细胞生物学概论全册配套完整精品课件1.ppt

1、细胞生物学概论全册配套完整细胞生物学概论全册配套完整 精品课件精品课件1 第一章第一章 绪论绪论 第一节第一节 细胞生物学研究的内容与现状细胞生物学研究的内容与现状 第二节第二节 细胞生物学发展简史细胞生物学发展简史 一、细胞的发现一、细胞的发现 二、细胞学说二、细胞学说 三、细胞超微结构研究三、细胞超微结构研究 1. About “Cell Biology” What? Forwhy? How to study? “What is popular in research today？” 3 kinds of diseases ： cancer cardiovascular diseases

2、infectious diseases：AIDS，hepatitis 5 research fields ： cell cycle control ； cell apoptosis； cellular senescence； signal transduction； DNA damage and repair. What we know/How we know. 概念概念 细胞生物学（细胞生物学（cell biology)-cell biology)-是是 从细胞整体水平、亚显微结构水平和分子从细胞整体水平、亚显微结构水平和分子 水平三个层面来研究细胞的结构及其生命水平三个层面来研究细胞的结构

3、及其生命 活动规律的科学。活动规律的科学。 二、研究对象：细胞二、研究对象：细胞 显微水平，光学显微镜下可见的结构。显微水平，光学显微镜下可见的结构。 超微水平，电子显微镜下可见的结构。超微水平，电子显微镜下可见的结构。 分子水平，细胞结构的分子组成，及其在生命分子水平，细胞结构的分子组成，及其在生命 活动中的作用。活动中的作用。 二二. . 细胞生物学的主要研究内容细胞生物学的主要研究内容 两大内容：两大内容： 细胞的结构。细胞的结构。 细胞的功能及重要生命活动。细胞的功能及重要生命活动。 1 1、细胞核、细胞核nucleusnucleus，染色体，染色体chromosomechromoso

4、me以及基以及基 因表达因表达 2 2、生物膜与细胞器、生物膜与细胞器 3 3、细胞骨架体系、细胞骨架体系 4 4、细胞增殖及其调控、细胞增殖及其调控 5 5、细胞分化及其调控、细胞分化及其调控 6 6、细胞的衰老与凋亡、细胞的衰老与凋亡 7 7、细胞的起源与进化、细胞的起源与进化 8 8、细胞工程：细胞生物学与遗传学的交叉领域、细胞工程：细胞生物学与遗传学的交叉领域 当前细胞生物学研究中的三大基本问题当前细胞生物学研究中的三大基本问题 细胞内的基因组如何在时间与空间上有序表达？细胞内的基因组如何在时间与空间上有序表达？ 基因表达的产物如何装配行使功能及各种细胞器？基因表达的产物如何装配行使功

5、能及各种细胞器？ 组装过程的调控程序与调控机制是什么？组装过程的调控程序与调控机制是什么？ 基因表达产物基因表达产物主要活性分子与信号分子如何主要活性分子与信号分子如何 调节细胞最重要生命活动的？调节细胞最重要生命活动的？ SCI SCI（Science Citation IndexScience Citation Index）收录的全）收录的全 世界自然科学研究论文发表最集中的三个领世界自然科学研究论文发表最集中的三个领 域分别是：域分别是： 细胞信号转导（细胞信号转导（signal transductionsignal transduction）；）； 细胞凋亡（细胞凋亡（cell apo

6、ptosiscell apoptosis）；）； 基因组与后基因组学研究（基因组与后基因组学研究（genome and genome and post-genomic analysispost-genomic analysis）。 第二节第二节 细胞生物学的发展简史细胞生物学的发展简史 一一. .细胞的发现细胞的发现（ 1616世纪末世纪末-19-19世纪世纪3030年代）年代） 细胞的发现是细胞的发现是显微镜显微镜的发明和应用的结果。的发明和应用的结果。 1. 1. 第一台显微镜第一台显微镜是荷兰眼镜商詹森是荷兰眼镜商詹森(Hans (Hans Janssen)Janssen)在在16041

7、604年发明的年发明的. . 由由2 2个透镜个透镜组成，光学性能不理想，未显示组成，光学性能不理想，未显示 出实用性。出实用性。 随着技术的改进，出现了复式显微镜随着技术的改进，出现了复式显微镜 2.16652.1665年，英国的物理学家年，英国的物理学家胡克（胡克（R. HookR. Hook） 第一次发现细胞第一次发现细胞( (木栓木栓) ) 3.16743.1674年，荷兰生物学家年，荷兰生物学家列文虎克列文虎克(Anton (Anton van Leeuwenhoek)van Leeuwenhoek)他一生中制作了他一生中制作了200200多台多台 显微镜和显微镜和400400多个镜

