结构生物学(全套课件624P)

全面发展时期（1967-1987）—注重结构与功能关系研究
– 1969年，对酶的结构与功能关系研究已经可以揭示酶的催化机理和
专一性、血红蛋白的氧合机理和变构效应 – 1971年，经过晶体结构分析的蛋白质在功能上已经有5个大类：

呼吸和氧化还原蛋白，连接酶，糖酵解和中间代谢的酶，大分子结合 蛋白，激素和抗体
结构生物学
教材和参考书




结构生物学概论/杨铭，北京医科大学出版社，2002 Structure of Life/Alisa zapp Machalek, National Institute of General Medical Science, 2000 结构分子生物学/刘次权，白春礼等，高等教育出版社，1997 蛋白质分子结构/阎隆飞，孙之荣 清华大学出版社，1999 蛋白质工程/王大成，化学工业出版社，2002。 生物大分子晶体学基础/卢光莹，华子千，北京大学出版社， 1995 生物大分子多维核磁共振/夏佑林，中国科学技术大学出版社， 1999
——后基因组时代中的结构生物学，王大成 结构生物学的研究手段、内容和目的
结构生物学诞生的科学背景

19世纪后半叶至20世纪初生物学的发展
– – – –
孟德尔遗传定律的建立 发现DNA是遗传物质 DNA组成的分析 酶学的发展


生物学研究的进展迫切需要揭示核酸和蛋白质的结构和功 能 19世纪末20世纪初物质结构理论和技术的发展
——The structures of life, Alisa Zapp Machalek
– 结构生物学是以生命物质的精确空间结构及其运动为基础来阐明生
命活动规律和生命现象本质的学科，其核心内容是蛋白质及其复合 物、组装体和由此形成的细胞各类组分的三维结构、运动和相互作 用，以及它们与正常的生物学功能和异常病理现象的关系。
为什么要研究结构？
结构与性质 结构与功能

结构与功能
功能 结构
结构与功能
结构 功能
双格石研磨盘，新石 器时代，绘画用具
小口细颈球腹罐，早期 金属时代，水器或酒器
双格陶调色盒，新石器 时代，绘画用具
小口尖底陶瓶，新石 器时代，汲水工具
结构与功能
链霉菌胰蛋白酶 Class: All beta proteins
结构生物学的发展历史

早期发展（1957-1967）—技术手段的成熟时期
– 肌红蛋白、血红蛋白(1959，剑桥)、溶菌酶（1965，剑
桥）、胰凝乳蛋白酶A（剑桥）、核糖核酸酶S（耶 鲁）、核糖核酸酶（布法罗）、羧肽酶（1967，哈佛） 的结构相继解出 – 蛋白质晶体学（大分子晶体学）趋于成熟
结构生物学的发展历史
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） – 结构测定的速度加快，结构数目呈指数增长： 1988年，129个/年（~1个/3天） 1995年，3.3个/天 1997年，5.1个/天 2000年，8个/天 – 研究范围已经涉及到大多数重要的生命活动，对生命过程的分子机 理研究达到了前所未有的深度和广度
结构生物学在“后基因组时代”中的重要性
战略性关键地位 揭示人类疾病分子机理的基本途径 创新药物设计和开发的重要基础

为什么要研究生物大分子的结构？

阐明生物大分子的结构与功能关系，揭示生命过程的详细 的分子机制。 揭示蛋白质的折叠规律，破译第二遗传密码。 实用价值：用于开发新药、新材料和新的诊断方法。
– 量子力学，量子化学，化学键理论，分子轨道理论 – X射线结构分析，原子光谱，分子光谱，磁共振谱，光电子能谱 – 理论和技术的进展已经可以测定无机和有机小分子的化合物结构

生物大分子的结构与功能研究提上日程
结构生物学的历史、现状和发展趋势

结构生物学的发展历史
– 结构生物学的诞生（-1957） – 早期发展（1957-1967） – 全面发展时期（1967-1987）
– 分子生物学的每一个前沿突破都与结构生物学密切相关 – 结构生物学已渗透到生物学的各个相关领域
结构生物学的研究范围已经涉及大多数重要的生 命活动，对生命过程的分子机理的阐明达到了前 所未有的深度和广度 结构生物学越来越紧密地与人类健康和疾病相关

– “构象病”的分子机理阐明 – 基于结构的理性药物设计
互联网上的结构生物学资源

网上教程 网上期刊杂志 数据库 软件 国内生物学网站
网上教程




The Structures of Life http://www.dnathink.org/chinese/molbio-2.htm 结构生物学简介 http://life.nthu.edu.tw/~lslpc/strucbio.html The Principles of Protein Structure http://pps.life.nthu.edu.tw/ http://www.cryst.bbk.ac.uk/PPS2/course/ http://www.expasy.org/swissmod/course/course-index.htm Introduction to Protein Structure http://webhost.bridgew.edu/fgorga/proteins/default.htm http://www.lmb.unimuenchen.de/users/steipe/lectures/structure/protein_structure.html http://cmgm.stanford.edu/biochem118/protein-intro.html Computational Structural Biology http://scpd.stanford.edu/SCPD/js/brandingFrame/externalURL2.htm The Online Macromolecular Museum Exhibits Exhibits http://www.clunet.edu/BioDev/omm/exhibits.htm#displays
结构生物学的研究方法
分子生物学
多维核磁共振波谱学
大分子X射线晶体学 电子晶体学和电镜三维重构
生物化学
大分子计算机模拟技术
扫描隧道显微术 各种谱学方法
计算生物学
生物信息学
三种主要研究方法的比较

