结构生物学序论.ppt

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,结构生物学序论,（优选）结构生物学序论,1962 血红蛋白和肌红蛋白/化学,Wilhelm Conrad Rntgen discovered X-Rays in 1895.,1972年，正式提出了结构生物学的名称（?）,全面发展时期（1967-1987）注重结构与功能关系研究,要求科学家从整个基因组及其全套蛋白质产物的结构与功能的高度去了解生命活,以蛋白质晶体学为主要手段，加以NMR方法的不断突破，生物大分子三维结构测定在高速发展,很高、难度很大的膜蛋白和多分子复合物的结构研究，大大缩,以蛋白质晶体学为主要手段，加以NMR方法的不断突破，生物大分子三维结构测定在高速发展,后基因组时代的结构基因组计划在全球兴起。,等刊登与结构生物学有关的论文与日俱增，而1991年创刊的 Molecular Structure和Current Opinion Structural Biology，1993年创刊的Structure以及1994年创刊的Nature Structure Biology等重要国际期刊几乎全部都是刊登结构生物学的最新研究成果。,优点：分辨率高，测定分子大；,(化学奖，1997,F1-ATP酶),这既反映着整个生物学的发展态势，也表明结构生物学在当前和未来生命科学中的重要地位。,Hodgkin曾获1964年诺贝尔化学奖。,随着测定结构数量的激增，近些年我国科学家也完成了几个水平,为什么要研究结构？,三维生物大分子结构是解释生物大分子功能的基础。,1962 DNA,双螺旋结构,/,生理学和医学,1962,血红蛋白和肌红蛋白,/,化学,1964,维生素,B,12,和胰岛素,/,化学,1982,病毒,/,化学,1988,细菌光合反应中心,/,化学,1997 ATP F1/,化学,三维结构数据的积累将带动生物学领域中其它学科的发展。,分子生物学,结构基因组学,药物分子设计,蛋白质工程。,一些生物大分子三维结构的测定，如病毒结构，为解释其致病机制提供可能，并最终为开发相关疫苗或新药奠定基础。,在药物分子设计中，高分辨率的三维结构数据是设计的重要依据,。,一些蛋白质三维结构的测定具有巨大的工业应用前景。,蛋白质物质结构、功能及相互作用,后基因组时代生命科学主要任务,蛋白质,-,最主要的生命活动载体和功能执行者,结构,与,功能,功能,结构,结构生物学的内涵,关于结构生物学的定义,(,definition of structural biology),：,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.,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。,后基因组时代中的结构生物学，,王大成,生物大分子发挥其生物学功能必需具备：,(1),稳定的、特征的三维结构：,凡要发挥功能和活性的生物大分子必须具,有特定的，自身特有，相对稳定的三级结构。,(2),三维结构在各个水平上的运动：,任何的破坏促使没有稳定的三级结构和结构,运动，生物大分子很难发挥生物功能或活性,结构生物学的内涵,结构生物学的内涵,结构生物学,以生物大分子三维结构测定为手段、以生物大分子结构与功能研究为内容、以探讨和阐明生物学各前沿领域中分子作用机制和原理为目的,是当前分子生物学的基础和前沿领域，它更是分子生物物理学的核心。,生物分子结构与功能关系的研究一直是分子生物学的核心。三维结构与功能关系研究的迅速发展已成为现代分子生物学的前沿与主流。结构生物学是以生物大分子三维结构及其运动的研究结果为基础，,定量地,阐明生命现象的科学。从当前发展趋势来看，结构生物学已经成为生命科学的前沿和带头学科。,definition of structural biology,：,结构生物学主要是用物理的手段,用,X-,射线晶体学、核磁共振波谱学、电镜技术等物理学技术来研究生物大分子的功能和结构，阐明这些大分子相互作用中的机制。,结构生物学的内涵,测定生物大分子三维结构所使用的三种主要实验技术方法：,1,。