超微结构学概述

“医学超微结构学”是一门交叉性的基础学科， 它主要讲述：①正常人体组织、细胞及与医学 实验相关的动物细胞在电镜下的超微结构，即 各种细胞、细胞器、细胞核和膜结构，细胞表 面结构及细胞连接等；②细菌、支原体、衣原 体、霉菌、病毒、寄生虫等病原微生物的超微 结构；③核酸、脂质体等生物大分子及医用纳 米材料等的超微结构。
生物医学超微结构
Biomedical ultrastructure
概 论
吴晓英 教授
中南大学湘雅病理系
一、超微结构简介
1. 概念 conception
①显微结构（microscopic structure）是指在分辨 本领约为0.2微米的光学显微镜下所能观察到的细胞 结构，如核仁、线粒体、中心体等。
③ 为医疗服务，提升诊断水平：器官、组织及细胞 超微病理变化具有诊断及鉴别诊断价值。
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2.学习超微须注意事项
①局部与整体的关系 : 电镜下只极小部分，超薄切片 获得的样品厚度只有一个细胞的几百分之一。必须同 时观察大体和组织，密切结合光镜，重视大超薄切片 和低倍电镜的观察，才能获得全面的资料。
②静态和动态的关系 : 常规电镜技术不能观察活细胞， 故细胞结构是瞬间静态图像，实际上细胞是运动和变 化，细胞超微结构是动态的，防止单纯的形态描述。
二、超微结构学的地位及学习方法
1.超微病理学的发展及在医学的地位
①发展与地位
是组织学、细胞学的纵深发展。
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超微结构与超 微病理学
电镜
② 提升教学与科研
通过学习超微病理学，了解掌握人体基本组织和 细胞常见病的超微病理基本知识，拓宽学生视野， 提高分析问题和解决问题的能力；为科研工作者提 供了探讨微观领域前所未有的手段和技术平台。
②扫描电镜(Scanning EM,SEM):表面超微结构
2. 样品制备技术或电镜技术(electron microscopy)： 超薄切片技术等
3.图象识别和处理技术 ：诊断医师及技术员
1. 何为电镜？ 电镜是使用电子来展示物件的内部或表面结构的 显微镜。 观察对象：无机材料：材料科学、化工、采矿
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2. 意义 significance
超微结构学的产生，标志着形态学已不仅从细胞、 而且深入到亚细胞水平（细胞器），从分子水平去 认识、探索结构与功能的关系。
①超微结构学在研究中的作用
通过光镜观察到的组织病变，对于疾病发生发展 的研究以及对疾病的诊断具有非常重要的、不可取代 的作用，但某些疾病的病理变化特征并不仅表现在组 织水平，且还表现在细胞及亚细胞水平，这需要超微 病理学。如 HbsAg 的发现、细胞凋亡过程的细节在电 子显微镜下可以确切观察和印证、探讨HIV 感染与复 制过程等。
细胞器—内质网：RER、SER
粗面内质网：①结构：由单位膜组成的扁平囊，
多个囊间有通道相互连结形成网状结构。②分布功
能：：除 RBC 外，所有细胞均有粗面内质网。粗面内
质网主要参与合成外输性蛋白和溶酶体，故在肝细胞 （血浆蛋白 ) ，胰腺细胞内（消化酶）内十分丰富， 粗面内质网上有核糖体附着，LM呈嗜碱性。
3. 电镜种类及其它超微工具
按使用目标分：
6.扫描隧道显微镜:（根据量子隧道效应来获取反映 样品表面形貌及电子态图象 ）
体材料表面结构的分析仪器。它通过检测待测样品表面和一个微型力敏感 元件之间的极微弱的原子间相互作用力来研究物质的表面结构及性质。
7. 原子力显微镜AFM ：一种可用来研究包括绝缘体在内的固
側装CCD
底装CCD
小结：超微结构学的主要内容
1 、主要：人体细胞及与医学实验相关的动 物细胞在电镜下的超微结构，各种细胞器和膜结 构，细胞的表面结构及细胞连接，也介绍细胞基 质的超微结构，细菌、支原体、衣原体、霉菌、 病毒等病原微生物和寄生虫的超微结构，以及与 医学有关的纳米材料的超微结构等内容
②功能：保护、百度文库质交换、免疫。
③细胞表面的结构及特化物：
细胞外衣：细胞膜外面覆盖一层糖蛋白，呈细分枝状分布在 识别、免疫和抗酶解有重要意义。 微绒毛：所有上皮有指状突起的微绒毛。
