冷冻电镜简介
冷冻电镜观察蛋白颗粒
冷冻电镜，也称为冷冻电子显微镜或冷冻EM，是一种在低温下观察生物样品的技术。
它可以观察蛋白质颗粒和其他生物大分子，并提供了高分辨率的结构信息。
在冷冻电镜中，样品被迅速冷冻在低温下，以保持其自然状态。
然后，电子束被用来扫描样品，并收集散射的电子来生成图像。
由于电子束的波长比光波短得多，因此冷冻电镜可以提供更高的分辨率图像。
冷冻电镜在生物学研究中非常有用，因为它可以观察不稳定的、易变的或非常小的蛋白质颗粒。
这使得科学家能够更深入地了解蛋白质的结构和功能，进而了解生命的基本过程。
此外，冷冻电镜还可以与其他技术结合使用，例如单颗粒分析、冷冻电子断层扫描和微电子衍射等技术。
这些技术可以提供更多关于蛋白质结构和动力学的信息，有助于科学家更好地理解蛋白质的功能和作用机制。
总之，冷冻电镜是一种强大的技术，可以提供高分辨率的蛋白质结构和动力学信息，为生物学研究和药物设计提供了重要的工具。
冷冻电镜简介
1 冷冻电镜发展背景人类基因组计划的完成，标志着科学已进入后基因组时代。
虽然大量的基因序列得到阐明，但是生物大分子如何从这些基因转录、翻译、加工、折叠、组装，形成有功能的结构单元，尚需进一步的研究。
后基因组时代人类面临的一个挑战是解析基因产物—蛋白质的空间结构，建立结构基因组学，并在原子水平上解释核酸—蛋白，蛋白—蛋白之间的相互作用，从而阐明由这些生物大分子和复合物所行使的生物学功能。
在此过程中，结构生物学在其中扮演着重要角色。
对生物大分子结构的解析，不仅具有深远的基础意义，而且具有广阔的应用前景。
通过对核酸、蛋白质及其复合物的结构解析，人们对它们的功能的理解更加透彻，就可以根据他们发挥功能的结构基础有针对性地进行药物设计，基因改造，疫苗研制开发，甚至人工构建蛋白质等工作，从而对制药、医疗、疾病防治、生物化工等诸多方面产生巨大的推动作用。
日前用于解析生物大分子空间结构的主要手段是X射线晶体学技术和核滋共振波谱学。
X射线晶体学可给出分子的高分辨结钩，核磁共振波谱学则可测定分子在溶液中的精确构像，并可研究构像的动态变化。
虽然X射线晶体学和核磁共振波谱学是解析生物大分子结构的强有力工具，但各有局限性。
X射线晶体学解析的结构常常是分子的基态结钩，而对解析分子的激发态和过渡态却往往无能为力：生物大分子在体内常常发生相互作用并形成复合物而发挥功能，这些复合物的结晶化非常困难。
核磁共振波谱学虽可获得分子在溶液中的结构并可研究结构的动态变化，但目前只能用于分子量较小的生物大分子（<10000道尔顿），而对分子量大的生物大分子尤其是超分子复合物却无能为力。
人类对生物体系的研究经历了由个体到器官，由器官到组织，由组织到细胞，由细胞到生物大分子这样一个层次由高到低的过程。
随着科学的发展，人们对生物体系的研究又转向由低层次到高层次，由简单体系到复杂体系。
在此过程中，细胞作为生命的基本单位起着承上启下的重要作用。
多少年来，科学家的一个梦想是能观察到生物大分子在细胞内的行为，几十年来，人们对大量的生物大分子及其复合物应用电子显微镜进行研究，发展出了强有力的电子显微学来研究生物大分子结构的方法学。
冷冻电镜的原理及应用
冷冻电镜的原理及应用冷冻电镜（cryo-electron microscopy，简称cryo-EM）是一种利用冷冻技术对生物样品进行成像的高分辨率电镜技术。
它的原理是将生物样品在极低温下快速冷冻，形成冰冻膜，然后在真空环境下进行成像。
冷冻电镜具有成像分辨率高、样品无需染色等优点，因此在生物医学研究领域有着广泛的应用。
首先，冷冻电镜的原理是利用样品在极低温下形成冰冻膜后，通过电子束对样品进行成像。
冷冻膜的形成可以保持生物样品的天然结构，避免了传统电镜中样品染色和固化过程可能导致的伪装效应。
同时，冷冻电镜可以获得纳米级甚至次纳米级的成像分辨率，能够观察到生物样品的细微结构和分子间相互作用，为生物学研究提供了重要的信息。
其次，冷冻电镜在生物医学领域有着广泛的应用。
在细胞生物学研究中，冷冻电镜可以用于观察细胞器的结构和功能，揭示细胞内部的生物过程。
在生物医药研发中，冷冻电镜可以用于药物与蛋白质相互作用的研究，为新药研发提供重要依据。
在病毒学领域，冷冻电镜可以用于观察病毒颗粒的结构，为病毒防治提供重要信息。
此外，冷冻电镜的发展也为生物学研究提供了新的技术手段。
随着成像分辨率的不断提高，冷冻电镜已经成为研究生物分子结构的重要工具，为科学家们解开生命奥秘提供了强有力的支持。
同时，冷冻电镜的技术进步也为药物设计和疾病治疗提供了新的思路和方法。
综上所述，冷冻电镜作为一种高分辨率电镜技术，具有成像分辨率高、样品无需染色等优点，在生物医学研究领域有着广泛的应用。
其原理是利用样品在极低温下形成冰冻膜后，通过电子束对样品进行成像。
冷冻电镜的发展为生物学研究提供了新的技术手段，为科学家们解开生命奥秘提供了强有力的支持。
相信随着技术的不断进步，冷冻电镜在生物医学领域的应用将会更加广泛，为人类健康事业做出更大的贡献。
冷冻电镜表征
冷冻电镜表征
冷冻电镜（Cryo-Electron（Microscopy）是一种生物学中常用的高分辨率电子显微镜技术，它能够以冷冻的方式观察生物样品的高分辨率结构，特别是蛋白质和生物大分子的结构。
冷冻电镜表征通常包括以下步骤：
1.（样品制备：（样品制备是冷冻电镜表征的关键步骤。
生物样品需要以特殊的方式制备，以确保在电镜中保持其原始结构。
通常，样品会在非常低的温度下迅速冷冻，以保持生物分子在其自然状态下的结构。
2.（数据采集：（冷冻电镜利用电子束来照射样品，并记录样品散射电子的图像。
这些图像被捕获并记录下来，形成一系列2D图像。
这些图像需要在不同角度和方向上采集，以获取关于生物样品三维结构的信息。