晶体,X,射线衍射（,X-ray diffraction,）技术,所能测定的生物大分子的分子量范围宽，可以从,1kDa,以下到,400kDa,甚至更大，技术成熟度、应用成本低廉、,可高通量化，分辨率高，可快速测定结构；,缺点：,需要可衍射单晶，有相位问题。,2,。溶液多维核磁共振（,NMR,）技术,溶液构象，无需结晶，无相位问题，可得到动力学信息：缺点：方法尚在发展中，目前仍限于较小分子量蛋白质结构测定；,应用成本远高于晶体,X,射线衍射技术。,3,。低温电子显微镜三维电子衍射图象重构技术,非常适合测定分子量非常巨大的生物大分子的复合体，例如病毒、膜蛋白的复合体等。,电子显微学（,electron microscopy,：,EM,），,CryoEM,优点：不需大单晶，无相位问题，可观察原位及单粒子结构；缺点：分辨率低，仪器昂贵，操作复杂；与高分辨,X,光结构结合，前景可观。,小角散射方法：,X,射线（,SAXS,），可见光。,其他谱学方法：例如各种光谱学方法（可见；紫外；荧光；红外；园二色；,RAMAN,等）；,EPR,；质谱方法：,结构生物学的研究内容,生物大分子：蛋白质、核酸、多糖、脂质。,蛋白质在生命活动过程中的作用：,酶的催化,机械支持,运输和贮存,协调作用,免疫保护,生长和分化的控制,神经系统的产生和控制,信号传导,跨膜运输,电子传递,光合作用,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,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 、现状和发展趋势,结构生物学的发展,结构生物学的诞生（-1957）,早期发展（1957-1967）,全面发展时期（1967-1987）,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,十九世纪末，俄罗斯科学家费得罗夫等建立了结晶物质的空间对称群理论。,1895,年，（,伦琴）,发现,X,射线,(,获,1901,年诺贝尔物理学奖,),。,其后的一百多年间，射线在物质结构研究上立下了永不磨灭的伟大功绩。,1912,年，,M.von Laue,（劳埃）,发现晶体的,X,射线衍射（获,1914,年诺贝尔物理学奖）,，开创了晶态物质结构研究的新纪元。,1913,年，奠定了结晶物质内部结构实验测定的理论基础（获,1914,年诺贝尔物理学奖）。,结构生物学的发展历程,The discovery of X-ray,Wilhelm Conrad Rntgen discovered X-Rays in 1895.,1901 Nobel prize in Physics,A modern radiograph of a hand,Bertha Rntgens,Hand 8 Nov,1895,1927,年，提出“同晶置换法”；,1929,年，提出“重原子法”,;,1934,年，提出“原子间矢量法”；,1933,年，,H.Rusker,发明电子显微镜。,结构生物学的发展历程,193x,年，,D.Hodgkin,等获得第一张蛋白质晶体,X,射线衍射照片（胃蛋白酶）。,1934年，,英国,伯纳尔（,Bernal）,和,Crowfoot,成功,拍摄到,第一张蛋白质,(,胃蛋白酶,),晶体的,X,射线衍射照片,1953,年，,L.Pauling,根据氨基酸和小肽的晶体结构模型推断蛋白质肽链的,-,螺旋和,-,折叠模型,(L.Pauling,曾获,1954,年诺贝尔化学奖,),。,结构生物学的发展历程,1945-1955,年，,D.Hodgkin,等测定了青霉素、维生素,B12,等重要生物分子结构。,D.Hodgkin,曾获,1964,年诺贝尔化学奖。,194X-197x,年，若干科学家提出并发展了测定晶体结构的“直接法”，获,1985,年诺贝尔化学奖。,结构生物学的发展历程,1953年，佩鲁茨（,M.Perutz）,建立同晶置换方法用于解决,生物大分子晶体结构测定中的相位问题，从而蛋白质晶体学开始踏上自己发展的伟大历程。,1953年，沃森（,J.Watson）,和克里克（,F.Crick）,建立,DNA,双螺旋结构模型,他们的伟大成就为分子生物学奠定了基础。,1957,年和,1959,年，坎德润（获得6,分辨率的肌红蛋白晶体结构；佩鲁茨（,M.Perutz）,获得5,分辨率的血红蛋白晶体结构。