibodies or they are specific monoclonal antibodies that only recognize the target molecule. When we use antibodies as probes to detect and assay specific molecules in cells, we frequently use methods to amplify the fluorescent signal they produce.
显微术中所用的抗体,通常要么是从抗血清中纯化以去除所有非特异性抗体,要么是只识别靶分子的特异性单克隆抗体。当我们用抗体作为探针来检测和测定细胞中的特定分子时,常常使用各种方法来放大它们产生的荧光信号。
A versatile and widely used technique is to couple fluorescent dyes to antibody molecules, which then serve as highly specific and versatile staining reagents that bind selectively to the particular macromolecules they recognize in cells or in the extracellular matrix. Two fluorescent dyes that have been commonly used for this purpose are fluorescein, which emits an intense green fluorescence when excited with blue light, and rhodamine, which emits a deep red fluorescence when excited with green-yellow light (Figure 9–12).
一种多用途且广泛使用的技术,是将荧光染料偶联到抗体分子上,使其成为高度特异、用途广泛的染色试剂,选择性地结合它们在细胞中或细胞外基质中所识别的特定大分子。为此常用的两种荧光染料是荧光素(受蓝光激发时发出强烈的绿色荧光)和罗丹明(受黄绿光激发时发出深红色荧光)。
教材原文对照2 处
The lost information in the third dimension can be recovered if we have views of the same specimen but from many different directions. The computational methods for this technique are widely used in medical CT scans. In a CT scan, the imaging equipment is moved around the patient to generate the different views. In electron microscope (EM) tomography, the specimen holder is tilted in the microscope, which achieves the same result. The specimen is usually tilted to a maximum of 60° in every direction, and in this way we can arrive at a three-dimensional reconstruction, in a chosen standard orientation, by combining different views of a single object.
如果能从许多不同方向获得同一样品的图像,丢失的第三维信息就可以被恢复。这种技术所用的计算方法已广泛用于医学 CT 扫描。在 CT 扫描中,成像设备绕患者移动以获得不同角度的图像;而在电镜断层成像(EM tomography)中,则是在镜内倾斜样品杆来达到同样效果。样品通常在各个方向上最大倾斜 60°,这样就能把同一物体的不同视图组合起来,得到一个处于选定标准取向的三维重构。
Thick plastic sections of embedded material have been used to create three-dimensional reconstructions, or tomograms (Movie 9.2), of cells, but increasingly microscopists are applying EM tomography to unstained, frozen, hydrated sections, and even to rapidly frozen whole cells or organelles.
人们曾用包埋材料的厚塑料切片来制作细胞的三维重构(即断层图,tomograms),但显微镜学家正越来越多地将电镜断层成像应用于未经染色的、冻结的、保持水化状态的切片,甚至应用于快速冻结的整个细胞或细胞器。
教材原文对照1 处
When small amounts of protein are present and more sensitive methods are required, gels can be treated with a silver stain, which will detect as little as 10 ng of protein in a band. For some purposes, specific proteins can also be labeled with a radioactive isotope tag; exposure of the gel to film or a radiation detector results in an autoradiograph on which the labeled proteins are visible (see Figure 8–16).
当蛋白质量很少、需要更灵敏的方法时,可对凝胶做银染色,它能检出条带中低至 10 ng 的蛋白质。出于某些目的,还可以用放射性同位素标签标记特定蛋白质;将凝胶曝光于胶片或辐射探测器,就得到一张放射自显影图,其上可见被标记的蛋白质。
教材原文对照1 处
The limiting separation at which two objects appear distinct—the so-called limit of resolution—depends on both the wavelength of the light and the numerical aperture of the lens system used. The numerical aperture affects the light-gathering ability of the lens and is related both to the angle of the cone of light that can enter it and to the refractive index of the medium the lens is operating in; the wider the microscope opens its eye, so to speak, the more sharply it can see (Figure 9–5).
使两个物体仍能被区分开的最小间距——即所谓的分辨率极限——取决于光的波长和所用透镜系统的数值孔径。数值孔径影响透镜的集光能力,它既与能够进入透镜的光锥角度有关,也与透镜所处介质的折射率有关;打个比方,显微镜“睁眼”睁得越大,它就看得越清楚。
教材原文对照1 处
The GFP DNA-coding sequence can also be inserted at the beginning or end of the coding sequence for another protein, yielding a chimeric product consisting of that protein with a new GFP domain attached. In many cases, this GFP fusion protein behaves in the same way as the original protein, directly revealing its location and activities by means of its genetically encoded fluorescence (Figure 9–18).
