跟着诺贝尔化学奖获得者看微观世界里的精美“绣花”
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子了吧。
有利于分析生物大分子的空间结构。
为了解决这个难题 ， ； 令冻电镜技术应运而生 。
冷冻 电镜下 ， 微观世 界里 的精 美 “ 绣花 ＂ 如何 “ 制服 ’ ’ 活泼 的蛋 白质分 子？
； 令冻 电镜 这 个 仪 器主 要 是用 来 观 察蛋 白质 的 ，
为 了观测蛋 白质 分子这类生物大分子的 空Ｉ 、 司 蛋白质分子很 小 ，蛋 白质叉很有 “ 活 力”，一般
昔 对 比
被打 断 了 。
第三 个问题 则更加严重 。蛋白质分子这 类生 的读者应该知 道 ，冰 是一种晶体 ，电镜中的电子
物 大 分 子 是 有 活 性 的 ，它 们 是 运 动 的 ，电 子 打 上 打 到 晶 体 上 以后 ，会 产 生 很 复 杂 的 衍 射 图像 ，这 去 反 射 回 来 的 方 向 会 因 为 分 子 的 运 动 而 变 得 杂 乱 反而不利于我们看到蛋白质等生物大分子的结构 。
第 一 个 问题 是 真 空 问 题 。 电 子 显 微 镜 的 电子
只能在真空中飞行的时候才能保持稳定 的动能 ， 而 蛋白质这类生物大分子一般处于溶液中 ， 在电子显 微镜的 真空环境下 ，溶液会挥 发出来 Biblioteka 污染 电子 显 微镜 。
第二个 问题是 电子 打在蛋 白质这类生物大分 子上容 易破坏蛋 白质 ，因为电子的能量 比较 高 ， 而生物 大分子一般依靠氢键来形成它的空间结构 ， 氢键的能量 很低 ，电子打上去 以后 ，氢键就可能 诺贝尔奖 官方网站公布 的图像 展示了电子显微 分辨 率的今
因此光 照在 蛋白质分子上就好像 一只鸭子要去踩
一
只 蚂 蚁 ，光 波 就 很 有 可 能 会 绕 过 蛋 白 质 分 子 ，
也 就 看不 到 蛋 白质 了 。
为了踩住一个蚂蚁 ，必须有一根 比蚂蚁还小
的针 ，从 蚂 蚁 背 上 插 进 去 ，这 样 才 万 无 一 失 。这
就是电子显微镜的由来 。 电子的波 长是光子波 长的十万分之一左右 ， 是一根极细的探针 ，理论上它打在蛋白质分子这类
获得 ２ ０１ ７年诺贝 尔化 学奖的雅克 ・ 杜波谢 、 阿希姆 一弗兰 克和理查德 －亨德森
电镜 是个 啥？
电镜是电子显微镜 的缩写。
生物大分子身上便能被反射 ，这些反射的电子就能
产生 一 张照 片 。这 就是 电 子显微 镜 的基 本原理 。
为了解释电子显微镜 ，我们先要 了解一下光
展做 出突出贡献。”等等 ，冷冻 电镜 首先是 一个电镜 ，而 电
镜是一个在 物理 学领域 经常被使用的科学仪 器，发 明冷冻 电
镜的人也是物理学家 ，为什 么要将诺 贝尔化学奖颁发给物理
学家呢？这个物理 学家发 明的科学仪 器又是如何在化 学领域 大展神 成的？看完这篇文章便知 、
跟着诺贝尔化学奖获得者 看微观世界里 的精美 “ 绣花”
口文 ／ 张 轩 中
＿＿’ —■ ．
… ｊ — 霸 ＿－
２ ０ １ ７ 年 的诺 贝尔化学奖授 予 了３位冷冻电镜研 究领域的
学者 ，颁 奖词是这样说的 ： “ 奖励他们 对冷 冻电镜技术的发
２０ｌ ７ Ｎｏ ＢＥＬ ＰＲＩ ＺＥ Ｉ Ｎ ＣＨＥＭ Ｉ Ｓ ＴＲＹ
在过去 的几年里 ，研 究人员发布 了大量复杂蛋 白质复合物的原 子结 构
要 在有水的环境里 存在 ，而且不 同的温 度下蛋 白 家 通过通力合作——一 位研究怎 么照相 ，一位研 质 分子的空间结构 是不一样的——大 家看看鸡蛋 究怎 么把照 片合 成三维结构 ，另一位研 究怎么摆 黄 与鸡 蛋清就知道 了。如 果不把 蛋白质； 东住 ，那 姿 势 ，最 终拍 出了前所 未有的好 照片 ，让我们看 么 蛋白质分子就 会在水 中 “ 游荡 ”，蛋 白质的空 清了生物大分子 。 欣赏了这些照片之后 ， 你会发现 ， 间结构便很难被捕捉 ， 也就根本无法研究其性质 。 电镜下的生物大分子就像是错综复杂的 “ 绣花”，
实验室中 的电子显微镜
２ ０ １ ７ ． １ ２ Ｉ 科学 太Ａ