8、头多个镜头, ,第一次观察到完整第一次观察到完整 的活细胞，的活细胞，在池塘水中发现了原生物。在池塘水中发现了原生物。 Robert Hooke 现代显微镜现代显微镜 二二. .细胞学说细胞学说(cell theory)(cell theory)的创立的创立 （ 19世纪30-20世纪初期） 18381838年，年， 德国植物学家施来登德国植物学家施来登(Mathias (Mathias Schleiden)Schleiden)提出提出: : 植物是由细胞构成的，植物的植物是由细胞构成的，植物的 胚是由单个细胞产生的胚是由单个细胞产生的 ; ; 18391839年，年， 德国动物学家施旺德国动

9、物学家施旺(Theodor Schwann)(Theodor Schwann) 提出提出地球上的生物都是由细胞构成的地球上的生物都是由细胞构成的; ; 所所 有的生活细胞在结构上都是类似的有的生活细胞在结构上都是类似的 ; ; 18851885年，年，德国医生和病理学家魏尔肖德国医生和病理学家魏尔肖(Rudolf (Rudolf Virchow)Virchow)补充了细胞学说的第三条原理补充了细胞学说的第三条原理: : 所有的所有的 细胞都是来自于已有细胞的分裂，即细胞都是来自于已有细胞的分裂，即细胞来自于细胞来自于 细胞细胞 Matthias Jacob SchleidenTheodar S

10、chwann 细胞学说的提出，将生物学的细胞学说的提出，将生物学的 研究从研究从宏观水平和大体水平引入到宏观水平和大体水平引入到 微观水平微观水平 油镜的使用，标本制备中的切油镜的使用，标本制备中的切 片、固定、染色等技术的发展，片、固定、染色等技术的发展，细细 胞的内部结构迅速被发现胞的内部结构迅速被发现 细胞学理论对细胞学发展的推动作用细胞学理论对细胞学发展的推动作用 1.1.原生质理论的提出原生质理论的提出: : 1840 1840年普金耶年普金耶(Pukinje)(Pukinje)在动物、在动物、18461846 年冯年冯莫耳莫耳(von.Mohl)(von.Mohl)在植物中分别看到

11、了在植物中分别看到了 “肉样质肉样质”的物质，并将其命名为的物质，并将其命名为“原生原生 质质” 。 18611861年舒尔策年舒尔策(Max Schultze)(Max Schultze)认为动认为动 植物细胞中的原生质具有同样的意义，提植物细胞中的原生质具有同样的意义，提 出了出了原生质理论原生质理论 2.2.细胞受精和分裂的研究细胞受精和分裂的研究 1875 1875年赫特维希年赫特维希(O.Hertwig)(O.Hertwig)发现发现受精卵受精卵 中两亲本核的合并中两亲本核的合并;1877;1877年年StrasburgerStrasburger发发 现现动物的受精现象动物的受精现象

12、; ; 18831883年年van Benedenvan Beneden在动物中、在动物中、18861886年年 Stras-burgerStras-burger在植物中发现了在植物中发现了减数分裂现减数分裂现 象象; ; 1880-18821880-1882年年FlemmingFlemming在蝾螈幼虫的组织细在蝾螈幼虫的组织细 胞中发现了胞中发现了有丝分裂有丝分裂 3.3.一些重要细胞器的发现一些重要细胞器的发现 18831883年年Van BenedenVan Beneden和和BoveriBoveri在动、植物细在动、植物细 胞中发现了胞中发现了中心体中心体; ; 18881888年沃

13、尔德耶年沃尔德耶(Waldeyer)(Waldeyer)提出提出染色体概染色体概 念念; ; 18981898年高尔基年高尔基(Golgi)(Golgi)发现了发现了高尔基复合体高尔基复合体; ; 同年，同年，线粒体线粒体也被正式命名也被正式命名 实验细胞学与细胞学的分支及其实验细胞学与细胞学的分支及其 发展发展 细胞遗传学的发展细胞遗传学的发展 细胞生理学的研究细胞生理学的研究 细胞化学细胞化学 细胞遗传学的发展细胞遗传学的发展 1876 O.Hertwig发现动物受精； 1883 Van Beneden性细胞染色体； 1888 Strasburger，1893 Oveerton植物受精；