X-射线晶体学


优点：分辨率高，测定分子大； 缺点：需要制备单晶， 有相位问题 核磁共振波谱学 优点：溶液构象，无相位问题；缺点：限于较小的蛋 白质分子（目前MW<40kDa） 电子晶体学和电镜三维重构 优点：不需大单晶，无相位问题；缺点：目前分辨率 尚不如前二者高
课程内容
第一章 第二章

结构生物学简介 (4) 结构生物学的研究方法 (11) 蛋白质结构原理 (6) 核酸的结构原理 (6) 基因组测序计划和结构基因组学 (3) 生物大分子的结构与功能 (12) 蛋白质工程和基于结构的药物设计 (6) 分子进化 (3)
– X衍射，核磁共振，电镜三维重构等

结构测定在加速发展
PDB Content Growth
PDB Holdings List: 18-Feb-2003
84.6% 15.4%
90.1%
4.1%
5.7%
0.09%
结构生物学的发展趋势

战略性重要地位 结构基因组学领域的国际协作 实现快速、自动、批量结构测定，复杂结构和动 态过程研究将成为热点 查明“构象病”的结构机理，开辟防治相关疑难 病症的新途径 批量发现药物靶标，基于结构的理性药物设计渐 成创新药物主流
牛胰蛋白酶
人弹性蛋白酶
Fold: Trypsin-like serine proteases barrel, closed; n=6, S=8; greek-key duplication: consists of two domains of the same fold Superfamily: Trypsin-like serine proteases
数据库



核酸序列数据库 GenBank: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/Genbank/ EMBL: http://www.ebi.ac.uk/embl/ 蛋白质序列数据库 (SWISS-PR来自百度文库T) http://www.ebi.ac.uk/ http://www.cbi.pku.edu.cn/ 蛋白质结构数据库 (PDB) http://www.rcsb.org/pdb/ 核酸结构数据库(NDB) http://ndbserver.rutgers.edu/ 蛋白质二级结构数据库(DSSP) http://www.sander.ebi.ac.uk/dssp/ 蛋白质结构分类数据库 SCOP: http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/ CATH: http://www.biochem.ucl.ac.uk/bcm/cath/
结构生物学的研究内容

关于结构生物学的定义：
– Structural biology: A field of study dedicated to determining the
detailed, three-dimensional structures of biological molecules to better understand the function of these molecules.
– 加速发展时期（1987-2000）
– 后基因组时期（2000-至今）
结构生物学的研究现状 结构生物学的发展趋势

结构生物学的发展历史

结构生物学的诞生
– 1912年，劳埃（M.F.Laue）发现了晶体的X射线衍射现象
– 1895年, 伦琴（W.K.Rontgen）发现了X射线 – 1934年，伯纳尔（Bernal）拍摄到胃蛋白酶晶体的X射线衍射
照片 – 1953年，佩鲁茨（M. Perutz）建立同晶置换方法用于解决蛋 白质晶体的结构问题 – 1953年，沃森（J. Watson）和克里克（F. Crick）建立DNA双 螺旋结构模型 – 1959年，坎德润（J.C.Kendrew）获得6Å分辨率的肌红蛋白 晶体结构；佩鲁茨（M. Perutz）获得5 Å分辨率的血红蛋白 晶体结构
– 1971年，专门储存大分子结构数据的数据库Protein Data Bank建立 – 1972年，正式提出了结构生物学的名称（?） – 方法和技术不断改进，测定的蛋白质结构的数量稳定增长，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 – 1968年，电子晶体学与电镜三维重构方法建立；1975年，重构了细 菌视紫红质7Å分辨率的三维结构 – 1971年，二维核磁共振概念提出；1983年用2D-NMR方法解析了胰 高血糖素多肽的溶液构象 – 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

后基因组时期（2000-）
– 结构生物学与基因组学的交叉 促成了一个新的学科领域：结构基因组学 – 发展高产晶体学和大规模NMR技术
– 复杂结构和动态过程成为研究热点
– 对药物靶标的结构测定和基于结构的药物设计成为热点
结构生物学的研究现状

结构生物学是生命科学的前沿和主流
网上期刊杂志



Journal of Structural Biology http://www.sciencedirect.com/ Current Opinion in Structural Biology Structure Macromolecular Structures http://www.bmn.com Science http://www.sciencemag.org/
第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章
– 氨基酸，多肽链，蛋白质的结构层次，结构分类；蛋白质折叠问题。
– 肌红蛋白和血红蛋白，酶的催化作用，朊病毒与疯牛病，免疫系统
的分子识别，信号转导，核酸与蛋白质的相互作用，膜蛋白。

第一章 结构生物学简介

为什么要研究结构？ 结构生物学的研究内容 结构生物学诞生的科学背景 结构生物学的历史、现状和发展趋势 结构生物学的研究方法 结构生物学在“后基因组时代”中的重要性