,从,1957,年到,1967,年的十年里，随着溶菌酶结构之后，胰凝乳蛋白酶、核糖核酸酶、核糖核酸酶和羧肽酶也分别获得了高分辨率的结果，表明蛋白质晶体学已经成为一门成熟的学科。,从六十年代末进入七十年代，蛋白质晶体学从对生物大分子三维结构测定迈入生物大分子三维结构与其生物学功能之间的关系研究，从而它既是分子生物学研究的有力的重要手段，同时也开始为结构生物学的建立和发展历程创造着条件。,结 构 生 物 学 的 发 展 历 程,“结构分子生物学”、“结构生物学”名词的出现至今已有近,40,年，而结构生物学时代的真正形成却不过是最近二十年的事。显然，蛋白质晶体学是结构生物学的奠基者和开路先锋,随着作为生物大分子三维结构测定手段的核磁共振,(NMR),和电镜三维重建技术的崛起，结构生物学测定三维结构的三大方法鼎足而立，生物大分子结构测定的数量飞速增长，结构生物学的发展进入了一个全盛时代。,结 构 生 物 学 的 发 展 历 程,Nature,杂志,1994,年出版“结构生物学”子刊,伴随结构数量的飞速增长，许多难度很大、生物学意义重大的结构不断突破，特别是多分子的复合体和膜蛋白结构的突破，大大推动了结构生物学自身的发展乃至生命科学的发展。,上世纪末，人类基因组计划的完成为大规模高效的三维结构测定提供全基因组表达产物,蛋白质样品成为可能。后基因组时代的结构基因组计划在全球兴起。,结 构 生 物 学 的 发 展 历 程,在结构生物学领域中由于学科上的重大突破,荣获诺贝尔奖的科学家,：,Francis H.C.,Crick,和,James D.,Watson,(,生理与医学奖，,1962,，核酸双股螺旋,),Max F.,Perutz,和,John C.,Kendrew,(,化学奖，,1962,，血红蛋白与肌红蛋白,),Dorothy C.,Hodgkin,(,化学奖，,1964,，维生素,B,12,),Aaron,Klug,(,化学奖，,1982,，病毒,),Robert,Huber,(,化学奖，,1988,，紫色细菌光合反应中心,),J.Walker,(,化学奖，,1997,F1-ATP,酶,),Roderick,MacKinnon,(,化学奖，,2003,钾离子通道,),结构生物学的发展历程总结,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程总结,全面发展时期（1967-1987）注重结构与功能关系研究,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7分辨率的三维结构,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，二维核磁共振概念提出；1983年用2,D-NMR,方法解析了胰高血糖素多肽的溶液构象,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,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,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,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）,900,MHz,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,2003,年，,9,个/天,2006,年，,17,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,结构生物学的发展,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,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,结构测定在加速发展,NMR,数据的速度惊人,NMR,的发展速度是惊人的。