结构生物学介绍和进展
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From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 1985
Herbert A. Hauptman
Jerome Karle
"for their outstanding achievements in the development of direct methods for the determination of crystal structures"
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 1962
Max Ferdinand Perutz
John Cowdery Kendrew
"for their studies of the structures of globular proteins"
2003年诺贝尔化学奖
选择筛
钾离子通道的三维结构图
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。
Nature 414, 43-48 (2001)
Nature 415, 287-294 (2002)
Potassium ion (center red ball) in the K+ Channel at 3.2Å resolution. Preferential flow of K+ ions constitutes the electrical current in nerve cells.
Francis Harry Compton Crick
James Dewey Watson
Maurice Hugh Frederick Wilkins
"for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material"
Cell 111, 967-965 (2002) Nature 423, 33–41 (2003)
结构生物学进展： Road to structures without crystals
董宇辉 BSRF，IHEP，CAS
Outline
• 同步辐射（Synchrotron Radiation） • 小角散射（Small Angle X-ray Scattering） • 自由电子激光（Free Electron Laser）
How to obtain structures by protein crystallography?
Expression/purification
crystallization
X-ray diffraction
F (h, k , l ) F (h, k , l ) e i (h,k ,l )
The Nobel Prize in Chemistry 2009
Venkatraman Ramakrishnan
wenku.baidu.com
Thomas A. Steitz
Ada E. Yonath
"for studies of the structure and function of the ribosome"
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 2006
"for his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription "
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
（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。
钾离子通道
Rod MacKinnon, Rockefeller University
Science 280, 69-77 (1998) Cell 95, 649-655 (1998) Science 289, 123-127 (2000) Nature 414, 37-42 (2001)
The Nobel Prize in Chemistry 2003
Peter Agre
Roderick MacKinnon
"for discoveries concerning channels in cell membranes" "for the discovery of water channels" "for structural and mechanistic studies of ion channels"
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 1964
Dorothy Crowfoot Hodgkin "for her determinations by X-ray techniques of the structures of important biochemical substances"
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 1982
Aaron Klug
"for his development of crystallographic electron microscopy and his structural elucidation of biologically important nucleic acid-protein complexes"
458 51 165
总数
85058
http://www.pdb.org/pdb/statistics/holdings.do，2012年10月2日
蛋白质结构测定的流程
靶标 15272 克隆 14866 表达 6408 可溶 1474 纯化 843 结构 80
2008.6.16 http://secsg.org/cgi-bin/report.pl
• 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。
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；
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 1997
Paul D. Boyer
John E. Walker
Jens C. Skou
"for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP)"
"for the first discovery of an ion-transporting enzyme, Na+, K+ -ATPase"
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 2002
John B. Fenn Koichi Tanaka Kurt Wüthrich "for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules" "for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules" "for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution" From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
• 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。
Nobel in Structure
• 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。
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962
疯牛病等构像病的罪魁祸首— Prion
由于结构的变化， 导致了疯牛病、克 雅氏病（Creutzfeldt -Jacob Disease；CJD ）等传染性脑海绵 状病变（TSE）。
正常的Prion
致病的Prion
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。
同步辐射 Synchrotron Radiation
Let there be light: and there was light. -- Genesis
X射线晶体学和NMR是蛋白质 结构测定的主要技术
测定方法 X射线晶体学 蛋白质结构 74768 99.2%
NMR
EM 综合方法 Other
9616
各种生 物基因 组和功 能基因 组数据
基因 克隆
蛋白制备
结构测定
蛋白结构
样品制备
结构测定
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
• 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。
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 1988
Johann Deisenhofer
Robert Huber
Hartmut Michel
"for the determination of the three-dimensional structure of a photosynthetic reaction centre"
结构生物学
董宇辉 BSRF，IHEP，CAS
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。
(h, k , l ) ?