GFP 的 DNA 编码序列也可以插入另一种蛋白质编码序列的起始或末端,产生一种嵌合产物,即该蛋白质上附加了一个新的 GFP 结构域。在很多情况下,这种 GFP 融合蛋白的行为与原来的蛋白质相同,因而能借由其基因编码的荧光直接显示该蛋白质的定位与活动。
教材原文对照2 处
A major goal for cell biologists is the reconstitution of every biological process in a purified cell-free system. Only in this way can we define all of the components needed for the process and control their concentrations, which is required to work out their precise mechanism of action.
细胞生物学家的一个重要目标,是在纯化的无细胞体系中重建每一项生物学过程。只有这样,我们才能确定该过程所需的全部组分并控制它们的浓度,而这正是弄清其精确作用机制所必需的。
Using the recombinant DNA methods discussed later in this chapter, any gene can be modified to produce its protein with an extra amino acid sequence that provides a specific recognition tag, so as to make subsequent purification of the protein simple and rapid. Often the recognition tag is an antigenic determinant, or epitope, which can be recognized by a highly specific monoclonal antibody. The antibody can then be used to purify the protein by affinity chromatography or immunoprecipitation (Figure 8–11).
利用本章后面讨论的重组 DNA 方法,任何基因都可以被改造,使其产物携带一段额外的、提供特异识别标签的氨基酸序列,从而使后续的蛋白纯化变得简单而快速。这种识别标签往往是一个抗原决定簇(表位),可被高度特异的单克隆抗体所识别。随后就可以用该抗体通过亲和层析或免疫沉淀来纯化这个蛋白质。
教材原文对照1 处
A major disadvantage, however, of all fluorescence imaging techniques is that it is only the tagged molecules that are imaged—their cellular context remains invisible. When fluorescence imaging is combined, however, with looking at the same specimen in the electron microscope, this correlative light microscopy and electron microscopy technique, or CLEM, can allow specific target molecules to be examined in their full cellular context.
然而,所有荧光成像技术都有一个重大缺点:能成像的只有被标记的分子,它们所处的细胞环境仍然不可见。但如果把荧光成像与对同一样品的电镜观察结合起来,这种光镜-电镜相关成像技术(CLEM)就能使特定靶分子在其完整的细胞环境中得到考察。
教材原文对照2 处
By coupling one antibody to fluorescein and another to rhodamine, the distributions of different molecules can be compared in the same cell; the two molecules are visualized separately in the microscope by switching back and forth between two sets of filters, each specific for one dye. As shown in Figure 9–13, multiple fluorescent dyes can be used in the same way to clearly distinguish several different types of molecules in the same cell.
把一种抗体偶联荧光素、另一种抗体偶联罗丹明,就可以在同一个细胞中比较不同分子的分布;只需在两组分别适配一种染料的滤光片之间来回切换,便可在显微镜下分别观察这两种分子。如图 9–13 所示,同样可以使用多种荧光染料,以清晰地区分同一细胞中几种不同类型的分子。
The fluorescent dyes used for staining cells are visualized with a fluorescence microscope. This microscope is similar to an ordinary upright or inverted light microscope except that the illuminating light, from a very powerful source, is passed through two sets of filters—one to filter the light before it reaches the specimen, and one to filter the light obtained from the specimen. The first filter passes only the wavelengths that excite the particular fluorescent dye, while the second filter blocks out this light and passes only those wavelengths emitted when the dye fluoresces (Figure 9–10C).
用于细胞染色的荧光染料要用荧光显微镜来观察。这种显微镜与普通的正置或倒置光学显微镜相似,差别在于:来自强光源的照明光要依次通过两套滤光片——一套在光到达样品之前过滤,另一套过滤从样品得到的光。第一块滤光片只让能激发该荧光染料的波长通过;第二块则挡掉这些光,只让染料发荧时发出的波长通过。
教材原文对照1 处
Another approach is to use flow cytometry, which works by streaming a dilute suspension of cells past an illuminator and measuring the fluorescence of individual cells as they flow past the detector. Fluorescence values can be used to build histograms that reveal the variability in a process across a population of cells, with a broad histogram indicating higher variability.