3.（三维重建：（通过收集的2D图像，使用特定的计算机程序进行图像处理和三维重建。
这些程序能够处理大量的2D图像数据，并将其转换成高分辨率的三维结构模型。
4.（结构解析与分析：（得到的三维结构模型可以进一步用于分析生物样品的结构。
这包括分析蛋白质、细胞器或其他生物分子的形状、大小、构象等信息。
冷冻电镜表征因其能够在生物样品的原始状态下观察高分辨率结构而备受青睐。
它在生物医学研究、生物化学和药物研发等领域中发挥着重要作用，帮助科学家们理解生物分子的结构和功能。
1/ 1。
嗯，这是一篇关于冷冻电镜的干货！
嗯，这是⼀篇关于冷冻电镜的⼲货！1、什么是冷冻电镜冷冻电⼦显微镜技术（cryo-electron microscopy）简称冷冻电镜。
冷冻电镜，是⽤于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-SEM)，可实现直接观察液体、半液体及对电⼦束敏感的样品，如⽣物、⾼分⼦材料等。
样品经过超低温冷冻、断裂、镀膜制样（喷⾦/喷碳）等处理后，通过冷冻传输系统放⼊电镜内的冷台（温度可⾄-185℃）即可进⾏观察。
冷冻电镜中的冷冻技术可以瞬间冷冻样品，并在冷冻状态下保持和转移，使样品最⼤限度保持原来性状，得出的数据更准确，实验成功率才更⾼。
2、冷冻电镜的分类⽬前我们讨论的冷冻电镜基本上指的是冷冻透射电⼦显微镜，但是如果我们可以使⽤冷冻技术的⾓度定义冷冻电镜的话，冷冻电镜主要可以分为冷冻透射电⼦显微镜、冷冻扫描电⼦显微镜、冷冻刻蚀电⼦显微镜。
2.1冷冻透射电⼦显微镜冷冻透射电镜（Cryo-TEM）通常在普通透射电镜上加装样品冷冻台，将样品冷却到液氮温度（77K）。
⽤于观测蛋⽩、⽣物切⽚等对温度敏感的样品。
通过对样品的冷冻，可以降低电⼦束对样品的损伤，减⼩样品的形变，从⽽得到真实的样品形貌。
⼀台冷冻透射电镜的价格在600万美元左右，价格及其昂贵，它的优点主要体现在以下⼏个⽅⾯：第⼀是加速电压⾼，电⼦穿透厚样品；第⼆是透镜多，光学性能好；第三是样品台稳定；第四是全⾃动，⾃动换液氮，⾃动换样品，⾃动维持清洁。
2.2冷冻扫描电⼦显微镜扫描电镜⼯作者都⾯临着⼀个不能回避的事实，就是所有⽣命科学以及许多材料科学的样品都含有液体成分。
很多动植物组织的含⽔量达到98%，这是扫描电镜⼯作者最难对付的样品问题。
冷冻扫描电镜（Cryo-SEM）技术是克服样品含⽔问题的⼀个快速、可靠和有效的⽅法。
这种技术还被⼴泛地⽤于观察⼀些“困难”样品，如那些对电⼦束敏感的具有不稳定性的样品。
各种⾼压模式如VP、LV和ESEM的出现，已允许扫描电镜观察未经冷冻和⼲燥的样品。
冷冻电镜在生物学领域的应用
冷冻电镜在生物学领域的应用近年来，随着生物学领域的不断发展，科学家们对生物细胞及分子结构的研究越发深入。
而冷冻电镜技术作为重要的高分辨率成像技术之一，近年来也得到了广泛应用，成为生物学研究领域中的重要手段之一。
一、冷冻电镜的简介冷冻电镜技术是指将活体样品通过快速冷冻的方式，制成超薄冰冻切片，并利用电子显微镜进行成像而获得的高分辨率结构信息。
相较于传统离体固定、染色加工的样品，冷冻技术可以避免细胞失真、退化等变化，同时也能有效保持样品中分子结构的活性特性。
二、冷冻电镜在生物学领域的应用1.细胞器结构研究生物细胞中的各种细胞器，是细胞功能的基本单位。
而利用冷冻电镜技术，可以对细胞器进行高分辨率的显微图像拍摄，更好地了解它们的形态、位置及其功能。
例如，研究人员通过冷冻电镜分析得知囊泡的形态和分布位置，进一步探究了细胞内部的物质传输等细胞学现象，有助于探索生物学的奥秘。
2.蛋白质相互作用研究蛋白质是生物体内最基本的结构和功能单元，在多种生物学结构和过程中起着关键作用。
近年来，研究人员利用冷冻电镜技术，成功利用蛋白质的超分子结构和含量信息，探究了许多蛋白质质量的变化与功能性的内部调整过程。
这有助于更好地了解蛋白质的生物活性和分子机制，从而为生物医学研究提供更好的理论基础。
3.细菌微生物学研究细菌是一类广泛存在于自然界中的微生物，由于其小、形态多样，研究其结构及功能有一定困难。
而冷冻电镜技术可以在样本真实环境中进行成像，有效还原并解析细菌的分子结构，同时也能对其进行分类和功能分析。
这样，研究人员可以利用高分辨率的成像，更好地认识细菌及其功能，并且为细菌类疾病的研究提供理论支持。
三、冷冻电镜技术面临的挑战和应对策略尽管冷冻电镜技术在生物学领域的应用受到了广泛认可，但是它的成本和技术难度较高，且需要一定量的样本，主要限制了其应用范围和实用性。
针对这些限制，还需针对性地进行技术改进。
例如，采用集束误差校正技术、自适应信噪比增强等，大幅提升成像质量和分辨率，使得冷冻电镜技术更好地服务于生物学的理论研究和实践应用。
冷冻电镜的原理及应用
冷冻电镜的原理及应用1. 冷冻电镜的原理冷冻电镜是一种结合了电子显微镜技术和低温技术的先进仪器，主要用于观察生物材料的结构和功能。
它能够在不破坏样品的情况下，将样品冷冻到极低的温度下，并通过电子束来观察样品的微观结构。
冷冻电镜的原理主要包括以下几个方面：1.1 低温冷冻冷冻电镜的核心就是利用低温来冷冻样品，以保持样品的原貌。
常用的低温冷冻方法包括液氮冷冻、冷冻冷冻和快速冷冻等。
通过将样品置于低温介质中，可以抑制细胞组织中的活动，并减少样品的损伤。
1.2 电子显微镜技术冷冻电镜使用的是电子显微镜技术，通过电子束对样品进行成像。
电子显微镜使用的是电子束而不是光束，因此可以获得更高的分辨率。
电子束经过样品时，会产生散射和透射现象，通过检测这些现象并进行成像处理，就可以观察到样品的微观结构。
2. 冷冻电镜的应用冷冻电镜在生物科学领域有着重要的应用价值，主要体现在以下几个方面：2.1 结构生物学研究冷冻电镜可以对生物材料的细胞结构进行高分辨率观察。
