结构生物学介绍和进展专业知识讲座.ppt

本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。结构生物学的定义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，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结构与功能的关系，以及如何在生物体内发挥作用的学科。发挥作用的学科。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。结构的重要性结构的重要性生物大分子的功能主要取决于其结构。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，也是所谓结构的异常会引起功能的改变，也是所谓“构像病构像病”的原因。的原因。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。疯牛病等构像病的罪魁祸首疯牛病等构像病的罪魁祸首Prion正常的正常的Prion致病的致病的Prion由于结构的变化，由于结构的变化，导致了疯牛病、克导致了疯牛病、克雅氏病（雅氏病（Creutzfeldt-Jacob Disease；CJD）等传染性脑海绵）等传染性脑海绵状病变（状病变（TSE）。）。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。分子生物学：分子生物学：现代生物学的主流方向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，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。奖都授予这方面的研究。研究各种生物大分子的功能以及在生物体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中的生物化学过程，是分子生物学最重要的任务。的任务。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。结构在现代生物学里的中心地位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。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。研究其功能和生化过程。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。举例举例酶蛋白：只有在了解了酶的活性中心的结酶蛋白：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；解这种酶的作用机理；对肌肉中的肌动蛋白和肌球蛋白的结构有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。肉细胞运动的机理。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。Nobel in Structure一共有一共有11项诺贝尔奖授予生物分子结构方项诺贝尔奖授予生物分子结构方面的研究。面的研究。有结构解析方法研究，也有重要的生物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。分子结构和功能研究的工作。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1962Francis HarryCompton Crick James DeweyWatsonMaurice Hugh Frederick Wilkins for their discoveries concerning the molecular structure of nucleic acids and its significance for information transfer in living materialFrom http:/nobelprize.org/nobel_prizes/本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。The Nobel Prize in Chemistry 1962Max Ferdinand Perutz John Cowdery Kendrew for their studies of the structures of globular proteinsFrom http:/nobelprize.org/nobel_prizes/本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。The Nobel Prize in Chemistry 1964Dorothy Crowfoot Hodgkinfor her determinations by X-ray techniques of the structures of important biochemical substancesFrom http:/nobelprize.org/nobel_prizes/本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。The Nobel Prize in Chemistry 1982Aaron Klugfor his development of crystallographic electron microscopy and his structural elucidation of biologically important nucleic acid-protein complexesFrom http:/nobelprize.org/nobel_prizes/本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。The Nobel Prize in Chemistry 1985Herbert A.HauptmanJerome Karlefor their outstanding achievements in the development of direct methods for the determination of crystal structuresFrom http:/nobelprize.org/nobel_prizes/本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。