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一、什么是细胞生物学

这学期要跟在老板的屁股后面教细胞生物学。微博上放出消息之后很多朋友都卖萌说想听月如姐教课,那么我就当真了哈……我打算在这里挖一个硕大无比的坑。由于这是我的第一次挖坑,能填满不能填满,就看天意吧。。(节操呢!

我的计划是每次在老板的讲座后将讲座的内容整理并发上来,一方面给那些有兴趣的朋友们看看,一方面算是我的备课笔记……老板的讲座是每周一、三、五,所以每周我起码……更新一篇……

话不多说,直接进入主题吧。这是这门课的第一堂讲座,除开自我介绍和评分政策不谈,涉及的内容实在有限。不过在这有限的时间里,我们将初窥细胞生物学的奇妙。

细胞生物学研究的就是视频中的这些东西。简而言之,研究细胞内的生物活动。有一定生物学基础的朋友可能会说在视频里看到了细胞膜,看到了蛋白质的合成等等,这不是生物化学,或者遗传学、分子生物学的内容么?为什么又在细胞生物学里进行了重复呢?这是因为我们这门学科更像是一个总览。我们关心遗传信息储存于细胞内的何处,关心能量在细胞的何处产生,关心新合成的蛋白质将被运往细胞的何处……我们将把细胞视为一个井井有条的大工厂,了解不同的车间是如何共同运作,维持这个工厂的生计。

当然,想要仔细研究这个工厂,就必须先了解这个工厂。其中最重要的便是眼见为实。倘若我们只知道细胞内有DNA,有蛋白质,却不知它们在细胞内如何分布,如何起作用,那么这样的细胞和试管内的DNA/蛋白质混合物又有多大区别呢?

所以,接下来要讲的,便是如何看清细胞。聪明的朋友们或许已经猜到了。对,没错,我们就要讲到显微镜了。

课堂总结:

  1. 在你看这篇日志的若干分钟里,细胞内正发生着各种乱七八糟的事……(如同视频里介绍一般)
  2. 细胞生物学就是研究这些乱七八糟的事情的学科……

二、看清细胞结构的技术

上次我们谈到想要了解细胞内的活动,首要的便是能“看到”这些细胞。而相应的实验仪器就是显微镜,一个并不算陌生的词汇。自胡克心血来潮看到了软木塞中的细胞结构后,显微镜有了长足的发展。其中光学显微镜如它的祖宗一般,通过一束强光穿透样品,使我们在显微镜的另一端看到我们想看的东西。

之后又在普通光学显微镜的基础上诞生了荧光显微镜。与一般的光学显微镜不同,荧光显微镜发出的光并不穿透样品。一般说来,荧光显微镜发出的是一束激光。而激光被样品吸收后,其中的能量又会变成另一束光散发出来,从而被仪器收集,成为了荧光信号。由于激光在吸收和重新散发的过程中会损失能量,因此散发的激光波长要比激发样品的激光波长更长

光学显微镜毕竟有分辨率的极限。为了追求把细胞放得更大,细节看得更清,人们又发明了电子显微镜。从较大尺寸的细胞,到更小尺寸的某些分子,电子显微镜都可以把它们的面貌呈现在我们面前。

这些不同的显微镜都各有利弊。普通的光学显微镜使用最为简便,但能得到的信息也相当有限。电子显微镜能看到超显微的结构,但制备样品非常复杂,也需要使用一些有毒的物质。最重要的是,这些样品都是经过处理的死亡细胞。而得益于荧光蛋白,我们能够看到一个有生命的细胞里的细胞活动。

绿色荧光蛋白最早是由日本科学家下村脩在水母中被提取出来的,经过马丁·查尔非和钱永健的改造,这种能够发出荧光的蛋白质在细胞生物学中得到了广泛的应用。当这些小分子蛋白质和其他的蛋白融合在一起后,散发出的荧光就表明了目的蛋白质的位置。为此,他们也获得了2008年的诺贝尔化学奖。经过他们的改造,绿色荧光蛋白的不同衍生物如今已经可以表现出彩虹一般的色彩

要知道,细胞内可是有很多长得差不多,但功能迥异的结构。举例而言,下图中有着不少圆形的结构。它们都是peroxisome(过氧化物酶体)吗?想要回答这个问题,除了使用荧光蛋白外,我们还有其他的方法。第一种就是利用抗体。抗体是一类蛋白质,不同的抗体能够结合不同的分子(我们称为抗原)。我们使用1号抗体去结合那些我们想要探查的结构里的蛋白质,再用带有印记(比如说荧光)的2号抗体去结合1号抗体,标识出1号抗体的位置(也就等同于1号抗体结合的蛋白质的位置)。这样一来,哪些结构是我们已知的结构,哪些结构还属未知,也就一目了然了(比如下图中带小黑点的,就是我们想找的结构)。

