医药学论文：原子力显微镜在生物医学中的应用

关键词：原子力
1 原子力显微镜工作原理
2 原子力显微镜的应用
2.1 形态结构 作为新兴的形态结构成像技术，AFM实现了对接近自然生理条件下生物样品的观察。这主要由于它具备以下几个特点:（1）与扫描电镜和透射电镜这些高分辨的观测技术相比，样品制备过程简便，可以不需染色、包埋、电镀、电子束的照射等处理过程;（2）除对大气中干燥固定后样品的观察外，还能对液体中样品成像;（3）可以根据观察者的要求，调节样品所处的温度、湿度、大气、真空等观察条件。目前，AFM已广泛地应用于细胞及蛋白、多糖、核酸等生物大分子结构的研究中。对一个细胞而言，AFM不但能够提供长度、宽度、高度等形态方面的信息，还可以满足人们对膜上的离子通道、丝状伪足、细胞间连接等细微结构的研究 ［2，3］ ，甚至还可清楚地观察到膜身的骨架结构 ［4］ 。后者对细胞表面与表面下结构相互作用的进一步研究非常有利。Qian ［5］ 等利用AFM对酵母的热休克蛋白Sis1与Ssa1进行观察，发现只有Ssa1的lid区一端与Sis1缩氨酸结合区作用，并且Sis1二聚体的缩氨酸结合区呈现较高水平的凹槽结构，这有助于阐明蛋白相互作用机制及其在蛋白折叠、组装、降解、转移中的重要作用。定的生理生化反应会引起生物样品空间结构的变化。利用AFM对这些变化的观察，为细胞结构及结构调节的生理意义等研究提供更多有价值的信息。例如Liu ［6］ 等将大麦的中期染色体经严格点干燥、2M NaCl处理后提取出2种非组蛋白。通过AFM在纳米水平显示提取蛋白后染色体的三维结构，发现处理后的染色体发生下列变化:高度降低同时表面较前粗糙。又如:Sit ［7］ 将纤维蛋白原固定在3种不同基底表面，研究样品发生的结构变化。由AFM的三维定量分析显示纤维蛋白原按照mica
2.3 分子间力 将很高的空间分辨率与敏感且准确的力学感应性相结合，是AFM的一个极为显著的特点。通过将探针连接在弹性系数很小的悬臂上，AFM对力的测量敏感性可达到pn水平。到目前为止，AFM已经广泛地运用于测量溶液中生物分子间相互作用如与生物反应有关的水合力的研究 ［12］ 。利用这些研究结果还有助于对生物分子结构和机械性能进行分析。例如，蛋白质依靠多种非共价作用而保持其结构稳定，通过机械或化学的方法将蛋白伸展后，可以利用AFM直接测量稳定蛋白结构的作用力，并进一步探究这些力对蛋白结构的影响。近几年AFM对肌蛋白titin的去折叠研究取得的显著成果即有力地说明了这一点 ［13］另外，AFM还能够测量单个分子间微弱的非共价力。例如测量受体-配体的去结合力，若受体固定在基底表面的话，则将与之对应的配体固定于探针表面，使探针功能化。随探针-样品的距离逐渐缩小，悬臂受探体-样品间吸引或排斥力的作用向接近或远离样品的方向偏折，悬臂偏折的最大幅度反映分离紧密结合两分子所需的力。在测量中，有可能会受到探针与表面的非特异性相互作用的干扰 ［14］ 。因此，有必要认真地选择对照实验包括使用未功能化探针;或基底所处的溶液中利用游离的配体封闭受体;调节溶液的离子强度或pH，降低静电力的干预 ［15］ 。除此之外，探针还有可能受溶液粘性牵拉力作用，使撤离速率减慢至记录数据低于实际的作用力。