,1990,年以前平均每天只可测定半个结构，,97,年全世界每天平均发表,2,个，,2003,是每天平均,9,个,2006,年是每天平均,18,个，这个发展速度是非常快的,Yearly Growth of Structures Solved By NMR,PDB Current Holdings Breakdown,（,Feb-27-2007,）,Tuesday Sep 04,2007,Crick）建立DNA双螺旋结构模型,他们的伟大成就为分子生物学奠定了基础。,CD4(水溶片断)(1990,Nature),Computational Structural Biology,小角散射方法：X射线（SAXS），可见光。,结构生物学是以生物大分子三维结构及其运动的研究结果为基础，定量地阐明生命现象的科学。,所能测定的生物大分子的分子量范围宽，可以从1kDa以下到400kDa甚至更大，技术成熟度、应用成本低廉、可高通量化，分辨率高，可快速测定结构；,溶液构象，无需结晶，无相位问题，可得到动力学信息：缺点：方法尚在发展中，目前仍限于较小分子量蛋白质结构测定；,任务 大规模高效测定基因,以在原子水平上定量地阐明生命的各种现象。,低温数据收集技术（1990）,Computational Structural Biology,1913年，奠定了结晶物质内部结构实验测定的理论基础（获1914年诺贝尔物理学奖）。,除此之外，另一些重要刊物虽然不用结构生物学为名，但所刊登的论文也主要与结构生物学密切相关，如Protein Science、Biological Macromolecules、Structure and Dynamics、Protein、Structure、Function and Genetics等。,紧随国际结构基因组计划的崛起，在世纪之交，中国开始实施具有自,结构生物学的迅猛发展在后基因组时代必然导致,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,测定生物大分子复合物、细胞器及亚细胞器的三维结构是目前结构生物学中的主要发展方向,膜蛋白和糖蛋白,模式生物中蛋白质组成为重要的研究对象,与人类疾病相关的蛋白成为主要的研究对象，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,揭示蛋白质的折叠规律，破译第二遗传密码。,结构生物学的研究成果已渗透到生命科学的各个领域,短了我国与国际在此领域的差距。,生物大分子发挥其生物学功能必需具备：,Aaron Klug,1934年，英国伯纳尔（Bernal）和 Crowfoot成功拍摄到第一张蛋白质(胃蛋白酶)晶体的X射线衍射照片,2006年，17个/天,以蛋白质晶体学为主要手段，加以NMR方法的不断突破，生物大分子三维结构测定在高速发展,The structures of life,Alisa Zapp Machalek,A modern radiograph of a hand,Wilhelm Conrad Rntgen discovered X-Rays in 1895.,1962 DNA双螺旋结构/生理学和医学,蛋白质结构测定计划，也包括结构测定的方法论和技术研究计划。,从当前发展趋势来看，结构生物学已经成为生命科学的前沿和带头学科。,六十年代末，继我国化学全合成结晶牛胰岛素之后，一些X射线晶体结构分析工作者聚集于中国科学院物理所，与化学、生物化学和计算数学工作者一起，共同努力，开始研究胰岛素晶体结构。,结构生物学发展趋势有如下特点,结构研究的兴趣由水溶性球蛋白进入攻克疏水的膜蛋白结构,结构研究已由单一分子进入分子间相互作用的复合物以及由许多,分子所构成的复合体，乃至分子机器,国际上很多难度高、意义重大的三维结构均是在近十来年突破的,结构生物学的研究成果已渗透到生命科学的各个领域,以蛋白质晶体学为主要手段，加以,NMR,方法的不断突破，生物大分子三维结构测定在高速发展,以蛋白质晶体学为主要手段，加以,NMR,方法的不断突破，生物大分子三维结构测定在高速发展,测定结构速度1997-1998,平均每日,2,个结构,2001-2002,平均每日,8,个结构,当前 平均每日,15,个结构,以结构生物学三大实验手段统计：,晶体衍射,30,306,NMR 5,314,电镜三维重建,117,2006,年,4,月,1,日,PDB,的公布,已释放原子坐标的结构共,35,813,套,其中蛋白质、多肽和病毒,32,724,核酸,1,585,蛋白与核酸复合物,1,471,多糖,33,结构生物学的研究成果,已渗透到生命科学的各个领域,当前，为了定量地阐明有关的生物学机理,结构和功能关系，生命科学各领域的研究都尽最大可能地运用生物大分子三维结构的研究结果。