结构生物学介绍及进展
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由于结构的变化, 导致了疯牛病、克 雅氏病( ; )等传染性脑海绵 状病变()。
正常的
致病的
分子生物学: 现代生物学的主流方向
• 分子生物学是现代生物学中最重要的学科, 几乎每年的诺贝尔化学奖,生理学或医学 奖都授予这方面的研究。
• 研究各种生物大分子的功能以及在生物体 中的生物化学过程,是分子生物学最重要 的任务。
• 这种辐射强度高、覆盖的频 谱范围广,可以任意选择所 需要的波长且连续可调,因 此成为一种科学研究的新光 源。
同步辐射装置示意图
部分图片来自
储存环
三种发光元件
波荡扭器摆(u器nd(uWlaigtogrl)er) 弯转磁铁
图片来自
实验站
光束线
发光元件
同步辐射的亮度(单 位时间,单位面积, 单位立体角,一定光 子能量范围内的光子 数)和转靶X光机的比 较。
(2)通道内氨基酸残基的结构,模拟了钾离子在溶液中的水 合状态。只有水合的钾离子能够在通道内犹如在水溶液内一 样自由地运动。
,
( ) 3.2Å .
钾离子通道
280, 69-77 (1998) 95, 649-655 (1998) 289, 123-127 (2000) 414, 37-42 (2001) 414, 43-48 (2001) 415, 287-294 (2002) 111, 967-965 (2002)
理想的光源必须具有以下特点: 高亮度:衍射能力很弱也可以得到好的数据; 准直性好:质量差、晶胞大的晶体也可以进
行实验; 能量可调:多波长反常散射解决相位问题。 同步辐射正好提供了适合的光源。
什么是同步辐射?
• 接近光速运动的电子或正电 子在改变运动方向时放出的 电磁辐射,因为是在同步加 速器上发现的,所以称为同 步辐射。
图片来自 设计报告
2p立体角:180°
1毫弧度:0.06 ° 三代光源甚至达到10微弧度
实际的蛋白质单晶
真实单晶体内部不 是完美的,可以看 成有一系列的小晶 体镶嵌而成,每个 小晶体可以认为是 完美的晶体。这些 小晶体取向无序的
程度以“镶嵌度” 表 征。
• 分子置换法( ,) • 同晶置换法( ,,) • 反常散射法( ,,) • 直接法( )
结构在现代生物学里的中心地位
• 在分子生物学中,结构是非常重要的内容。
• 只有在获得相应分子的结构后才能深入地 研究其功能和生化过程。
举例
• 酶蛋白:只有在了解了酶的活性中心的结 构以及如何与底物的结合后,才能真正了 解这种酶的作用机理;
• 对肌肉中的肌动蛋白和肌球蛋白的结构有 了详细的了解,才能说明肌肉收缩和非肌 肉细胞运动的机理。
.
423, 33–41 (2003)
结构生物学进展:
董宇辉 ,,
• 同步辐射( ) • 小角散射( ) • 自由电子激光( )
同步辐射
:.
X射线晶体学和是蛋白质 结构测定的主要技术
测定方法 X射线晶体学
综合方法 总数
蛋白质结构
74768 9616
99.2%
458 51 165
85058
,2012年10月2日
同步辐射覆 盖了一个很 宽的频谱范 围,从远红 外到硬X光。 而X光机只 能提供几个 分立的光子 能量。
(多对同晶置换)
设法在蛋白质晶体 中加入一些重金属 离子,同时晶体结 构不发生大的变化 (同晶置换),置 换前后结构因子的 关系。
一个同晶置换可以得到两个可能的解。
两个同晶置换就可以得到唯一的解。
• 一共有11项诺贝尔奖授予生物分子结构 方面的研究。
• 有结构解析方法研究,也有重要的生物 分子结构和功能研究的工作。
1962
" "
1962
""
1964
" "
1982
" "
19wk.baidu.com5
A. "
"
1988
" a"
1997
D.
E.
C.
" ()"
", ,"
B. "
" "
" "
"
2002
Wü
蛋白质结构测定的流程
靶标 克隆 15272 14866
表达 可溶 6408 1474
2008.6.16
纯化 843
结构 80
各种生 物基因 组和功 能基因 组数据
基因 克隆
蛋白制备
样品制备
结构测定
结构测定
蛋白结构
获得生物大分子结构的主要技术
实验耗时
分辨率低
灵敏度低
单晶难以获得
相位解析需要特殊单晶
• 关键是衍射实验使用的X射线(能量)波长 必须可变!