通过观察细胞器、膜蛋白、核酸等的微观结构，可以揭示其在生物过程中的功能和作用机制。
例如，冷冻电镜被广泛应用于病毒结构的研究，有助于了解病毒的传播和感染机制，从而为病毒疫苗和抗病毒药物的研发提供重要依据。
2.2 分子生物学研究冷冻电镜可以观察生物材料的分子结构，探索生物分子的三维构象。
通过冷冻电镜的技术手段，可以对蛋白质、核酸等生物大分子进行直接观察，分析其精细的结构、构象变化以及相互作用等。
这对于理解生物大分子的功能机制、相互作用网络以及疾病发生的机制具有重要意义。
2.3 药物研发与评价冷冻电镜在药物研发与评价方面也发挥着重要作用。
通过冷冻电镜的技术手段，可以观察药物分子与靶标分子的结合情况，了解药物在靶标分子上的作用机制。
同时，冷冻电镜还可以对药物输送系统进行观察，在药物传递领域具有广泛的应用前景。
2.4 其他应用领域除了上述应用领域外，冷冻电镜在生物医学工程、纳米材料研究等领域也有着广泛的应用。
冷冻电镜
扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术
目录
01 电镜观察
02 课题研究
冷冻电镜，是用于扫描电镜的超低温冷冻制样及传输技术(Cryo-SEM)，可实现直接观察液体、半液体及对电 子束敏感的样品，如生物、高分子材料等。
电镜观察
样品经过超低温冷冻、断裂、镀膜制样（喷金/喷碳）等处理后，通过冷冻传输系统放入电镜内的冷台（温度 可至-185℃）即可进行观察。其中，快速冷冻技术可使水在低温状态下呈玻璃态，减少冰晶的产生，从而不影响 样品本身结构，冷冻传输系统保证在低温状态下对样品进行电镜观察。
课题研究
中国科学技术大学教授毕国强、刘北明与美国பைடு நூலகம்州大学洛杉矶分校教授周正洪组成课题组，利用冷冻电镜技 术对完整突触进行了系统性定量分析。美国神经科学学会会刊《神经科学》日前以封面形式对此进行了报道 。
课题组利用冷冻电镜技术，结合自主研发的冷冻光电关联显微成像技术，实现了对中枢神经系统中两类最主 要突触——兴奋、抑制性突触的精确区分以及结构特征的定量化分析。他们将大鼠的海马神经元培养在冷冻电镜 的特型载网上，快速冷冻并直接成像，获得了一系列完整突触在近生理状态下的三维结构。结合定量分析手段， 了解了抑制性突触的均匀薄片状突触后致密区结构，获得了突触在分子水平的精细组织架构，实现了在突触原位 直接观察单个神经递质受体蛋白复合物及其与支架蛋白的相互作用。
感谢观看
冷冻电镜揭示生物大分子
electron microscopy
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目录
1.背景及简介
2.样品制备
3.优势
4.展望
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1.背景及简介
冷冻电镜（Cryo-microscopy） 通常是在普通透射电镜上加装 样品冷冻设备，将样品冷却后 用于观测蛋白、生物切片的设 备。
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冷冻电镜在动力学中的应用
“ATP合成酶” 包含不同构象的 大分子混合物
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展望
1.引进云计算：冷冻电镜需要采集大量数据。以 核糖体为例，我们将核糖体冻在一个很薄的水膜 中，能从各个不同方向看到的核糖体的二维投影， 从照片中挑出一个一个核糖体的“单颗粒”，按 之前我们说的要获得它的一个三维结构，目前需 要1-2万个。 2.用于揭示某些疾病的生理过程。
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3.3D重建
3D重建最简单的一种方法 “单颗粒”法。以核 糖体为例，核糖体冷冻在一个很薄的水膜中， 我们可以从各个不同方向看到的核糖体的二维 投影图。从照片中挑选出一个一个核糖体的 “单颗粒”；如果数量足够，比如目前大约需 要1-2万个，你就可以将这些各个不同方向的核 糖体信息组合，模拟得到三维结构。
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1.背景及简介
X衍射晶体学
核磁共振光谱 （NMR）
冷冻电子显微技 术
• 同一种蛋白质 的多个拷贝排 列成一个3D晶 体时，可以通 过X射线衍射 实验获得关于 蛋白质的原子 结构的信息
• 测量原子之间 的距离依赖相 互作用。可以 用来推断相对 小的蛋白质的 结构，并且它 提供了关于蛋 白质动力学及 其与其他分子 相互作用的独 特信息。
冷冻电镜的原理及分类
冷冻电镜的原理及分类冷冻电镜（Cryo-EM）是一种用于生物样品的高分辨率电子显微镜技术。
它允许研究人员在生物冷冻状态下研究细胞和蛋白质的结构，而无需对样品进行固定、染色或晶化。
冷冻电镜的原理是将样品冷冻在液氮温度下（约-196），以减少辐射损伤和质子晃动，然后使用电子束照射样品，最后通过记录电子束传导，获得样品的二维或三维影像。
冷冻电镜的分类可以基于使用的技术和设备。
以下是几种常见的冷冻电镜分类：1. 传统冷冻电镜：传统冷冻电镜采用冷冻固化和真空干燥技术对样品进行制备。
样品通常需要固定、切片、冷冻，并通过真空干燥以降低样品的温度和压力，最后使用电子束对样品进行成像。
由于使用了真空干燥技术，这种冷冻电镜不能适应水性样品。
2. 高压冷冻电镜：高压冷冻电镜通过在高压下以固态冷却样品，然后通过电子束成像样品。
这种技术可以更好地保持样品的原始结构和水性环境，避免固定和干燥过程中可能引起的伪像。
