结构生物学introdu.pptx

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 pri