结构生物学
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• 细胞膜上存在K+ Channel ➢维持膜电位的稳定 ➢使膜电位接近钾的平衡电位并远离兴奋
阈值 • 结构由Rockefeller大学R.Mackinnon用 X-
射线晶体学解析 ➢R.Mackinnon 荣获2003年 Nobel 生理医学
奖
名人轶事- R.Mackinnon
• 1974，入麻省波士顿大学（University of Massachusetts Boston）；1975，转到Brandeis大学
3D object
Drawing by John O’Brien, The New Yorker Magazine (1991)
projection 2D photo
三维图像重构
• 在电镜下观察样品时，所看到的是样品 在垂直于电子束方向的投影（二维信息）
• 要得到样品的三维结构，须将投影信息 （二维信息）转变为三维信息
• 将二维信息组合得到三维信息并得到三 维结构的过程称为三维图像重构
基本数学-傅立叶变换 Fourier transform
• 函数(r)的傅立叶变换定义为
F(s) (r)exp(2ir s)dr
• 其逆运算，即逆傅立叶变换（inverse Fourier transform）
(r) (1/ v) F(s)exp(2ir s)ds
• 1978，获生物化学学士学位，入Tufts大学医学院学习医学 • 1982，获MD学位，入波士顿Beth Israel Hospital进行内科
医生培训
• 1986，对行医失去兴趣，回到Brandeis大学，做博士后， 用分子生物学、生物化学研究离子通道
• 1989-1996，Harvard大学助理教授、副教授、教授 • 1996，转到Rockefeller 大学，转向用结构生物学研究离子
• 生物大分子的结构可解释生物大分子的功能 • 生物大分子的结构可阐明生物大分子的工作
机制 • 生物大分子的结构可用于指导药物设计
– 有的放矢
测定蛋白质空间结构的三大方法
• X-射线衍射（云彩红） • 核磁共振（洪远凯） • 电子显微镜
电镜与图像三维重构
Electron Microscopy
Why do we need 3D information?
Klug A, De Rosier DJ. Nature (1966), 212:29-32.
三维物体
二维投影
二维投影的 傅立叶变换
三维傅立叶变换
逆傅立叶变换
三维结构
Klug A-- Nobel Prize in chemistry 1982!
结构生物学在生物医学中 的应用
K+ Channel三维结构
细菌K+ Channel
• 细菌Streptomyces lividans 存在K+通道KcsA, 由4个亚基构成
• 每个亚基含2个-螺旋，相当于K+通道的 螺旋5和6
• KcsA可用分子生物学方法大量表达, 为用X-射线晶体学解析结构奠定了基础
细菌K+ Channel的三维结构
Doyle et al, Science 280:69, 1998
式中v为一个常数
通过傅里叶变换，函数ρ(r)与函数F(s)可互相转换!