14、1900孟德尔遗传法则被重新发现; 1905Wilson性别与染色体关系; Weissman遗传单位有序排列在染色体上; Borveri和Sutton染色体学说; 1910Morgan基因及基因学说 细胞生理学的研究细胞生理学的研究 1909 Harrison 和Carrel创立组织培养 技术 1943 Claude高速离心机从活细胞分离 细胞器 细胞化学细胞化学 1924Feulgen 定性定位DNA 1940 Brachet 甲基绿派洛宁测定细胞中 DNA和RNA 1936和1940 Casperson 紫外分光光度法测定 DNA含量，并认为蛋白质合成与 RNA有关 细胞组分分离技术，放射

15、自显影技术和超微量 分析方法，核酸与蛋白质 近20年，显微分光光度、流式分光光度、放 射自显影、分子原位杂交、免疫荧光光度计、 免疫胶体金技术、激光共焦点扫描显微镜 三、细胞生物学的兴起三、细胞生物学的兴起 （从20世纪30年代-50年代） 19321932年，德国人年，德国人M.KnollM.Knoll和和E.A.F.RuskaE.A.F.Ruska发明电镜，发明电镜， 19401940年，美、德制造出分辨力为年，美、德制造出分辨力为0.2nm0.2nm的商品电镜的商品电镜。 19811981年，瑞士人年，瑞士人G.BinnigG.Binnig和和H.RoherIH.RoherI在在IBMI

16、BM苏黎世实验中心苏黎世实验中心 （Zurich Research CenterZurich Research Center）发明了扫描隧道显微镜而与）发明了扫描隧道显微镜而与 电镜发明者电镜发明者RuskaRuska同获同获19861986年度的诺贝尔物理学奖。年度的诺贝尔物理学奖。 Cs atoms (red) on the GaAs surface (blue). 显微镜放大倍数显微镜放大倍数最大为最大为10001000倍倍，最小分辨，最小分辨 率距离为率距离为0.2um0.2um 电子显微镜放大倍数可达几十万倍，分辨电子显微镜放大倍数可达几十万倍，分辨 率可达率可达1nm1nm 细胞细

17、胞显微结构从亚微水平的重新认识显微结构从亚微水平的重新认识。 膜相结构膜相结构 单位膜的概念单位膜的概念 溶酶体溶酶体 过氧化物酶体过氧化物酶体 细胞骨架等细胞骨架等 19651965年年E.D.P.Derobetis E.D.P.Derobetis 将原著将原著“普通生普通生 物学物学”更名为更名为“细胞生物学细胞生物学” 四、细胞分子生物学四、细胞分子生物学 （从（从2020世纪世纪5050年代至今）年代至今） J. WatsonJ. Watson和和H. H. CrickCrick的的DNADNA双螺双螺 旋模型的提出到旋模型的提出到 7070年代分子克隆年代分子克隆 技术的成熟到当技术

18、的成熟到当 前前 当今细胞生物学研究的主要内容当今细胞生物学研究的主要内容 : : 细胞整体细胞整体, , 亚显微结构亚显微结构, , 分子分子 Leland H. Hartwell R. Timothy (Tim) Hunt Sir Paul M. Nurse 2002年，英国人布雷诺尔、美国人霍维茨和英国人 苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性 死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理学或医学奖。 Sydney BrennerH. Robert HorvitzJohn E. Sulston 2003年，美国科学家彼得阿格雷和罗德里克麦金 农，分别因对细胞膜水通道，离子通道结构和机理 研究而

19、获诺贝尔化学奖。 Peter AgreRoderick MacKinnon 19811981年，美国首次发现艾滋病，年，美国首次发现艾滋病，19831983年，法国年，法国 巴斯德研究所的巴斯德研究所的Luc Montagbier Luc Montagbier 发现发现AIDSAIDS病毒。病毒。 艾滋病的全称为艾滋病的全称为Acquired ImmunoDeficiency Acquired ImmunoDeficiency Syndrome Syndrome ，由人类免疫缺陷病毒，由人类免疫缺陷病毒HIVHIV引起。引起。2020 年来全球共有约年来全球共有约58005800万人受到艾滋病

20、病毒感染，万人受到艾滋病病毒感染， 22002200万人死于艾滋病。我国于万人死于艾滋病。我国于19851985年发现。年发现。 。 HIVHIV有以下特点：有以下特点： 嗜嗜T T淋巴细胞；整合宿主细胞终身难以消除；淋巴细胞；整合宿主细胞终身难以消除； 多变性，基因变异是艾滋病病毒致病能力增强多变性，基因变异是艾滋病病毒致病能力增强 之原因；广泛存在于感染者的之原因；广泛存在于感染者的血液、精液、阴血液、精液、阴 道分泌物以及唾液、尿液、脑脊液及有神经症状道分泌物以及唾液、尿液、脑脊液及有神经症状 者的脑组织中者的脑组织中；较乙肝病毒对外界的抵抗力低，；较乙肝病毒对外界的抵抗力低， 5630

