X射线晶体衍射测定蛋白质三维结构PPT课件

蛋白质结构测定 2011 3 30 蛋白质三维结构测定方法及数量 蛋白质三维结构测定年增长图 第一节 X 射线衍射技术用于蛋白质晶体结构测定 原理基本过程优缺点应用实例 一 相关原理 光的衍射现象X射线的发现及应用本质的争论X射线衍射的发现晶体学基础知识X射线晶体衍射 光线 拐弯了 1 光的衍射现象 衍射现象 光波偏离直线传播而出现光强不均匀分布的现象 当缝的大小 或障碍物的大小 跟波长相差不多时就发生明显的衍射现象 如果缝很宽 其宽度远大于波长 则波通过缝后基本上是沿直线传播的 衍射现象就很不明显了 惠更斯 菲涅耳原理 菲涅耳补充 从同一波阵面上各点发出的子波是相干波 1818年 惠更斯 光波阵面上每一点都可以看作新的子波源 以后任意时刻 这些子波的包迹就是该时刻的波阵面 1690年 解释不了光强分布 2 X射线的发现历程及应用 失之交臂1836法拉第发现阴极射线1861克鲁克斯阴极射线管在放电时会产生亮光干版和光片有问题 1890古德斯柏德洗出了一张X射线的透视底片照片的冲洗药水或冲洗技术发现X射线本质的争论X射线衍射 2 X射线的发现及应用 1895年伦琴 Roentgen 发现故称为伦琴射线 伦琴夫人的手的X射线照片 X射线在医学上的应用 伦琴的新发现轰动了全世界 不到三个月 维也纳的一家医院便拍出了应用于医疗的X射线照片 从此 X射线拍片和射线透视成为医学诊疗中常用的手段 为了防止各脏器成像发生的重叠给诊疗带来不便 科学家们进一步研究了成像更清晰 灵敏度更高的仪器 1972年 英国科学家汉斯菲尔德运用计算机和图像重建理论 制成了电子计算机射线断层扫描成像装置 也就是已被广泛应用的CT X射线与诺贝尔奖 物理学奖 伦琴因发现X射线而获得第一届诺贝尔物理学奖 1903年诺贝尔物理学奖 1906年的诺贝尔物理学奖 劳厄获得了1914年诺贝尔物理学奖 英国的布拉格父子1915年的诺贝尔物理学奖 英国的巴克拉1917年的诺贝尔物理学奖 瑞典物理学家西格班1924年诺贝尔物理学奖 美国的康普顿1927年诺贝尔物理学奖 前苏联的切连科夫1958年诺贝尔物理学奖 美国的霍夫斯塔特1961年诺贝尔物理学奖 瑞典的西格巴恩1981年的诺贝尔物理学奖 化学奖 荷兰的物理化学家德拜1936年诺贝尔化学奖 美国著名化学家鲍林1954年诺贝尔化学奖 英国生物学家肯德鲁与佩鲁茨1962年诺贝尔化学奖 英国女化学家霍奇金1964年诺贝尔化学奖 美国化学家利普斯科姆1976年诺贝尔化学奖 英国化学家桑格和美国化学家吉尔伯特1980年诺贝尔化学奖 英国生物化学家克卢格因1982年诺贝尔化学奖 美国化学家豪普特曼和卡尔1985年诺贝尔化学奖 1988年 米歇尔等三位德国生物化学家诺贝尔化学奖 3 X射线本质的争论 X射线本质的争论 波动说 巴克拉 X射线波动性标识谱线 不管元素已化合成什么化合物 它们总是发射一种硬度的X射线 当原子量增大时 标识X射线的穿透本领会随着增大 这说明X射线具有标识特定元素的特性 X射线本质的争论 微粒说 X射线微粒论者粒子具有旋转性 布拉克父子 4 X射线衍射 X射线衍射的获得 波长范围 10 0 1埃欲观察其衍射现象则衍射线度应与其波长差不多 晶体的晶格常数恰是这样的线度衍射波的两个基本特征 衍射线 束 在空间分布的方位 衍射方向 和强度与晶体内原子分布规律 晶体结构 密切相关 X射线晶体结构分析 使用X射线作为物理工具 依赖X射线衍射现象为物理原理 以晶体作为研究对象 晶体结构作为研究结果的一种分析方法 5 X射线的获得 X射线管 激光等离子体 同步辐射 X射线激光 6 晶体基础 什么是晶体晶体的周期排布晶体的对称性 3 1什么是晶体 固体物质晶体相当罕见的东西 非晶体晶体 Crystal 指离子 原子或分子这些微粒在三维空间中周期性重复排列形成的 能够给出明锐衍射的固体结构 晶体什么样 1 晶体什么样 2 晶体什么样 3 晶体什么样 4 2 晶体和点阵结构 晶体的周期性结构使得我们可以把它抽象成 点阵 来研究 一维周期性结构与直线点阵二维周期性结构与平面点阵三维周期性结构与空间点阵 一维周期性结构与直线点阵 二维周期性结构与平面点阵 三维周期性结构与空间点阵 晶胞 Unitcell 空间点阵的单位 大小和形状完全相同的平行六面体 是晶体结构的最小单位 同一个空间点阵 划分平行六面体的方式是多种多样的 选择平行六面体的原则 所选平行六面体的对称性应符合整个空间点阵的对称性 选择棱与棱之间直角关系为最多的平行六面体 所选平行六面体之体积应最小 