第二章结构生物学的研究方法
结构生物学的研究方法和应用
结构生物学的研究方法和应用近年来，随着技术的不断发展和人们的兴趣不断增加，结构生物学已经成为了前沿的研究领域。
结构生物学是一门研究生物分子结构的学科，旨在了解分子在三维空间中的结构构成和运动规律。
本文将介绍结构生物学的研究方法和应用，以及在科技领域的重要意义和前景。
一、结构生物学的研究方法1. X射线晶体学X射线晶体学是结构生物学中最主要的一种技术方法。
它的基本原理是利用X射线对生物分子进行照射，通过测量其衍射图案来确定生物分子的三维结构。
X射线晶体学适用于大多数生物大分子的研究，例如蛋白质、核酸、糖类、脂质等。
它可用于解析蛋白质的结构，理解其在生命中所扮演的重要角色。
2. 核磁共振技术核磁共振技术是一种在结构生物学中用于研究原子的位置和分子运动的强大方法。
通过测量生物分子内原子之间的距离和角度，可以详细描绘出生物分子的三维结构。
与X射线晶体学相比，核磁共振技术的解析能力更强，且无需生物分子结晶，因此被广泛应用于结构生物学研究。
3. 电子显微镜技术电子显微镜技术是一种通过高分辨电子显微镜图像来确定生物分子结构的方法。
这种方法适用于大分子复合物，如生物膜蛋白复合物和细胞核复合物。
由于永久性结晶难以实现，因此该技术在结构生物学领域中仅限于已经形成聚集体的生物分子。
二、结构生物学的应用1. 免疫学结构生物学提供对免疫响应和疫苗开发的深入了解。
通过对抗原（病原体）和抗体结构的解析，研究人员可以设计更为有效的制剂，以提高疫苗的免疫保护效果。
2. 药物开发结构生物学研究在药物开发中的应用越来越多。
利用该学科的技术方法，药品研究者们可以更好地理解药物与生物大分子之间的相互作用，从而更好地解析了它们的药效。
这有助于更加精确地设计新药，提高药品开发的成功率。
3. 矿物学结构生物学在矿物学中的应用领域正在不断扩大。
通过结晶学，研究人员可以获得有关晶体结构中原子形成和定位的详细信息。
这种方法的好处是可以使我们了解更多关于矿物和地球表面的性质的信息。
生物学研究的基本方法
练习题:
连线题
DNA分子双螺旋结
生物分类系统 物种起源和进化论 血液循环 提出两个遗传规律。
创立细胞学说
谢谢指导
THANK FOR YOU WATCHING
演讲人姓名 演讲时间
生物学的形成和发展是与生物 学家的科学活动分不开的。
科学活动包括观察、调查、实 验、查阅文献资料、相互交流 等等，正是科学工作者经过长 期不懈的科学活动，使得生物 学得到了不断的发展。
生物学的发展 史
”
0 1
17世纪文艺复兴时期，英国医生哈维开创
了近代实验生物学,建立了血液循环学说。
0
18世纪瑞典植物学家林奈于1735年出版了《自然系统》
科学家及其成 果
林奈与生物分类学
01
瑞典科学家林奈 ( Karl Linnaeus 1707---1778)根据生物的 形态、习性、大小各异，将当时已发现的所有植物和动物排列成一个 有规律的完整系统。从而创立了统一的生物工程命名法，使得分类学
成为一门科学，因而他被称为“分类学之父”
02 分 类 学 之 父 - - 林 奈
当代生物学的 重大成果和发
展趋势
DNA的双螺旋结构。
1953年4月，美国的沃森和英国的克里 克公布了他们在前人工作的基础上的研 究结果，建立了DNA双螺旋结构模型。
人类基因组的研究。
科学家估计，人类约有10万个基因，编码序列约为1亿个碱基对。人体基 因DNA全序列分析，即基因组研究。研究内容是：分析测定30亿个核苷 酸的排列顺序，破译每个核苷酸序列中包含的遗传信息，搞清每个遗传 信息的生物学功能。世界上已有一些国家先后立项对此进行研究，我国 也将人体基因组的研究列入国家研究项目。科学家预测，人类基因组研 究有巨大的理论意义和应用价值，将是生物学发展史上的又一个里程碑。
结构生物学的研究与应用前景
结构生物学的研究与应用前景随着科技的进步和生物技术的发展，结构生物学成为了一个备受关注的领域。
结构生物学是通过解析生物分子的三维结构，从而揭示其功能和调控机理的一门学科。
它通常涉及到蛋白质、核酸和大分子等生物分子的结构研究，并且在病理和药物研发方面也具有重要的应用前景。
一、结构生物学的研究方法为了获得生物分子的高分辨率的结构，结构生物学主要采用X 射线晶体学、核磁共振、电子显微镜等技术。
其中，X射线晶体学是最为常用的手段，通过将生物分子在晶体中结晶，然后利用X射线的衍射像获取结构。
电子显微镜主要用于冷冻电镜技术的开发，目前已经可用于高分辨率的大分子复合物的结构解析。
二、结构生物学在蛋白质研究领域的应用蛋白质是生命界中最基本和最复杂的有机分子之一。
蛋白质通过复杂的折叠过程来获得特定的功能，并参与到身体内的各种代谢、信号传导和调节等生命活动过程中。
