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细胞冷冻电镜到底是什么神兵利器?

时间:2020-01-08 10:18 作者:

冷冻电镜它首先是一个电镜。

而电镜是电子显微镜的缩写。所谓电子显微镜,又是在光学显微镜的基础上发展出来的。

光学显微镜使用可见光作为探针来观测微观物体,比方光学显微镜能够调查细胞。可是,关于细胞内的蛋白质分子,光学显微镜就看不见它了。

为什么呢?

原因其实很简单,光学显微镜使用的是光子的波动性,而光子的波长大概在500纳米左右。 蛋白质分子巨细在1-100nm之间,所以光子的波长比蛋白质分子还要大,因而光照在蛋白质分子上就如同一只鸭子要去“踩死”一只蚂蚁,这肯定是“踩”不住的。光波能绕过蛋白质分子,也就看不到蛋白质了。

为了“踩”住一个蚂蚁,必须有一根比蚂蚁还小的针,在蚂蚁背上插下去。这便是电子显微镜的来历。

电子的波长是光子波长的十万分之一左右,是一根极细的探针,理论上它打在蛋白质分子这类生物大分子身上能被反射,这些反射的电子就能发生一张相片,这便是电子显微镜的基本原理。

但是,电子显微镜也只是在理论上能够看到蛋白质分子。

由于电子显微镜一般只能用来观测一些无机样品,比方它能够看石墨的外表,也能够看陶瓷的外表。但一旦让电子显微镜的电子去炮击蛋白质分子这类生物大分子的时分,问题就出来了。

第一个问题是真空问题,电子显微镜的电子只能在真空中飞翔的时分才干保持稳定的动能。而蛋白质这类生物大分子一般处于溶液中,在真空环境下,溶液会蒸发出来,污染电子显微镜。

第二个问题是电子打在蛋白质这类生物大分子上简单把蛋白质打坏了,由于电子的能量比较高,而生物大分子一般依托氢键来构成它的空间结构,氢键的能量很低,电子打上去今后,氢键就被打断了。

第三个问题则愈加严峻,由于蛋白质分子这类生物大分子是有活性的,它们是运动的,电子打上去反射回来的方向会由于分子的运动而变得乱七八糟。这就如同咱们用一般傻瓜相机拍照赛车竞赛,拍出来的相片满是虚的——原因很简单:赛车是在运动的。

根据以上三个原因,所以传统的电子显微镜是看不了蛋白质分子有活性的生物大分子的。

为了处理这个困难,冷冻电镜技能应运而生。


怎么冷冻?

为了观测蛋白质分子这类生物大分子的空间结构,研讨空间结构与生物大分子的功用之间的联络,科学家们需要在真空环境下把蛋白质分子固定住。

在这个指导思想下,科学家想到了冷冻的办法。

他们用液态的乙烷等快速冷冻含有水分的生物样品,这样就能够制备出很薄的水膜。冷冻完结今后,就能够用电镜来观测蛋白质等生物大分子的空间结构了。

以上首要说了冷冻电镜的硬件原理。当然,为了正在解分出拍照到的许多二维相片与生物大分子的三维空间结构之间的联系,还需要一套很好的计算机软件算法。

冷冻电镜首要是促进了结构生物学的蓬勃发展。所以,这一次诺贝尔化学奖又成了当之无愧的“理科综合奖”,由于它奖赏给了物理学家,而被用到了生物学研讨范畴。

诺奖评选委员会说,上一年拉丁美洲爆发严峻的寨卡疫情,研讨者使用低温冷冻电子显微镜技能,成功观测到寨卡病毒的结构,这是传统电子显微镜无法做到的,也是这项新技能实践使用的一个比如。本年的化学奖是跨学科研讨的一个典型,技能在科学发现中正发挥越来越重要的效果。

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