The Nobel Prize in Chemistry 1988for the determination of the three-dimensionalstructure of a photosynthetic reaction centreJohannDeisenhoferRobertHuber HartmutMichelFrom http:/nobelprize.org/nobel_prizes/本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。The Nobel Prize in Chemistry 1997Paul D.BoyerJohn E.WalkerJens C.Skoufor their elucidation of the enzymatic mechanism underlying thesynthesis of adenosine triphosphate(ATP)for the first discovery of an ion-transporting enzyme,Na+,K+-ATPaseFrom http:/nobelprize.org/nobel_prizes/本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。The Nobel Prize in Chemistry 2002John B.FennKoichi TanakaKurt Wthrichfor the development of methods for identification and structure analyses of biological macromoleculesfor their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromoleculesfor his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solutionFrom http:/nobelprize.org/nobel_prizes/本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。The Nobel Prize in Chemistry 2003Peter AgreRoderick MacKinnonfor discoveries concerning channels in cell membranesfor the discovery of water channelsfor structural and mechanistic studies of ion channelsFrom http:/nobelprize.org/nobel_prizes/本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。The Nobel Prize in Chemistry 2006for his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription From http:/nobelprize.org/nobel_prizes/本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。The Nobel Prize in Chemistry 2009for studies of the structure and function of the ribosomeVenkatraman RamakrishnanThomas A.SteitzAda E.YonathFrom http:/nobelprize.org/nobel_prizes/本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。内螺旋内螺旋外螺旋外螺旋选择筛选择筛钾离子通道的三维结构图2003年诺贝尔化学奖年诺贝尔化学奖钾离子透过细胞膜的输运行为，对体内或是大脑中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。透过行为却困扰了生物学家许多年。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。钾离子通道的离子导通机理钾离子通道的离子导通机理通过钾离子通道的三维通过钾离子通道的三维结构，解释了它对离子结构，解释了它对离子的选择性透过机理。的选择性透过机理。（1）“多离子透过多离子透过”的的过程：原先通道里有三过程：原先通道里有三个钾离子被束缚在里面，个钾离子被束缚在里面，只有体积合适的钾离子只有体积合适的钾离子才能通过撞击，将另一才能通过撞击，将另一个钾离子从相反方向弹个钾离子从相反方向弹出，而体积较小的纳离出，而体积较小的纳离子不行。子不行。（2）通道内氨基酸残基的结构，模拟了钾离子在溶液中的水）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。自由地运动。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。钾离子通道钾离子通道Rod MacKinnon,Rockefeller University Potassium ion(center red ball)in the K+Channel at 3.2 resolution.Preferential flow of K+ions constitutes the electrical current in nerve cells.Science280,69-77(1998)Cell95,649-655(1998)Science289,123-127(2000)Nature414,37-42(2001)Nature414,43-48(2001)Nature415,287-294(2002)Cell 111,967-965(2002)Nature 423,3341(2003)本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。结构生物学进展：结构生物学进展：Road to structures without crystals董宇辉董宇辉BSRF，IHEP，CAS本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。Outline同步辐射（同步辐射（Synchrotron Radiation）小角散射（小角散射（Small Angle X-ray Scattering）自由电子激光（自由电子激光（Free Electron Laser）本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。同步辐射同步辐射Synchrotron RadiationLet there be light:and there was light.-Genesis本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。