第二种的方法比较土,就是把细胞打碎以后离心。由于不同结构的大小,密度不同,在不同的离心条件下,不同的结构会分布在不同的层面,从而在物理性质上得到了区分。

课堂总结:

  1. 目前的显微镜很好很强大,能够满足不同的需求。光学显微镜最传统,荧光显微镜最亮丽,电子显微镜最高端洋气。
  2. 绿色荧光蛋白及其衍生物的使用让我们能够用肉眼看到活生生的蛋白,诺贝尔奖名至实归。
  3. 细胞里面有很多结构长得差不多,但却从事着截然不同的工作……(亏得它们自己能认出来)
  4. 使用抗体能够标明一些细胞的结构。一般我们需要2种抗体,第一种抗体结合已知在特定结构中存在的蛋白,第二种抗体带有标记,并且能够结合第一种抗体。这就像本周的生活大爆炸说的那样。假如我们想知道满地的锤子中哪一把是雷神的锤子,就让Thor去挑就行了。他会认出来的。但Thor又太矮小,远处看不真切,于是我们再让绿巨人去把Thor给举了起来。这样,我们的望远镜中看到的那一团绿色,就是Thor的锤子所在地。
  5. 当然想要标明细胞的结构,也是可以采用离心这种土鳖的做法。。(就是自己要很懂,知道什么结构会在哪里就是了啦……)

三、遗传学小知识

咦这不是细胞生物学的讲座吗?为什么有奇怪的东西混了进来……

好吧虽然我也很想吐槽老外这奇葩的思路,但仔细一想还是有道理的。一来老外学生和国内学生一样,有些东西学完了就忘记了……所以需要及时复习一下啊。毕竟一些筛选突变体的方法和遗传学的知识有关,但在细胞生物学里有着应用。另外,我明明在第一部分说了,细胞生物学像是遗传学,生物化学等的总览么哼哼哼……

好吧扯得有些远。说到遗传学大家大概第一个想到的就是孟德尔。孟德尔和他的遗传学定律我在之前的日志里已经介绍过了,这里就不再详述了。大家只要知道有个显性基因和隐性基因就可以了。其中显性基因比较高端洋气,凡是它出现的地方,无论存在不存在,隐性基因的光芒都会被盖没。而只有显性基因不存在的地方,隐性基因才能流露出自己的模样(真实的情况还有很多种可能,这里只说最经典的一种)。


(A为显性基因,a为隐性基因)

在常见的情况下,野生型(可以理解为正常的模样)所表现出的表型是由显性基因控制的。高中生物课本中经常提到的例子便是镰刀型红血球病和红绿色盲。但实际上自然界中也不乏野生型的表型由隐性基因决定,而显性基因的出现会导致突变体的产生。一些致癌基因便是如此。


(A为显性基因,a为隐性基因。黄色为突变体,蓝色为野生型)

为了找到突变的基因,理论上说只要让野生型产生突变,并且通过杂交等手段让隐性基因变得纯合(比如说人体有两套染色体,两套染色体中的这个基因都是隐性基因),那么我们观察那些奇形怪状的生物,拿来分析下,就知道哪个基因出问题了。看上去挺简单的,不是吗?

但实际并非如此。先不说一个基因完全被突变掉之后整个生命体可以继续健康正常地生存下去,如果一些基因在突变之后会让生命体在还是胚胎的时候就死亡那该怎么办?按照我们上面的流程,这些和生死休戚相关的基因岂不是会被永远错过?