结构 ，研究空间结构与生物 大分子的功能之间的 联 系，科 学家们需要在真空 环境下把蛋白质分子
固定 住 。
在这个指导思想下 ， 科学家想到了； 令 ； 东的方法。 他 们用液态的乙烷快速冷 东含有水分的生物
样 品，这样 就可以制备 出很 薄的水膜 （ 生 物大分 子就 被冷冻在这个水 膜里 ）。为什 么要快 速； 令； 东
无章——这就好像我 们用普通相机 去拍摄赛车 比 所 以，在冷冻电镜中，是不需要水形成晶体的。 赛 ，拍 出来 的照片全是虚 的—— 原因很简单 ，赛
车 是在 运 动 的 。
在快速冷冻 的情 况下，水形成 的 “ 玻璃态 ” 是一种非晶物质 ， 这种物质不会干扰电镜的工作 ，
令冻 的速度 很快 ，水中的蛋白质等生物 基于 以上 ３个原因 ，明白为啥传统的电子显 而且因为 微镜是看 不了蛋 白质分子这 类有活性的生物 大分 大分子被瞬 间冻住 ，基本不会发生形状 改变，这
学显 微镜。光学显微镜利 用可见光作 为探针来观 测 微观物体 ，比如光学显 微镜可 以观察细胞 。但
电镜为什 么看 不了蛋 白质分 子？
从 以 上 的 理 论 来 看 ， 电子 显 微 镜 应 该 是 可 以
是 ，对于 细胞 内的 蛋白质分子 ，光学显 微镜就看 看到蛋白质分子的 ，但实际上却不是这样的。 不 见它了 。为什么 呢？原 因其实 很简 单 ，光学显
电子 显微 镜 一 般 只能 用 来 观 测 一些 无 机 样 品 ，
也可 以看陶瓷的表面。 微 镜利用的是光子 的波动性 ，而光子 的波长大概 比如它可以看石墨的表面 ， 在５ ０ ０纳 米左 右 ，蛋 白质 分子 大小 在 １ ～ １ ０ ０纳
米之 间，所 以光子 的波长 比蛋白质分子还要 木 ，
呢？ 因 为 只 有 在 迅 速 降 温 的 情 况 下 ，生 物 大 分 子
所 处的水环境 中的水才不会 “ 结冰 ”，而是变成
蛋臼质分子
一
种 “ 玻璃 态 ” 。 这里 需 要 解释 一 下 。 学 过初 中物 理 “ 物 态 变化 ”
但一旦让 电子 显微镜的电子去轰击 蛋 白质分子这 类生物大分子的时候 ，问题就出来了 。
有利于分析生物大分子的空间结构。
为了解决这个难题 ， ； 令冻电镜技术应运而生 。
冷冻 电镜下 ， 微观世 界里 的精 美 “ 绣花 ＂ 如何 “ 制服 ’ ’ 活泼 的蛋 白质分 子？
； 令冻 电镜 这 个 仪 器主 要 是用 来 观 察蛋 白质 的 ，
为 了观测蛋 白质 分子这类生物大分子的 空Ｉ 、 司 蛋白质分子很 小 ，蛋 白质叉很有 “ 活 力”，一般
昔 对 比
被打 断 了 。
第三 个问题 则更加严重 。蛋白质分子这 类生 的读者应该知 道 ，冰 是一种晶体 ，电镜中的电子
物 大 分 子 是 有 活 性 的 ，它 们 是 运 动 的 ，电 子 打 上 打 到 晶 体 上 以后 ，会 产 生 很 复 杂 的 衍 射 图像 ，这 去 反 射 回 来 的 方 向 会 因 为 分 子 的 运 动 而 变 得 杂 乱 反而不利于我们看到蛋白质等生物大分子的结构 。
第 一 个 问题 是 真 空 问 题 。 电 子 显 微 镜 的 电子
只能在真空中飞行的时候才能保持稳定 的动能 ， 而 蛋白质这类生物大分子一般处于溶液中 ， 在电子显 微镜的 真空环境下 ，溶液会挥 发出来 Biblioteka 污染 电子 显 微镜 。
第二个 问题是 电子 打在蛋 白质这类生物大分 子上容 易破坏蛋 白质 ，因为电子的能量 比较 高 ， 而生物 大分子一般依靠氢键来形成它的空间结构 ， 氢键的能量 很低 ，电子打上去 以后 ，氢键就可能 诺贝尔奖 官方网站公布 的图像 展示了电子显微 分辨 率的今
因此光 照在 蛋白质分子上就好像 一只鸭子要去踩
一
只 蚂 蚁 ，光 波 就 很 有 可 能 会 绕 过 蛋 白 质 分 子 ，
也 就 看不 到 蛋 白质 了 。
为了踩住一个蚂蚁 ，必须有一根 比蚂蚁还小
的针 ，从 蚂 蚁 背 上 插 进 去 ，这 样 才 万 无 一 失 。这
就是电子显微镜的由来 。 电子的波 长是光子波 长的十万分之一左右 ， 是一根极细的探针 ，理论上它打在蛋白质分子这类