X射线晶体学和射线晶体学和NMR是蛋白质是蛋白质结构测定的主要技术结构测定的主要技术http:/www.pdb.org/pdb/statistics/holdings.do，2012年年10月月2日日99.2%99.2%测定方法测定方法蛋白质结构蛋白质结构X射线晶体学射线晶体学74768NMR9616EM综合方法综合方法45851Other165总数总数85058本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。各种生各种生物基因物基因组和功组和功能基因能基因组数据组数据基因基因克隆克隆蛋白制备蛋白制备结构测定结构测定结构测定结构测定样品制备样品制备蛋白结构蛋白结构蛋白质结构测定的流程蛋白质结构测定的流程靶标克隆表达可溶纯化结构152721486664081474843802008.6.16 http:/secsg.org/cgi-bin/report.pl本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。获得生物大分子结构的主要技术获得生物大分子结构的主要技术核磁共振方法：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）。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。晶体学方法：对样品要求过高，高质量晶体的获得困难。实验耗时实验耗时 单晶难以获得单晶难以获得 相位解析需要特殊单晶相位解析需要特殊单晶 分辨率低分辨率低 灵敏度低灵敏度低 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。How to obtain structures by protein crystallography?Expression/purificationcrystallizationX-ray diffractionphasingModel buildingRefined structure本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。蛋白质晶体蛋白质晶体衍射能力很弱：大部分原子为衍射能力很弱：大部分原子为C、N、O、S；晶体质量差，晶胞大；晶体质量差，晶胞大；相位问题解决困难。相位问题解决困难。理想的光源必须具有以下特点：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；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准直性好：质量差、晶胞大的晶体也可以进 行实验；行实验；能量可调：多波长反常散射解决相位问题。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。同步辐射正好提供了适合的光源。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。什么是同步辐射？什么是同步辐射？接接近近光光速速运运动动的的电电子子或或正正电电子子在在改改变变运运动动方方向向时时放放出出的的电电磁磁辐辐射射，因因为为是是在在同同步步加加速速器器上上发发现现的的，所所以以称称为为同同步辐射。步辐射。这这种种辐辐射射强强度度高高、覆覆盖盖的的频频谱谱范范围围广广，可可以以任任意意选选择择所所需需要要的的波波长长且且连连续续可可调调，因因此此成成为为一一种种科科学学研研究究的的新新光光源。源。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。同步辐射装置示意图同步辐射装置示意图Booster储存环储存环部分图片来自部分图片来自SSRL本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。三种发光元件三种发光元件弯转磁铁弯转磁铁扭摆器扭摆器(Wiggler)波荡器波荡器(undulator)图片来自图片来自SSRL本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。发光元件发光元件光束线光束线实验站实验站本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。同步辐射的亮度（单同步辐射的亮度（单位时间，单位面积，位时间，单位面积，单位立体角，一定光单位立体角，一定光子能量范围内的光子子能量范围内的光子数）和转靶数）和转靶X光机的比光机的比较。较。图片来自图片来自MAX IV设计报告设计报告本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。Divergence2p p立体角：立体角：1801毫弧度：毫弧度：0.06 三代光源甚至达到三代光源甚至达到10微弧度微弧度本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。实际的蛋白质单晶实际的蛋白质单晶真实单晶体内部不真实单晶体内部不是完美的，可以看是完美的，可以看成有一系列的小晶成有一系列的小晶体镶嵌而成，每个体镶嵌而成，每个小晶体可以认为是小晶体可以认为是完美的晶体。这些完美的晶体。这些小晶体取向无序的小晶体取向无序的程度以程度以“镶嵌度镶嵌度”表表征。征。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。分子置换法（分子置换法（Molecular Replacement，MR）同晶置换法（同晶置换法（Isomorphous Replacement，IR，SIR/MIR）反常散射法（反常散射法（Anomalous Dispersion，AD，SAD/MAD）直接法（直接法（Direct method）Phasing methods本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。Energy range同步辐射覆同步辐射覆盖了一个很盖了一个很宽的频谱范宽的频谱范围，从远红围，从远红外到硬外到硬X光。光。而而X光机只光机只能提供几个能提供几个分立的光子分立的光子能量。能量。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。MIR（多对同晶置换）（多对同晶置换）设法在蛋白质晶体设法在蛋白质晶体中加入一些重金属中加入一些重金属离子，同时晶体结离子，同时晶体结构不发生大的变化构不发生大的变化（同晶置换），置（同晶置换），置换前后结构因子的换前后结构因子的关系。关系。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。一个同晶置换可以得到两个可能的解。一个同晶置换可以得到两个可能的解。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。两个同晶置换就可以得到唯一的解。两个同晶置换就可以得到唯一的解。