于是科学家们想到了一个办法。他们把目光转向了一些产生了突变,但突变程度不是很严重的基因。比如在正常的生长情况下,这些突变的基因依然能够行使正常的功能。但一旦温度有所升高,这些基因编码的蛋白质就会变得不稳定,从而极大地影响其生化功能,我们也就能借提高温度来观察到各种“奇形怪状”了。


(右边上下为两个从左边“复印”过来的,完全相同的,长有细菌的平板,唯一的变化是温度的不同。虚线的圆圈勾出的便是含有突变基因的菌落)

上述的流程还有另外的问题。如果有2个突变体都表现出同样的表型,那么这2个突变体内被突变的基因是同一个呢?还是碰巧功能相同的不同基因呢?在这2个突变体的表型都由隐性基因决定时,这个问题可以通过杂交来解决。如果杂交的后代表现出同样突变体的表型,那么这2个基因很有可能是同一个。反之,则很有可能不是同一个。


(一个类似的分析图。cdcX、Y、Z为三个同样对温度敏感的突变体)

用这种简单的杂交方法,我们可以得出很多对实际研究有用的信息。比如我们可以用来推断蛋白之间是否可能相互结合,是否在同一条生化途径中等。举例来说,比如突变体1的某一个基因a(由A基因突变而来)产生的蛋白多了一个角,突变体2的某一个基因b(由B基因突变而来)产生的蛋白少了一个角。在单个突变体中,它们都不能正常工作。但在A基因和B基因同时被突变掉的杂交突变体中,这2个部分可能正好互补,从而反而能够正常工作。那么我们可以通过这个杂交突变体表现出的野生型表型,推断出A,B基因产生的蛋白可能能够互相结合。

这种杂交也有可能带来更坏的后果。比如A基因和B基因的突变体虽然表现出一定的身残,但仍能志坚地存活下去。而杂交后的突变体可能就一点活命的希望都没有了。这有可能是由于一个细胞需要至少一个A基因或B基因的产物才能生存下去。


(上文中提到的一些模型)

课堂总结:

  1. 细胞生物学需要用到遗传学的知识……
  2. 筛选突变体需要一定的技巧。其中细胞生物学家很喜欢用对温度敏感的突变体(我们之后会谈到。。希望能。。)
  3. 这些筛选出的突变体本身就是很好的工具,能够用来得到额外的信息。
  4. 不过我们也要记住,显性基因和隐性基因虽然是最经典的模型,可以应用的地方也非常的广,但毕竟还是有着半显性等麻烦的东西存在。。

关于本文

简明细胞生物学系列

特别感谢刘洪瑞、宋超逸二位同学为此文配图所做的翻译、制图工作。

刘洪瑞:兰州大学网络与新媒体专业,热爱科学,喜欢钻研,总是以一种物质的视角观察生活,果壳昵称:刘洪瑞。

宋超逸:兰州大学生物学基础理论专业,喜欢大千世界的花鸟虫鱼,擅长PS,经常逛果壳。

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13 Responses to “简明细胞生物学(一)”

  1. 金色葡萄说道:

    补充个课外阅读:
    http://www.hhmi.org/biointeractive/click/index.html

  2. 游魂说道:

    别提细胞生物学了,学的时候痛苦死我了,期末考试我整理了10来张A4纸的复习资料。

  3. 睡觉大师说道:

    配图能统一语言就好了。建议全用英文吧,感觉刚开始学生物大部分时间都用来背那些名词了。打算下学期修细胞生物学,先看着玩也不错。。

  4. 麦克斯韦妖说道:

    只想吐槽一句,是不是每个老师都会用到那个视频啊,囧,我们老师也是用的那个视频。。。。还有,直接使用图片没事么,这些图片貌似不能随意使用吧。。。我们老师的课件是ppt,但给我们的从来都是txt。。。。

  5. 懒猫说道:

    荧光不是激光,激发光可以是激光也可以是紫外光等短波长的光,生物组织中标记的荧光基团受激发光激发后跃迁,回到基态后辐射出能量低于激发光的长波长光,也就是荧光,作者这里理解有误

    • cxxl说道:

      别人指的激光是入射光。。。荧光那里他说的是散射的

  6. oldkey说道:

    看不出来前面介绍显微镜有什么意义?!

  7. 你的节操呢说道:

    都一个多月过去了,第二期呢

  8. 木耳君说道:

    个人感觉细生是医学基础课里最无意义的一门,很多内容都与后来的组胚,生理,生化,遗传,微免重复,完全浪费学时

  9. 蜡笔小生说道:

    支持支持

  10. flash6说道:

    上中学生物课后,我回家煞有介事地找出母亲的分子生物学、病理学去看,希望能看到比老师教案更牛叉的东西,结果看是看到了,太高深了有没有?完全不懂啊。 但就凭这股钻研劲,在班里生物考个第一是没问题的。

  11. Rex说道:

    别挖了大坑不填啊大神!都好久没更新啦!!!

  12. 学智说道:

    视频好像来自BBC的一个讲病毒入侵细胞的纪录片啊。。。那“马达蛋白”印象超深