第八章 晶体结构分析在其他学科中的应用

8.2.3 结构与性能关系的研究与应用
按照已知的结构和性能的关系设计制造需要的新
材料是进行大量结构测定的目的。如何总结大量已
测结构的规律并与其性能、功能相联系是今后的任 务之一。特别是生物结构与功能的关系。进一步如
何利用这种关系设计制造人类需要的材料，药物等,
更是永不完结的任务。
8.2.4 解生物大分子结构方法的发展
1. 同步辐射X射线单晶衍射技术的特点:
(1) 同步辐射产生高强度的 X 射线, 在短时间内收集衍射数据。
Hajdu 等用实验室X 光源, 为收集到糖原磷酸化酶 b 2.7 A 分
率的衍射数据 (约10000 个) , 约一周的时间, 而用同步辐射 X 射线, 只花了25 min 收集到全部衍射数据。 对于蛋白质晶体, X 射线损伤的限速过程是照射产生的 OH 自由基的扩散, 常温下该扩散的时间尺度为数小时。因而, 用同步辐射 X 射线测量时, 在此时间范围内即可收集到全部
8.1.3 晶体结构与药物设计
近年，基于病毒结构、人体内各种大分子结构的测定及人 体感染疾病途径的了解，搞清了某些疾病感染及发展的结构匹 配需要。人类已经根据这些结构知识设计结构上匹配的、合适 的药物，来事先保护病毒和人体的结合点，或阻断病毒的自身 繁衍，从而避免感染或控制其繁衍，而不使疾病发展, 这就是 所谓的基于结构的、合理的药物设计。
8.2.2 各种生物Βιβλιοθήκη Baidu分子结构的测定
2001年2月12日，人类基因组框架图发表。接下来的任务 是要把各基因的结构和功能搞清楚，有大量的基因结构需要 测定。世界上已经成立了结构基因组的国际合作组织，分配 人类基因结构的测定任务。除了人类基因以外，还有水稻基 因组，各种病毒等范围更广的生物大分子结构需测定。生物 大分子的数量将会远远超过各种无机物，有机物分子的总量 。生物大分子结构测定将是今后晶体结构测定的主要任务。
差，故较软，而金刚石为共价键形成的骨架结构，故结合力
强，无薄弱环节, 成为最硬的材料。
8.1.3 晶体结构关联天然产物和人工合成
人类和疾病作斗争, 总离不开药物。原始的药物是天然 产物, 动植物或矿物。以后随着科学的发展,开展了从天然
产物中提取有效成分的方法, 而有效成分晶体结构的测定
进一步将从天然产物中提取的活性物质改变为人工合成， 使有可能大量制造，提高了产量、降低了成本、造福于人 类。这种基于结构, 设计出合成路线，工业制造的方法在 药物，染料，香料等许多工业部门都是广泛使用的。
Robert 等在美国 Lawrence Berkeley 国家实验室的 ALS ,用同
步辐射 X 衍射方法得到一种和水通道具有相似结构的甘油通
道 GlpF 分辨率为 2.2A 的电子密度图。
美国科学家 R.Mackinnon 等在1998 年首次得到膜蛋白离 子通道的结构, 他们在 Cornel 大学高能同步光源 (CHESS) 通 过 X 射线衍射解出一种称为 KcsA 的 K+ 通道的原子结构, 分 辨率为 3.2 A。近年来他们一直致力于 K+ 通道的结构、特性、 功能等方面的研究。 R.Mackinnon 和 P.Agre 因为对膜蛋白分子和离子通道开 创性的研究, 而共同分享 2003 年的诺贝尔化学奖。
(3)
能量转换的研究
能量转换的一个关键是跨膜质子电化学梯度的建立, 这都是 由膜蛋白介导完成的, 由于膜蛋白结晶的困难, 长期以来对此 过程的分子机制了解甚少。20 世纪末日本学者 Tsukihara 等 成功地结晶牛心细胞色素 C 氧化酶, 得到分辨率为 2.8A 的结 构模型。他们从酶的几种状态的晶体结构比较, 提出质子泵的 机理。随后他们又进一步用光子工厂同步辐射得到 2.30 A 分 辨率的该晶体结构, 并提出质子泵过程中的间接偶联机制。
第八章 晶体结构分析的应用和发展方向
8.1 晶体结构分析的应用
晶体结构的测定对学科的发展、物体性能的 解释、新产品的生产和研究等方面都有很大的作