3. Cryo-FIB（冷冻聚焦离子束）电镜：Cryo-FIB电镜通过将样品的冷冻微切片与聚焦离子束成像技术相结合，实现冷冻样品的切片和成像。
这种技术可以用于获得冷冻样品的三维结构信息。
4. Cryo-ET（冷冻电子断层术）电镜：Cryo-ET电镜将冷冻样品的序列二维图像重建成三维图像。
这种技术通过拍摄样品的序列图像，然后利用计算机算法将这些二维图像组合成三维模型。
冷冻电镜作为一种高分辨率的电子显微镜技术，具有很多应用领域。
它可以被广泛应用于生物学、生物医学、药物研发等领域，用于研究和理解蛋白质的结构和功能。
冷冻电镜可以帮助科学家揭示生物分子及其复合物的大量结构信息，为药物设计和疾病研究提供重要的参考和依据。
冷冻电镜名词解释细胞生物学
冷冻电镜名词解释细胞生物学冷冻电镜（Cryo-electron microscopy）是一种在细胞生物学中广泛应用的技术，它通过将生物样品冷冻到极低温度，并使用电子束来观察样品的高分辨率图像。
冷冻电镜技术的发展为科学家们提供了一种研究生物体内部结构和功能的强大工具。
在传统的电子显微镜中，样品需要进行化学固定和切片处理，这可能导致样品的形态和结构发生变化。
而冷冻电镜技术则能够在无需进行这些处理的情况下，直接观察样品的原始状态。
这使得科学家们能够更准确地研究细胞和生物分子的结构和功能。
冷冻电镜技术的核心是将生物样品快速冷冻到液氮温度（约-196℃），以防止样品中的水分子形成冰晶，从而保持样品的原始结构。
冷冻过程中，样品通常会被浸泡在含有保护剂的溶液中，以保护样品免受冷冻过程中的损伤。
冷冻完成后，样品被转移到冷冻电镜中进行观察。
在冷冻电镜中，电子束通过样品并与之相互作用，形成电子透射图像。
这些图像被记录下来，并通过计算机处理和重建来生成高分辨率的三维结构模型。
通过观察这些模型，科学家们可以了解细胞和生物分子的内部结构和组织方式。
冷冻电镜技术在细胞生物学中的应用非常广泛。
它可以用来研究细胞器、蛋白质复合物、病毒等生物分子的结构和功能。
例如，科学家们利用冷冻电镜技术成功地解析了许多重要生物分子的结构，如核糖体、ATP合成酶等。
这些研究对于理解生命的基本过程和疾病的发生机制具有重要意义。
除了在细胞生物学领域的应用，冷冻电镜技术还被广泛应用于药物研发和生物医学研究中。
通过观察药物与靶分子之间的相互作用，科学家们可以设计出更有效的药物，并了解药物如何在细胞内起作用。
此外，冷冻电镜技术还可以用于研究蛋白质聚集和与疾病相关的蛋白质异常聚集现象，如阿尔茨海默病、帕金森病等。
尽管冷冻电镜技术在细胞生物学研究中具有重要作用，但它也存在一些挑战和限制。
首先，由于电子束与样品相互作用的方式不同于光束与样品相互作用的方式，因此冷冻电镜技术无法直接观察活体细胞的动态过程。
冷冻电镜的基本原理与应用
冷冻电镜的基本原理与应用引言冷冻电镜（cryo-electron microscopy）是一种重要的结构生物学技术，可以用于研究生物大分子的三维结构。
本文将介绍冷冻电镜的基本原理和应用。
基本原理1.冷冻技术：冷冻电镜技术利用低温将生物样品快速冷冻到液氮温度下，以防止样品在电镜真空环境下的脱水和离解。
常用的冷冻方法包括液氮浸泡法和喷射法。
2.电子显微镜：冷冻电镜采用电子束取代光束，通过控制电子束的聚焦、透射、散射和干涉等特性来观察和分析样品的结构。
电子显微镜通常由光源、准直系统、透射系统、检测器和成像系统等组成。
3.图像重建：冷冻电镜通过收集样品在不同角度下的二维投影图像，并通过图像处理和三维重建算法，得到样品的三维结构信息。
应用领域冷冻电镜技术在以下领域得到了广泛应用： - 生物分子结构研究：冷冻电镜可用于解析蛋白质、核酸和病毒等生物大分子的三维结构，帮助研究人员理解生物分子的功能和机制。
- 药物开发：冷冻电镜可以提供药物设计和优化的结构信息，帮助药物开发人员进行药物筛选和设计。
- 疾病研究：冷冻电镜可以用于研究疾病相关蛋白的结构变化以及疾病的发生机制，为疾病的诊断和治疗提供科学依据。
- 纳米技术：冷冻电镜可以用于研究纳米粒子和纳米材料的形态和结构，有助于纳米技术在材料科学和能源领域的应用。
冷冻电镜的优势与传统的X射线晶体学和核磁共振等技术相比，冷冻电镜具有以下优势： - 无需晶体：冷冻电镜可以直接观察非结晶生物样品的结构，无需进行晶体生长，可以观察到更多的生物分子。
- 高分辨率：冷冻电镜可以达到亚纳米甚至亚埃级的高分辨率，可以揭示出更细致的生物分子结构信息。
- 快速：冷冻电镜可以在短时间内获取大量样品的结构信息，加快了研究进程。
- 样品准备简单：相比于其他结构生物学技术，冷冻电镜样品的制备相对简单，只需要进行冷冻处理即可。
结论冷冻电镜是一种重要的结构生物学技术，能够提供生物大分子的高分辨率三维结构信息。
冷冻电镜原理
冷冻电镜原理冷冻电镜（cryo-electron microscopy，cryo-EM）是一种重要的生物学成像技术，它可以用来观察生物大分子的结构，如蛋白质、DNA和RNA等。
冷冻电镜技术的原理是利用电子束对冷冻样品进行成像，通过对样品进行快速冷冻并在低温下保持其生物活性，从而实现对生物大分子结构的高分辨率成像。
冷冻电镜的原理主要包括样品的制备、成像过程和图像处理三个方面。
首先，样品的制备是冷冻电镜成像的关键步骤。
样品需要在非常短的时间内被快速冷冻到液氮温度以下，以保持其原始结构和生物活性。
其次，在成像过程中，样品需要被置于真空环境中，并通过电子束进行成像。
电子束通过样品后，会与样品中的原子核或电子发生相互作用，产生散射和吸收，最终形成样品的投影图像。
最后，在图像处理过程中，需要对采集到的图像进行去噪、对齐、重构等处理，以获得高质量的三维结构信息。
冷冻电镜的成像原理是基于电子的波粒二象性和样品的相互作用。
电子具有波动性，因此可以用来成像样品的微观结构。