同步辐射的作用
• 同步辐射的加入,大大提高了结构测定的 速度。
结构生物学
,,
结构生物学的定义
• 顾名思义,结构生物学就是研究各种生物 大分子(蛋白质、核酸、糖类等)的结构, 结构与功能的关系,以及如何在生物体内 发挥作用的学科。
结构的重要性
• 生物大分子的功能主要取决于其结构。
• 结构的异常会引起功能的改变,也是所谓 “构像病”的原因。
疯牛病等构像病的罪魁祸首—
• 核磁共振方法:分辨率与灵敏度不够,不能确定分子量很大的 结构,要求样品浓度极高,测定效率低下(几个星期甚至几个 月的数据收集时间)。
• 晶体学方法:对样品要求过高,高质量晶体的获得困难。
?
F (h,k,l)F (h,k,l)ei(h,k,l)
(h,k,l)?
蛋白质晶体
• 衍射能力很弱:大部分原子为C、N、O、S; • 晶体质量差,晶胞大; • 相位问题解决困难。
“同步辐射+硒代+样品冷冻”已经 成为解析全新结构的标准方法。
多波长反常衍射()
• 可以解析全新结构,如果能够得到足够的 同晶置换晶体的话。
• 如果蛋白质里有金属离子存在,就可以使 用方法。
• 硒代。
原子散射因子
• 选择吸收边附近的几个波长,相当于几个 不同的完全同晶的置换。
• 分子生物学提供了硒代的手段,对于解析 全新结构非常有利。
2003
"" "" ""
2006
""
2009
A.
E.
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2003年诺贝尔化学奖 钾离子通道的三维结构图
选择筛
外螺旋
内螺旋
钾离子透过细胞膜的输运行为,对体内或是大脑中 神经信号的传导至关重要。然而离子通道的选择性 透过行为却困扰了生物学家许多年。
钾离子通道的离子导通机理
通过钾离子通道的三维 结构,解释了它对离子 的选择性透过机理。(1) “多离子透过”的过程: 原先通道里有三个钾离 子被束缚在里面,只有 体积合适的钾离子才能 通过撞击,将另一个钾 离子从相反方向弹出, 而体积较小的纳离子不 行。
正常的
致病的
分子生物学: 现代生物学的主流方向
• 分子生物学是现代生物学中最重要的学科, 几乎每年的诺贝尔化学奖,生理学或医学 奖都授予这方面的研究。
• 研究各种生物大分子的功能以及在生物体 中的生物化学过程,是分子生物学最重要 的任务。
• 这种辐射强度高、覆盖的频 谱范围广,可以任意选择所 需要的波长且连续可调,因 此成为一种科学研究的新光 源。
同步辐射装置示意图
部分图片来自
储存环
三种发光元件
波荡扭器摆(u器nd(uWlaigtogrl)er) 弯转磁铁
图片来自
实验站
光束线
发光元件
同步辐射的亮度(单 位时间,单位面积, 单位立体角,一定光 子能量范围内的光子 数)和转靶X光机的比 较。
(2)通道内氨基酸残基的结构,模拟了钾离子在溶液中的水 合状态。只有水合的钾离子能够在通道内犹如在水溶液内一 样自由地运动。
,
( ) 3.2Å .
钾离子通道
280, 69-77 (1998) 95, 649-655 (1998) 289, 123-127 (2000) 414, 37-42 (2001) 414, 43-48 (2001) 415, 287-294 (2002) 111, 967-965 (2002)
理想的光源必须具有以下特点: 高亮度:衍射能力很弱也可以得到好的数据; 准直性好:质量差、晶胞大的晶体也可以进
行实验; 能量可调:多波长反常散射解决相位问题。 同步辐射正好提供了适合的光源。
什么是同步辐射?
