X射线晶体衍射测定蛋白质三维结构课件PPT

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1836 法拉第 发现阴极射线 1861 克鲁克斯 阴极射线管在放电时会产生亮光 干
版和光片有问题? 1890 古德斯柏德 洗出了一张X射线的透视底片 照
片的冲洗药水或冲洗技术
发现X射线 本质的争论 X射线衍射
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2.X射线的发现及应用
1895年 伦琴(Roentgen)发现故称为伦琴射线。
E S
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惠更斯—菲涅耳原理
惠更斯:光波阵面
上每一点都可以看 作新的子波源,以 后任意时刻,这些 子波的包迹就是该 时刻的波阵面。
——1690年
解释不了光强分布!
菲涅耳补充:从同
一波阵面上各点发 出的子波是相干波。
——1818年
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2. X射线的发现历程及应用
失之交臂
结构。
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“中国蛋白质晶体学研究水平和世界发达国家一样高! 胰岛素晶体最好的电子密度图在北京,不在牛津。” ——多萝西·霍奇金 ,1972
猪胰岛素(蛋白质编号4ins)的两条小链
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2.菠菜捕光蛋白LHC II(膜、疏水,2.72Å)Nature, 2004, Mar.
LHC-II是绿色植物中含量最丰富的主要捕光复合物,这种复杂的分子体系 镶嵌在生物膜中,具有很强的疏水性,难以分离和结晶。对其晶体结构的 测定是国际公认的高难课题,也是一个国家结构生物学研究水平的重要标 志。03年利用北京同步辐射实验室生物大分子晶体学线站获得了该晶体的 高分辨率衍射数据,最终获得2.72Å分辨率的晶体结构。
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(2)晶体生长过程及影响因素
影响因素
❖ 物理因素:温度、压力、震动、溶剂清洁度、试剂
纯度、重力、外加物理场等
❖ 生物化学因素:pH、离子强度、沉淀剂/添加剂的
类型和浓度等
❖ 其他:溶液过饱和度、纯度等
“经验” “机器人”
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(3)结晶方法
批量结晶法 batch crystallization 透射法 crystallization by dialysis 液相扩散法 liquid diffusion 气相扩散法vapor diffusion 氢氘交换质谱技术 Enhanced amidehydrogen/deuterium-exchange mass
a ≠ b ≠ c = =90o ≠90o
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三斜格子
a ≠b ≠c ≠ ≠ ≠ 90o
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按结点位置,可有四种不同的类型: P—— 原始格子(角顶) C—— 底心格子(角顶、顶底面) I —— 体心格子(角顶、体心) F—— 面心格子(角顶、每个面)
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P—— 原始格子(角顶)
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C—— 底心格子(角顶、顶底面)
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I —— 体心格子(角顶、体心)
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F—— 面心格子(角顶、每个面)
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结构中代表各类等同点的结点在空间的排列方式来说, 格子的种类有、且只有十四种。
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X射线晶体结构分析?
✓ 使用X射线作为物理工具,依赖X射线衍射现 象为物理原理,以晶体作为研究对象,晶体结 构作为研究结果的一种分析方法。
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5.X射线的获得:
X射线管
激光等离子体
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同步辐射
X射线激光
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6.晶体基础
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一维周期性结构与直线点阵
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二维周期性结构与平面点阵
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三维周期性结构与空间点阵
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晶胞(Unit cell)
✓ 空间点阵的单位(大小和形状完全相同的平行六面体), 是晶体结构的最小单位。
✓ 同一个空间点阵,划分平行六面体的方式是多种多样的。 选择平行六面体的原则:
布拉克父子 X射线微粒论者
粒子具有旋转性
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4.X射线衍射
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X射线衍射的获得
波长范围:10—0.1埃 欲观察其衍射现象则衍射线度应与其波长差不多,晶体的晶格常
数恰是这样的线度 衍射波的两个基本特征—衍射线(束)在空间分布的方位(衍射
方向)和强度与晶体内原子分布规律(晶体结构)密切相关。
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1.光的衍射现象
‘光线’拐弯了!