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。“同步辐射同步辐射+硒代硒代+样品冷冻样品冷冻”已经已经成为解析全新结构的标准方法。成为解析全新结构的标准方法。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。多波长反常衍射（多波长反常衍射（MAD）MIR可以解析全新结构，如果能够得到足可以解析全新结构，如果能够得到足够的同晶置换晶体的话。够的同晶置换晶体的话。如果蛋白质里有金属离子存在，就可以使如果蛋白质里有金属离子存在，就可以使用用MAD方法。方法。硒代。硒代。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。原子散射因子原子散射因子本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。MAD选择吸收边附近的几个波长，相当于几个选择吸收边附近的几个波长，相当于几个不同的完全同晶的置换。不同的完全同晶的置换。分子生物学提供了硒代的手段，对于解析分子生物学提供了硒代的手段，对于解析全新结构非常有利。全新结构非常有利。关键是衍射实验使用的关键是衍射实验使用的X射线（能量）波长射线（能量）波长必须可变！必须可变！本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。同步辐射的作用同步辐射的作用同步辐射的加入，大大提高了结构测定的同步辐射的加入，大大提高了结构测定的速度。速度。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。PDB(Protein Data Bank)图片来自图片来自http:/www.pdb.org/蛋白质结构的增加蛋白质结构的增加本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。同步辐射促进了蛋白质结构的解析同步辐射促进了蛋白质结构的解析1980-1990年，获得解析的蛋白质数量大幅度年，获得解析的蛋白质数量大幅度增加；增加；1980左右，同步辐射开始应用到蛋白质结构左右，同步辐射开始应用到蛋白质结构解析中，解析中，1990年各种技术趋于成熟，同步辐年各种技术趋于成熟，同步辐射大规模应用于生物大分子结构解析。射大规模应用于生物大分子结构解析。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。生物学家的评论生物学家的评论生物大分子结构测定影响了生物学几乎所生物大分子结构测定影响了生物学几乎所有的领域。有的领域。几乎每个星期都有激动人心的结构发表在几乎每个星期都有激动人心的结构发表在如如Science和和Nature这样的杂志上。这样的杂志上。生物大分子晶体学已经比其他任何学科更生物大分子晶体学已经比其他任何学科更多地得益于同步辐射的应用。多地得益于同步辐射的应用。-Steven E.Ealick，Cornell Univ.本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。MAD实验的波长选择实验的波长选择f1f2f3f4本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。四个可选择的波长四个可选择的波长f1：peak，f最大；最大；f2：inflection，f最大；最大；f3：high energy remote；f4：low energy remote。流行做法：一边收集数据，一边解析结构。流行做法：一边收集数据，一边解析结构。一般完成一般完成f1数据的收集，进行数据的收集，进行f2数据收集时数据收集时就完成相位解析了。就完成相位解析了。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。几个波长？几个波长？理论上理论上2个波长就足够破解双解了，但是有个波长就足够破解双解了，但是有直接法的帮助，直接法的帮助，1个波长也就足够了。个波长也就足够了。当然波长越多会越好，但是实验时间的延当然波长越多会越好，但是实验时间的延长往往会带来不可预知的因素：辐射损伤，长往往会带来不可预知的因素：辐射损伤，仪器设备的不稳定等。仪器设备的不稳定等。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。反常衍射的分类反常衍射的分类单波长反常衍射：单波长反常衍射：SAD；多波长反常衍射：多波长反常衍射：MAD。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。Peak波长得到的相角波长得到的相角 三个波长得到的相角三个波长得到的相角烯醇酶烯醇酶-磷酸酶磷酸酶 E1 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。人源人源“Coactosin-like”蛋白蛋白peak与与h-remote的组合的组合 三个波长三个波长本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。同步辐射蛋白质晶体学的发展同步辐射蛋白质晶体学的发展更小的晶体：生长晶体是蛋白质晶体学的更小的晶体：生长晶体是蛋白质晶体学的瓶颈，如果能够解析小晶体的结构将使得瓶颈，如果能够解析小晶体的结构将使得许多困难的结构成为可能。许多困难的结构成为可能。更自动化的实验流程：无论是解析结构还更自动化的实验流程：无论是解析结构还是在药物研究中的应用，大量的尝试需要是在药物研究中的应用，大量的尝试需要自动化的流程。自动化的流程。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。目前，目前，10微米左右的质量良微米左右的质量良好的晶体已经能够解析出生好的晶体已经能够解析出生物大分子结构。（物大分子结构。（ESRF，发表于发表于J.Mol.Biol.,367,310-318.2007）SSRF：可能达到：可能达到5微米。微米。但是有相当多的生物大分但是有相当多的生物大分子只能够获得子只能够获得1微米左右微米左右的微晶，如左图所示的与的微晶，如左图所示的与老年性痴呆相关的蛋白质老年性痴呆相关的蛋白质很难形成大的单晶。很难形成大的单晶。目前同步辐射装置希望能提供目前同步辐射装置希望能提供1微米的聚焦光斑解析这微米的聚焦光斑解析这些些 m大小晶体的结构。将大大降低生物大分子结晶的大小晶体的结构。将大大降低生物大分子结晶的门槛，极大地推动结构生物学研究和药物研发的进展。门槛，极大地推动结构生物学研究和药物研发的进展。1 m量级蛋白质晶体的结构解析量级蛋白质晶体的结构解析本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。Summary同步辐射提供了解析蛋白质结构最适合的同步辐射提供了解析蛋白质结构最适合的光源。光源。