结构生物学的研究可以揭示蛋白质的三维结构，从而更深入地了解蛋白质的功能和调控机制。
同时，结构生物学也可以为新药物的开发和形成分子模型提供可靠的依据。
三、结构生物学在药物研发领域的应用随着疾病的不断出现和寻找治疗方法的进行，药物研发是一个不断发展的领域。
结构生物学的发展为药物研发提供了新的机会。
通过研究蛋白质的三维结构和相互作用，结构生物学可以为药物设计和药物筛选提供依据，帮助人们在短时间内进行有效的药物研发。
在治疗多种疾病，包括癌症和疟疾等方面，结构生物学都在为科学家和研究者提供优质的研究平台。
四、结构生物学在育种领域的应用结构生物学也可以在生物学的育种领域中发挥作用。
例如，科学家们可以通过研究植物的蛋白质结构，探索植物的内在机制，并且利用这些新的研究手段，通过新的育种和培育方法为未来人类的生活提供更多的方法和途径。
结论结构生物学在生物学、医药学和其他学科领域都有很广泛的应用前景。
随着技术的不断进步和应用范围的扩大，结构生物学会变得更加重要，为更多的领域提供帮助和支持。
结构生物学研究方法
结构生物学研究方法
哇塞，结构生物学研究方法，这可真是超级有趣又超级重要的领域啊！
首先来说说结构生物学研究的步骤和注意事项吧。
这当中呢，第一步就是要准备好样品，就像厨师准备食材一样，样品的质量可是至关重要的呀！然后进行数据的收集，这就好比是给研究对象拍好多好多的照片。
在这个过程中，要特别注意实验条件的控制，稍有不慎，可能就前功尽弃啦！还有数据的处理和分析，那可得仔细再仔细，不能放过任何一个小细节哦。
接着谈谈过程中的安全性和稳定性吧。
哎呀呀，这可不能马虎呀！就像走钢丝一样，必须得稳稳当当的。
实验设备要好好维护，保证不出差错。
实验人员也要严格遵守操作规程，可不能有丝毫的侥幸心理呀！不然出了问题那可不得了。
再讲讲应用场景和优势。
结构生物学研究方法在药物研发中那可是大显身手啊！可以帮助我们了解药物与靶点的相互作用，就像是给我们配上了一副超级眼镜，能看清那些微小的细节。
在生物学研究中也是不可或缺的，能让我们深入探究生命的奥秘。
它的优势就在于能够提供直观、准确的信息，这可不是一般方法能比的呀！
来看看实际案例吧。
比如说在新冠病毒的研究中，结构生物学研究方法就发挥了巨大的作用。
通过对病毒结构的解析，我们对它有了更深入的了解，这为疫苗和药物的研发提供了重要的依据。
这效果简直太棒啦！
我觉得呀，结构生物学研究方法真的是太厉害啦！它就像是一把神奇的钥匙，能打开生命奥秘的大门，让我们看到那些隐藏在微观世界里的精彩。
我们一定要好好利用它，为人类的健康和科学的进步做出更大的贡献呀！。
结构生物学课程大纲
三维重构:是电子显微图像含有振幅和相位的信息，二者可通过数字图像处理的傅立叶变换方法提取出来.
三大方法：X 射线衍射技术，核磁共振，电镜三维重建技术。
特别是多分子的复合体和膜蛋白结构的突破 结构基因组计划在全球兴起 雷啊……
还有频率域，频率域的核磁图谱成单峰状。 proton NMR 质子 NMR： 每一种原子核都可以吸收或释放不同频率的 Rf （无线电波） 。按某种标准测量化学位移（ppm） 。一个原子的化学位移依赖于原子核的 电子环境。 3 P6
理论层次：定性⇒ 定量
方法学： 描述、归纳⇒ 演绎、推理
对象： 宏观现象⇒ 微观本质
By Jason Wan
结构生物学概论目录哈 第一章结构生物学的研究现状与发展趋势 结构生物学诞生的背景；结构生物学时代的到来；结构生物学是生命科学的前沿和主流；结构生物学主要研究手段 简介；结构基因组学简介；结构生物学研究的新进展。 第二章结构生物学的研究方法 核磁共振;电子晶体学和电子显微学三维重构;X 射线晶体学 第三章蛋白质分离纯化及其晶体生长 1. 蛋白质的表达与纯化 [主要内容]：蛋白质在大肠杆菌、昆虫细胞和酵母中表达的原理、 方法和关键技术；蛋白质的纯化方法和纯度鉴定。 2. 蛋白质的结晶和晶体生长 [主要内容]：蛋白质结晶的原理、技术和方法、对材料的要求、晶 体生长的理化条件、晶体的鉴定。 第四章蛋白质晶体结构的解析 3. 衍射数据的收集 [主要内容]：晶体的收集与冷冻处理；X 射线源的选择；衍射线记 录装置及其使用方法；衍射数据收集的全自动化。 4. 蛋白质结晶结构的解析 [主要内容]：蛋白质晶体空间群(Space group); 相位(Phase)的测 定；电子密度图的解释；结构模型的修正与精化。
结构生物学复习资料
结构生物学复习资料结构生物学是一门旨在研究生物大分子（如蛋白质、核酸等）的三维结构、功能以及它们之间相互作用的学科。
它为我们理解生命现象的分子基础提供了关键的视角和方法。
一、结构生物学的研究对象1、蛋白质蛋白质是生命活动的主要执行者，其结构决定了功能。