S
?
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衍射现象:光波偏离直线传播而出现光强 不均匀 分布的现象
当缝的大小(或障碍物的大小)跟波长相差不多时就 发生明显的衍射现象.如果缝很宽,其宽度远大于波 长,则波通过缝后基本上是沿直线传播的,衍射现象 就很不明显了.
E S
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3.X射线本质的争论
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X射线本质的争论--波动说
巴克拉: X射线波动性
标识谱线:不管元素已化合成什么化合物,它们总是发射一种硬度的X射线, 当原子量增大时,标识X射线的穿透本领会随着增大。这说明X射线具有标识特 定元素的特性。
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X射线本质的争论—微粒说
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晶体什么样(2)
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晶体什么样(3)
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晶体什么样(4)
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2.晶体和点阵结构
晶体的周期性结构使得我们可以把它抽象成 “点阵”来研究.
一维周期性结构与直线点阵 二维周期性结构与平面点阵 三维周期性结构与空间点阵
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伦琴夫人的手的X射线照片
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X射线在医学上的应用
伦琴的新发现轰动了全世界, 不到三个月, 维也纳的一 家医院便拍出了应用于医疗的X射线照片.从此, X射线 拍片和射线透视成为医学诊疗中常用的手段。
为了防止各脏器成像发生的重叠给诊疗带来不便, 科 学家们进一步研究了成像更清晰、灵敏度更高的仪器。 1972年,英国科学家汉斯菲尔德运用计算机和图像重 建理论, 制成了电子计算机射线断层扫描成像装置, 也 就是已被广泛应用的CT。
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X射线与诺贝尔奖—物理学奖
伦琴因发现X射线而获得第一届诺贝尔物理学奖。 1903 年诺贝尔物理学奖。 1906 年的诺贝尔物理学奖。 劳厄获得了1914 年诺贝尔物理学奖。 英国的布拉格父子1915 年的诺贝尔物理学奖。 英国的巴克拉1917 年的诺贝尔物理学奖。 瑞典物理学家西格班1924 年诺贝尔物理学奖。 美国的康普顿1927 年诺贝尔物理学奖。 前苏联的切连科夫1958 年诺贝尔物理学奖; 美国的霍夫斯塔特1961 年诺贝尔物理学奖; 瑞典的西格巴恩1981 年的诺贝尔物理学奖。
①所选平行六面体的对称性应符合整个空间点阵的对称性。 ② 选择棱与棱之间直角关系为最多的平行六面体 ③ 所选平行六面体之体积应最小。 ④ 当对称性规定棱间的交角不能为直角关系时,应选择结点间距
小的行列作为平行六面体的棱,且棱间的交角接近于直角的平行六 面体。
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单位平行六面体,a、b、c 、、、 是表征它本身形状、 大小的一组参数,称为格子参数或点阵参数。
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衍射方向
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二、X射线晶体结构测定基本过程
①蛋白质获取(提纯) ②晶体生长并经冷冻技术处理 ③重原子衍生物制备 ④衍射数据收集 ⑤衍生数据分析和改进 ⑥结构模型的获取(包括修正)
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(2)晶体生长过程及影响因素
晶核(尽量少) 微晶(可用作晶种) 晶体在数小时至数月后出现 2个问题: ① 是盐晶吗? ② 能给出有用的衍射吗?(多晶/双晶)
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(5)衍射数据收集
晶体的处理:低温液氮气冷流技术 数据收集仪:底片、面探测器
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衍射分析仪器的发展
射线种类:连续射线 特征射线 电子衍射 中子衍射
• 探测技术:胶片 闪烁体计数器(点) (IP)CCD探 测器(面)
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图2-22 石英的衍射仪计数器记录图(部分)
什么是晶体 晶体的周期排布 晶体的对称性
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3.1什么是晶体
固体物质 晶体
相当子、原子或分子这些微粒在三维空间中周期性重复 排列形成的、能够给出明锐衍射的固体结构。
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晶体什么样(1)
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化学奖
荷兰的物理化学家德拜1936 年诺贝尔化学奖。 美国著名化学家鲍林1954 年诺贝尔化学奖。 英国生物学家肯德鲁与佩鲁茨1962 年诺贝尔化学奖。 英国女化学家霍奇金1964 年诺贝尔化学奖。 美国化学家利普斯科姆1976 年诺贝尔化学奖。 英国化学家桑格和美国化学家吉尔伯特1980 年诺贝尔化学奖。 英国生物化学家克卢格因1982 年诺贝尔化学奖; 美国化学家豪普特曼和卡尔1985 年诺贝尔化学奖; 1988 年,米歇尔等三位德国生物化学家诺贝尔化学奖。