用, 其应用面很宽, 不能尽述, 略谈几点如下，
抛砖引玉:
8.1.1 晶体结构和晶体学学科
晶体结构的成功测定,在晶体学学科的发展上起了决定 的作用。 因为它证实了晶体具有周期性结构这一推测, 使晶体的 许多特性得到了解释: 如晶体能自发长成多面体外形 (自范 性), 如立方体的食盐、六角形的水晶等, 又如晶体各种物理 性质 (光性,导热性等) 的各向异性和对称性等等。使晶体学
的发展有了坚实的基础。
8.1.2 晶体结构和晶体性质
矿物学中曾有不少矿物的元素构成很接近,但他们的性质 相差很远 (如石墨和金刚石都是碳, 还如一些硅酸盐), 而有的
矿物其物理或化学性质相近,但其元素组成又很不相同 (如云
母类矿物等)，使人困惑。晶体结构的测定使性能的异同从结
构上得到了合理的解释。如石墨因是层状结构，层间结合力
合体的上游区。
当今已有多个晶体结构数据库，如： （1）剑桥结构数据库（CSD）。包括各种有机，有 机金属化合物及配合物的晶体学数据。 （2）无机晶体结构数据库（ICSD）。 （3）金属结晶学数据库（CRXSTMET）。 (4）蛋白质数据库（PDB）。 （5）晶体学数据（CD）。 （6）粉末衍射卡片（PDF）。 (7）有序无序结构数据库（OD）等。
构。该结果是第一个有关两个信号蛋白分子在质膜上相互“交
谈”的三维图像,并提出该 G 蛋白α亚基激活腺苷酸环化酶的分
子机制。
(5)
基因转录的研究
生物基因转录它涉及 DNA 与蛋白质的相互作 用, 同时往往数
种乃至十几种蛋白质起作用, 这样就 必须测定超分子复合体的晶
体结构。Geiger 等得到 TFIIA/ TBP/ TATA box 复合体、TFIIA / TFIIB/ TBP/TATA box 复合体的晶体结构。 晶体结构 表明, TFIIA 和 TFIIB 这两个转录因子分别位于 DNA 两侧, 因而它们无直接的相互作用。并且 TFIIB 和 TATA box 的上游及下游区都有作用, 而 TFIIA 只位于 TBP/ TATA 复
(4)
信号转导的研究
外界信号大多是通过细胞质膜上的特殊蛋白及其它多种蛋
白质的接联反应最终传至细胞内的细胞核等靶区。如细胞质膜 内表面的一种G 蛋白,它在信号受体蛋白和效应器 (酶、离子通
道等) 之间起中介体作用。Tesmer 等在美国Cornel 大学高能同
步辐射源上测定了腺苷酸化酶复合物的 2.3A 分辨率的晶体结
目前虽已有各种方法用来解决相角的问题，但 要置换许多同晶化合物还是颇费时和颇昂贵的，如
果能如小分子那样用直接法来解决相角问题，将会
方便许多。我国科学家范海福院士是研究直接法的
我国权威人物，正在进行这方面的研究。
8.2.5 晶体结构分析在其他学科中的应用
晶体结构的描述。
X 射线结构分析和晶体学在无机、有机、天然有
数据, 而且晶体不至于造成损伤。
(2) 利用同步辐射波长可任意改变的特性,可以利用
多波长反常散射技术, 直接确定常规 X 射线晶体结 构分析中最困难的相位参数。 特别是用硒代替甲硫氨酸中的硫, 以及应用溴化脲 嘧啶等标记, 可方便地分别用于蛋白质和核酸结构 中相位参数的测定。 1995 年在美国 NSLS 的 X4A 同步辐射光束线实验 站上就发表了 12 个采用多波长反常散射法测定新 的生物大分子结构。
(3) 由于同步辐射的高强度, 就有可能用微小的晶
体进行结构的分析。蛋白质等晶体的培养, 目前还
找不到内在的规律性, 难以得到供实验室 X 射线源 祚高分辨率测量用的大晶体。但是对于同步辐射 X 射线源, 则用尺度上比常规小几个数量级的晶体。
例如对 20 KD 左右大小的蛋白质分子, 用一般实 验室 X 射线源时, 晶体必须大于 0.13mm ×0.13mm ×0.13mm。若用 2.5 GeV 同步辐射装置产生的单色 X 射线, 其强度提高了1000 倍, 此时晶体大小为 0.03mm ×0.03mm ×0.03mm。
(2)
光合作用机制的研究