蛋白质的结构层次包括一级结构（氨基酸序列）、二级结构（如α螺旋、β折叠等）、三级结构（整条肽链的空间构象）和四级结构（多个亚基组成的复合物）。
2、核酸核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。
DNA 的双螺旋结构是遗传信息的储存和传递的基础，RNA 在基因表达中起着重要作用，其结构多样，如 tRNA 的三叶草结构等。
3、生物大分子复合物例如，核糖体是由蛋白质和 RNA 组成的复合物，其结构对于理解蛋白质的合成机制至关重要。
二、研究方法1、 X 射线晶体学这是结构生物学中最常用的方法之一。
通过使生物大分子结晶，然后用 X 射线照射晶体，根据衍射图谱来解析结构。
但该方法存在一些限制，如某些蛋白质难以结晶。
2、核磁共振（NMR）适用于研究较小的蛋白质和核酸，能够在溶液状态下获取结构信息，但对大分子复合物的研究存在挑战。
3、冷冻电镜技术近年来发展迅速，能够对较大的生物大分子复合物进行高分辨率的结构解析。
三、结构与功能的关系1、蛋白质的结构与功能结构的微小变化可能导致功能的显著改变。
例如，酶的活性中心的结构决定了其催化反应的特异性和效率。
2、核酸的结构与功能DNA 的双螺旋结构保证了遗传信息的稳定性和准确性传递，RNA的结构影响其与蛋白质的相互作用以及基因表达的调控。
3、复合物的结构与功能核糖体的结构决定了蛋白质合成的过程和质量控制。
四、结构生物学在医学和药物研发中的应用1、疾病机制的研究通过解析与疾病相关的蛋白质结构，揭示疾病的发生机制，如某些基因突变导致蛋白质结构异常进而引发疾病。
2、药物设计基于靶标蛋白的结构，设计特异性的药物分子，提高药物的疗效和减少副作用。
生物物理学中的结构生物学
生物物理学中的结构生物学生物物理学是研究生物学中的物理学的分支，它主要关注的是生命的物理学特性，包括分子结构和功能、运动和交互作用等。
结构生物学是生物物理学的一部分，它是研究不同级别生物结构的一种方法，它的主要目的是理解生物大分子的三维结构、生命过程中分子的相互作用、蛋白质和其他生物分子的功能等。
结构生物学的研究方法结构生物学主要采用X射线晶体学、电子显微镜、液态核磁共振、质谱等方法进行研究。
X射线晶体学是用来得到蛋白质晶体的分析工具，在晶体学中，蛋白质完全结晶后，它们会产生一种可以通过X射线进行研究的晶体结构。
这种方法的原理是通过X射线照射晶体，测量X射线在晶体内部被散射时的角度，而得到晶体结构的信息。
电子显微镜是一种观察超高分辨率的生物分子结构的工具，它是通过在非常细的缺陷区域劈开蛋白质晶体，再加以加强，然后观察样品的电子显微图像。
其中大分子生物组分的型号、组分数量、分子结构和功能等都可以获得。
质谱是一种可以测量蛋白质分子质量的方法，它是通过将蛋白质分子制成离子，然后通过质量筛选器区分离不同种类的离子，最终得到蛋白质质量的一种方法。
液态核磁共振是一种通过核磁共振来研究蛋白质结构的方法。
对于一个分子，其中的氢原子有多种可能的状态，然而这些状态之间的差异在非常快的速度下发生激烈的转移。
这种情况下液态核磁共振技术提供了一种观察弱的这些状态转移的分析工具。
应用结构生物学在生命科学研究中有着广泛的应用。
蛋白质结构的解析，可以用于推断它的结构和功能。
例如，结构生物学研究中，三维蛋白结构信息有助于推断结构域，判断蛋白质的功能和相互作用。
结构生物学会进一步发掘建筑这些生物分子在基因组和细胞生物学中的工作。
结构生物学可以为新药研发提供理论基础。
药物被人体吸收后，它们会与蛋白质相互作用，如何使药物选择性地与其目标相互作用，是结构生物学所关注的重点问题。
通过基于已有结构设计出新的药物，并通过化学物理学的手段优化药物的性能是结构生物学研究的重要目标之一。
生物物理学研究中的结构生物学方法
生物物理学研究中的结构生物学方法生物物理学是研究生命系统的科学，它涵盖了生物、生物化学、物理学等多个交叉学科。
内部结构和形态决定了生物体的功能和特性，因此在生物物理学研究中，结构生物学方法占据了重要的地位。
结构生物学是一种重要的生物物理学研究方法，它集成了X射线衍射、核磁共振、电镜显微镜、荧光共振能量转移等各种技术手段来解析生物系统的结构与功能。
这种方法不仅非常有利于对杂乱无章的生物大分子体系进行可视化，还能揭示、导致、确认生命中关键过程的结构基础。
今天，我们将介绍几种最流行的结构生物学方法，仅供参考。
第一个结构生物学方法是X射线晶体学。
X射线晶体学是一种重要的生物物理学工具，可以通过获取高分辨率晶体结构来研究异质分子体系的各种结构和动态过程。
它通过构建仿真3D结构和计算化学的当前状况，推动了药物设计、生命科学、材料科学的快速发展。
第二种方法是核磁共振。
核磁共振是将磁场引入样品，在样品中的核磁强矩对原子核产生影响。