*右上角为石英的德拜图,衍射峰上方为(hkl)值,β代表Kβ衍射
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底片(外森堡相机、徘循相机)
优点: ✓ 多点同时收集 ✓ 容易保存 ✓ 价格便宜
缺点 o 存在“化学雾”背景和X射线散射背景 o 费时、费力
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计数管(四圆衍射仪)
将X射线光子强度转换为电信号,信号放大后 再转换成数字存入计算机随时调用
c
b
a
单位平行六面体参数
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单位平行六面体与坐标轴的关系:棱交角=坐标轴之间交角。
a、b、c =轴单位。
a、b、c、、、 关系有七种情况,与单位平行六面体七种格 子相对应。
立方格子 a=b=c == =90o
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三方格子
a=b=c == ≠90o,
60, 109o28'16 "
X射线晶体衍射的工作流程较长。
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Last update: Tuesday Oct 20, 2009 at 5 PM PDT
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五、应用实例
1.胰岛素
于1971年和1972年分别得到分辨率为 2.5埃和1.8埃的猪胰岛素晶体测定, 这是中国阐明的第一个蛋白质的三维
逐点收集数据 优缺点与底片相反
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面探技术-SMART APEX-CCD衍射仪
Smart CCD Overview
SMART APEX-CCD探测器
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面探技术-SMART APEX-CCD衍射仪
金属丝构成的面板,可同时多点收集 将X射线光子强度转换为电信号 集计数管的精确和底片的多点收集效率
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图像板image plate
面探测器的改进 由化学材料构成,整块板子密度一致 高分辨率 可见光下可测量 集底片和面探测器的优点于一身
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(6)数据分析
电子密度修饰 电子密度图诠释 结构模型精化
数据处理软件:Denzo, Scalepack
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spectrometry, DXMS 生物玻璃bioglass
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(4)晶体的初步鉴定
边界 硬度 脱水 溶解性 偏光性 染色性 漂浮性
小分子晶体
蛋白质晶体
完整,漂亮
常不完整,易出现多晶
偏硬,易碎成2瓣或几瓣 偏软,易碎成粉
不变化
因脱水而变坏



相对弱


下沉
漂浮
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菱面体格子中α为特殊角度时,演变成的三种立方体格子
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四方格子
a=b ≠ c == =90o
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六方格子
a=b≠c ==90o =120o
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正交格子
a ≠ b ≠ c == =90o
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单斜格子
蛋白质结构测定
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2011-3-30 1
蛋白质三维结构测定方法及数量
2021/3/10
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蛋白质三维结构测定年增长图
2021/3/10
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第一节:X-射线衍射技术用于蛋白质晶体结构测定
原理 基本过程 优缺点 应用实例
2021/3/10
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一、相关原理
光的衍射现象 X射线的发现及应用 本质的争论 X射线衍射的发现 晶体学基础知识 X射线晶体衍射
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三、X射线晶体结构测定优点
分辨率高 不损伤样品 无污染 相对快捷 能得到晶体完整性的大量信息
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四、X射线晶体结构测定存在问题
晶体构象是静态的,不能测定不稳定的过渡态 的构象;
很多蛋白质很难结晶,或者很难得到用于结构 分析的足够大的单晶;(瓶颈)
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