,国际著名期刊,Cell,Science,、,Nature,、,J.Mol.Bol,、,J.Biol.Chem.,等刊登与结构生物学有关的论文与日俱增，而,1991,年创刊的,Molecular Structure,和,Current Opinion Structural Biology,，,1993,年创刊的,Structure,以及,1994,年创刊的,Nature Structure Biology,等重要国际期刊几乎全部都是刊登结构生物学的最新研究成果。除此之外，另一些重要刊物虽然不用结构生物学为名，但所刊登的论文也主要与结构生物学密切相关，如,Protein Science,、,Biological Macromolecules,、,Structure and Dynamics,、,Protein,、,Structure,、,Function and Genetics,等。这既反映着整个生物学的发展态势，也表明结构生物学在当前和未来生命科学中的重要地位。,国际上很多难度高、意义重大的三维结构均是在近十来年突破的,细菌视紫红质 电子晶体学,),人免疫缺乏性病毒蛋白酶,(HIV protease)(1990,Science),CD4(,水溶片断,)(1990,Nature),类人猿病毒,40,（,simian virus 40,）,(1991,Nature),人生长激素与受体复合物,(human growth hormonereceptor complex)(1992,Science),口蹄疫病毒,(foot and mouth disease virus)(1993,Nature),高等植物光合作用系统,I(system I of photosynthesis,PSI)(6 1993,Nature),细胞色素,c,氧化酶,(Cytochrome c Oxidase)(,牛心,2.8,1995,Science,细菌,2.8,1995,Nature),ATP,酶的,F1(F1-ATPase)(,牛心线粒体,2.8,1994,Nature),伴侣蛋白,GroEL(chaperonin GroEL)(,大肠杆菌,2.8,1994,Nature),辅,-,伴侣蛋白,GroELS(co-chaperonin GroES)(,大肠杆菌,2.8,1996,Nature),光合细菌捕光复合物,LH2(light-harvesting complex from(2.5,1995,Nature),Rhodopseudomonas acidophila strain 10050),R-,藻红蛋白色素复合物,核糖体大亚基（,Large Ribosomal Subunit from Haloarcula marismortui,）,(2.4,2000,Science),钾离子通道蛋白,(K+Channel Protein)(3.2,2003,Nature),主要捕光复合物,-II(Major Light-harvesting Complex of photosystem II)(LHC-II)(2.72,2004,Nature (3.4,1994,Nature,电子晶体学,),线粒体呼吸链复合物,-II (Mitochondrial Respiratory Complex II)(2.4,2005,Cell),尿激酶与其受体复合物,(Urokinase Plasminogen Activator with its Receptor)(1.9,2006,Science),结构生物学发展趋势有如下特点,以蛋白质晶体学为主要手段，加以,NMR,方法的不断突破，生物大分子三维结构测定在高速发展,结构生物学的研究成果已渗透到生命科学的各个领域,国际上很多难度高、意义重大的三维结构均是在近十余年来突破的,结构研究已由单一分子进入分子间相互作用的复合物以及由许多分子所构成的复合体，乃至分子机器,结构研究的兴趣由水溶性球蛋白进入攻克疏水的膜蛋白结构,结构生物学的迅猛发展在后基因组时代必然导致结构基因组学的崛起,静态结构到动态变化,技术和方法在高速发展,基础研究不断深入与扩展的同时，应用研究在迅速发展,竞争日趋激烈,静态结构到动态变化,蛋白质晶体学研究从生物大分子静态（时间统计）的结构分析开始进入了动态（时间分辨）的结构研究及动力学分析。