而样品中的原子核和电子会对电子束产生散射和吸收，从而在探测器上形成图像。
通过收集大量的图像，可以获得样品的三维结构信息。
冷冻电镜的成像原理与传统的电子显微镜有所不同。
传统的电子显微镜需要对样品进行化学固定和薄片切割，这可能会导致样品结构的变形和损伤。
而冷冻电镜则可以在保持样品生物活性的情况下进行成像，因此可以观察到更接近生物真实状态的结构信息。
总的来说，冷冻电镜是一种强大的生物学成像技术，它的原理是基于电子的波粒二象性和样品的相互作用。
通过快速冷冻样品并在低温下进行成像，可以获得高分辨率的生物大分子结构信息。
冷冻电镜技术的发展为生物学研究提供了重要的工具，有望在生物医药领域发挥重要作用。
冷冻电镜在生命科学中的应用
冷冻电镜在生命科学中的应用冷冻电镜是现代生命科学研究中的重要手段之一。
它结合了冻脱水和电子显微镜技术，能够在高分辨率下观察生物大分子结构，鉴定生物分子的构型以及生物大分子的结构与功能关系。
冷冻电镜可以探究生物大分子复杂化的相关问题，对于现代生物学、医学和生物制药产业的发展都有着重大的意义。
一、冷冻电镜的基本原理冷冻电镜是冷冻电镜制冷器的一种扩展和改进。
在原理上，冷冻电镜和传统的电镜技术基本一致。
不同的是，在这个过程中，底片与样品之间添加的是冷冻水，而不是化学固定剂。
这种方法使得底片上的样品能够以其天然状态在高真空条件下保持稳定，从而获得结构上更加真实的高质量图像。
二、1.生物分子的高分辨率成像。
由于冷冻电镜具有快速冻结样品的能力，它可以在不破坏样品的情况下直接观察细胞内的精细结构。
这样的解析度能够显示出仅仅几个原子的空间结构，从而确定复杂的生物分子和生物细胞的形态和构造。
冷冻电镜技术的应用范围非常广泛，例如：DNA 分子、蛋白质分子的结构、细胞膜片的稳定性，以及细胞内的细胞器亚单元等等。
2.生物分子的识别和鉴定。
通过冷冻电镜技术获得的复杂分子结果可以执行三维数字化的建模。
这对于生物大分子结构的鉴定具有很大的意义，特别是对于复杂蛋白质、肝细胞和其他重要的生物大分子的研究。
冷冻电镜也可以用于探究生物分子的区分，这在生物科学的精准研究中将发挥重要作用。
3.研究生物分子和细胞的复杂化进程。
冷冻电镜技术让生物分子研究者有了越来越全面的采样和分析方法。
这种方法可用于观测细胞内各种分子的运动和交互作用，帮助生物学家发现生命科学中很多问题的答案。
这种方法还可以描绘生物分子在不同构型中的互动，进而研究复杂生物分子对环境变化的响应，误代尔的化学反应或生命进化。
三、冷冻电镜技术的局限性尽管冷冻电镜的应用范围非常广泛，但它仍然存在许多局限性。
首先，它无法直接获得生物分子的动力学信息，不能直接探测生物分子和细胞内的动态变化；其次，这种技术需要高质量的样品和优秀的技术，一旦出现问题，将会造成获得的数据信号的严重缺陷，甚至无法正确处理；最后，其成像的分辨率要取决于底片的厚度，对较大或较厚的样品则不适用。
冷冻电镜简介
冷冻电镜简介冻电镜和X射线晶体学、核磁共振被称作结构生物学研究的三大利器，但不得不承认冷冻电镜是三者当中最弱的一种技术手段，在现在已解析的一千多种膜蛋白结构当中，90%以上都采用的是X射线晶体学方法，核磁共振在小分子量的蛋白结构解析中也发挥了重要的作用，而冷冻电镜在蛋白结构解析当中所起的作用微乎其微。
然而2013年12月5日，美国加州大学旧金山分校副教授程亦凡与同事David Julius两个实验室合作，采用单电子计数探测器，以近原子分辨率（3.4埃），确定了在疼痛和热知觉中起中心作用的一种膜蛋白TRPV1的结构，这一振奋人心的成果让研究人员们开始重新审视冷冻电镜在结构生物学研究中的所能发挥的作用。
毕竟和X 射线晶体学方法相比，它所需的样品量很少，也无需生成晶体，这对于一些难结晶的蛋白质的研究带来了新的希望。
蛋白质TRPV1结构的确定标志着冷冻电镜正式跨入“原子分辨率”时代。
2.2 冷冻电镜分类目前我们讨论的冷冻电镜基本上指的都是冷冻透射电子显微镜，但是如果我们以使用冷冻技术的角度定义冷冻电镜的话，冷冻电镜主要可以分为冷冻透射电子显微镜、冷冻扫描电子显微镜、冷冻蚀刻电子显微镜。
2.2.1 冷冻透射电子显微镜冷冻透射电镜（Cryo-TEM）通常是在普通透射电镜上加装样品冷冻设备，将样品冷却到液氮温度（77K），用于观测蛋白、生物切片等对温度敏感的样品。
通过对样品的冷冻，可以降低电子束对样品的损伤，减小样品的形变，从而得到更加真实的样品形貌。
一台冷冻透射电镜的价格在600万美元左右，价格极其昂贵，它的优点主要体现在以下几个方面：第一是加速电压高，电子能穿透厚样品；第二是透镜多，光学性能好；第三是样品台稳定；第四是全自动，自动换液氮，自动换样品，自动维持清洁。
图2.1 冷冻透射电镜及冷冻电镜下高分辨病毒的三维重构图2.2.2 冷冻扫描电子显微镜扫描电镜工作者都面临着一个不能回避的事实，就是所有生命科学以及许多材料科学的样品都含有液体成分。
利用冷冻电镜研究蛋白质的结构
利用冷冻电镜研究蛋白质的结构利用冷冻电镜探索蛋白质的结构蛋白质作为生物体中最基本的大分子，具有非常广泛的生物学功能，如运输、酶反应、代谢、信号传导和结构支持等。
这些蛋白质的表现形式非常复杂，并常常需要通过三维结构来理解它们的功能和相互作用。
如今，冷冻电镜已经成为了物质科学领域中常用的工具，可以帮助科学家们研究蛋白质的结构。
下面将会介绍这种技术以及它与蛋白质研究的关系。
1.冷冻电镜的概述冷冻电镜技术是一种高分辨率下生物样品成像的技术。
它通常与透射电镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）联用，以便观察样品的形态和结构。
在冷冻电镜技术中，样品被快速冷冻并在流动气体温度下保持冷冻状态。