• 接近光速运动的电子或正电 子在改变运动方向时放出的 电磁辐射,因为是在同步加 速器上发现的,所以称为同 步辐射。
图片来自 设计报告
2p立体角:180°
1毫弧度:0.06 ° 三代光源甚至达到10微弧度
实际的蛋白质单晶
真实单晶体内部不 是完美的,可以看 成有一系列的小晶 体镶嵌而成,每个 小晶体可以认为是 完美的晶体。这些 小晶体取向无序的
程度以“镶嵌度” 表 征。
• 分子置换法( ,) • 同晶置换法( ,,) • 反常散射法( ,,) • 直接法( )
结构在现代生物学里的中心地位
• 在分子生物学中,结构是非常重要的内容。
• 只有在获得相应分子的结构后才能深入地 研究其功能和生化过程。
举例
• 酶蛋白:只有在了解了酶的活性中心的结 构以及如何与底物的结合后,才能真正了 解这种酶的作用机理;
• 对肌肉中的肌动蛋白和肌球蛋白的结构有 了详细的了解,才能说明肌肉收缩和非肌 肉细胞运动的机理。
.
423, 33–41 (2003)
结构生物学进展:
董宇辉 ,,
• 同步辐射( ) • 小角散射( ) • 自由电子激光( )
同步辐射
:.
X射线晶体学和是蛋白质 结构测定的主要技术
测定方法 X射线晶体学
综合方法 总数
蛋白质结构
74768 9616
99.2%
458 51 165
85058
,2012年10月2日
同步辐射覆 盖了一个很 宽的频谱范 围,从远红 外到硬X光。 而X光机只 能提供几个 分立的光子 能量。
(多对同晶置换)
设法在蛋白质晶体 中加入一些重金属 离子,同时晶体结 构不发生大的变化 (同晶置换),置 换前后结构因子的 关系。
一个同晶置换可以得到两个可能的解。
两个同晶置换就可以得到唯一的解。
• 一共有11项诺贝尔奖授予生物分子结构 方面的研究。
• 有结构解析方法研究,也有重要的生物 分子结构和功能研究的工作。
1962
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D.
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C.
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2002
Wü
蛋白质结构测定的流程
靶标 克隆 15272 14866
表达 可溶 6408 1474
2008.6.16
纯化 843
结构 80
各种生 物基因 组和功 能基因 组数据
基因 克隆
蛋白制备
样品制备
结构测定
结构测定
蛋白结构
获得生物大分子结构的主要技术
实验耗时
分辨率低
灵敏度低
单晶难以获得
相位解析需要特殊单晶
• 关键是衍射实验使用的X射线(能量)波长 必须可变!
同步辐射的作用
• 同步辐射的加入,大大提高了结构测定的 速度。
结构生物学
,,
结构生物学的定义
• 顾名思义,结构生物学就是研究各种生物 大分子(蛋白质、核酸、糖类等)的结构, 结构与功能的关系,以及如何在生物体内 发挥作用的学科。
结构的重要性
• 生物大分子的功能主要取决于其结构。
• 结构的异常会引起功能的改变,也是所谓 “构像病”的原因。
疯牛病等构像病的罪魁祸首—
• 核磁共振方法:分辨率与灵敏度不够,不能确定分子量很大的 结构,要求样品浓度极高,测定效率低下(几个星期甚至几个 月的数据收集时间)。
• 晶体学方法:对样品要求过高,高质量晶体的获得困难。
?
F (h,k,l)F (h,k,l)ei(h,k,l)
(h,k,l)?
蛋白质晶体
• 衍射能力很弱:大部分原子为C、N、O、S; • 晶体质量差,晶胞大; • 相位问题解决困难。
“同步辐射+硒代+样品冷冻”已经 成为解析全新结构的标准方法。
多波长反常衍射()
• 可以解析全新结构,如果能够得到足够的 同晶置换晶体的话。
• 如果蛋白质里有金属离子存在,就可以使 用方法。
• 硒代。
原子散射因子
• 选择吸收边附近的几个波长,相当于几个 不同的完全同晶的置换。
• 分子生物学提供了硒代的手段,对于解析 全新结构非常有利。
2003
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2009
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2003年诺贝尔化学奖 钾离子通道的三维结构图
选择筛
外螺旋
内螺旋
钾离子透过细胞膜的输运行为,对体内或是大脑中 神经信号的传导至关重要。然而离子通道的选择性 透过行为却困扰了生物学家许多年。
钾离子通道的离子导通机理
通过钾离子通道的三维 结构,解释了它对离子 的选择性透过机理。(1) “多离子透过”的过程: 原先通道里有三个钾离 子被束缚在里面,只有 体积合适的钾离子才能 通过撞击,将另一个钾 离子从相反方向弹出, 而体积较小的纳离子不 行。