电子显微镜在生物学和医学中的应用

随着电镜在生物学研究中的广泛应用，促使细胞生物学、分子遗传学和分子生物学等学科得到了迅速的发展。
细胞生物学 随着电镜生物标本制备技术逐步成熟，应用超薄切片技术研究生物标本，为现代细胞学奠定了基础。电镜和生化技术相结合，进一步阐明了内质网、高尔基器等微细结构及其功能。此外还发现了许多在光学显微镜下无法辨认的新结构，如：过氧化小体（又称微体）等(图1)。
由于透射电镜分辨率的提高，发现了线粒体具有精细

图1 细胞超微结构照片(×7200)

的结构(图1)，用负染色法发现内膜上具有一种有序的重复结构，每个重复单位含有三个亚基，即球状头 (直径约90Å)、短柄(33×50Å)和基部(60～115A)这就是位于线粒体内膜的ATP酶复合体。这种结构称为基粒，它为阐明线粒体内膜上的电子传递、氧化磷酸化提供了形态依据(见“膜的能量传输”条)。高分辨率电镜还观察到核糖体的大、小亚单位，并能直接观察到信使核糖核酸将核糖体串联成多核糖体。
分子遗传学 高分辨率电镜对染色体、染色质结构以及DNA的复制、转录等方面的研究均提供了形态依据。例如Miller等人用电镜直接观察了两栖类卵细胞的转录过程(图2)。对两栖类卵细胞的灯刷染色体，对果蝇的巨大多线染色体作了大量电镜观察，结合电镜放射自显影和电镜细胞化学等技术进一步明确了这种染色体上的膨体为伸展的DNA单链，具有活跃的复制、转录活性，而染色体上的染色粒为高度螺旋化并卷曲的DNA单链部分，无活性。证实了只有在DNA双链展开成单链解旋的情况下才能进行复制与转录。由于近年来多种技术的合并使用，证明染色质及染色体由一条DNA分子构成，

图2 RNA转录的电镜图象

即染色体“单线”。并证明分裂间期的异染色质为螺旋卷曲的非活动区域，而常染色质为伸展的具有复制、转录活性的区域。
Woodcock (1973)、Olins(1974) 等人用高分辨率电镜发现染色质细丝上有串珠样的重复结构，即每隔30～70个DNA碱基对的间隔距离就有±100A直径的球状结构出现，称为核小体，这种结构相继在各种动物的染色质上证实，并证明这种重复单位是由约含200个碱基对的DNA分子与八个组蛋白分子构成。八个组蛋白分子中有H2A,H2B,H3,H4各两个 (图3之A)。最近用中子衍射技术对核小体进行了深入研究，证明由组蛋白分子H2A,H2B,H3,H4各一个构成一盘状结构，再由两个这种盘状结构两两相对形成一个球状的组蛋白分子八聚体。DNA分子缠绕在盘状结构外。每个组蛋白分子伸出一尾状分支将DNA分子固定住。随着功能状态的不同，尾支的长度与位置可有变化(图3之B)。
综合电镜所见及中子衍射检测结果可得核小体的模式图(图3之C)。

图3核小体结构示意图A电镜观察结果 B中子衍射结果 C综合分析结果

根据高分辨率电镜多方面观察结果，可将染色体的分子结构综合成以下模式图(图4)。分裂间期染色质的分子结构图见图5。
常染色质为伸展的或比较伸展的DNA分子，具有复制与转录的活性，而异染色质为屈曲缠绕的DNA分子，无复制、转录活性。

图4 染色体的分子结构示意图
1. DNA, 2.核小体， 3.长臂， 4.着丝点， 5.短臂， 6随体柄， 7.随体， 8.端裂， 9.双体， 10. 细微结构情况

图5 分裂间期染色质分子结构模式图

分子生物学 高分辨电镜结合其他技术为观察核酸大分子结构作出了贡献。例如对细菌和病毒的DNA、RNA分子的观察(图6 )，研究了结构与功能的关系，它们的复制转录过程，以及一些病毒DNA分子链上基因密码顺序的确定等。这对于了解致癌病毒的核酸片段如何掺入宿主基因诱发癌变，阐明癌变原理有重要的理论与实际意义。

图6 SV40 DNA分子超微结构图

近年来电镜结合X线衍射研究血红蛋白的分子结构取得重要进展。已拍出一些化合物的原子排列图像，如2Nb2O5 ·7WO3结晶的电镜照片中Nb,W及O原子的排列清晰可见(图7)。电镜观察分子中的原子排列结构是近年来电镜术的一大进展。它们都是直接观察图象，不像X射线及中子衍射等技术将收集到的数据经电子计算机处理方能解出其结构图。因此电镜观察比较简单、直观、快速。此外所观察的分子标本不必培养成结晶，更接

图7 2Nb₂O₅·7WO₃结晶的电镜照片(× 2250000)

近于自然状态。