通过探测原子核之间的相互作用和磁偶极矩，可以得到生物大分子的3D结构、空间构象和蛋白质动力学等关键信息，该方法被广泛应用于药物发现与结构、靶标发现和识别、蛋白质构象和功能的调控等领域。
第三种方法是电镜显微镜。
电子显微镜是一种在模型系统和样品表面二三维表现时查看生物大分子形态并计算然后重构函数形态的高分辨率显微镜。
借助电子显微镜，人们可以非常容易地观察到细胞、病毒等生物结构的三维结构和超微细节，例如病毒颗粒的膜构成或发生变化的分子网格。
最后一个结构生物学方法是荧光共振能量转移。
荧光共振能量转移因其具备超强的分辨率和灵敏度，而逐渐成为关键的生物物理学研究技术手段。
该技术利用蛋白质分子振动频率和相应蛋白质中氨基酸流通的能量进行解析，从而了解蛋白质分布、互动和耦联到哪个程度，并进一步从构象和理化特点上研究蛋白质的结构成分。
总结来说，生物物理学研究中的结构生物学方法是对生物学的结构和功能进行研究的关键方法之一，给我们带来了诸多的优势与奇妙的成就。
1.2.2 生物学研究的基本方法
A
实验1：观察到响尾蛇的头缓慢地左右 移动，同时它的舌迅速地伸缩并轻打 着，然后，它沿着科学工作者设定的 路径爬了过来，最后追寻到那只中毒 的死鼠。
实验1
B
实验实施并记录
没有被蛇 咬过的死 老鼠
实验2：发现响尾蛇没有去追寻这只死鼠。
实验2
A
B
分析实验现象 由实验1和实验2的结果看，只有被响尾蛇袭击 中毒的老鼠，响尾蛇才会去追寻；没有被响尾蛇 袭击中毒的老鼠，响尾蛇根本不会去追寻。
实验1：从一个蛇洞里拖出一只被响尾蛇袭击中毒而死 的老鼠，沿着事先设定的弯曲路径，拖较长一段路程。 然后观察响尾蛇是否能追寻到该老鼠。
实验2：将一只没有被响尾蛇袭击过的死老鼠，沿着事 先设定的弯曲路径，拖较长一段路程。然后观察响尾 蛇是否能追寻到该老鼠。
多次重复上述实验
实验三大基本原则体现在哪里？
实验实施并记录
复习导入
林奈
达尔文
血液循环
考察，调查，分类， 比较
DNA分子双螺旋结构
实验法
哈维
生物分类系统
实验法
沃森与克里克
生物进化论
观察法
生物学探究的常用方法包括观察法、调查法、实验法、比较法和收集
与分析资料法等。 实验法是现代生物学研究的重要方法
第二章 第2节
生物学研究的基本方法
学习目标
1、说出实验法研究的一般步骤。 2、探究实验中所应遵循的原则。 2、尝试设计简单的实验并运用表格记录 分析数据
而在本实验中温度、湿度等环境因素称为 无关变量
探究温度对霉菌生长的影响 实验变量：温度 探究阳光对植物生长的影响 实验变量：阳光
实验变量：光照
怎样设计这个实验？
结构生物学研究中的关键技术与方法
结构生物学研究中的关键技术与方法结构生物学是一门研究蛋白质、基因和其他生物大分子结构的科学领域。
通过了解这些分子的结构和功能，可以深入了解生物体内的各种生理过程，并为药物设计和疾病治疗提供重要依据。
在结构生物学研究中，关键技术和方法的发展至关重要，下面将介绍一些常见的技术和方法。
一、X射线晶体学X射线晶体学是结构生物学中最常用的技术之一。
通过将蛋白质或其他生物分子制备成晶体，然后用X射线进行衍射，可以获得高分辨率的结构信息。
结构生物学家可以通过分析晶体衍射图像，推断出分子中各个原子的位置和相互作用方式。
X射线晶体学技术在药物研发和疾病治疗中有着广泛的应用，例如用于药物靶点的结构优化和药物的设计。
二、电子显微镜技术与X射线晶体学相比，电子显微镜技术可以直接观察到大分子的形态和结构信息，而不需要制备晶体。
通过电子显微镜，可以获得更高的分辨率和更直观的结构信息，尤其适用于研究较大或复杂的生物大分子。
电子显微镜技术在研究细胞器、细胞膜和病毒等方面发挥了重要作用，并为疾病治疗提供了新的思路和方法。
三、核磁共振技术核磁共振（NMR）技术是一种可以在溶液中研究生物分子结构和动态性质的方法，尤其适用于研究蛋白质和核酸等大分子。
通过测量分子中不同原子核的共振现象，可以获得关于分子构象和相互作用的信息。
由于其可以在溶液中研究样品，NMR 技术可以研究生物分子在生理条件下的结构和功能，对于了解蛋白质的动态性质和相互作用机制非常有价值。
四、计算方法和模拟随着计算机性能的不断提高，计算方法和模拟在结构生物学研究中发挥了越来越重要的作用。
通过计算方法和模拟，可以对分子的结构、动力学和相互作用进行预测和模拟，为实验设计和数据解释提供重要指导。
计算方法和模拟在研究药物分子与蛋白质的结合、分子运动的模拟和蛋白质折叠等方面具有广泛应用，并与实验相结合，加深了我们对生物分子的认识。
五、多样性筛选技术多样性筛选技术是一种用于发现和优化药物分子的方法。
结构生物学的研究方法PPT课件
氨基酸
• 氨基酸的立体化学 • 氨基酸有两种立体构型：L-型和D-型（Gly除外） • 蛋白质都是由L-型氨基酸构成 • D-型氨基酸存在于某些细菌细胞壁和小肽抗生素中