21、5630分钟就可以使其灭活分钟就可以使其灭活；感染者潜伏期长、；感染者潜伏期长、 病死率高；基因组比已知的任何逆转录酶病毒病死率高；基因组比已知的任何逆转录酶病毒 基因都复杂基因都复杂 第三节第三节 细胞生物学与医学细胞生物学与医学 细胞与人体的生长发育细胞与人体的生长发育 细胞与人类疾病细胞与人类疾病 主动剔除某些特定细胞主动剔除某些特定细胞 影响或调整某些细胞的生物学行为影响或调整某些细胞的生物学行为 细胞与医学研究细胞与医学研究 细胞也是人体疾病的基本单位细胞也是人体疾病的基本单位 小小 结结 细胞生物学的概念细胞生物学的概念 细胞生物学与医学的关系细胞生物学与医学的关系 细胞生物学的主

22、要研究内容细胞生物学的主要研究内容 第二章第二章. .细胞生物学研究方法细胞生物学研究方法 显微成像技术显微成像技术 细胞化学技术细胞化学技术(cytochemistry) (cytochemistry) 细胞培养和细胞融合细胞培养和细胞融合 分离技术分离技术 分子生物学方法分子生物学方法 第一节第一节 显微镜技术显微镜技术 光学显微镜光学显微镜 : : 观察显微结构观察显微结构 （light microscope)light microscope) 显微镜显微镜 电子显微镜电子显微镜 : : 观察亚显微结构观察亚显微结构 (electron microscope) (electron mic

23、roscope) 显微成像技术显微成像技术 光学和电子光学和电子 显微镜成像显微镜成像 原理原理 三个基本要三个基本要 素素: :照明系照明系 统，统， 被观被观 察的样品，察的样品， 聚焦和成聚焦和成 像的透镜系像的透镜系 统统 一、光学显微镜一、光学显微镜 ( (一一) )普通光学显微镜普通光学显微镜 ：以日光或灯光为光源：以日光或灯光为光源 分辨力：人眼在分辨力：人眼在25 cm25 cm的明视距离处，能分辨的明视距离处，能分辨 被检物体细微结构最小的间隔的能力。被检物体细微结构最小的间隔的能力。 常用分辨率来表示：常用分辨率来表示： 分辨力分辨力(R) = (R) = 0.61 /NA

24、0.61 /NA （NANA为镜口率，为镜口率，为波长）为波长） NA = n sinNA = n sin (n (n为介质的折射率，为介质的折射率， 为视锥半顶角为视锥半顶角) ) 二、电子显微镜二、电子显微镜 1. 1. 原理：原理： 以电子束代替以电子束代替 光线，电磁场代替透镜光线，电磁场代替透镜 2. 2. 特点：特点： (1)(1)分辨率高，可达分辨率高，可达 0.1nm 0.1nm (2) (2)物体的亲电子差异物体的亲电子差异 反映物体的颜色和密度反映物体的颜色和密度 差异差异 3. 3. 分类：分类：透射电镜、扫描透射电镜、扫描 电镜、隧道扫描电镜电镜、隧道扫描电镜 JEOL

25、扫描电子显微镜 激光共聚焦扫描显微镜 电镜与光镜的比较电镜与光镜的比较 显微镜显微镜分辨本分辨本 领领 光源光源透镜透镜真空真空成像原理成像原理 LM TEM 200nm 100nm 0.1nm 可见光可见光 （400-700） 紫外光紫外光 （约（约 200nm) 电子束电子束 （0.01-0.9） 玻璃透镜玻璃透镜 玻璃透镜玻璃透镜 电磁透镜电磁透镜 不要求真空不要求真空 不要求真空不要求真空 要求真空要求真空 1.33x10-5 1.33x10- 3Pa 利用样品对光利用样品对光 的吸收形成明的吸收形成明 暗反差和颜色暗反差和颜色 变化变化 利用样品对电利用样品对电 子的散射和透子的散射