三维重构基本原理 -中央截面定理
• 三维函数投影的傅立叶变换等于该三维 函数傅立叶变换在垂直于投影方向的中 央截面
➢在电镜下，物体沿电子束方向投影的傅 立叶变换是该物体三维傅立叶变换在垂 直于电子束方向的中央截面
The principle of 3D reconstruction
K+ Channel的结构特点
• 带负电的氨基酸集中于通道两端 的入口与出口处
• 每个亚基有2个跨膜螺旋构成-内 螺旋和外螺旋
• 跨膜螺旋倾斜形成锥状，内螺旋 在入口处聚集形成通道的门
• 连接两个跨膜螺旋的肽段形成一 个短的-螺旋-pore helix
• 一个环从pore helix伸向通道出口 处， 形成选择性滤器 (selectivity filter)
• 由4个亚基构成的选择性滤器形 成一个短而坚固的狭孔，孔的直 径0.3nm
• 选择性滤器由3个主链羰基构成
K+ Channel的结构特点
K+ Channel的选择性 -为什么阴离子不能通过？
• 带负电的氨基酸（红色） wenku.baidu.com中于通道两端的入口和 出口处
• 静电场作用 ➢吸引阳离子 (cations) ➢排斥阴离子 (anions)
3. 结构生物学导论
Question
• 为什么了解蛋白质的功能必须首先了解蛋 白质的空间结构？
• 电镜图像代表物体的真实图像吗？ • 为什么钾通道允许钾离子但不允许钠离子
通过？ • AIDS病毒是如何感染宿主的？ • 肝炎病毒是如何感染宿主的？
蛋白质的结构
• 一级结构
– 仅能告诉蛋白质中氨基酸的线性排列次序 – 不能告诉蛋白质的功能及行使功能的机制
• 高级结构（三级和四级结构）
– 蛋白质的功能是由空间结构决定的 – 蛋白质空间结构的变化是蛋白质行使功能的基
础 理解蛋白质的功能必须首先了解蛋白质的空间 结构
测定生物大分子结构的意义
• 生物大分子的结构可预言生物大分子的功能
– DNA双螺旋结构预言并肯定DNA是遗传信息的载 体
– DNA双螺旋结构预言了遗传物质的复制机制
K+ Channel的选择性 -为什么Na+不能通过？
• 当离子进入选择性孔道时，必须脱水 • 对K+而言，选择性孔道的大小合适
– K+与羰基作用，形成配位复合物 – 释放的自由能补偿了脱水消耗的能量 ➢反应向脱水方向进行 • 对Na+ 而言，选择性孔道比Na+ 大 – Na+不能有效的与羰基作用 – 反应不利于向脱水方向进行 ➢Na+不能有效脱水，无法通过滤器
通道
• 1998，发表地球上第一篇关于K通道三维结构的论文，随 后又发表一系列K通道三维结构的论文
• 2003，荣获Nobel生理医学奖
K+ Channel的分子结构
分子生物学及电生理学实验表明 • K+ Channel是一个单一的多肽，由四个亚基组成 • 每个亚基含6个跨膜螺旋 (S1-S6) • S5与S6之间存在一个发夹区H5, 与形成选择性滤器有关 • S4带正电荷，与电压门控有关 • S6参与Channel的形成
阈值 • 结构由Rockefeller大学R.Mackinnon用 X-
射线晶体学解析 ➢R.Mackinnon 荣获2003年 Nobel 生理医学
奖
名人轶事- R.Mackinnon
• 1974，入麻省波士顿大学（University of Massachusetts Boston）；1975，转到Brandeis大学
3D object
Drawing by John O’Brien, The New Yorker Magazine (1991)
projection 2D photo
三维图像重构
• 在电镜下观察样品时，所看到的是样品 在垂直于电子束方向的投影（二维信息）
• 要得到样品的三维结构，须将投影信息 （二维信息）转变为三维信息
• 将二维信息组合得到三维信息并得到三 维结构的过程称为三维图像重构
基本数学-傅立叶变换 Fourier transform
• 函数(r)的傅立叶变换定义为
F(s) (r)exp(2ir s)dr
• 其逆运算，即逆傅立叶变换（inverse Fourier transform）
(r) (1/ v) F(s)exp(2ir s)ds
• 1978，获生物化学学士学位，入Tufts大学医学院学习医学 • 1982，获MD学位，入波士顿Beth Israel Hospital进行内科
医生培训
• 1986，对行医失去兴趣，回到Brandeis大学，做博士后， 用分子生物学、生物化学研究离子通道
• 1989-1996，Harvard大学助理教授、副教授、教授 • 1996，转到Rockefeller 大学，转向用结构生物学研究离子
• 生物大分子的结构可解释生物大分子的功能 • 生物大分子的结构可阐明生物大分子的工作
机制 • 生物大分子的结构可用于指导药物设计
– 有的放矢
测定蛋白质空间结构的三大方法
• X-射线衍射（云彩红） • 核磁共振（洪远凯） • 电子显微镜
电镜与图像三维重构
Electron Microscopy
Why do we need 3D information?
Klug A, De Rosier DJ. Nature (1966), 212:29-32.