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氨基酸
• 氨基酸的酸碱性质 • 所有氨基酸至少有2个可解离的质子 • 一些R-基团也是可解离的 • 氨基酸的氨基、羧基以及R-基团有相应的pKa值 • 氨基酸的净电荷取决于pH值
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氨基酸与蛋白质的三维结构
• Pro • f角固定为-60º左右，常形成一个转角，改变肽链的方向 • 缺少形成氢键的-NH-，对a螺旋和b折叠具有破坏性 • 可以顺式肽键的形式存在 • 几乎总是暴露在分子表面
• Cys • 可以三种形式存在：自由的-SH、配位的-SH以及二硫键 • 常埋藏于分子内部 • 二硫键能够增强蛋白质三维结构的稳定性
序列比较
• 两序列比对 • BLAST • FASTA
• 多序列比对 • ClustalW
• 系统发育分析
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感谢您的观看。
第44页/共44页
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肽键
N-terminus
Peptide bond
C-terminus
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肽键 • C-N键：1.45Å，C-N肽键：1.33Å，C=N键：1.25Å
第32页/共44页
肽键
• 标准的肽键： 顺式 : 反式 = 1 : 1000
• Pro的氨基形成的 肽键： 顺式 : 反 式=1:4
COOH
H+
COO-H+COO-+H3N C
H
R
阳离子形式 (< pH 3)
京改版七年级上册生物第二章《生物学的研究方法》测试卷(含答案)
不要因为长期埋头科学，而失去对生活、对美、对待诗意的感受能力。
——达尔文京改版七年级上册生物第二章《生物学的研究方法》测试卷学校:___________姓名：___________班级：___________分数：___________一、选择题（共40分）1.在科学探究中，我们经常要相互交流，下列哪种做法不对( )A.积极主动地发表自己的观点B.要虚心听取他人的意见，不要轻易发言，以免被同学笑话C.要坚持实事求是的科学态度D.当科学探究的结果与原有的知识发生矛盾时，在多次重复实验的基础上，应大胆修正原有的知识2.某植物叶片边缘呈黄白色，不含叶绿体。
将该植物在黑暗中放置48小时后，切断部分叶脉，将叶片的部分区域的两面用锡箔纸遮盖，如图所示，光照一段时间后去除锡箔纸，用碘染色法处理叶片，观察叶片a、b、c、d 4个部位的颜色，发现只有d变蓝色。
下列说法错误的是（）A.该实验证明淀粉是光合作用的产物B.对比d和a，说明光合作用需要叶绿体C.对比d和b，说明光合作用需要水D.对比d和c，说明光合作用需要光照3.为了研究蚂蚁对金合欢的影响,某生物兴趣小组的同学进行了实验探究,得到了如下表所示的实验结果。
请据表分析,下列说法正确的是( )金合欢幼苗的生长状况号没有蚂蚁生活的金合欢号有蚂蚁生活的金合欢10个月的存活率% 43 725月25日至6月16日06.2 031.0幼苗生长的高度/厘米6月17日至8月3日 6.210.2 31.072.9A.该实验的变量是幼苗的高度和存活率B.该实验的对照组是号,实验组是号C.蚂蚁以金合欢嫩叶尖端的珠状小体为食,对其生长有害D.实验表明,蚂蚁“侵食”金合欢,可提高幼苗存活率并能促进幼苗的生长4.进行植物种类的调查时不应该（）A.明确目的B.详细计划C.凭个人喜好取舍D.真实记录5.某同学为了比较苹果汁和橘子汁中维生素C含量多少。
取2只小烧杯，分别加入同种蓝色淀粉﹣碘溶液（维生素C能使蓝色淀粉﹣碘溶液褪色），然后用2只胶头滴管分别向2只小烧杯滴入苹果汁和橘子汁。
结构生物学简介、发展趋势和研究方法
结构生物学的发展历程
●十九世纪末，俄罗斯科学家费得罗夫等建立了结晶 物质的空间对称群理论。 ●1895年，（伦琴）发现X射线(获1901年诺贝尔物理 学奖)。 其后的一百多年间，Ｘ射线在物质结构研究 上立下了永不磨灭的伟大功绩。 ●1912年，M.von Laue （劳埃）发现晶体的X射线 衍射（获1914年诺贝尔物理学奖），开创了晶态物质结
构研究的新纪元。
●1913年，奠定了结晶物质内部结构实验测定的理 论基础（获1914年诺贝尔物理学奖）。
The discovery of X-ray
➢ Wilhelm Conrad Röntgen discovered X-Rays in 1895. ➢ 1901 Nobel prize in Physics