Refined structure Model building
phasing
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。 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。
The Nobel Prize in Chemistry 1985
Herbert A. Hauptman
Jerome Karle
"for their outstanding achievements in the development of direct methods for the determination of crystal structures"
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 1962
Max Ferdinand Perutz
John Cowdery Kendrew
"for their studies of the structures of globular proteins"
2003年诺贝尔化学奖
选择筛
钾离子通道的三维结构图
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。
Nature 414, 43-48 (2001)
Nature 415, 287-294 (2002)
Potassium ion (center red ball) in the K+ Channel at 3.2Å resolution. Preferential flow of K+ ions constitutes the electrical current in nerve cells.
Francis Harry Compton Crick
James Dewey Watson
Maurice Hugh Frederick Wilkins
"for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living material"
Cell 111, 967-965 (2002) Nature 423, 33–41 (2003)
结构生物学进展： Road to structures without crystals
董宇辉 BSRF，IHEP，CAS
Outline
• 同步辐射（Synchrotron Radiation） • 小角散射（Small Angle X-ray Scattering） • 自由电子激光（Free Electron Laser）
How to obtain structures by protein crystallography?
Expression/purification
crystallization
X-ray diffraction
F (h, k , l ) F (h, k , l ) e i (h,k ,l )
The Nobel Prize in Chemistry 2009
Venkatraman Ramakrishnan
wenku.baidu.com
Thomas A. Steitz
Ada E. Yonath
"for studies of the structure and function of the ribosome"
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 2006
"for his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription "
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
（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。
钾离子通道
Rod MacKinnon, Rockefeller University
Science 280, 69-77 (1998) Cell 95, 649-655 (1998) Science 289, 123-127 (2000) Nature 414, 37-42 (2001)
The Nobel Prize in Chemistry 2003
Peter Agre
Roderick MacKinnon
"for discoveries concerning channels in cell membranes" "for the discovery of water channels" "for structural and mechanistic studies of ion channels"
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 1964
Dorothy Crowfoot Hodgkin "for her determinations by X-ray techniques of the structures of important biochemical substances"
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 1982
Aaron Klug
"for his development of crystallographic electron microscopy and his structural elucidation of biologically important nucleic acid-protein complexes"
458 51 165
总数
85058
http://www.pdb.org/pdb/statistics/holdings.do，2012年10月2日
蛋白质结构测定的流程
靶标 15272 克隆 14866 表达 6408 可溶 1474 纯化 843 结构 80
2008.6.16 http://secsg.org/cgi-bin/report.pl
• 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。
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；
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 1997
Paul D. Boyer
John E. Walker
Jens C. Skou
"for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP)"
"for the first discovery of an ion-transporting enzyme, Na+, K+ -ATPase"
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 2002
John B. Fenn Koichi Tanaka Kurt Wüthrich "for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules" "for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules" "for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution" From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
• 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。
Nobel in Structure
• 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。
The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962
疯牛病等构像病的罪魁祸首— Prion
由于结构的变化， 导致了疯牛病、克 雅氏病（Creutzfeldt -Jacob Disease；CJD ）等传染性脑海绵 状病变（TSE）。
正常的Prion
致病的Prion
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。
同步辐射 Synchrotron Radiation
Let there be light: and there was light. -- Genesis
X射线晶体学和NMR是蛋白质 结构测定的主要技术
测定方法 X射线晶体学 蛋白质结构 74768 99.2%
NMR
EM 综合方法 Other
9616
各种生 物基因 组和功 能基因 组数据
基因 克隆
蛋白制备
结构测定
蛋白结构
样品制备
结构测定
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
• 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。
From http://nobelprize.org/nobel_prizes/
The Nobel Prize in Chemistry 1988
Johann Deisenhofer
Robert Huber
Hartmut Michel
"for the determination of the three-dimensional structure of a photosynthetic reaction centre"
结构生物学
董宇辉 BSRF，IHEP，CAS
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。
(h, k , l ) ?
Refined structure Model building
phasing
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。 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。