结构生物学-introduction.ppt课件

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 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? 3D object projection 2D photo Drawing by John OBrien, The New Yorker Magazine (1991) 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 其逆运算，即逆傅立叶变换（inverse Fourier transform ） 式中v为一个常数 通过傅里叶变换，函数(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 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 三维结构 逆傅立叶变换 Klug A, De Rosier DJ. Nature (1966), 212:29-32. 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 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 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 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 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） 集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) 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 离子与K+ Channel的相互作用 K+ Channel如何开关？ 形成selectivity filter的结构非常坚固 在通道开关过程中不发生构像变化 跨膜螺旋在通道开关过程中发生构像变化 其对孔的限制类似于照相机快门 细菌K+ Channel的开关机制 Jiang et al, Nature 417:523, 2002 红色：关闭状态；黑色：开放状态 通道开关的控制类似于照相机快门的运动 通道并不完全关闭，形成通道的氨基酸侧链阻碍了离子通过 K+ Channel开关的模式图 电压如何控制通道开关？ Jiang et al, Nature 423:42, 2003 + - - + 静息态去极化态 为什么钾通道三维结构 获诺贝尔奖？ 离子通道对于生命活动至关重要 钾通道的三维结构阐明了离子选择性的 化学基础 钾通道的三维结构阐明了离子通道的开 关机制 钾通道的三维结构阐明了钾通道的工作 机制 HIV对宿主的感染机制 J Liu et al. Nature 000, 1-5 (2008) doi:10.1038/nature07159 Conformational change in the gp120 trimer induced by CD4 binding 戊型肝炎病毒的结构 PNAS, 106:12992, 2009 戊型肝炎病毒衣壳蛋白的结构 PNAS, 106:12992, 2009 戊型肝炎病毒抗体和受体结合位点 抗体结合位点受体结合位点 The Nobel Prize in Chemistry 2009 Venkatraman Ramakrishnan 1/3 of the prize MRC Laboratory of Molecular Biology Cambridge, United Kingdom Thomas A. Steitz 1/3 of the prize Yale University New Haven, CT, USA Ada E. Yonath 1/3 of the p