由于同步辐射光源具有极高的光通量、高度单色和高度准直，它也可以调制成脉冲式光源，为瞬时结构变化研究提供了可能性。为了连续记录瞬时结构变化的,X,射线单晶衍射谱，人们已设计出各种类型的与脉冲式光源相匹配的、能快速脉冲式微量平衡的,Laue,（平板型）和,Weissenberg(,园筒型,),摄谱仪。时间分辨率为毫秒（,1-10ms,）量级的,X,射线单晶,Laue,衍射方法的连续摄谱已广泛应用，这一时间尺度对于研究生物大分子之间的相互作用过程中二级结构之间的运动是十分合适的，它为诸如酶分子与其底物的相互作用，蛋白质分子的折叠卷曲运动等动态结构研究提供了有力的手段。近些年来，时间分辨率为微秒（,10-100,s,）量级的,X,射线单晶衍射方法的连续摄谱已经获得突破。人们期望，随着极高光通量的同步辐射光源的建立，更高时间分辨率的生物大分子动态结构研究能够成功。,核磁共振（,NMR,）谱学方面,目前高质量的,NMR,结构已经达到相当于,2-2.5,分辨率的晶体结构,900MHz,的,NMR,谱仪已大量涌入实验室,高磁场条件下，使用,TROCSY,方法有可能将,NMR,测定的蛋白质的分子量增加,稀液晶使蛋白质取向受到约束，偶极,偶极耦合信息为结构解析提供更多约束，加上氢键的测定，可进一定提高结构测定精度,自动化的波谱解析方法有望大大提高结构测定速度,技术和方法在高速发展,蛋白质晶体学方面：,同步辐射光源逐步作为常规光源广泛被应用，诸如 的Spring-8等新一代具有更高光通量的同步辐射装置已在进入21世纪前投入了使用，并向世界各国科学家开放,机器人自动寻找最优的晶体生物条件,晶体低温技术使晶体的衍射寿命大大延长,解决衍射相位问题的传统的多对重原子同晶置换法（MIR）已被日趋成熟的“锶多波长反常散射”方法所代替。,“硫多波长反常散射”和“硫单波长反常散射与直接法结合”方法己经突破,计算机硬件和软件的迅猛发展不但为结构测定而且为理论计算、结构预测和信息生物学的发展提供着机会和条件,另一方面，对医学卫生、工业和农业上具有应用背景的一些生物大分子结构研究越来越吸引着人们注意和重视，以此为基础的高科技产业正在形成。以蛋白质晶体学为主要研究手段的结构生物学已经从五十年代、六十年代乃至七十年代的纯基础性研究逐渐步入应用基础性以及应用性研究。许多课题研究都与企业、公司、财团有着密切联系。这一变化随着时间的推进将会变得越来越突出，这一发展趋势恐怕难以逆转。,基础研究不断深入与扩展的同时，,应用研究在迅速发展,一方面，八十年代迅速崛起的蛋白质工程向人们展示了利用和改造蛋白质的美好前景，与此同时，以生物大分子（蛋白质和核酸）三维结构为基础的药物分子设计在蓬勃发展，它可预测的深远的学术意义和重大经济效益已使它成为现代高技术领域的重要方向之一。,激烈的竞争机制已打破了传统的学院式的研究体制和格局，并在很大程度上左右着一些重要项目的进展和方向。,竞争日趋激烈,然而，最终的竞争是人才的竞争，这已是各国政府部门、实验室和广大科学家的共识。因此，几乎可以这样说，人才是决定性的因素。,再就是财力上的竞争，课题的组织者和研究者都全力以赴地从各渠道争取资助，许多例子表明：“财大气粗”是在竞争中取得优势的重要条件。,其次是表现在方法和技术上的竞争，谁在方法和技术上占有优势，谁就有可能赢得竞争的胜利。,首先是课题的竞争，一项具有重要意义的课题同时在几家实验室内进行，他们接受不同财团的资助，自觉或不自觉地开展“竞争研究”。,随着竞争而同时到来的就是研究工作的保密性增强和知识产权的保护。,结构生物学的迅猛发展在后基因组时代必然导致,结构基因组学（,Structural Genomics,）的崛起,全基因组的成果为大规模高效的三维结构测定提供全基因组表达产物,蛋,白质样品成为可能。后基因组时代的结构基因组计划已在全球崛起。,目前在世界范围内全基因组计划已经获得了连同人类的很多种生物的全基因,组序列，而理解这些序列信息的关键是理解基因产物,蛋白质的结构与功能。