➢ ●1945-1955年，等测定了青霉素、维生素 B12等重要生物分子结构。曾获1964年诺贝尔 化学奖。
➢ ●194X-197x年，若干科学家提出并发展了 测定晶体结构的“直接法”，获1985年诺贝 尔化学奖。
结构生物学的发展历程
➢1953年，佩鲁茨（M. Perutz）建立同晶置换方 法用于解决生物大分子晶体结构测定中的相位问题， 从而蛋白质晶体学开始踏上自己发展的伟大历程。
几乎每年都有10-40个高分辨率结构问世，1987年PDB中结构 数达到273个 ➢ 1974年，首次在蛋白质晶体学中应用同步辐射
结构生物学的发展历史
➢ 加速发展时期（1987-2000）—结构数目呈指数增长趋势
➢ 结构测定技术进一步发展 ➢ 多波长反常散射法（MAD）的建立（1988） ➢ 低温数据收集技术（1990） ➢ 第三代同步辐射仪建成（1997） ➢ 900MHz核磁共振谱仪建成（1998）
结构生物学技术研究及其在疾病治疗中的应用
结构生物学技术研究及其在疾病治疗中的应用随着科技的飞速发展，结构生物学技术成为当前生命科学研究的热门领域之一。
结构生物学技术是指通过分子、细胞或组织的结构和形态进行研究的一种生物学研究方法。
这种技术可以为疾病治疗提供更加丰富的基础数据，也可以为药物设计、化学改良、蛋白质分离和活性测量等方面提供支持。
在结构生物学技术中，X射线晶体结构解析、核磁共振（NMR）技术、电子显微镜（EM）技术都是重要的手段。
其中，X射线晶体结构解析被认为是靠近原子水平最接近的一种手段。
通过该技术，可以确定分子的精确结构，包括原子的位置、结合的化学键类型和几何构型等信息。
近年来，X射线晶体结构解析已经被广泛应用于药物研究方面，帮助人们了解药物和蛋白质之间的相互作用机制，包括药物分子在蛋白质结合位点的作用、药物在蛋白质活性位点的选择性和亲和力等信息。
核磁共振技术在结构生物学中也具有重要作用。
通过核磁共振技术，可以确定分子中原子的位置、数量和化学性质等信息。
这种技术最早被应用于分析单糖和核酸脱氧核糖核酸（DNA）等分子。
近年来，随着技术的不断改进，核磁共振已经可以用来解析复杂分子，包括具有生物活性的蛋白质和药物分子。
同时，该技术在结构生物学中也被应用于了解蛋白质的空间结构、相互作用和动态变化等方面。
电子显微镜技术在结构生物学中则被用来研究分子和细胞的形态和结构。
通过该技术，可以观察到具有细胞功能的分子和复杂的细胞结构，并可以了解到细胞和分子在生命活动中起到的作用。
近年来，随着电子显微镜技术的发展，细胞和分子的结构研究已经可以达到亚纳米级别，这对医学和生物化学领域来说是一项重要的进步。
结构生物学技术为治疗疾病提供了重要的支持。
首先，它可以帮助人们了解疾病的分子机制和治疗方法。
例如，通过X射线晶体结构解析技术，研究人员已经了解到乙肝病毒蛋白的三维结构，这为乙肝病毒的治疗和预防提供了基础。
另外，该技术也可以为药物研究和设计提供支持。
结构生物学的新研究方法与新进展
结构生物学的新研究方法与新进展结构生物学是研究生物大分子结构、功能和相互作用的学科。
在生物学和药物研发中发挥着至关重要的作用。
随着科技的不断进步和创新，结构生物学研究方法不断增加，研究成果也得到迅速发展。
本文将介绍结构生物学的新研究方法和新进展。
未来的结构生物学方法作为一个相对年轻的学科，结构生物学仍然在迅速发展。
现在的结构生物学方法主要包括X-射线晶体学、核磁共振、电子显微镜等。
然而，这些方法都有各自的缺陷，例如晶体生长难度，分析样品的尺寸限制等。
因此，科学家们不断探索新的方法。
目前，几种新方法正在逐渐成为热门研究领域：1.单分子光学单分子光学是一种新颖的技术，可以实时追踪大分子的独立运动，从而揭示其复杂的结构和动力学。
目前，这种技术已经应用于研究蛋白质的折叠、DNA逆转录酶激活和RNA聚合酶运动等。
单分子光学的研究给生物大分子结构和功能研究带来了新的视角。
2.电子衍射电子衍射是一种新兴的结构生物学研究方法，可以在非晶体样品中获得高分辨率的结构信息。
这种方法可以分析非晶体样品，比如蛋白质复合物和细胞膜，它还可以提供真正的分子动态信息，从而为药物研究和生物理解提供了有用的信息。
3.质谱法质谱法是另一种新兴的技术，可以快速识别复杂的代谢产物和蛋白质组合物，并且可以确定它们的化学组成和结构。
质谱法还可以在生物大分子结构中促进新颖蛋白质的发现和鉴定，从而帮助人们更好地理解生物体在疾病和生理条件下的基础生物活动。
新进展随着新的研究方法不断涌现，结构生物学在最近几年取得了一些令人瞩目的进展。
这里简要介绍一些有价值的研究成果：1.铁离子催化的RNA三维结构铁离子催化了许多重要的生命进程，包括糖酵解和呼吸链过程。
但铁离子的作用机制并不清楚。
