Ультраструктура и визуализация
Ультраструктура и визуализация — это область клеточной биологии, занимающаяся тем, чтобы сделать клетки и их внутреннюю организацию видимыми, от общих очертаний, различимых с помощью светового микроскопа, до молекулярной архитектуры, выявляемой электронным микроскопом. Она объединяет оптические и электронно-оптические методы, которые превращают клетки, органеллы и меченые молекулы в интерпретируемые изображения и лежат в основе большей части знаний о клеточной структуре.
Definition
Ультраструктура относится к тонкой внутренней структуре клеток, различимой ниже предела обычной световой микроскопии, а визуализация относится к семейству методов микроскопии, используемых для визуализации клеток и их компонентов в масштабах от целых клеток до макромолекулярных комплексов.
Scope
Эта область знакомит читателя с основными методами визуализации, используемыми для изучения клеток: световой микроскопией и физикой увеличения и разрешения; электронной микроскопией и клеточной ультраструктурой, которую она выявляет; конфокальной и флуоресцентной микроскопией для оптического среза и молекулярного контраста; и иммунофлуоресценцией для локализации специфических белков. Это методологическая и справочная группировка, а не клиническое руководство.
Sub-topics
Core questions
- Какой уровень клеточной детализации может разрешить каждый метод микроскопии?
- Как возникает контраст — через окрашивание, электронную плотность или флуоресцентную метку?
- Как локализуются специфические молекулы внутри визуализируемой клетки?
- Какие артефакты вносит подготовка образца и как они контролируются?
Key concepts
- Разрешение и дифракционный предел
- Увеличение
- Генерация контраста
- Оптическое секционирование
- Флуоресцентная метка
- Электронная плотность и окрашивание тяжелыми металлами
- Фиксация образца и артефакты подготовки
Mechanisms
Методы визуализации различаются главным образом используемым излучением и, следовательно, детализацией, которую они могут разрешить. Световая микроскопия использует видимый свет и ограничена дифракцией примерно до масштаба длины волны, в то время как электронная микроскопия использует электроны гораздо более короткой длины волны для разрешения субклеточной ультраструктуры, как в ранних исследованиях Паладе тонкой структуры митохондрий. Контраст создается искусственно: окрашивание тяжелыми металлами создает электронную плотность в электронной микроскопии, в то время как флуоресцентные красители и белки излучают свет при возбуждении, обеспечивая молекулярный контраст во флуоресцентной и конфокальной визуализации. Флуоресцентный инструментарий, каталогизированный Гипмансом и коллегами, связывает эти метки со специфическими молекулами, так что местоположение и функция могут быть считаны на изображении.
Clinical relevance
Визуализация клеток лежит в основе диагностической гистопатологии, цитологии и исследований механизмов заболеваний, а понимание методов помогает в оценке структурных данных. Эта область описывает, как генерируются и интерпретируются клеточные изображения; она является справочно-образовательной и не является основой для индивидуальных диагностических или лечебных решений.
History
Клеточная визуализация развивалась в два больших этапа: оптический микроскоп, который с семнадцатого века выявлял клетки, но был ограничен дифракционным пределом, и электронный микроскоп, который с середины двадцатого века открыл ультраструктурный мир. Электронно-микроскопическое исследование митохондрий Паладе 1953 года иллюстрирует, как новый инструмент разрешил архитектуру органелл, а последующее развитие флуоресцентных зондов и конфокальной оптики добавило молекулярную специфичность и оптическое секционирование в инструментарий.
Key figures
- George Palade
- Jeff Lichtman
- Roger Tsien
Related topics
Seminal works
- palade-1953
- lichtman-2005
- giepmans-2006
Frequently asked questions
- Почему используют электронный микроскоп вместо светового?
- Электроны имеют гораздо более короткую длину волны, чем видимый свет, поэтому электронный микроскоп может разрешать тонкую субклеточную ультраструктуру, которая находится ниже дифракционного предела световой микроскопии.
- Что отличает методы визуализации в этой области?
- Они различаются используемым излучением и механизмом контраста: свет против электронов, и красители против электронной плотности против флуоресцентных меток, что в совокупности определяет, что каждый из них может разрешить и что он может сделать видимым.