第5章-蛋白质结构解析

亨利·布拉格(Henry Bragg)
劳伦斯·布拉格( Lawrence Bragg)
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蛋白质结构解析的发展
20世纪60年代解析一个蛋白质结构可以获 得诺贝尔奖；
20世纪70年代解析一个蛋白质结构则可成 为轰动世界的新闻；
饶子和院士
HIV基质蛋白 SARS
20世纪80年代解析一个蛋白质结构则可申请到教授的职位；
生化因素：蛋白质纯度、配合体、抑制剂、化学修饰、遗 传修饰、蛋白质的聚集状态、蛋白质水解、蛋白质自身的 对称性、蛋白质的稳定性和等电点等
蛋白质结晶方法
（1）批量结晶法（Batch crystallization） （2）透析法( Dialysis ) （3） 液相扩散法(Liquid diffusion) （4） 气相扩散法（Vapour diffusion） （5） 蛋白质结晶新方法
20世纪90年代解析一个蛋白质结构通常可以获得博士学位；
今天，一个博士研究生也许就可解析多个蛋白质结构，但如 果没有深入研究其结构与功能的关系，往往不能毕业。
Ｘ射线衍射用于蛋白质结构的测定
1954年伯纳尔(Bernal)获得第一张胃蛋白 酶晶体Ｘ衍射图片。
1957年肯特罗(Kendrew)完成肌红蛋白 的0.6 nm分辨率的蛋白质晶体结构
（1）批量结晶法（Batch crystallization）
通过在待测结晶蛋白质溶液的体积、浓度 和组成固定的条件下，直接将不同量的饱 和沉淀剂加入未饱和的蛋白质溶液以产生 一个浓度梯度而使蛋白质在不同的过饱和 溶液中结晶。
测定蛋白质结构的意义
• 人体基因数目仅比低等生物线虫多两倍。 如此少的基因是如何创造出人体如此复杂 的生命活动？
• 人体基因的主要功能是通过蛋白质来实现 的，蛋白质扮演着构筑生命大厦的主要角 色。人体中大约有10万种蛋白质。
蛋白质三维结构解析方法
❖X-射线晶体衍射法：85.3% ❖核磁共振波谱：14.7% ❖电镜三维重构、各种光谱技术、显微
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蛋白质X射线晶体结构测定程序
1、样品制备 2、蛋白质结晶和晶体生长 3、衍射数据收集和处理 4、位相求解 5、模型建立和修正
1、样品制备
大量表达、分离和纯化目标蛋白
一般要求纯度大于97%， 浓度达到5mg/ml以上。
2、蛋白质结晶和晶体生长
衍射图形能给出样品内部结构的许多资料，如原子间的 距离、键角，分子的立体结构、绝对构型、原子和分子 的堆积、有序或无序的排列等。
X射线通过红宝石晶体(a)和硅单晶体(b)所拍摄的劳厄斑
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因在用X射线研究晶体结构方面所作出的杰出贡 献 ,亨利·布拉格（William Henry Bragg）和劳伦 斯·布拉格（William Lawrence Bragg）父子分享了 1915年的诺贝尔物理学奖。
1901年第一届诺贝尔物理学奖评选时， 29封推荐信中就有17封集中推荐他。伦 琴最终获得了第一次诺贝尔物理学奖金
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诺贝尔物理奖奖章
X射线本质
X射线是一种短波长(0.005～10nm)、 高能量(2.5×105 ～1.2×102eV)的电磁波。 它是原子内层电子在高速运动电子流冲 击下，产生跃迁而发射的电磁辐射。
技术和计算机模拟
蛋白质三维结构解析过程
第一节 X-射线衍射测定蛋白质结构
1895年11月8日 ,德国物 理学家，50岁的伦琴在 自己的实验室中偶然发 现 一种从阴极射线管
中辐射出的新型射线， 由于对管子发出的“东 西”性质不确定，伦琴 就把这种射线命名为 “X射线” 。
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伦琴实验室
A
一般由高速电子撞击金属产生。如图所示，是一种产生X 射线的真空管，K是发射电子的热阴极，A是由钼、钨或 铜等金属制成的阳极。两极之间加有数万伏特的高电压， 使电子流加速，向阳极A撞击而产生X射线。
X射线衍射
1912年Max von Laue发现X射线具有衍 射的现象。（1914年的诺贝尔物理学奖）
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劳厄的实验装置
X-射线晶体结构分析基本原理
X射线衍射分析所依赖的基本原理是X射线衍射现象
X射线衍射现象利用X射线的波长和晶体中原子的大小及 原子间距同数量级的特性来分析晶体结构。
当X射线入射到样品晶体分子上时，分子上的每个原子使 X射线发生散射，这些散射波之间相互叠加形成衍射图形。
蛋白质结晶原理
与小分子结晶一样，蛋白质在溶液中处于 过饱和状态时，分子间可以规则的方式堆 积起来形成晶体析出
蛋白质晶体生长的影响因素
物理因素：温度、重力、压力、震动、时间、电场磁场、 介质的电解质性质和粘度、均相或非均相成核等
化学因素：pH值、沉淀剂类型和浓度、添加剂、离子种 类、离子强度、过饱和度、氧化还原环境、蛋白质浓度等
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wenku.baidu.com
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肌红蛋白的三维结构模型
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肌红蛋白的三维结构
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1959年佩鲁茨 (Perute)完成血 红蛋白0.55分辨 率的晶体结构
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血红蛋白的四级结构 模型
血红蛋白分子就是由二个由141个氨基酸残基组成的α亚基和二个由146个氨基酸 残基组成的β亚基按特定的接触和排列组成的一个球状蛋白质分子，每个亚基中 各有一个含亚铁离子的血红素辅基。四个亚基间靠氢键和八个盐键维系着血红蛋 白分子严密的空间构象。
人类第一张X光照片
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伦琴妻子之手
1896年1月23日伦 琴将这一重大发现在维 尔兹堡物理医学会上报 告。Kolliker教授提议 将该射线命名为“伦琴 射线”,但伦琴却说： “我还没有彻底解释这 种射线的发生现象，还 是称它为X射线最恰 当。”
威廉·康拉德·伦琴 Wilhelm Conrad Röntgen
由于测定出蛋白质的精细结构,两位英国科 学家M.F.佩鲁茨和J.C.肯德鲁获得1962年的诺 贝尔化学奖。
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1997年,核小体八组蛋白结构
2004年,菠菜捕光复合物LHC-II
2005年，线粒体膜蛋白复合物2精细结构
X射线衍射测定蛋白和核酸精细结构，为新药设计提供了全新方向
中国科学家研制抗癌新药首获瑞典爱明诺夫奖