最近，科学家们使用X-射线晶体学技术解析出一种RNA石墨烯中的铁离子催化机制，从而揭示了铁离子对生命进程的调控机制。
2.人类干细胞的结构人类干细胞是研究干细胞发育和疾病治疗的重要对象。
生物分子结构的研究方法及应用
生物分子结构的研究方法及应用随着科学技术的不断发展，越来越多的分子信息被我们所掌握，而其中最为重要的便是生物分子。
了解生物分子结构对我们研究生命活动具有重要的意义。
本文将讨论生物分子结构研究的方法及其应用。
一、X射线晶体学X射线晶体学是研究生物分子结构的一项基础技术，这种方法利用X射线的散射来确定生物分子结构。
这种技术需要生物分子晶体化，晶体内部的周期性结构使得X射线的散射有规律性，并产生了关于晶体结构的信息。
在晶体中，生物分子会被定位在长程排布的空间阵列中，通过对X射线衍射图像的收集和分析，可以确定生物分子的定位、结构和排列方式。
X射线晶体学在研究生物反应机理、分子对接、药物筛选等方面有着广泛应用。
同时，该方法也是分子生物学、结构生物学及化学等领域中的重要分析技术。
二、核磁共振核磁共振被广泛应用于研究生物分子的结构，这种技术基于原子核的共振吸收，因此可提供对生物分子的结构和动态性的详细信息。
该技术可以通过在高磁场下放置生物分子，获取不同类型的核磁共振谱，如质子、碳等，然后对这些谱进行分析，以确定生物分子的结构和动态特性。
核磁共振的应用不仅局限于生物分子学，还涉及到化学、物理等众多领域，如领先的支持材料、分子动力学、药物研发等。
三、电子显微镜电子显微镜是研究生物分子结构的一项重要工具，它能够通过高规格的电子显微镜镜头，将分子进行成像。
这种技术对于分子结构的研究尤为重要，其在分辨率方面远高于光学显微镜。
电子显微镜的应用覆盖了多个领域，并在分子生物学、结构生物学、生物化学等领域中发挥着重要作用。
四、计算机模拟计算机模拟是一种重要的生物分子结构研究方法，其基本原理是利用计算机对分子结构进行建模和分析。
计算机模拟技术基于物理、化学等原理，并具有很强的预测性和分析能力，可对分子体系进行研究和预测。
这种技术的应用范围广泛，可应用于药物设计、生物材料设计、蛋白质结构预测及生态学建模等方面。
总结综上所述，生物分子结构研究是生命科学领域中重要的一部分。
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应用实例
DNA分子结构的研究
应用实例
蛋白质三维结构的测定
微管蛋白的结构与功能研究 膜蛋白的三维结构研究 二十面体病毒颗粒的三维结构研究
微管蛋白的结构与功能研究
微管：细胞的物质传送系统 微管是由微管蛋白单体线性聚合而成
膜蛋白的三维结构研究
细菌视紫红质：第一个用电子晶体学方法得到的 膜蛋白结构
电子晶体学与电镜三维重构
电子晶体学与电镜三维重构
概况 电子显微镜的基本知识 电镜三维重构的理论基础 有关的实验技术 应用实例
概况
目前广泛使用的术语 方法特点 膜蛋白结构测定的困难 电子晶体学与X-射线晶体学的比较 电子晶体学的历史 结构测定的一般步骤
概况
20世纪30年代，原苏联的一个晶体学小组开始电子衍射的方法研究 1968年Klug和DeRosier开创电子显微镜三维重构的基本原理和方法 重构了T4烟草花叶病毒颗粒尾部的三维空间结构。 1975年，Henderson和Unwin重构了细菌视紫红质（BR）的7Å分辨 率的三维结构。------电子晶体学的一个里程碑。 1982年，Klug因此获得诺贝尔化学奖。 1990年，Henderson等人把细菌视紫红质的研究提高到了3.5Å分辨 率，并提出了原子模型。 最近十几年来，电子晶体学已经发展成为一种X射线晶体学所不可 替代的生物大分子空间结构分析的有效手段。
目前广泛使用的术语：
Electron crystallography 电子晶体学 Electron cryomicroscopy 低温电子显微学 3-dimensional reconstruction of electron microscopy 电镜三维重构 Electron diffraction and imaging 电子衍射和成像
数据的收集和处理
显微像和电子衍射信息的获取
样品的多角度照相 低剂量曝光技术：聚焦和照相不在同一个样品区域 低温电镜技术：电镜中样品的温度维持在-160℃左右 照片的数字化 计算机数据处理及三维重构
数据处理
电子晶体学与电镜三维重构
概况 电子显微镜的基本知识 电镜三维重构的理论基础 有关的实验技术 应用实例
真空系统 电源系统
透射电镜的基本工作原理
电子成象和电子衍射的基本原理
电镜的三级成像系统：物镜、中间镜和投影镜。 成像模式和衍射模式：电镜的两种工作模式。
电子晶体学与电镜三维重构
概况 电子显微镜的基本知识 电镜三维重构的理论基础 有关的实验技术 应用实例