植物光合作用机制的阐明一向是人们梦寐以求的,长期以 来进展不大 。1985 年德国 Deisenhofer 和他的同事测定了紫 色光合细菌光合膜中光合反应中心复合体的晶体结构。他们 的研究成果引起很大的轰动, 因为这是第一个真正原子水平 上的膜蛋白结构, 该结构的分辨率为 2.3 A , 光合反应中心由4 个蛋白质亚基和 14 个非蛋白质辅基构成, 复合体的
过专门 的研究, Kassner 等 对弱衍射与晶体是否
有对称中心的关系进行了研究, 他们认为弱反射 在决定有无对称中心中取决定性作用。
(5) 同步辐射光源结合劳厄实验方法能在微秒 的时
间尺度进行时间分辨的三维结构研究。由此将 传
统的静态结构分析提高到动态结构的新高度, 这是 目前用其他方法不能达到的。
Tan 用于测定 (C2H8N）（Sb4S7）的晶体结构的晶
粒仅为 20μm ×30μm ×40μm。比实验室X 射线源
所用晶体在线度上要小 1 个数量级, 在体积上要小 3
个数量级。
(4) 由于同步辐射的高强度使弱衍射可以测出,
这对于总结出正确的系统消光规律, 避免得出错 误 的空间群有决定性的作用。Schomaker 等 有
机、金属有机、催化、生物、药物、蛋白质、 矿物、材料、金属等学科中的应用。 电子衍射、中子衍射、粉末衍射的晶体学应用。
8.2.6 单晶体结构分析实验方法的发展 8.2.6.1 同步辐射
目前的实验室单晶体结构分析方法对于测定小分子的单 晶体结构已经是相当完美了, 但对于巨大的生物大分子就显 得软弱无力，主要是光源强度不够，光的平行性不良，波 长又不好调。目前主要要依靠同步辐射作为X射线源。 同步辐射 X 光源 (synchrotron radiation) 比常规 X 射线源 有许多优点, 所以用同步辐射光源测定生物大分子的结构更 有无比的优越性。
例如艾滋病毒复制过程中不可缺的蛋白酶及人类设计的对
称性抑制剂 A-74704 之间的氢键结合模式。由于抑制剂的结
合阻断了病毒的结合，使其无法复制。改变了过去神农尝百草
型的经验寻找药物的方法。
8.2 可能的发展方向
8.2.1 数据的积累
从前述的应用已经看出，晶体结构的测定及结构与性能关
系的研究, 是今后走上人类按需设计新材料的基础。今日虽已 测了许多晶体的结构, 但还有许多未能测定, 而且还不断有新化 合物，新晶体出现, 因此不断的测定他们的结构, 加以总结分析 是十分必要的。
分子量为 145 kD。为此他们荣获1988 年诺贝尔化学奖。
中国科学院生物物理所的 Zhengfeng Liu 等在中国科学
院高能物理所同步辐射国家实验室的同步 X 衍射生物大分
子实验站, 用同步辐射 X 射线衍射完成了菠菜主要捕光复合
体 (LHC - II) 2.72A 分辨率的晶体结构测定。并论述光合作 用系统的主要捕光复合体LHC - II 在绿色植物的光合作用 中主要是太阳能的收集器, 在强光条件下还能起到光保护物 的功能。 Zhenfeng Liu , et al., Crystal structure of spinach major light harvesting complex at 2.72 ? Resolution. Nature 2004 ,428(6980) :287～292
人们早就认识到水和其他物质如 K+ 、Na + 、Ca2 + 和 Cl 等多种离子能够经过一些孔道通过细胞壁, 但是细胞膜是如何 选择性转运离子的, 以及离子的运动又是如何受调控却一直不
为人所知。2000 年 P.Agre 等 应用场发射电子源的电子衍射方
法得到分辨率为 3.8A 的 AQPl 水通道电子密度图。就在同时
有许多生物反应的速度是相当快的, 如血红蛋白 与一氧化碳的结合，速度在纳秒级（10-9 sec），
要对这种反应进行动力学研究，既要有高强度脉
冲光源, 又要有快速切换的探测器以连续跟踪反应。 现在已有了强脉冲光源，但探测器的切换速度却 慢太多，需要作长时间的更大的努力。
3. 同步X 射线衍射技术在三维结构生物学中的应用 (1) 细胞膜通道的研究