三维物体
二维投影
二维投影的 傅立叶变换
三维傅立叶变换
逆傅立叶变换
三维结构
Klug A-- Nobel Prize in chemistry 1982!
结构生物学在生物医学中 的应用
K+ Channel三维结构
细菌K+ Channel
• 细菌Streptomyces lividans 存在K+通道KcsA, 由4个亚基构成
• 每个亚基含2个-螺旋，相当于K+通道的 螺旋5和6
• KcsA可用分子生物学方法大量表达, 为用X-射线晶体学解析结构奠定了基础
细菌K+ Channel的三维结构
Doyle et al, Science 280:69, 1998
式中v为一个常数
通过傅里叶变换，函数ρ(r)与函数F(s)可互相转换!
三维重构基本原理 -中央截面定理
• 三维函数投影的傅立叶变换等于该三维 函数傅立叶变换在垂直于投影方向的中 央截面
➢在电镜下，物体沿电子束方向投影的傅 立叶变换是该物体三维傅立叶变换在垂 直于电子束方向的中央截面
The principle of 3D reconstruction
K+ Channel的结构特点
• 带负电的氨基酸集中于通道两端 的入口与出口处
• 每个亚基有2个跨膜螺旋构成-内 螺旋和外螺旋
• 跨膜螺旋倾斜形成锥状，内螺旋 在入口处聚集形成通道的门
• 连接两个跨膜螺旋的肽段形成一 个短的-螺旋-pore helix
• 一个环从pore helix伸向通道出口 处， 形成选择性滤器 (selectivity filter)
• 由4个亚基构成的选择性滤器形 成一个短而坚固的狭孔，孔的直 径0.3nm
• 选择性滤器由3个主链羰基构成
K+ Channel的结构特点
K+ Channel的选择性 -为什么阴离子不能通过？
• 带负电的氨基酸（红色） wenku.baidu.com中于通道两端的入口和 出口处
• 静电场作用 ➢吸引阳离子 (cations) ➢排斥阴离子 (anions)
3. 结构生物学导论
Question
• 为什么了解蛋白质的功能必须首先了解蛋 白质的空间结构？
• 电镜图像代表物体的真实图像吗？ • 为什么钾通道允许钾离子但不允许钠离子
通过？ • AIDS病毒是如何感染宿主的？ • 肝炎病毒是如何感染宿主的？
蛋白质的结构
• 一级结构
– 仅能告诉蛋白质中氨基酸的线性排列次序 – 不能告诉蛋白质的功能及行使功能的机制
• 高级结构（三级和四级结构）
– 蛋白质的功能是由空间结构决定的 – 蛋白质空间结构的变化是蛋白质行使功能的基
础 理解蛋白质的功能必须首先了解蛋白质的空间 结构
测定生物大分子结构的意义
• 生物大分子的结构可预言生物大分子的功能
– DNA双螺旋结构预言并肯定DNA是遗传信息的载 体
– DNA双螺旋结构预言了遗传物质的复制机制
K+ Channel的选择性 -为什么Na+不能通过？
• 当离子进入选择性孔道时，必须脱水 • 对K+而言，选择性孔道的大小合适
– K+与羰基作用，形成配位复合物 – 释放的自由能补偿了脱水消耗的能量 ➢反应向脱水方向进行 • 对Na+ 而言，选择性孔道比Na+ 大 – Na+不能有效的与羰基作用 – 反应不利于向脱水方向进行 ➢Na+不能有效脱水，无法通过滤器
通道
• 1998，发表地球上第一篇关于K通道三维结构的论文，随 后又发表一系列K通道三维结构的论文
• 2003，荣获Nobel生理医学奖
K+ Channel的分子结构
分子生物学及电生理学实验表明 • K+ Channel是一个单一的多肽，由四个亚基组成 • 每个亚基含6个跨膜螺旋 (S1-S6) • S5与S6之间存在一个发夹区H5, 与形成选择性滤器有关 • S4带正电荷，与电压门控有关 • S6参与Channel的形成