化学生物学—分子成像

线粒体
内质网
细胞膜
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mitochondra
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live cell realtime
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D. 荧光共振能量传递（FRET）
Binding
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1. 荧光探针的参数 （1）斯托克斯位移：决定灵敏度和选择性
发射波Leabharlann Baidu 吸收波长
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（2）吸收系数：度量光子吸收效率。 （3）量子产率：反映物质将吸收光转化为荧光
效率的参数，直接影响荧光强度。 （4）荧光强度：检测的灵敏度。
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医疗中的作用
临床前疾病的无创检查 制订合适的的治疗方案指导治疗 客观的评价治疗效果 加速药物开发过程
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分子探针与体内特定研究目标结合
报告系统
定量地反映生物过程中分子水平上变化
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成像模式
1
荧光分子成像
2 核磁共振分子成像
3
核素分子成像
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10.1 荧光分子成像
优点：
灵敏度高，10-9～
-10
10 mol/L
快捷简便
费用低
相对高通量
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应用 主要用于动物实验成像。
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主要用途
1. 标记细胞
（1） 测量各种癌症模型中肿瘤的生长和转移， 对癌症治疗中癌细胞的变化进行实时观测。
（2） 实时观测活体动物体内干细胞造血过程的 早期事件及动力学变化。
（3） 细胞凋亡
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细胞凋亡
指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞 自主的有序的死亡。去除不需要的或异常的细 胞中起着必要的作用。
细胞凋亡与细胞坏死不同，细胞凋亡不是 一件被动的过程，而是主动过程。它在生物体 的进化、内环境的稳定以及多个系统的发育中 起着重要的作用。
10.1.1 荧光产生的机制 荧光是一种光致发光的冷发光现象。 当某种常温物质经某种波长的入射光（通
常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入 激发态。电子由激发态回到基态时，会发射出 比入射光波长更长的光。
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荧光光谱能级跃迁示意图
单重激发态
荧光
基态
磷光
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10.1.2 荧光分子探针 组成 荧光团：决定探针的基本参数。 识别基团： 靶标分子特异结合。
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3. 标记细菌（1） 细菌侵染研究（2） 抗生素药物 4. 基因表达和蛋白质相互作用
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5. 转基因动物模型 （1） 基因表达 （2） 各种疾病模型
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生物传感器
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A. 作为报告基因检测基因表达水平
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B. 作为融合标签 GFP可以与目的基因融合，不影响目的蛋白
的空间构象和功能，用于检测目的蛋白的定位、 迁移、分子互作、空间构象变化。
GFP
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C. 细胞器标记
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高尔基体
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NO bBinddiinngg
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E. 作为生物传感器 GFP对pH和离子敏感，用于检测细胞的pH和
离子浓度。
2+
Ca
卤素
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半胱天冬蛋白酶在细胞凋亡中的作用
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海葵、珊瑚虫的荧光蛋白
第10章
分子成像
Contents
1
荧光分子成像
2 核磁共振分子成像
3
核素分子成像
2
分子影像学是医学影像技术和分子生物学、 化学、物理学、放射医学、核医学以及计算机科 学相结合的一门新的学科。
3
分子成像是指活体内生物过程在细胞和分子 水平上特征的显示，在分子水平上借助化学和生 物制剂的作用以无创伤的方式使分子成像。
活性氧 探 针
氧化
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• 检测酶活的小分子荧光探针 FRET探针（1-10nm）
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• 用于细胞结构成像的小分子探针 细胞器识别基团+荧光团
(CH3CH2)2N
N(CH3CH2)2Cl
O CH3(CH12)17O
与生物膜结合时，荧光团露在水 相中，烷基尾巴插入脂质内部
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（2）绿色荧光蛋白 水母中发现，在蓝色波长范围的光激发下，
发出绿色荧光。
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GFP荧光团形成机制
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238个氨基酸组成，11个β折叠围绕1个α 螺旋形成桶状结构，结构使其稳定。 Ex=395nm Em=508nm
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GFP6个家族
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GFP的优点
荧光强 稳定 检测方便 可承受热、碱、长时间光照 荧光团不需辅因子和底物参与
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GFP应用
报告基因
融合标签
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细胞凋亡
凋亡小体
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2. 标记病毒
（1） 病毒侵染用于观察病毒对机体的侵染过程。 （2） 基因治疗可应用荧光素酶基因作为报告基因
用于载体的构建，观察目的基因是否能够在试验 动物体内持续高效和组织特异性表达。
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nibblet a virus engineered to express a green fluorescent protein
配体与金属离子结合
荧光团参数变化
离子信息
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分类 • 光致电子转移探针（PET） • 光致电荷转移探针（PCT）
• 可检测的离子
K+
Na +
2+ 2+ 2+
Mg Ca Zn
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• 检测阴离子的小分子荧光探针 生物体中大多数酶以阴离子为底物或辅因子。
例子：卤素离子探针 Cl离子在细胞调控、吸收、分泌过程中起到
• 荧光寿命 分子的激发电子停留在激发态的平均时间。
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2. 荧光探针的分类 小分子荧光探针 荧光蛋白探针 量子点荧光探针 双光子荧光探针
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（1）单光子小分子荧光探针 应用范围 金属离子、阴离子、活性氧、糖、核酸、 酶、细胞器、生物膜等。
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• 检测金属离子的小分子荧光探针 由配体和荧光团组成
重要的作用，目前使用6-甲氧基喹啉荧光团探 针检测。
SPQ
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例子：卤素离子探针 Cl离子在细胞调控、吸收、分泌过程中起到
重要的作用，目前使用6-甲氧基喹啉荧光团探 针检测。
Cl 荧光团
猝灭
SPQ
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• 检测活性氧的小分子荧光探针 活性氧是含氧原子的活性分子，包括氧离
子、过氧化物、自由基等。
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