这种方法可以维护样品的生物活性并最小化辐射损伤。
而电镜则利用电子束照射，经过取样并进行处理，最终生成高分辨率的影像。
使用冷冻电镜技术的主要优点在于其快速，准确，而且涉及的样品非常少，这使得这一技术成为了生物研究领域中极具前景的技术。
2.冷冻电镜在蛋白质研究中的应用使用冷冻电镜技术可以为生物学家们提供三维结构信息，使得他们能够快速分析以及探索蛋白质的结构和功能。
利用这种技术，科学家们可以将蛋白质冻结，并通过特定的光学显微技术观察到其三维结构。
这是一种非常重要的技术，因为蛋白质的结构和功能密切相关。
如果我们能够利用这种技术精确地分析蛋白质的结构，就可以更好地了解它们的生物学功能，为治疗疾病和设计新药物提供帮助。
3.冷冻电镜技术的进一步发展尽管冷冻电镜技术已经非常成熟，但是科学家们仍然需要对其进行进一步改进，以进一步优化样品的分辨率和灵敏度。
前人研究已经表明，通过将多个图像信息进行组合，可以进一步提高分辨率。
因此有必要通过更高级别的图像处理技术，将不同样品的图像信息整合成合适的图像，从而更好地了解样品的生物学结构和功能。
结论总之，冷冻电镜技术已经成为生物学家非常重要的分析工具，特别是在分析蛋白质结构和功能方面。
而且这种技术的进一步改进和发展，将会对生物学研究领域产生非常深远的影响。
冷冻电镜新时代蛋白质科学和药物研发的利器
冷冻电镜（cryo-electron microscopy ,cryo-EM）技术是将生物大分子在毫秒时间尺度内快速冷冻在玻璃态的冰中，应用低温透射电子显微镜收集生物大分子的二维投影，并利用三维重构的方法得到大分子三维精细结构的生物物理学技术。
作为当前结构生物学领域最为前沿的成像技术之一，冷冻电镜技术已经能够将生物大分子复合体的结构解析能力拓展至原子分辨率水平，特别适用于解析复杂的超大分子复合体的三维精细结构及动态结构，在小分子药物及疫苗的开发中亦显露出巨大的潜力。
冷冻电镜技术及其发展历史蛋白质的三维结构决定了其功能，在冷冻电镜技术发展以前，一般是用重金属盐覆盖目标生物大分子，应用常温负染透射电镜进行观察，分辨率较低。
20世纪70年代末期到80年代初，瑞士洛桑大学雅克•杜博歇（Jacques Dubochet）教授通过使用液氮冷却的液态乙烷可以在毫秒之内实现生物样品的快速冷冻，制作不形成冰晶体的玻璃态冰包埋的生物样品，样品接近其天然形态，并可有效抵御电子的辐照损伤。
美国哥伦比亚大学约阿希姆•弗兰克（Joachim Frank）教授建立了冷冻电镜单颗粒三维重构技术。
英国剑桥大学理查德•亨德森（Richard Henderson）教授建立并使用二维电子晶体学技术得到了第一个膜蛋白视紫红质蛋白的三维结构，近年来致力于直接电子探测技术的发展和应用。
上述开拓性的工作共同奠定了冷冻电镜技术发展的基础。
经历几十年的技术积累和硬件发展，2013年，随着直接电子探测技术的发展，冷冻电镜技术迎来了“分辨率革命”，经美国科学院外籍院士程亦凡等科学家的努力，解析精度获得了近原子分辨率的突破性进步。
2017年，杜博歇、弗兰克和■文/许文青 丛 尧 王 权冷冻电镜：新时代蛋白质科学和药物研发的利器冷冻电镜新技术的不断涌现将为蛋白质科学、生物医学及细胞生物学的发展提供更大的机遇。
在国家大力倡导新基建的背景下，建设电镜中心等先进产业创新基础设施必将有效推动上海及张江生物蛋白质科学和生物医药产业的快速发展。
冷冻电镜原理
冷冻电镜原理冷冻电镜（cryo-electron microscopy，简称cryo-EM）是一种利用电子显微镜观察生物分子结构的技术。
它的原理是利用电子束对生物样品进行成像，而样品需要在极低温下进行冷冻，以保持其原始结构。
冷冻电镜技术的发展，为科学家们提供了一种全新的途径来研究生物分子的结构和功能，它已经成为生物科学领域中不可或缺的重要工具。
冷冻电镜的原理主要包括样品制备、成像和数据处理三个方面。
首先，样品制备是冷冻电镜技术的关键步骤。
在样品制备过程中，生物样品需要被冷冻固化成一种非晶态的冰，这样可以保持生物分子的原始结构，避免在成像过程中受到电子束的破坏。
其次，成像是冷冻电镜技术的核心环节。
在电子显微镜中，电子束会穿过冷冻固化的生物样品，然后被转换成图像。
这些图像可以反映出生物分子的结构和形态，从而为科学家们提供了宝贵的信息。
最后，数据处理是冷冻电镜技术中不可或缺的一环。
科学家们需要通过计算机软件对成像得到的数据进行处理和重建，以获得高分辨率的生物分子结构模型。
冷冻电镜技术的发展受益于多个方面的技术进步。
首先，电子显微镜的分辨率不断提高，使得科学家们能够观察到更加细微的生物结构。
其次，冷冻样品制备技术的改进，使得样品能够更好地保持其原始结构，为成像和数据处理提供了更好的基础。
此外，计算机技术的进步也为数据处理提供了更加高效和精确的工具，使得科学家们能够获得更加准确的生物分子结构模型。
冷冻电镜技术在生物科学领域中具有广泛的应用前景。
它可以被用来研究蛋白质、细胞器和病毒等生物分子的结构和功能，为药物研发和疾病治疗提供重要的参考。
同时，冷冻电镜技术也可以被应用于材料科学和纳米技术领域，为新材料的研发和应用提供支持。
综上所述，冷冻电镜技术凭借其独特的原理和广泛的应用前景，成为了生物科学领域中不可或缺的重要工具。
随着技术的不断进步和完善，相信冷冻电镜技术将为人类社会的发展带来更多的惊喜和突破。
冷冻电镜 蛋白质结构
冷冻电镜蛋白质结构1 冷冻电镜冷冻电镜是物理学和生物学研究 processe 的一个重要手段，它可以提供准确的原子水平的结构信息，使我们了解更多的蛋白质的结构和功能。
冷冻电镜是一种利用蛋白质在极端条件下沉积后保持其原始结构的一种技术，可以高分辨率地检测蛋白质的结构，该方法可以解决蛋白质易溶和不可性质，它采用的方法是在极端温度下形成的蛋白质的冷冻电镜模型，其独特的工艺和步骤操作可以为研究基础过程和结构提供重要的细节数据。
