細胞結構和功能的實驗研究方法總結
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細胞結構和功能的實驗研究方法總結
認識細胞的結構和功能除了使用顯微鏡作形態、結構的觀察之外，還常常采用細胞組分的觀察，以揭示生物大分子在細胞內構建的相互關系，探究細胞內各種細胞器的功能。
細胞組分的觀察方法主要有：分級離心法、 紙層析法、同位素標記法、熒光抗體免疫標記法等。
1 分級離心法
分級離心法又叫做超速離心技術。該項實驗技術的操作包括：先用低滲勻漿、超聲破碎或研磨等方法，使細胞膜破碎，形成細胞核、線粒體、葉綠體、核糖體、內質網、高爾基體等和細胞組分的混合勻漿；再通過差速離心結合密度梯度離心技術，將細胞各組分分離開來。運用超速離心技術，可測知真核細胞內不同結構的生理功能。
例7 在低溫條件下，將綠色植物的葉片置于研缽中，加入某種溶液研磨后，將細胞碎片和細胞器用超速離心技術進行分離。第一次分離成沉淀P1(含細胞核和細胞壁碎片)和上層液體S1 ；隨后又將S1分離成沉淀P2(含葉綠體)和上層液體S2 ；第三次離心將S2分離成沉淀P3(含線粒體)和上層液體S3 ；最后一次將S3分離成沉淀P4(含核糖體)和上層液體S4。(如下圖所示)。
請根據下列問題填入相應的符號（S1-S4和P1-P4）。
（1）含DNA最多的部分是
（2）與光合作用有關的酶存在于 部分。
（3）與呼吸作用有關的酶存在于 部分。
（4）蛋白質含量最多的部分是
（5）合成蛋白質的細胞器存在于 部分。
（參考答案：（1）P1 （2）S1；P2 （3）S1、S2；P3 （4）S1 （4）S1、S2、S3；P4）
2 紙層析法
紙層析法是以定性濾紙作為惰性支持物，利用樣品混合物中的各組分在流動相和固定相兩種不同溶劑中分配系數的差異，將它們分離開來。
實驗：綠葉中色素的提取和分離
葉綠體中的色素在層析液中的溶解度不同，溶解度高的隨層析液在濾紙上擴散得快，溶解度低的隨層析液在濾紙上擴散得慢，從而將葉綠體中的色素進行了分離。
2.1 實驗操作的簡要程序：
2.2 實驗操作的注意事項：
2.2.1 提取葉綠體中色素要用到的藥品及作用
葉綠體中含有兩類共4種光合色素（葉綠素a、葉綠素b、葉黃素、胡蘿卜素），這些色素均能溶解無水乙醇等有機溶劑中。
提取色素時，加入SiO2有助于研磨得充分；加入CaCO3是可防止研磨中色素遭到破壞。
2.2.2 研磨液制備和畫濾液細劃線
采用研磨法制備的葉綠體色素粗提液必須先過濾，過濾時選用單層尼龍布。
畫濾液細線時，需要小心、均勻輕畫、干燥后再重復劃2~3次，要求所畫濾液細線越細越齊越好，以避免濾紙條上的分離的色帶發生重疊。
2.2.3 紙上層析時應該注意的問題
不能讓層析液沒及濾液細線，否則，濾液細線中的色素會溶解到層析液中。
由于層析液有毒，容易揮發，所以用小燒杯代替試管時，要用培養皿蓋住小燒杯。
例8 分別在Ａ、Ｂ、Ｃ三個研缽中加２g剪碎的新鮮菠菜綠葉，并按下表所示添加試劑，經研磨、過濾得到三種不同顏色的溶液：深綠色、黃綠色（或褐色）、幾乎無色。試回答：
處 理
A
B
C
SiO2（少量）
CaCO3（少量）
95%乙醇（10 mL）
蒸餾水（10 mL）
（注：“＋”表示加；“－”表示不加。）
（１）Ａ處理得到的溶液顏色是 ，原因 。
（２）Ｂ處理得到的溶液顏色是 ，原因是 。
（３）Ｃ處理得到的溶液顏色是 ，原因是 。
（參考答案：（1）黃綠色 部分葉綠素遭到破壞 （2）幾乎無色 葉綠體不溶于水
（3）深綠色 大量葉綠素溶于乙醇中）
3 . 同位素標記法