26、和透 射形成明暗反射形成明暗反 差差 三、三、 离心分离技术离心分离技术 差速离心差速离心： 在密度均一的介质中由低速到高速逐级离心，用在密度均一的介质中由低速到高速逐级离心，用 于分离不同大小的细胞和细胞器。常用于差别较大颗于分离不同大小的细胞和细胞器。常用于差别较大颗 粒的分离粒的分离 密度梯度离心：密度梯度离心： 用一定的介质在离心管内形成一连续或不连续的用一定的介质在离心管内形成一连续或不连续的 密度梯度，将细胞混悬液或匀浆置于介质的顶部，通密度梯度，将细胞混悬液或匀浆置于介质的顶部，通 过重力或离心力场的作用使其分离。密度梯度离心常过重力或离心力场的作用使其分离。密度梯度离心常 用的

27、介质为氯化铯和蔗糖。用的介质为氯化铯和蔗糖。 四、细胞融合（细胞杂交）四、细胞融合（细胞杂交） 1. 1. 概念：两个以上细胞融合为一个细胞。概念：两个以上细胞融合为一个细胞。 2. 2. 诱导因子：生物：仙台病毒诱导因子：生物：仙台病毒 化学：聚乙二醇化学：聚乙二醇 物理：电场物理：电场 3. 3. 分类：分类： A A、异核体：异核体：不同来源的细胞核融合不同来源的细胞核融合 B B、同核体：同核体：相同来源的细胞核融合相同来源的细胞核融合 C C、合核体：异源染色体合并在一起、合核体：异源染色体合并在一起 （杂种细胞）（杂种细胞） 细胞融合细胞融合 据估计，世界上至少有1000万个 不同

28、的生物种，甚至有1亿种。 这么多物种的细胞有多少共同点？ 它们有什么不同？ 第一节 细胞的基本特征 细胞是生命活动的基本单位细胞是生命活动的基本单位 细胞概念的一些新思考细胞概念的一些新思考 细胞的基本共性细胞的基本共性 一、细胞是生命活动的基本单位 细胞（cell） 有机体结构与功能的基本单位 （除了病毒），是一切生命活 动的基本单位。 1、细胞是构成有机体的基本单位 2、细胞是代谢与功能的基本单位 3、细胞是生长发育的基础 4、细胞是遗传的基本单位、全能性 5、没有细胞就没有完整的生命 细胞器的环境 病毒生活的基础 6、细胞概念的新思考 细胞是多层次非线性的复杂结构体系 细胞具有高度复杂性

29、和组织性 细胞是物质（结构）、能量与信息过程精巧结合的综合体 细胞完成各种化学反应； 细胞需要和利用能量； 细胞参与大量机械活动； 细胞对刺激作出反应； 细胞是高度有序的，具有自组装能力与自组织体系。 细胞能进行自我调控； 繁殖和传留后代； 二、细胞的基本共性 水水 无机盐类无机盐类 蛋白质蛋白质 多糖多糖 脂类脂类 核酸核酸 各主要成分的相对含量各主要成分的相对含量 n物质组成 脂蛋白质体系的生物膜 DNA-RNA的遗传装置 蛋白质合成机器核糖体 分裂方式 第二节 细胞的多样性 （原核） 古细菌 真细菌等 原核细胞 真核细胞 环境不变 环境变化 原 核 细 胞 一类没有明显细胞核结构的单细胞

30、生 物 包括：细菌、蓝藻（即蓝绿藻）、支原体、 一、原核细胞（prokaryotic cell） 支原体 扫描电镜法，附于细胞表面众 多的圆形颗粒为支原体 0.1-0.3um 最小最 简单 细菌 蓝藻 基本特征（细菌为例）： 核区与基因组 细菌细胞表面结构 核糖体 核外DNA 内生孢子 增殖特点 古菌 二、真核细胞（eukaryotic cell） 种类： （一）基本特点： 有细胞核(DNA-蛋白质-染色体) 有内膜系统 有细胞骨架系统 具有有氧代谢体系（线粒体） 高尔基体 内质网 线粒体细胞骨架 （二）细胞大小： 细胞大小的一般范围 细胞大小差异性产 生的原因 20-30um （三）细胞形态

31、 草履虫 一种钟形虫 （三）细胞形态 植物气孔SEM照片 木材中的导管 植物薄壁细胞 人类红细胞 细胞形态 人类精子细胞 分泌细胞 结构 功能 三、真核细胞与原核细胞的比较 u共性：细胞功能 u差异：细胞结构 原核细胞 真核细胞 特征原核细胞真核细胞 细胞核及核结构 内膜系统 有氧代谢系统(线粒体) 核糖体 细胞骨架 无，只有拟核 无 无 有 无 有，由核膜和核仁 组成 有 有 有 有 特征原核细胞真核细胞 遗传信息编码规则相同 DNA复制、转录、翻 译 过程相同，时间、地点不同 ATP能量转化方式相同 代谢过程相同 细胞结构与 细胞器 淀 粉 粒 中 心 体 溶 酶 体 植物细胞 动物细胞