另一种方法是使用流式细胞术:它的工作方式是让稀释的细胞悬液流过一个光源,并在细胞逐个流过探测器时测定单个细胞的荧光。所得的荧光值可用于绘制直方图,从而揭示某一过程在细胞群体中的变异情况,直方图越宽说明变异越大。
教材原文对照2 处
Measurements of the fluorescence intensity in the bleached area as a function of time can be plotted as a fluorescence recovery curve. From such graphs quantitative data can be derived about the rate of recovery and the fraction of fluorescent protein molecules that are either mobile or immobile.
将漂白区域内的荧光强度作为时间的函数测定后,可以绘成一条荧光恢复曲线。从这类图谱中,可以得到关于恢复速率、以及荧光蛋白分子中可动部分与不可动部分所占比例的定量数据。
This cultured mammalian cell is expressing an integral membrane protein called CD86, which is fused with a fluorescent protein. CD86 is a co-stimulatory protein present in the plasma membrane of antigen-presenting cells and is required for the activation of T cells (see Figure 24–34).
这个培养的哺乳动物细胞表达着一种名为 CD86 的质膜整合蛋白,它与一种荧光蛋白融合在一起。CD86 是一种共刺激蛋白,存在于抗原提递细胞的质膜上,是 T 细胞激活所必需的。
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This detection method is very sensitive because many molecules of the secondary antibody recognize each primary antibody. The secondary antibody is covalently coupled to a marker molecule that makes it readily detectable. Commonly used marker molecules include fluorescent dyes (for fluorescence microscopy) and colloidal gold spheres (for electron microscopy).
这种检测方法非常灵敏,因为每一个第一抗体都可被许多个第二抗体分子识别。第二抗体与一种使其易于被检测的标记分子共价偶联。常用的标记分子包括荧光染料(用于荧光显微术)和胶体金颗粒(用于电子显微术)。
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One of the simplest uses of GFP is as a reporter molecule, a fluorescent probe to monitor gene expression. A transgenic organism can be made with the GFP-coding sequence placed under the transcriptional control of the promoter belonging to a gene of interest, giving a directly visible readout of the gene’s expression pattern in the living organism (Figure 9–17). In another application, a peptide location signal can be added to the GFP to direct it to a particular cell compartment, such as the endoplasmic reticulum or a mitochondrion (see Figure 9–25B), lighting up these organelles so they can be observed in the living state.
GFP 最简单的用途之一是作为报告分子,即用于监测基因表达的荧光探针。可以制备这样一种转基因生物:把 GFP 编码序列置于目的基因启动子的转录控制之下,从而在活体中直接可见地读出该基因的表达模式。在另一种应用中,可以给 GFP 加上一段肽定位信号,把它定向到某一特定的细胞区隔,如内质网或线粒体,从而点亮这些细胞器,使其在活的状态下便能被观察。
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Foremost among the fluorescent proteins used for these purposes by cell biologists is the green fluorescent protein (GFP), isolated from the jellyfish Aequorea victoria. This protein is encoded by a single gene, which can be cloned and introduced into cells of other species. The freshly translated protein is not fluorescent, but within an hour or so (less for some alleles of the gene, more for others) some of the amino acids undergo a self-catalyzed post-translational modification to generate an efficient fluorochrome, shielded within the interior of a barrel-like protein, which will now fluoresce green when illuminated appropriately with blue light (Figure 9–16).
在细胞生物学家为此类目的所用的荧光蛋白中,首屈一指的是从水母 Aequorea victoria 中分离的绿色荧光蛋白(GFP)。该蛋白由单一基因编码,这个基因可以被克隆并导入其他物种的细胞。刚翻译出的蛋白并不发荧光,但大约一小时后(因等位基因而或长或短),其中部分氨基酸会发生自催化的翻译后修饰,生成一个高效的发色团;它被屏蔽在桶状蛋白的内部,在适当的蓝光照射下就会发出绿色荧光。
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Yet many cellular structures—from nuclear pores and ribosomes to nucleosomes and clathrin-coated pits—are much smaller than this and so are unresolvable by conventional light microscopy. However, several approaches are now available that bypass the limit imposed by the diffraction of light, and some can now successfully resolve objects as small as 10 nm, a remarkable, twentyfold improvement.
然而,许多细胞结构——从核孔、核糖体到核小体和网格蛋白包被小窝——都比这个极限小得多,因而无法用常规光学显微镜分辨。不过,现在已有几种途径可以绕开光的衍射所施加的限制,其中一些已能成功分辨小至 10 nm 的物体,相当于提高了令人惊叹的二十倍。