同位素標記法又叫同位素示蹤法。放射性同位素用于追蹤物質的運行和變化規律時，也叫做示蹤元素。用放射性同位素標記的化合物，化學性質不會改變。科學家通過追蹤放射性同位素標記的化合物，可以探究并弄清化學反應中的詳細過程。
例如，將含有3H的氨基酸注射入豚鼠的胰臟腺泡細胞中，可研究分泌蛋白質的合成和分泌過程；用含有14C的二氧化碳參與光合作用，可追蹤碳原子的轉移途徑；用含有15N、14N的DNA，可證明DNA分子的半保留復制特點；用含有18O的水，可追蹤光合作用中的氧原子的轉移途徑；用含有18O的氧氣飼喂小白鼠，可追蹤細胞呼吸過程中氧原子的轉移途徑；用32P標記DNA、35S標記蛋白質，可追蹤它們在噬菌體侵染細菌的實驗中的去向，從而得到在該實驗中究竟是什么物質進入了細菌的事實，以證明遺傳物質是DNA，等等。
例9 為了證明噬菌體侵染細菌時，進入細菌的是噬菌體DNA，而不是它的蛋白質外殼，可用兩種不同的放射性同位素對噬菌體進行標記。再讓帶有這兩種不同標記的噬菌體分別去侵染未被標記的細菌，從而對此作出實驗論證。據分析，噬菌體的蛋白質中含有S元素，而DNA中含有P元素。實驗室已備好分別含3H、14C、15N、18O、32P、35S等6種同位素的微生物培養基。試問：你將怎樣去實現對噬菌體的標記？請簡要說明實驗的設計方法。
參考答案：先將細菌放在含32P或35S的培養基上培養，使細菌被標記上32P或35S；然后用噬菌體去侵染分別被32P或35S標記的細菌，噬菌體在細菌體內增殖，子代噬菌體就被標記上32P或35S。
4. 熒光抗體免疫標記法
以細胞膜為代表的生物膜具有流動性，不僅是生物膜的基本特征，也是細胞進行生命活動的必要條件。熒光抗體免疫標記實驗就是證明細胞膜具有流動性的典型實例。
用抗鼠細胞膜蛋白的熒光抗體（顯綠色熒光）和抗人細胞膜蛋白的熒光抗體（顯紅色熒光）分別標記小鼠和人的細胞表面，然后用滅活的仙臺病毒處理使兩種細胞融合。實驗結果表明，細胞開始融合時，人、鼠細胞的表面抗原“涇渭分明”，只分布于各自細胞表面；但在融合之后，兩種抗原就平均地分布在融合細胞的表面了。這一實驗清楚地顯示了與抗體結合的膜蛋白在細胞膜上的運動。
例10 請回答人、鼠細胞融合實驗中的有關問題：
（1）細胞融合實驗表明了組成細胞膜的 分子是可以運動的，由此證明了細胞膜具有 的特點。
（2）在細胞融合實驗中，一種抗體與只能與相應的抗原結合，說明這類物質在分子結構具有 性，這種特性從根本上是受 分子的結構來決定的。
（3）細胞融合實驗若在20℃條件下進行，則兩種表面抗原平均分布的時間大大延長，這說明 ；若在1℃條件下，兩種表面抗原便不能平均分布。這一事實可證明膜蛋白運動的特點是 。
參考答案：
（1）蛋白質 一定的流動性 （2）特異性 DNA
（3）隨溫度的降低，膜上蛋白質分子的運動速度減慢。
膜蛋白的運動是一種自發的熱運動，不需要細胞代謝提供能量。
生物細胞的研究方法主要有以下幾個：
1. 間接觀察法：通過使用顯微鏡觀察細胞的形態、結構和功能，并進行相應的測量來確定細胞的某些基本特征；
2. 蛋白質印跡法：使用SDS-PAGE或其他相應儀器對細胞內蛋白質進行定量分析，用以研究細胞內復雜的結構及其相應的功能；
3. 生化分析法：使用常規的生物化學分析手段，如光度分析、流式細胞儀等，進行細胞內DNA、RNA、蛋白質含量的測定，從而探究細胞的生理過程；
4. 基因工程技術：使用基因工程技術，如PCR、質粒遺傳學及克隆等，進行細胞基因結構的分析，加以研究；
5. 細胞培養：利用細胞的體外培養來研究細胞的生長發育、衰老與死亡等生理過程，也可以用于誘導器官或細胞系的發育。
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