同步辐射的广泛应用，分子生物学技术的同步辐射的广泛应用，分子生物学技术的发展以及蛋白质晶体学理论、软件的完善，发展以及蛋白质晶体学理论、软件的完善，使得解析蛋白质结构成为相对比较常规的使得解析蛋白质结构成为相对比较常规的技术。技术。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。小角散射小角散射Small Angle X-ray ScatteringSimplest is the best.本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。获得生物大分子结构的困难获得生物大分子结构的困难核磁共振方法：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）。月的数据收集时间）。晶体学方法：对样品要求过高，晶体不是想得到就能得到的。晶体学方法：对样品要求过高，晶体不是想得到就能得到的。实验耗时实验耗时 单晶难以获得单晶难以获得 相位解析需要特殊单晶相位解析需要特殊单晶 分辨率低分辨率低 灵敏度低灵敏度低 本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。NMR技术可以研究溶液状态的蛋白，技术可以研究溶液状态的蛋白，但是受到很多限制但是受到很多限制测定一系列二维、三维测定一系列二维、三维核磁共振谱，通过谱峰核磁共振谱，通过谱峰位置计算原子之间的键位置计算原子之间的键长、键角、二面角等立长、键角、二面角等立体化学参数，从而得到体化学参数，从而得到整个分子的三维结构。整个分子的三维结构。存在的限制：存在的限制：灵敏度不够：需要很浓的溶液灵敏度不够：需要很浓的溶液分辨率不高：存在分子量上限分辨率不高：存在分子量上限（39kD）采集速度慢：样品稳定性问题采集速度慢：样品稳定性问题缺少弱相互作用和中间体捕获缺少弱相互作用和中间体捕获技术技术膜蛋白结构的测定方法不完善膜蛋白结构的测定方法不完善本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。蛋白质晶体学的问题主要在于样品蛋白质晶体学的问题主要在于样品得到晶体得到晶体探测衍射点强度探测衍射点强度确定衍射相位确定衍射相位得到电子密度分布得到电子密度分布进而获得原子位置进而获得原子位置主要问题：主要问题：单晶难于制备，特别是复合物单晶难于制备，特别是复合物解析相位需要特殊晶体解析相位需要特殊晶体本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。小角散射（小角散射（SAXS）不需要晶体，在溶液中就可进行实验。不需要晶体，在溶液中就可进行实验。不受分子量限制。不受浓度限制。不受分子量限制。不受浓度限制。实验时间短，对样品稳定性要求低。实验时间短，对样品稳定性要求低。仪器设备简单，可以开展原位实验。仪器设备简单，可以开展原位实验。图片来自图片来自RIKEN SPring-8 Center Dr.Tetsuro Fujisawa本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。小角散射所需的样品小角散射所需的样品50微升溶液；微升溶液；蛋白浓度在蛋白浓度在0.1-10mg/ml；分子量在几千至几亿分子量在几千至几亿Da；单分散（单分散（mono-disperse）。）。图片来自图片来自RIKEN SPring-8 Center Dr.Tetsuro Fujisawa本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。小角散射的优点小角散射的优点对样品的要求很低：溶液样品既可，分子量、对样品的要求很低：溶液样品既可，分子量、浓度不拘，稳定性不用很高。浓度不拘，稳定性不用很高。有些时候结晶会引起一些结构上的变化（由有些时候结晶会引起一些结构上的变化（由于结晶时候的于结晶时候的packing force导致），小角散导致），小角散射实验在溶液中进行，更好地反映生物大分射实验在溶液中进行，更好地反映生物大分子的真实状态。子的真实状态。实验相对简单快速，提供了原位研究动态过实验相对简单快速，提供了原位研究动态过程的可能性。程的可能性。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。小角散射（小角散射（1D）vs 衍射（衍射（3D）1条谱线条谱线上万个衍射点上万个衍射点结构信息（结构信息（3D）本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。图片来自图片来自RIKEN SPring-8 Center Dr.Tetsuro Fujisawa本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。小角散射的缺点小角散射的缺点小角散射得到的信息量很少，要得到三维小角散射得到的信息量很少，要得到三维的结构信息是很困难的。只能得到一些比的结构信息是很困难的。只能得到一些比较粗略、低分辨的信息，如生物大分子的较粗略、低分辨的信息，如生物大分子的大小、形状等。大小、形状等。衍射可以获得非常多的衍射点强度，能够衍射可以获得非常多的衍射点强度，能够解析出三维的结构来。解析出三维的结构来。相对于晶体学衍射，小角散射的理论还不相对于晶体学衍射，小角散射的理论还不够成熟。够成熟。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。经典应用经典应用生物大分子（散射体）的大小、分布；生物大分子（散射体）的大小、分布；大致形状（球形、柱形、椭球形等）。大致形状（球形、柱形、椭球形等）。分子越大，实验越容易：和晶体学正好相分子越大，实验越容易：和晶体学正好相反。反。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。最近发展最近发展可以拟合出生物大分子的形状：可以拟合出生物大分子的形状：Shape determination 利用一系列球谐函数表征分子外形，这个利用一系列球谐函数表征分子外形，这个外形（包络）之外密度为零，之内是均匀外形（包络）之外密度为零，之内是均匀的密度。的密度。或者用一系列的虚拟原子（或者用一系列的虚拟原子（dummy atoms）或者虚拟残基来描述生物大分子，）或者虚拟残基来描述生物大分子，调整这些虚拟原子或者虚拟残基的位置来调整这些虚拟原子或者虚拟残基的位置来确定分子形状。确定分子形状。本文档所提供的信息仅供参考之用，不能作为科学依据，请勿模仿。文档如有不当之处，请联系本人或网站删除。M.B.Kozin,V.V.Volkov and D.I.SvergunJ.Appl.Cryst.(1997).30,811815用球谐函数展开来表示生用球谐函数展开来表示生物大分子形状。拟合展开物大分子形状。拟合展开系数，使得计算谱线与实系数，使得计算谱线与实验最接近。需要正则化方验最接近。需要正则化方法来进行拟合。法来进行拟合。程序：程序：gnomD.I.Sv