细胞表面，厚度与细胞功能有关。如肠上皮处厚，对细胞连接、
细胞内褶：常见于具有大量的液体和电解质交换的细胞，如
肾小管上皮细胞、胃底腺壁细胞等，褶中含有Mit。 纤毛与鞭毛：只存于人体呼吸道和生殖管道，9+2结构构成。 细胞连接：紧密连接、中间连接、桥粒、缝隙连接
③包涵物：指除细胞器外，积聚在胞质内有一定形态 结构的各种代谢物的总称如糖原、脂肪、蛋白质、分 必颗粒和色素。
细胞器——线粒体 LM 下一般看不见，以铁苏木精染色，再精细地分 化褪色方可在LM下看见。双层膜构成的囊状小体，粒 状、线状、管状，即外、内膜，二者包绕形成内腔， 二者之间为外腔，内膜向内腔突起形成嵴，两膜都具 有典型的单位膜结构。 内外膜区别：a.内膜较外膜厚，通透性很小；b.外膜 有孔，内膜无；c.外膜较内膜通透性大内腔内有基质 及基质颗粒。
滑面内质网： ①结构：由单位膜构成的管泡状结构，滑面内质网上 无核糖体附着，LM染色嗜酸性。 ②功能：不同细胞的滑面内质网其功能不同。 核糖体：① 组成：rRNA 与蛋白 ② LMF嗜碱性 ③分类：固着（合成外输性蛋），游离性 核糖体（合成内输性蛋白）。
大鼠肝细胞胞质内可见由小管小泡组成的滑面内质网（黑 “↑”），胞质内另可见多泡小体（白“▲”）及高尔基 体（黑“▲”），相邻细胞间有微胆管（白“↑”）。 ×45000
有机材料：生物、医学用
电镜：实质上是一类工具，是显微镜的一种！但系
大型、贵重、精密仪器,其原理、结构与光镜显著不
同！
2.电镜基本原理 电子具有波粒二像性且其波长比可见光（光子） 的波长短，短波长能极大地提高分辨率（光镜受可 见光波长限制，其分辨率约200纳米)。 高速运动的电子在电场或磁场的作用下，会发 生折射，并且能被聚焦，聚焦即能成像。
3.背景与进展 background & progress ①19 世纪光学显微镜（ LM ）的诞生具有划时代的 意义，使人们在组织和细胞水平直接观察病变成为 可能。 ②由于 LM 分辨能力的限制，无法深入观察到细胞 暨亚细胞水平，但亚细胞水平的结构及改变对人们 认识细胞功能往往具有重要的作用。
如何提高LM分辨率？突破其倍数瓶颈？
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• (普通光学显微镜的分辨力极限约为0.2微米，细 胞膜、内质网膜和核膜的厚度，核糖体、微体、 微管和微丝的直径等均小于0.2微米，因而用普 通光学显微镜观察不到这些细胞结构，要观察细 胞中的各种亚显微结构，必须用分辨力更高的电 子显微镜。) • 超微结构是指分辨范围＜10A的观察等级.所用仪 器是电子显微镜、X线衍射等高级显微设备
•[胞饮小泡 (pinosome)]
胞饮小泡是一 种由细胞膜凹 陷形成的含有 液态物质的小 泡，有运输作 用。 多见于血管内 皮细胞。
2.细胞浆及细胞器的基本超微结构 ①细胞基质是细胞膜和核膜之间的无定形物质。
②细胞器：细胞质内具有一定形态结构和某种特殊功 能的有形成分。如线粒体、内质网、高尔基体、溶酶 体、过氧化物酶体（过氧体）、细胞骨架等。
半薄图片举例
④了解电镜等仪器的性能：
电镜 的分辨本领虽已远胜于光镜，但电镜因 需在真空条件下工作，所以很难观察活的生物， 而且电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。 其他的问题，如电子枪亮度和电子透镜质量等问 题也有待继续研究。
X线衍射
三、超微结构学的必备技术平台
1.仪器：电子显微镜(electron microscope,简称电镜 或EM)及制样设备： ①透射电镜(Transmisson EM,TEM):内部结构
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②超微结构观察在疾病诊断中的作用 亚细胞水平乃至分子水平分析观察组织的病变, 是组织学与病理学的不可缺少的补充手段 , 越来越 发挥重要的作用。如横文肌肉瘤的诊断 : 电镜下常 能在细胞内检出典型的带有横纹的原始肌原纤维而 确诊；黑色瘤的诊断电镜下看到黑色素体即可确诊； 神经内分泌系肿瘤的特异性分泌颗粒等。
1979年湘雅电镜室成立，购买H—600透射电镜
Hitachi HT7700 外观-2012年病理学新购