,“基因的功能非常强大，但最终需要明白蛋白质如何在生物体中发挥作用”。当前,要求科学家从整个基因组及其全套蛋白质产物的结构与功能的高度去了解生命活,动的全貌，并系统整合有关生物学的全部知识，以真正揭示神奇的生命世界。,结构生物学的发展，人类从生物大分子三维结构与功能研究中越来越多地得,以在原子水平上定量地阐明生命的各种现象。虽然，随着已有,14000,余个生物大,分子三维结构的解析，人们从结构与功能研究中探知了一些生命现象的奥秘，然,而这只是非常少的一点，人们追求探索更多更多。结构生物学的基石是生物大分,子的三维结构，结构乃功能之基础，因而在原子水平上测定更多更多的生物大分,子及其复合体的三维结构就成为当前结构生物学的紧迫任务。,结构生物学的发展,中国蛋白质晶体学与结构生物学的发展历程,七十年代末八十年代初，高分辨、高精度的胰岛素及去五肽胰岛素结构研究所获得的结果达到了当时国际上同类工作的最高水平。,中国蛋白质晶体学与结构生物学的发展,六十年代末，继我国化学全合成结晶牛胰岛素之后，一些,X,射线晶体结构分析工作者聚集于中国科学院物理所，与化学、生物化学和计算数学工作者一起，共同努力，开始研究胰岛素晶体结构。这一研究项目使我国在国际上属于较早地涉足这一学科前沿领域的国家之一。,在英国,Hodgkin,教授领导的牛津小组发表了他们的研究结果不久，我国分别于,1970,年和,1971,年发表了,4,和,2.5,分辨率的三方二锌猪胰岛素晶体结构的研究结果，,1974,年我国所发表的,1.8,分辨率结果是当时国际上运用多对重原子同晶置换法（,MIR,）所获得的最高分辨率结构。七十年代初我国在胰岛素结构测定的成就曾得到国际同行的承认和赞扬。,七十年代后期开始的天花粉结构分析及随后的,3-,磷酸甘油醛脱氢酶及胰蛋白酶抑制剂等结构测定都是我国继胰岛素之后的几个很具我国特色的新研究课题。,八十年代初胰岛素开始了三维结构与功能关系的系列研究，在大量活性敏感部位修饰的类似物晶体结构测定的基础上，对胰岛素分子的特征运动和与其受体结合相互作用机制上提出了一些很有意义的见解。,八十年代以来，一大批新课题在我国不断涌现，并已取得了许多优秀成果，研究队伍发展很快，研究手段也有一定补充和更新。,与此同时，核磁共振及电镜三维重组技术的建立，我国结构生物学有了一个新的发展。,紧随国际结构基因组计划的崛起，在世纪之交，中国开始实施具有自,己特色的结构基因组研究计划，其中既包括大规模的基因表达产物,蛋白质结构测定计划，也包括结构测定的方法论和技术研究计划。,随着测定结构数量的激增，近些年我国科学家也完成了几个水平,很高、难度很大的膜蛋白和多分子复合物的结构研究，大大缩,短了我国与国际在此领域的差距。,结构生物学的研究方法,晶体学,谱学,显微学,新发展的方法,大分子计算机模拟技术,计算生物学,生物信息学,分子生物学,生物化学,蛋白质组学,系统生物学,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,MW40kDa,）,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,三种主要研究方法的比较,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。,X,射线发现,（,1895,）,晶体衍射（,1912,）,蛋白质,晶体学,结构,生物学,晶体学,生物学,(,大分子,),结构测定,三大手段,内容,三维结构与功能研究,生物学作用机制与原理,目的,分子层次上定量地阐明,学科,(,多学科交叉,),表达产生,蛋白,结构,任务,大规模高效测定基因,手段,两大手段,蛋白质晶体学,核磁共振谱学,目标,体基因表达,(,蛋白,),的结构,人及各种靶生物系统的整,折叠,(,结构,),类型,寻找尽量多的蛋白质,蛋白质,工程,结构,基因组,工程、项目,结构测定,手段,(,主力）,电镜三,维重组,核磁共,振谱学,手段,手段,学科,晶体生长技术,衍射技术,解决衍射相位,学科,结构模型建立与精化,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 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