12
什么是晶体 晶体在宏观上呈现 出规则的几何形状
13
二维排列
Cl Na Cl Na Cl Na Na Cl Na Cl Na Cl Cl Na Cl Na Cl Na Na Cl Na Cl Na Cl Cl Na Cl Na Cl Na Na Cl Na Cl Na Cl
三维堆积
NaClNCalNCalNNCaalNCCallNCCallNNCaalNNCaalNCCallNCCallNNCaalNCalNCal ClNa ClNaNCalNCalNCCallNNCaalNNCaalNCCallNCCallNNCaalNNCaalNCCallNCalNCalNaCl NaClNCalNCalNNCaalNCCallNCCallNNCaalNNCaalNCCallNCCallNNCaalNCalNCal ClNa
• 从那时起，技术的发展就成为结构生物学发展最重要的决定因 素。
4
•60-70年代,在同一实验室的他们又发展了电子晶体 学技术，当时的研究对象主要是有序的,对称性高的 生物体系，如二维的晶体和对称性很高的三维晶体。
•70-80年代，多维核磁共振波谱学的发明使得在水 溶液中研究生物大分子成为可能,水溶液中的生物大 分子更接近于生理状态.
通过对爱滋病病毒(HIV) 蛋白酶 的精细结构测定,并以此为靶标设 计酶的抑制剂作为治疗爱滋病的 有效药物获得巨大成功,已显著减 少爱滋病死亡数量.
8
X-ray测定生物大分子结构的原理
9
为什么要用X-射线
d
假设原子的尺度为d
l >> d
l d
只有光源波长与障碍物尺度相当，或者光源波长小于障碍物尺度的时候 才能探测到障碍物的信息。
•80年代到本世纪初,冷冻电子显微镜的发明,这种技术 的发明使我们不仅能够研究生物大分子在晶体状态和 溶液状态的结构，而且能够研究研究复杂的大分子体 系超分子体系，这就是细胞器和细胞.
可见结构生物学的发展过程经历了从结晶到溶液再到 大分子体系,超分子体系,如核糖体(ribosome),病毒,溶 酶体(lysosome),线粒体等.
7
此外,应用X 射线单晶衍射技术测定蛋白质和核酸的 晶体结构并结合分子模拟技术,已经为新药物的设计 提供了一个全新的方向,大大缩短了新药的研制过程. 新药的设计和开发,要求对这些药物靶标( drug target ) 的结构、性能有精确的了解,由于迄今对其 了解甚少,现有临床药物绝大多数是通过尝试筛选获 得的,导致研制一个新药常常需十多年,甚至几十年的 时间.
10
X-ray
Protein Crystal
X-射线的波长与原子以及化学键的尺度相当，都在Å的数量级。因此可以 被用来探测蛋白质分子内部的结构。
11
为什么要用衍射
把透镜 换成X射线
透镜
把光源换 成X射线
到目前为止人类还没有发现什么方法能够让X-射线发生折射。所以当前 只能通过衍射这种不那么直观的方法来研究蛋白质分子内部构造。
|
exp[
2
i( hx
ky
lz)
i(hkl)]
❖ 为电子密度，xyz 为实空间坐标
k
❖ V 为晶胞体积
❖ |F(hkl)|2 = I(hkl)，I 代表衍射点的强
度，hkl 为衍射点坐标
h
❖ 代表初始相角
16
f(x) = A cos(2x – )
=0
0
1
2
3
4
= /2
0
1
2
3
4
= -
0
1
2
• 60年代 当时的开文迪许实验室的M.Perutz J.Kendrew 用X-射 线晶体衍射技术获得了球蛋白的结构.由于X射线晶体衍射技术 的应用，使我们可以在晶体水平研究大分子的结构，在分子原 子基础上解释了大分子.
• 由于他们开创性的工作，Waston ,Crick获得了1962年的诺贝 尔生理学与医学奖,M. Perutz和J.Kendrew获得了同年的化学 奖.
• 优点是分辨率高,达到原子分辨率,既可研究水溶性蛋白、也可研 究膜蛋白和大分子组装体与复合体。它能给出生物大分子的分 子结构和构型,确定活性中心的位置和结构,从分子水平理解蛋白 质如何识别和结合客体分子,如何催化,如何折叠和进化等生命的 基本过程,进而阐明生命现象。
6
如1997 年底,应用X 射线单晶衍射方法完 成了有关核小体 (nucleosome) 的核 心颗粒分辨率为 0128nm的精细空间 结构的测定,每个核 小体的盘状核心含有 8个组蛋白形成的八 面体、外绕146 个碱 基对组成的DNA ,这 一杰出的成就对了解 基因转录、DNA复 制与修复的动态过程 都很重要.
结构生物学的研究方法和技术
1
生物大分子要发挥功能，必须满足两个条件: • 第一，凡要发挥功能和活性的生物大分子
必须具有特定的，自身特有，相对稳定的 三级结构; • 第二，结构运动。任何的破坏促使没有稳 定的三级结构和结构运动，生物大分子是 很难发挥生物功能或活性的。
2
结构生物学概念及主要研究方法
晶体是一种具有长程、三维分子有序的固体。
14
小孔光栅
衍射图样
15
如何根据衍射结果解析蛋白质结构
பைடு நூலகம் (xyz ) 1
| F(hkl) | cos[2(hx ky lz) (hkl)]
V hkl
参考 f(x) = A cos(2x – )
上式也可表示为：
(xyz )
1 V
|
hk l
F(hkl)
结构生物学是通过确定生物大分子三级结构，来研 究生物大分子的结构功能关系，从而探讨生物大 分子的作用机制和原理作为研究目的。
主要研究方法: • X- 射线晶体衍射方法（X- 射线蛋白质晶体学） • 多维核磁共振（ NMR ） • 电镜晶体学和电镜三维重组方法
3
结构生物学的发展
起源：1950s, Waston, Crick 发现了 DNA双螺旋结构，建立 DNA的双螺旋模型。
5
X- 射线晶体衍射方法
• X射线单晶衍射技术是由H. W. 布拉格和W.L. 布拉格父子于 1912 年提出和发展起来的. 此技术最先用于无机晶体分析,后来 到1953 年,沃森和克里克用于DNA 晶体分析,至60 年代,肯德鲁 和佩鲁兹用于研究血红蛋白和肌红蛋白,逐渐成为生物大分子晶 体结构研究的重要手段,直至今天仍占据统治地位。