cousera-冷冻电镜笔记-Introduction: Why Electrons?
这些问题
为什么选择电子显微镜：
那么，让我们谈谈：为什么要用电子呢？ 如果我们想要造一台显微镜，可选的放射线有很多种， 每种都有它自己的优势和劣势。 您首先想到的，可能是可见光， 可见光有它的优势。 首先，它破坏力不大， 显然我们每天都生活在可见光下。 利用光学显微镜来观察细胞， 经过好几分钟以后，也不会对细胞造成很大损害。 如果用强光照着细胞， 最终您会发现可见光还是有破坏力的——生物体的活动会受强光影响而变慢。 不过，和我们将要说到的其他几种射线相比，可见光的破坏力相对非常小。 不仅如此，可见光的对焦也很容易实现。 我们只需要拿一片玻璃， 将玻璃雕琢成合适的形状，它就能聚焦可见光。 最终，我们的眼睛就是可见光的探测器。 然而，可见光也有其缺点。 它最大的劣势在于它的波长。 可见光中，最短的波长大约为400纳米， 而一台显微镜的基础分辨率极限， 就是它成像所使用的射线的波长。 因此，400纳米就是光学显微镜的基础分辨率极限，可是， 对于我们想看的许多细胞外结构而言，400纳米太大了。 那么，如果说可见光最大的劣势在于其长波长， 您可能会问，为什么我们不索性选用更短波长的光呢， 例如所谓的X射线。 X射线有非常短的波长，这确实是它的优势。 其实，例如X-射线晶体学所利用的X射线， 其波长仅有1.5埃，甚至更短。而且X射线也有非常好的穿透力。 比如，人们会在医院里接受全身X射线扫描成像， 这就是因为X射线能够穿透人的全身。 当然X射线也有它的缺点。它最主要的缺点在于，难以聚焦。 玻璃的折射指数不够高， 无法有效地将X射线聚焦。 事实上我们至今还未找到一种能有效聚焦X射线的材料。 一些人使用所谓的『波带板』来使X射线成像， 不过那也有相应的技术难题，所以X射线是很难聚焦的。 另一方面，X射线还会损坏样品。 这就是为什么当您去医院做X射线检查时， 医护人员会给您一块防护毯来遮挡您身上不需要被照到的地方。那么，让我们再来看看其它种类的射线，哪些可以被利用， 来做显微镜呢？ 就在电子的波动特性被发现后， 2:56 人们马上意识到，它们的波长可能极短。 事实上，我们加州理工学院的电子显微镜的电子束， 加速电压高达300千伏。 而它们的波长，小至皮米级。 这比单个原子的大小，还要更小。 电子显微镜的优势之一， 就在于它所利用的射线具有极短的波长。 所以波长不会成为它的一个限制因素。 电子的另一个优点是，它们能够被聚焦。 在本课中，我们将会比较细致地讨论如何聚焦电子。 不过，电子也有它的缺点。 首先，像X射线一样，电子会严重地损害样品， 所以电子显微术的基本极限来源于生物样品在其结构被摧毁前、 所能承受的最大辐射量。电子的另一个缺点是，穿透能力很弱。 所以电子显微术的另一个基础极限就是， 无法对厚度超过大约0.5微米的样品有效地成像。 那么，当我们思考各种不同放射线时， 有没有其它放射线能够被利用来做出一个超棒的显微镜呢？ 还有一种放射线我们也不得不谈， 那就是中子。 我们能不能做个中子显微镜呢？ 中子的优点包括： 它们对样品的损害非常小， 而且中子可以有非常短的波长， 就像电子一样，波长甚至可以短至皮米级别。 有这样的优势实在太棒了。然而其亦有劣势。首先， 如何产生一束明亮的相干中子光束？ 我们至今对此束手无策。 而且，怎样才能让中子聚焦呢？ 最好的主意可能是使用波带板， 但波带板也有其技术限制。 这就是为什么在那些能够用来研究细胞结构的显微镜中、 电子显微镜占有其独特而重要的一席之地的原因。 这就引出了结构生物学的演变图。 现在，通常情况下，当我们说到结构生物学， 大多数人会想到X射线晶体学、 核磁共振波谱法等被用来解析蛋白质结构的技术。 有时候这些技术也被用来解析蛋白质结构域， 能够使我们得到原子模型。 但是就蛋白质而言，大蛋白和蛋白质复合体的结晶，会越来越难。 而核磁共振波谱法也有其技术限制， 而无法被用来解析大蛋白和复合体。 于是在这方面，电子显微术就成为了最有效的方法。 电子显微术让我们能够对大蛋白和复合体成像。 我们把这项技术称为：冷冻电子显微镜单颗粒三维重构。 另外，X射线晶体学也越来越强大， 能够解析出越来越大的复合体， 因而在这个竞争中也发挥着重要作用。 现在，我们发现大部分蛋白质其实在细胞内 参与着各项流水线上的工作。 这些蛋白质在动态变化中， 而且可能相距较远， 所以如果我们要研究它们的相对位置， 就需要能够对多个蛋白参与的反应进行成像。 这可以通过电子显微术实现。 无论是体外研究， 还是细胞内研究，都可以使用冷冻电子断层摄影术。 现在，在较低分辨率下，我们能够用光学显微镜， 来观察单个蛋白质在细胞内的动态。 现在，在结构生物学演变图的两端， 我要加上两种不同的计算技术。 首先，系统生物学， 或结构与空间建模， 让我们能对蛋白质如何相互作用、去向何处等的不同假说， 都进行探索。 系统生物学让我们得以通过计算来探索那一切。 而在这另一端，我要放上另一个计算技术， 分子动态模拟技术。 在已有蛋白质上所有原子分布的模型的情况下， 分子动态模拟能让我们探索不同模型， 测试这些原子的位置与蛋白质功能之间的关系。 综上所述， 即是在结构层面上研究细胞所需的各项不同技术。