32、第三节 非细胞生命形态病毒 及其与细胞的关系 一、病毒的基本知识 概念 病毒（virus）主要是由一个核酸分子（DNA 或RNA）与蛋白 质构成的核酸蛋白质复合体。 类病毒（viroid）仅由一个有感染性的RNA 构成。 朊病毒（prion）是一个更为简单的生命体，仅由有感染性 蛋白质构成。 动物病毒，植物病毒，细菌病毒 DNA病毒（单、双链），RNA（单、双链） 成分 很多病毒仅由核酸与蛋白质组成，有不少病毒还含一定 量的脂质，糖复合物与聚胺类化合物。每个病毒仅含有一个 核酸分子，即一个DNA DNA 分子或一个RNA RNA 分子，在一种病毒内 两种核酸不能兼得，这是病毒的最基本的特点之一

33、，也是与 细胞的最根本的区别之一。 疱疹病毒疱疹病毒 腺病毒腺病毒 人类天花病毒人类天花病毒 骨髓灰质炎病毒骨髓灰质炎病毒 弧形霍乱菌弧形霍乱菌 淋病球菌淋病球菌 二、病毒在细胞内增殖 VS 病毒与细胞在起源上的关系 生物大分子病毒细胞 病毒 生物大分子 细胞 生物大分子细胞 病毒 本章小结 细胞是生命活动的基本单位 细胞的基本共性 细胞的多样性 病毒与细胞进化起源的关系 91 第三章第三章 细胞生物学细胞生物学研究方法研究方法 进行初步观察 形成可验证的假说 设计对照试验 收集资料 解释结果 作出合理结论 查阅已 有知识 生物学研究模式生物 不同物种享有共同分子机制 92 如何学习细胞生物学

34、？如何学习细胞生物学？ 抽象思维抽象思维与与动态观点动态观点 结构与功能统一的观点结构与功能统一的观点 同一性同一性(unity)和多样性和多样性(diversity)的问题的问题 细胞生物学的主要内容：细胞生物学的主要内容： 结构与功能（动态特征）；结构与功能（动态特征）； 细胞的生命活动细胞的生命活动 ； 实验科学与实验技术实验科学与实验技术细胞真知源于实验室细胞真知源于实验室 What we know/How we know. 93 第三章第三章 细胞生物学研究方法细胞生物学研究方法 细胞形态结构的观察方法细胞形态结构的观察方法 细胞组分的分析方法细胞组分的分析方法 细胞培养、细胞工程与

35、显微操作技术细胞培养、细胞工程与显微操作技术 用于细胞生物学研究的模式生物用于细胞生物学研究的模式生物 94 第一节第一节 细胞形态结构的观察方法细胞形态结构的观察方法 光学显微镜技术光学显微镜技术（light microscopy） 电子显微镜技术 (Electro microscopy) 扫描探针显微镜（扫描探针显微镜（Scanning Probe Microscope） 扫描遂道显微镜扫描遂道显微镜 (scanning tunneling microscope ) 95 显微成像技术 光学和电子显微镜成像原理光学和电子显微镜成像原理 三个基本要素:照明系统， 被观察的样品， 聚焦和成像的

36、透镜系统 常用的光学显微镜常用的光学显微镜 普通双筒显微镜(binocular microscope) 荧光显微镜(fluorescence microscope) 相差显微镜(phase contrast microscope) 暗视野显微镜(dark field microscope) 倒置显微镜 96 光学和电子显微镜的基本结构 97 r=0.61/ n sin 其中：其中：n=聚光镜和物镜之间介质的折射率聚光镜和物镜之间介质的折射率, 空气为空气为1, 油为油为1.5; =样品对物镜角孔径的半角样品对物镜角孔径的半角 =照明光源的波长。照明光源的波长。 0.61是一个恒定的参数是一个恒

37、定的参数 u分辨率(resolution, r) ：显微镜或人眼在25 cm明视距离处，能清楚分 辨被检物体细微结构最小间隔的能力 。 r值越小，分辨能力越高。 波长越短，分辨能力越高。 98 分辨极限(limit resolution) 一般地说，一定波长的射线不能用以探查比它本身波长短得多的结构细节， 这是一切显微镜的一个基本限度。 对可见光（0.40.7 m ）来说，能清楚地分辨出相邻两点之间的最小间隔 是0.2 m。 放大率(magnification) 最终成像的大小与原物体大小的比值称为放大率。 99 2.1.2 常用光学显微镜常用光学显微镜 普通双筒显微镜普通双筒显微镜 (bin