当对称性规定棱间的交角不能为直角关系时 应选择结点间距小的行列作为平行六面体的棱 且棱间的交角接近于直角的平行六面体 单位平行六面体 a b c 是表征它本身形状 大小的一组参数 称为格子参数或点阵参数 单位平行六面体与坐标轴的关系 棱交角 坐标轴之间交角 a b c 轴单位 a b c 关系有七种情况 与单位平行六面体七种格子相对应 立方格子a b c 90o 三方格子a b c 90o 60 109o28 16 菱面体格子中 为特殊角度时 演变成的三种立方体格子 四方格子a b c 90o 六方格子a b c 90o 120o 正交格子a b c 90o 单斜格子a b c 90o 90o 三斜格子a b c 90o 按结点位置 可有四种不同的类型 P 原始格子 角顶 C 底心格子 角顶 顶底面 I 体心格子 角顶 体心 F 面心格子 角顶 每个面 P 原始格子 角顶 C 底心格子 角顶 顶底面 I 体心格子 角顶 体心 F 面心格子 角顶 每个面 结构中代表各类等同点的结点在空间的排列方式来说 格子的种类有 且只有十四种 衍射方向 二 X射线晶体结构测定基本过程 蛋白质获取 提纯 晶体生长并经冷冻技术处理 重原子衍生物制备 衍射数据收集 衍生数据分析和改进 结构模型的获取 包括修正 2 晶体生长过程及影响因素 晶核 尽量少 微晶 可用作晶种 晶体在数小时至数月后出现2个问题 是盐晶吗 能给出有用的衍射吗 多晶 双晶 影响因素物理因素 温度 压力 震动 溶剂清洁度 试剂纯度 重力 外加物理场等生物化学因素 pH 离子强度 沉淀剂 添加剂的类型和浓度等其他 溶液过饱和度 纯度等 经验 机器人 2 晶体生长过程及影响因素 3 结晶方法 批量结晶法batchcrystallization透射法crystallizationbydialysis液相扩散法liquiddiffusion气相扩散法vapordiffusion氢氘交换质谱技术Enhancedamidehydrogen deuterium exchangemassspectrometry DXMS生物玻璃bioglass 4 晶体的初步鉴定 5 衍射数据收集 晶体的处理 低温液氮气冷流技术数据收集仪 底片 面探测器 衍射分析仪器的发展 射线种类 连续射线特征射线电子衍射中子衍射 探测技术 胶片闪烁体计数器 点 IP CCD探测器 面 图2 22石英的衍射仪计数器记录图 部分 右上角为石英的德拜图 衍射峰上方为 hkl 值 代表K 衍射 底片 外森堡相机 徘循相机 优点 多点同时收集容易保存价格便宜缺点存在 化学雾 背景和X射线散射背景费时 费力 计数管 四圆衍射仪 将X射线光子强度转换为电信号 信号放大后再转换成数字存入计算机随时调用逐点收集数据优缺点与底片相反 面探技术 SMARTAPEX CCD衍射仪 SmartCCDOverview SMARTAPEX CCD探测器 金属丝构成的面板 可同时多点收集将X射线光子强度转换为电信号集计数管的精确和底片的多点收集效率 面探技术 SMARTAPEX CCD衍射仪 图像板imageplate 面探测器的改进由化学材料构成 整块板子密度一致高分辨率可见光下可测量集底片和面探测器的优点于一身 6 数据分析 电子密度修饰电子密度图诠释结构模型精化数据处理软件 Denzo Scalepack 三 X射线晶体结构测定优点 分辨率高不损伤样品无污染相对快捷能得到晶体完整性的大量信息 晶体构象是静态的 不能测定不稳定的过渡态的构象 很多蛋白质很难结晶 或者很难得到用于结构分析的足够大的单晶 瓶颈 X射线晶体衍射的工作流程较长 四 X射线晶体结构测定存在问题 Lastupdate TuesdayOct20 2009at5PMPDT 于1971年和1972年分别得到分辨率为2 5埃和1 8埃的猪胰岛素晶体测定 这是中国阐明的第一个蛋白质的三维结构 猪胰岛素 蛋白质编号4ins 的两条小链 中国蛋白质晶体学研究水平和世界发达国家一样高 胰岛素晶体最好的电子密度图在北京 不在牛津 多萝西 霍奇金 1972 五 应用实例1 胰岛素 2 菠菜捕光蛋白LHCII 膜 疏水 2 72 Nature 2004 Mar LHC II是绿色植物中含量最丰富的主要捕光复合物 这种复杂的分子体系镶嵌在生物膜中 具有很强的疏水性 难以分离和结晶 对其晶体结构的测定是国际公认的高难课题 也是一个国家结构生物学研究水平的重要标志 03年利用北京同步辐射实验室生物大分子晶体学线站获得了该晶体的高分辨率衍射数据 最终