2 冷冻电镜的用途和步骤冷冻电镜可以获得蛋白质的原子结构信息，分析其结构和功能机制，协助我们更深入地理解其生物学功能。
这是一种特殊的显微技术，利用超过50keV的电子束来检测蛋白质的结构。
整个处理过程包括：连续扫描技术，密度法来表征氢键簇的分布，形成的蛋白质的三维模型的定量和质量，检测亚细胞结构和蛋白质的连接状态等。
3 冷冻电镜的优势冷冻电镜技术也有一些优点，它可以快速获得细胞内和细胞外环境中稳定性空间结构的信息，可以确定蛋白质的空间结构，为蛋白质结构和功能机制研究提供空间信息。
另外，它可以模拟很多蛋白质极端环境下的结构，例如高压，低温等，这种技术可以提供准确的有序结构的蛋白质的定量数据，学术界对它的重要性也非常看重。
4 结论由于冷冻电镜技术的优势，它被广泛应用于蛋白质的结构和功能机制的研究。
此外，随着技术的发展和进步，它也可以检测更复杂的蛋白质结构和功能。
可以预料，今后冷冻电镜技术在蛋白质研究中还将发挥重要作用，它将推动人们深入到蛋白质结构和功能了解更多深层次的细节信息，有助于更好地理解与治疗许多疾病，也有助于我们认识自然界的奥秘。
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1 冷冻电镜发展背景欧阳学文人类基因组计划的完成，标志着科学已进入后基因组时代。
虽然大量的基因序列得到阐明，但是生物大分子如何从这些基因转录、翻译、加工、折叠、组装，形成有功能的结构单元，尚需进一步的研究。
后基因组时代人类面临的一个挑战是解析基因产物—蛋白质的空间结构，建立结构基因组学，并在原子水平上解释核酸—蛋白，蛋白—蛋白之间的相互作用，从而阐明由这些生物大分子和复合物所行使的生物学功能。
在此过程中，结构生物学在其中扮演着重要角色。
对生物大分子结构的解析，不仅具有深远的基础意义，而且具有广阔的应用前景。
通过对核酸、蛋白质及其复合物的结构解析，人们对它们的功能的理解更加透彻，就可以根据他们发挥功能的结构基础有针对性地进行药物设计，基因改造，疫苗研制开发，甚至人工构建蛋白质等工作，从而对制药、医疗、疾病防治、生物化工等诸多方面产生巨大的推动作用。
日前用于解析生物大分子空间结构的主要手段是X射线晶体学技术和核滋共振波谱学。
X射线晶体学可给出分子的高分辨结钩，核磁共振波谱学则可测定分子在溶液中的精确构像，并可研究构像的动态变化。
虽然X射线晶体学和核磁共振波谱学是解析生物大分子结构的强有力工具，但各有局限性。
X射线晶体学解析的结构常常是分子的基态结钩，而对解析分子的激发态和过渡态却往往无能为力：生物大分子在体内常常发生相互作用并形成复合物而发挥功能，这些复合物的结晶化非常困难。
核磁共振波谱学虽可获得分子在溶液中的结构并可研究结构的动态变化，但目前只能用于分子量较小的生物大分子（<10000道尔顿），而对分子量大的生物大分子尤其是超分子复合物却无能为力。
人类对生物体系的研究经历了由个体到器官，由器官到组织，由组织到细胞，由细胞到生物大分子这样一个层次由高到低的过程。
随着科学的发展，人们对生物体系的研究又转向由低层次到高层次，由简单体系到复杂体系。
在此过程中，细胞作为生命的基本单位起着承上启下的重要作用。
多少年来，科学家的一个梦想是能观察到生物大分子在细胞内的行为，几十年来，人们对大量的生物大分子及其复合物应用电子显微镜进行研究，发展出了强有力的电子显微学来研究生物大分子结构的方法学。
近年来，由于快速冷冻和低温冷却技术的引进，导致了冷冻电子显微学技术的诞生。
冷冻电镜在研究生物大分子结构尤其是超分子体系的结构方面取得了突飞猛进的发展，在生物学领域的应用越来越受到重视，逐渐成为一种被普遍接受的公认的研究生物大分子尤其是超分子体系结构的有效研究手段，成为连接生物大分子和细胞的纽带和桥梁。
2 冷冻电镜发展过程及分类2.1 冷冻电镜发展过程冷冻电子显微镜技术（cryoelectron microscopy）是在20世纪70年代提出的，早在20世纪70年代科学家们就利用冷冻电镜研究病毒分子的结构，首次提出了冷冻电镜技术的原理、方法以及流程的概念。
到了20世纪90年代，随着冷冻传输装置、场发射电子枪以及CDD成像装置的出现，冷冻电镜单颗粒技术出现。
21世纪初，冷冻电镜技术进一步发展，利用三维重构技术获得了二十面体病毒的三维结构，但此时冷冻电镜的分辨率水平依然没有得到突破，这限制了冷冻电镜在生物大分子领域的应用，虽然冷冻电镜和X射线晶体学、核磁共振被称作结构生物学研究的三大利器，但不得不承认冷冻电镜是三者当中最弱的一种技术手段，在现在已解析的一千多种膜蛋白结构当中，90%以上都采用的是X射线晶体学方法，核磁共振在小分子量的蛋白结构解析中也发挥了重要的作用，而冷冻电镜在蛋白结构解析当中所起的作用微乎其微。
然而12月5日，美国加州大学旧金山分校副教授程亦凡与同事David Julius两个实验室合作，采用单电子计数探测器，以近原子分辨率（3.4埃），确定了在疼痛和热知觉中起中心作用的一种膜蛋白TRPV1的结构，这一振奋人心的成果让研究人员们开始重新审视冷冻电镜在结构生物学研究中的所能发挥的作用。
毕竟和X射线晶体学方法相比，它所需的样品量很少，也无需生成晶体，这对于一些难结晶的蛋白质的研究带来了新的希望。
蛋白质TRPV1结构的确定标志着冷冻电镜正式跨入“原子分辨率”时代。
2.2 冷冻电镜分类目前我们讨论的冷冻电镜基本上指的都是冷冻透射电子显微镜，但是如果我们以使用冷冻技术的角度定义冷冻电镜的话，冷冻电镜主要可以分为冷冻透射电子显微镜、冷冻扫描电子显微镜、冷冻蚀刻电子显微镜。