38、ocular microscope) 荧光显微镜荧光显微镜 (fluorescence microscope) 相 差 显 微 镜相 差 显 微 镜 ( p h a s e c o n t r a s t microscope) 暗视野显微镜暗视野显微镜(dark field microscope) 倒置显微镜倒置显微镜(inverted microscope) 100 普普 通通 光光 学学 显显 微微 镜镜 101 荧光显微镜荧光显微镜(fluorescence microscope) 荧光显微镜以荧光显微镜以紫外线紫外线为光源照射被检物体，为光源照射被检物体， 使之使之 发出发出荧光荧光

39、，然后在显微镜下观察物体的形态及其，然后在显微镜下观察物体的形态及其 所在位置所在位置。 要求要求：被检物体发荧光（自发荧光、诱发荧光）：被检物体发荧光（自发荧光、诱发荧光） 用途：用途：用于研究细胞内物质的吸收、运输及化学用于研究细胞内物质的吸收、运输及化学 物质的分布和定位等。物质的分布和定位等。 102 荧光显微镜技术荧光显微镜技术（Fluorescence Microscopy） 原理与应用原理与应用 直接荧光标记技术直接荧光标记技术 间接免疫荧光标记技术间接免疫荧光标记技术 在光镜水平用于特异蛋白质在光镜水平用于特异蛋白质 等生物大分子的定性定位：等生物大分子的定性定位： 如绿色荧光

40、蛋白如绿色荧光蛋白(GFP)的应用的应用 103 荧光显微镜照片（微管呈绿色、微丝红色、核蓝色） 图片来自http:/www.itg.uiuc.edu/ 104 Laser scanning confocal microscope 105 106 107 相差显微镜相差显微镜(phase contrast microscope) 优点优点：能够观察：能够观察无色、透明、活细胞无色、透明、活细胞中的结构。中的结构。 特点特点：能将物体本身的相位差（光程差）转换为振幅（光：能将物体本身的相位差（光程差）转换为振幅（光 强度）变化的显微镜。强度）变化的显微镜。 108 倒置显微镜倒置显微镜(inve

41、rted microscope) 物镜物镜与与照明系统照明系统的位置颠倒过来。的位置颠倒过来。 物镜置于载物台之下，物镜置于载物台之下， 光源位于载物台的上方。光源位于载物台的上方。 集光器与载物台之间的工作距离提高，集光器与载物台之间的工作距离提高， 可以放置可以放置 培养皿、培养瓶等容器培养皿、培养瓶等容器， 直接对培养的细胞进行直接对培养的细胞进行 照明和观察。照明和观察。 109 110 2.1.3 2.1.3 光学显微镜的样品制备光学显微镜的样品制备 1. 样品的固定样品的固定(fixation) 目的目的: : 做法做法: : 固定液：固定液： 快速杀死细胞，稳定细胞的化学成份，并

42、且使样品硬化以便在进一步 的处理和切片时不会受到破坏。 将样品浸泡在固定液中。固定使得大分子交联而保持在一定的位置上， 不致于在以后的染色等处理过程中移位或丢失而产生人工假象。 一般用具有缓冲作用的醛类固定液，用甲醛或戊二醛作固定剂，能 够与蛋白质的游离氨基形成共价键，从而将邻近的蛋白质分子牢固 地交联在一起。 111 2. 2. 包埋和切片包埋和切片(embedding and sectioning)(embedding and sectioning) 包埋：通常用包埋：通常用液态的石蜡或树脂液态的石蜡或树脂做包埋剂，使之渗入整块做包埋剂，使之渗入整块 组织，使之硬化成固体的包埋块。组织，使

43、之硬化成固体的包埋块。 切片机切割包埋块，制备成薄切片。适用于光学显微镜观切片机切割包埋块，制备成薄切片。适用于光学显微镜观 察的切片厚度为察的切片厚度为 l l10 m10 m。 112 3. 染色染色(staining) 目的：给细胞的不同组分带上可区别的颜色特征。目的：给细胞的不同组分带上可区别的颜色特征。 苏木精苏木精(hematoxylin)：核酸：核酸 伊红伊红(eosin)：细胞质：细胞质 苏丹染料苏丹染料(Sudan dyes)：脂肪：脂肪 113 4. 放射自显影放射自显影 用感光胶片测定细胞内某种被放射性标记的物质在细胞固用感光胶片测定细胞内某种被放射性标记的物质在细胞固