获得 ２ ０１ ７年诺贝 尔化 学奖的雅克 ・ 杜波谢 、 阿希姆 一弗兰 克和理查德 －亨德森
电镜 是个 啥？
电镜是电子显微镜 的缩写。
生物大分子身上便能被反射 ，这些反射的电子就能
产生 一 张照 片 。这 就是 电 子显微 镜 的基 本原理 。
为了解释电子显微镜 ，我们先要 了解一下光
展做 出突出贡献。”等等 ，冷冻 电镜 首先是 一个电镜 ，而 电
镜是一个在 物理 学领域 经常被使用的科学仪 器，发 明冷冻 电
镜的人也是物理学家 ，为什 么要将诺 贝尔化学奖颁发给物理
学家呢？这个物理 学家发 明的科学仪 器又是如何在化 学领域 大展神 成的？看完这篇文章便知 、
跟着诺贝尔化学奖获得者 看微观世界里 的精美 “ 绣花”
口文 ／ 张 轩 中
＿＿’ —■ ．
… ｊ — 霸 ＿－
２ ０ １ ７ 年 的诺 贝尔化学奖授 予 了３位冷冻电镜研 究领域的
学者 ，颁 奖词是这样说的 ： “ 奖励他们 对冷 冻电镜技术的发
２０ｌ ７ Ｎｏ ＢＥＬ ＰＲＩ ＺＥ Ｉ Ｎ ＣＨＥＭ Ｉ Ｓ ＴＲＹ
在过去 的几年里 ，研 究人员发布 了大量复杂蛋 白质复合物的原 子结 构
要 在有水的环境里 存在 ，而且不 同的温 度下蛋 白 家 通过通力合作——一 位研究怎 么照相 ，一位研 质 分子的空间结构 是不一样的——大 家看看鸡蛋 究怎 么把照 片合 成三维结构 ，另一位研 究怎么摆 黄 与鸡 蛋清就知道 了。如 果不把 蛋白质； 东住 ，那 姿 势 ，最 终拍 出了前所 未有的好 照片 ，让我们看 么 蛋白质分子就 会在水 中 “ 游荡 ”，蛋 白质的空 清了生物大分子 。 欣赏了这些照片之后 ， 你会发现 ， 间结构便很难被捕捉 ， 也就根本无法研究其性质 。 电镜下的生物大分子就像是错综复杂的 “ 绣花”，
实验室中 的电子显微镜
２ ０ １ ７ ． １ ２ Ｉ 科学 太Ａ
结构 ，研究空间结构与生物 大分子的功能之间的 联 系，科 学家们需要在真空 环境下把蛋白质分子
固定 住 。
在这个指导思想下 ， 科学家想到了； 令 ； 东的方法。 他 们用液态的乙烷快速冷 东含有水分的生物
样 品，这样 就可以制备 出很 薄的水膜 （ 生 物大分 子就 被冷冻在这个水 膜里 ）。为什 么要快 速； 令； 东
无章——这就好像我 们用普通相机 去拍摄赛车 比 所 以，在冷冻电镜中，是不需要水形成晶体的。 赛 ，拍 出来 的照片全是虚 的—— 原因很简单 ，赛
车 是在 运 动 的 。
在快速冷冻 的情 况下，水形成 的 “ 玻璃态 ” 是一种非晶物质 ， 这种物质不会干扰电镜的工作 ，
令冻 的速度 很快 ，水中的蛋白质等生物 基于 以上 ３个原因 ，明白为啥传统的电子显 而且因为 微镜是看 不了蛋 白质分子这 类有活性的生物 大分 大分子被瞬 间冻住 ，基本不会发生形状 改变，这
学显 微镜。光学显微镜利 用可见光作 为探针来观 测 微观物体 ，比如光学显 微镜可 以观察细胞 。但
电镜为什 么看 不了蛋 白质分 子？
从 以 上 的 理 论 来 看 ， 电子 显 微 镜 应 该 是 可 以
是 ，对于 细胞 内的 蛋白质分子 ，光学显 微镜就看 看到蛋白质分子的 ，但实际上却不是这样的。 不 见它了 。为什么 呢？原 因其实 很简 单 ，光学显
电子 显微 镜 一 般 只能 用 来 观 测 一些 无 机 样 品 ，
也可 以看陶瓷的表面。 微 镜利用的是光子 的波动性 ，而光子 的波长大概 比如它可以看石墨的表面 ， 在５ ０ ０纳 米左 右 ，蛋 白质 分子 大小 在 １ ～ １ ０ ０纳
米之 间，所 以光子 的波长 比蛋白质分子还要 木 ，
呢？ 因 为 只 有 在 迅 速 降 温 的 情 况 下 ，生 物 大 分 子
所 处的水环境 中的水才不会 “ 结冰 ”，而是变成
蛋臼质分子
一
种 “ 玻璃 态 ” 。 这里 需 要 解释 一 下 。 学 过初 中物 理 “ 物 态 变化 ”
但一旦让 电子 显微镜的电子去轰击 蛋 白质分子这 类生物大分子的时候 ，问题就出来了 。