2.2.1 冷冻透射电子显微镜冷冻透射电镜（CryoTEM）通常是在普通透射电镜上加装样品冷冻设备，将样品冷却到液氮温度（77K），用于观测蛋白、生物切片等对温度敏感的样品。
通过对样品的冷冻，可以降低电子束对样品的损伤，减小样品的形变，从而得到更加真实的样品形貌。
一台冷冻透射电镜的价格在600万美元左右，价格极其昂贵，它的优点主要体现在以下几个方面：第一是加速电压高，电子能穿透厚样品；第二是透镜多，光学性能好；第三是样品台稳定；第四是全自动，自动换液氮，自动换样品，自动维持清洁。
图2.1 冷冻透射电镜及冷冻电镜下高分辨病毒的三维重构图2.2.2 冷冻扫描电子显微镜扫描电镜工作者都面临着一个不能回避的事实，就是所有生命科学以及许多材料科学的样品都含有液体成分。
很多动植物组织的含水量达到98%，这是扫描电镜工作者最难对付的样品问题。
冷冻扫描电镜（CryoSEM）技术是克服样品含水问题的一个快速、可靠和有效的方法。
这种技术还被广泛地用于观察一些“困难”样品，如那些对电子束敏感的具有不稳定性的样品。
各种高压模式如VP、LV和ESEM的出现，已允许扫描电镜观察未经冷冻和干燥的样品。
但是，冷冻扫描电镜仍然是防止样品丢失水分的最有效方法，它能应用于任何真空状态，包括装于SEM的Peltier台以及向样品室内冲以水汽的装置。
冷冻扫描电镜还有一些其他优点，如具有冷冻断裂的能力以及可以通过控制样品升华刻蚀来选择性地去除表面水分（冰）等。
冷冻电镜基本的观测流程如下图2.2所示：图2.2 低温扫描电镜样品制备及观测流程2.2.3 冷冻蚀刻电子显微镜冷冻蚀刻（Freezeetching）电镜技术是从50年代开始发展起来的一种将断裂和复型相结合的制备透射电镜样品技术，亦称冷冻断裂（Freezefracture）或冷冻复型（Freezereplica），用于细胞生物学等领域的显微结构研究。
冷冻蚀刻电镜的优点：①样品通过冷冻，可使其微细结构接近于活体状态；②样品经冷冻断裂蚀刻后，能够观察到不同劈裂面的微细结构，进而可研究细胞内的膜性结构及内含物结构；③冷冻蚀刻的样品，经铂、碳喷镀而制备的复型膜，具有很强的立体感且能耐受电子束轰击和长期保存。
缺点：冷冻也可造成样品的人为损伤；断裂面多产生在样品结构最脆弱的部位，无法有目的地选择。
目前，冷冻蚀刻装置的型号很多，但主要分为两种类型：一种是专用冷冻蚀刻装置，如EIKO公司生产的FD2A 型、FD3型，BALZERS公司生产的BAF300型；另一种是真空喷镀仪的冷冻蚀刻附件，如日立公司生产的HFZ1型，它与FE1型加温蚀刻装置一起安装在HUS5型真空喷镀仪中使用。
以上两种类型各有优缺点，专用装置优点在于操作方便，能连续制样，效率高。
缺点是价格贵；附件装置价格虽便宜，但不能连续操作，效率低。
利用冷冻蚀刻电镜技术观察到的红细胞如图2.3所示。
图2.3 红细胞冷冻电镜蚀刻图3 冷冻电镜原理冷冻电子显微学解析生物大分子及细胞结构的核心是透射电子显微镜成像，其基本过程包括样品制备、透射电子显微镜成像、图像处理及结构解析等几个基本步骤（图3.1）。
在透射电子显微镜成像中，电子枪产生的电子在高压电场中被加速至亚光速并在高真空的显微镜内部运动，根据高速运动的电子在磁场中发生偏转的原理，透射电子显微镜中的一系列电磁透镜对电子进行汇聚，并对穿透样品过程中与样品发生相互作用的电子进行聚焦成像以及放大，最后在记录介质上形成样品放大几千倍至几十万倍的图像，利用计算机对这些放大的图像进行处理分析即可获得样品的精细结构。
图3.1 冷冻电子显微学解析结构基本步骤图3.2冷冻电子显微学原理示意图透射电子显微镜成像过程中，电子束穿透样品，将样品的三维电势密度分布函数沿着电子束的传播方向投影至与传播方向垂直的二维平面上。
1968 年，Aron Klug发现中心截面定理（图3.3），提出可以通过三维物体不同角度的二维投影在计算机内进行三维重构来解析获得物体的三维结构。
根据这一原理，利用透射电子显微镜获得生物样品多个角度的放大电子显微图像，即有可能在计算机里重构出它的三维空间结构。
图3.3中心截面定理在冷冻电子显微学结构解析的具体实践中，依据不同生物样品的性质及特点，可以采取不同的显微镜成像及三维重构方法。
目前主要使用的几种冷冻电子显微学结构解析方法包括：电子晶体学、单颗粒重构技术、电子断层扫描重构技术等，它们分别针对不同的生物大分子复合体及亚细胞结构进行解析。
3.1 电子晶体学利用电子显微镜对生物大分子在一维、二维以致三维空间形成的高度有序重复排列的结构（晶体）成像或者收集衍射图样，进而解析这些生物大分子的结构，这种方法称为电子晶体学。
其适合的样品分子量范围为10~500kD，最高分辨率约1.9Å。
该方法与X射线晶体学的类似之处在于均需获得高度均一的生物大分子的周期性排列，不同之处是利用电子显微镜除了可以获得晶体的电子衍射外还可以通过获得晶体的图像来进行结构解析。
3.2 单颗粒技术对分散分布的生物大分子分别成像，基于分子结构同一性的假设，对多个图像进行统计分析，并通过对正、加和平均等图像操作手段提高信噪比，进一步确认二维图像之间的空间投影关系后经过三维重构获得生物大分子的三维结构方法（图 3.4）。
其适合的样品分子量范围为80~50MD，最高分辨率约3Å。
利用单颗粒技术获得三维重构的方法主要包括等价线方法、随机圆锥重构法、随机初始模型迭代收敛重构等方法，其基本目标是获得二维图像之间正确的空间投影关系，从而进行三维重构。
图3.4单颗粒重构技术原理3.3 电子断层扫描成像技术通过在显微镜内倾转样品从而收集样品多角度的电子显微图像并对这些电子显微图像根据倾转几何关系进行重构的方法称为电子断层扫描成像技术（图3.5）。
该方法主要应用于细胞及亚细胞器，以及没有固定结构的生物大分子复合物（分子量范围为800kD），最高分辨率约20Å。
图3.5电子断层扫描成像技术原理。