44、定时所在的位置。定时所在的位置。 114 2.1.4 电子显微镜电子显微镜(electron microscope) 1. 透射电子显微镜透射电子显微镜(transmission electron microscope，TEM) 让电子束穿透样片而成像。让电子束穿透样片而成像。 115 Transmission Electron Microscope 116 117 2. 扫描电子显微镜扫描电子显微镜(scanning electron microscopy，SEM) 用用二次电子二次电子成像来观察样品的成像来观察样品的表面表面结构。结构。 118 Scanning Electron Micr

45、oscope 119 Lymphocyte viewed through a TEM and a SEM. (a) This TEM shows a thin slice of a lymphocyte, a type of white blood cell. This type of microscopy allows one to see the internal structures present in the slice. (b) In a SEM, surface structures can be seen ,as demonstrated in this view of a l

46、ymphocyte.Note the three-dimensional appearance of this cell,in contrast to the two-dimensional appearance of the cell in(a) 120 2.1.5 电子显微镜的样品制备电子显微镜的样品制备 uu与光镜相比，组织固定的特殊要求：与光镜相比，组织固定的特殊要求： 样品要薄，制成样品要薄，制成50100nm的超薄切片。的超薄切片。 保持样品的精细结构。保持样品的精细结构。 样品要具有一定的反差。样品要具有一定的反差。 电子显微镜的样品切片最后被放置在电子显微镜的样品切片最后被放置

47、在载网载网上而上而 不是玻片不是玻片上。上。 121 染色(Stainning) 醋酸双氧铀： 可与细胞内大多数分子结合，染核 酸和蛋白质，但对膜的染色效果较差。 柠檬酸铅：核蛋白及糖元结合，也可大大提高细 胞膜系统与物质的反差。 122 1.负染色负染色(negative stainning) 用重金属作染色剂，对铺展在载网上的样品进行染色，使用重金属作染色剂，对铺展在载网上的样品进行染色，使 整个载网都铺上一层重金属盐，而有凸出颗粒的地方则没整个载网都铺上一层重金属盐，而有凸出颗粒的地方则没 有染料沉积。由于电子密度高的重金属盐包埋了样品中低有染料沉积。由于电子密度高的重金属盐包埋了样品中

48、低 电子密度的背景，增强了背景散射电子的能力以提高反差。电子密度的背景，增强了背景散射电子的能力以提高反差。 这样，在图像中背景是黑暗的，而未包埋的样品颗粒则透这样，在图像中背景是黑暗的，而未包埋的样品颗粒则透 明光亮，这种染色称为负染色。明光亮，这种染色称为负染色。 123 3. 冰冰 冻冻 蚀蚀 刻刻 技技 术术 124 电镜与光镜的比较电镜与光镜的比较 显微镜显微镜分辨本领分辨本领光源光源透镜透镜真空真空成像原理成像原理 LMLM TEMTEM 200nm200nm 100nm100nm 0.1nm0.1nm 可见光可见光 （400-700400-700） 紫外光紫外光 （约（约200n

49、m)200nm) 电子束电子束 （0.01-0.01- 0.90.9） 玻璃透镜玻璃透镜 石英透镜石英透镜 电磁透镜电磁透镜 不要求真空不要求真空 不要求真空不要求真空 要求真空要求真空 1.33x101.33x10-5 -5 1.33x101.33x10-3 -3Pa Pa 利用样品对光的吸收形利用样品对光的吸收形 成明暗反差和颜色变化成明暗反差和颜色变化 利用样品对电子的散射利用样品对电子的散射 和透射形成明暗反差和透射形成明暗反差 125 显微结构（microscopic structure）：光镜下 所见到的物体结构。 超微结构（ultrastructure）:又称为亚显微结 构。是在

50、光学显微镜下观察不到而只能在电子 显微镜下观察的结构。 126 第二节第二节 细胞组分的分析方法细胞组分的分析方法 用超速离心技术分离细胞器与生物大分子及其复合用超速离心技术分离细胞器与生物大分子及其复合 物物 细胞内核酸、蛋白质、酶、糖与脂类等的显示方法细胞内核酸、蛋白质、酶、糖与脂类等的显示方法 特异蛋白抗原的定位与定性特异蛋白抗原的定位与定性 细胞内特异核酸的定位与定性细胞内特异核酸的定位与定性 放射自显影技术放射自显影技术 定量细胞化学分析技术定量细胞化学分析技术 127 一、一、 离心分离技术离心分离技术 用途：于分离细胞器与生物大分子及其复合物用途：于分离细胞器与生物大分子及其复合