HT7700 New operation environment
Features of HT7700 (Screen Camera)
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Tecnai G2 Spirit TWIN
S-3400N
③重视半薄切片:
生物样品普通石蜡切片厚度为 5µ m 左右 , 其观察 深度远比超薄切片为大 ,即石蜡切片和超薄切片之间不 仅有观察范围大小的区别,也有观察厚度的显著差异。 半薄切片厚度为 1µm左右,一是可为超薄切片定位，以 选取电镜下需观察部位 ,二是可供光镜观察标本的整体 面貌。
制作半薄切片的材料和技术流程差异，其中某些 组织成分得以较好保存和得以显示，且半薄切片又较 普通石蜡切片薄，可检见通常在石蜡切片难以检见的 形态结构, 有利于诊断。
③1932年德国的Knoll 和 Ruska 根据电子光学原 理，创建了第一台雏形电子显微镜，经过半个 世纪的不断改进，电子显微镜及其技术已有长 足发展和进步，并日益广泛地应用于医学各学 科领域，在此基础上，逐渐形成了超微结构学 。 ④我国在 20 世纪 50 年代后期即开始此领域的建 设工作。目前，全国许多单位均相继开展了超 微结构的研究工作。
电子射束取代可见光成为可能—1932 年电镜诞 生！
3. 电镜种类及其它超微工具
按使用目标分：
①透射电镜（微区分析的主要手段:波谱仪及能 谱 仪；空间构型：三维重构等） ②扫描电镜（波谱仪、能谱仪） ③超高压电镜: 加速电压≥500KV，分辨率高， 电离损伤小。 ④分析电镜:
5. 扫描透射电子显微镜：带扫描附件。
2.电镜原理、电镜生物样品的制备技术
四、细胞常见的超微结构
1.细胞膜的超微结构 2.主要细胞器（线粒体等）超微结构 3.细胞核超微结构
细胞基本超微结构
1.细胞膜
①定义：细胞表面的一层薄膜，把细胞与周围环 境分隔。 LM：看不清。EM 下为单位膜构成：膜的 内外二层电子密度高，中间低。主要由脂类和蛋 白质构成（液态镶嵌模型学说）。
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②亚显微结构（submicroscopic
structure）是指用光学显微镜观察不 到，必须用电子显微镜或其他技术才 能见到的细胞微细结构。
③ 超 微 结 构 （ ultrastructure, fine structure ultrastructure; electron microscopy ）是指细胞或组 织在分子水平或亚显微水平的结构，即指在电子显微 镜下显示的结构。电子显微镜能观察的范围很广，从 细胞内的各种细胞器，细胞的表面结构和各种细胞连 接及细菌（含纳米细菌）、支原体和病毒等各种病原 微生物，甚至能看到分子结构（如DNA的结构）, 以 及原子结构（如已见到钨的原子结构）。 在电镜下 , 亚显微结构与超微结构不具有明显界限 , 统 称“超微结构”
EM UC7 超薄切片机 EM UC7+FC7冷冻超薄切片机
CCD（Charge Coupled Device） 即电荷耦合器件
主要功能：用来取代传统底片拍照。 优点： 1. 使用方便, 工作效率大大提高
2. 拍摄方便
3. 便于图片储存和管理
4. 一次性解决底片来源及成本问题
CCD Camera 安装位置
8. X射线衍射仪: 利用X射线衍射原理研究物质内部微观结 构的一种大型分析仪器 .
电镜按用途分： 生物医学用电子显微镜 非生物医学用电子显微镜 按电子束发射方式分： 非场发射：电子枪 场发射：
5.主要电镜技术
①超薄切片技术；
②负染色技术；
③SEM电镜样品制备技术；④冷冻超薄切片技术；
⑤电镜酶细胞化学技术；⑥免疫电子显微镜技术； ⑦电镜放射自显影技术； ⑧核酸大分子电镜样品制备技术；
⑨电子探针； ⑩电镜原位杂交技术。
6.透射电镜基本构成 照明系统 镜筒 成象系统 供电系统
电子枪电源 透镜电源 偏转器电路
真空自动电路
计算机控制电路 采图统:CCD
观察记录系统
机械泵 真空系统 油扩散泵
真空管道、阀门
4. 电镜与光镜的比较 类别 成像 成像部件 图像
LM EM
光子 玻璃透镜 虚象（彩色像） 电子 电磁透镜 实像，荧光屏、 CCD （黑 白像）几百万倍，能看 到原子的振动