电镜三维重构的理论基础
原理及方法：用高电子密度的染色剂沉积在蛋白质分子周围，使蛋 白质的电子显微像具有较高的反差（衬度）。 常用的负染剂：醋酸铀 特点：最常用的衬度增强技术；分辨率低，15~20 Å；样品脱水会 影响蛋白质分子的结构 用葡萄糖等物质取代蛋白质溶液中的水介质，形成类似水的环境。 包埋剂：葡萄糖、海藻糖、单宁酸等 特点：可以保持生物大分子的结构；分辨率较高，理论上可达3-4Å
电子显微像是物体的二维投影 三维重构的数学基础 三维重构的原理
电子显微像是物体的二维投影
三维重构的数学基础
Radon理论
1917年，Radon提出：如果已知一个物体在不同方向上 的无穷多个低维投影，就可以通过Radon变换，精确地 重构出高维空间的物体结构。
傅里叶变换
中央截面定理
E. Ruska
电子显微镜的分辨率
电子的波长
电子的速度由加速电压决定，故电子的波长与加速电压有关：
Ｅ（kv） l (Å) ---------------------------------------50 0.0548 100 0.0388 200 0.0251 400 0.0164 1000 0.01体的生长
膜蛋白二维晶体的生长（内在膜蛋白）
天然膜中重排
天然形成的膜晶体 • 嗜盐菌质膜上的细菌视紫红质（BR） 物理或化学因素诱导形成膜晶体
负提纯技术 透析法 脂单层表面的二维结晶化
水溶性蛋白二维晶体的生长
电镜样品的制备
电镜制样的器材
载网：铜网 支持膜：碳膜
三维重构的数学基础
中央截面定理
物体的二维投影像的傅里叶变换等于物体的三维傅里叶 变换中通过原点且与投影方向垂直的一个截面（中央截 面）。
三维重构的原理
如果获得足够多的物体在各个方向的二维投影像， 即可获得足够多的傅里叶空间中的中心截面，将 这些中心截面按其方向组合起来，即可获得物体 三维傅里叶变换的近似值，将它作傅里叶逆变换， 就得到物体的三维图像。 1968年，D.De Rosier和A.Klug首次提出上述三维 重构思想
二十面体病毒颗粒的三维结构研究
球状病毒颗粒具有二十面体对称性
概况
结构测定的一般步骤
电镜样品的制备（包括蛋白质二维晶体的生长） 电镜观察照相 数据处理及计算机三维重构 （构建原子模型）
电子晶体学与电镜三维重构
概况 电子显微镜的基本知识 电镜三维重构的理论基础 有关的实验技术 应用实例
电子显微镜的基本知识
“科学之眼”的诞生 电子显微镜的分辨率 透射电镜的基本工作原理
PDB统计：内在膜蛋白 2003年3月 58 个 膜蛋白难于结晶 膜蛋白多是多重复合物，分子量大
概况
电子晶体学与X-射线晶体学的比较 X-ray EM
研究对象： 晶体 >20um 微小晶体与薄膜，单颗粒，螺旋纤维 数据形式： 衍射数据 衍射数据，显微像 相位问题： 有 无
概况
电子晶体学的历史
负染色技术
糖包埋技术
电镜样品的制备
冰包埋技术
将样品悬液薄层高速冷冻到-160℃以下，冷冻速度达到 106℃/s，使蛋白质样品处于非晶体的玻璃态冰中。 常用液氮冷却 特点：1）是目前最好的样品包埋方法；2）高速冷冻形 成的无序冰中，样品的水合状态得以保持，样品的结构 不受破坏；3）可以获得高分辨率的结构数据；4）可以 降低样品的辐射损伤；
概况
方法特点
分辨率：3~30 Å，大多数达不到原子分辨率 适用的样品：晶态或非晶态，复杂的大分子组装体
蛋白质的二维晶体 螺旋状分子复合物 纤维样品 单颗粒的大分子复合物（MW>250kDa） 病毒
无相位问题，电镜像本身即包含振幅和位相信息
概况
膜蛋白结构测定的困难
“科学之眼”的诞生
光的衍射效应对分辨率的限制
d 0.4 l 人眼的分辨率：0.1~0.2 mm 光学显微镜：0.1~0.2 um 电子波动性的发现
寻找新的光源
1924 De. Broglie提出物质波理论，并被电子衍射实 验证实
电子透镜的发现
1926年, H. Busch提出轴对称磁场可以汇聚电子束， 并服从几何光学定律 第一台电子显微镜的研制
三维重构原理
电子晶体学与电镜三维重构
概况 电子显微镜的基本知识 电镜三维重构的理论基础 有关的实验技术 应用实例
有关的实验技术
蛋白质二维晶体的生长 电镜样品的制备 数据的收集和处理
蛋白质二维晶体的生长
二维晶体的特征
一个连续的脂双层或脂单层膜 膜上的蛋白质呈规则的周期排列 有囊泡状、片状和管状等类型 疏水相互作用是维系二维晶体结构的主要作用
电子显微镜的实际分辨率：
目前可达到 1Å左右，能够看到单个原子
透射电镜的基本工作原理
透射电镜的外观
透射电镜的基本工作原理
透射电镜的内部结构
电子透镜系统（镜筒）
照明系统：由电子枪和聚光镜组成 成象系统：包括物镜、中间镜、投影镜，有时增加一个衍射透 镜。 观察系统：荧光屏、光学观察放大镜及照相机。