结构生物学的研究方法

“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Fra Baidu bibliotek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
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
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




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。

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 0.0123
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
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

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
蛋白质二维晶体的生长

二维晶体的生长

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
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
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


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。

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
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