结构生物学：第九讲-1-X-ray与结构生物学

1、X-ray与结构生物学,摘要,何谓结构生物学 X-ray衍射原理 从X-ray衍射图到DNA结构 利用X-ray研究蛋白质的3-D结构 蛋白质结构的重要性 发展与应用,X-ray与结构生物学,结构生物学（Structural Biology） - 测定大量的蛋白质三为结构 - 应用：功能预测 X-ray：波长约为1 长度接近原子间的距离 研究结晶的状态的分子行为 定出其晶体结构，也包含蛋白质体结构 X-ray与结构生物学 利用X-ray衍射法分析高度纯化结晶的蛋白质 的每个基团和原子的空间定位,X-ray衍射的原理,大纲,晶格特性 Characters 真晶格 Translational Ve

2、ctor 倒晶格 Reciprocal Lattice Vector 影像 Image 数学工具 傅立叶转换 布拉格定理Braggs Law,Characters,晶体堆积模式 重复性(周期性) 原子 电子云,Translational Vector,真晶格 实际堆积的情形,Reciprocal Lattice Vector,倒晶格 藏在投影影像中,Image,影像 =/= 倒晶格 影像经过数学运算后得到倒晶格与真晶格,Trans V.S Image,图像 一维情形 (1-D,真晶格 一维情形 (1-D,傅立葉分析,Fourier Analysis,圖像与真和倒晶格的关系,順序：图 倒 真 结

3、构因子 来自傅立叶分析 数学部份 忽略,Fourier Analysis,Q1: 什么是傅立叶分析? Q2: 傅立叶分析的应用? Q3: 为什么傅立叶分析适用晶格转換,我是答案一,我是答案二,我是答案三,想知道答案吗,快点我吧嘿嘿,答案就在这里,Fourier Analysis A1,傅立叶分析是一种叠加的概念(似盖房子) 傅立叶级数式: 尤拉公式 ei = cos + isin 其概念与极式相通,Fourier Analysis A1,Fourier Analysis A2,方波的形成 (使用奇数倍频率正弦波叠加) 再造声波 电子琴,该看下一个問题了,傅立叶实例,Fourier Analys

4、is A3,T 真晶格 G 倒晶格 电子云密度为周期函数,Fourier Analysis A3,结论： 电子云的周期性造就 真晶格(T) 倒晶格(G) 的互换关系； 真晶格和倒晶格的空间向量內积,恭喜老爷 贺喜夫人,傅立叶分析结论,适用于所有具有周期性的函数； 拆解复杂的周期函数； 房子的设计图概念 傅立叶分析是图像，倒晶格，真晶格的,Braggs Law,从X-ray到DNA-解开DNA双螺旋结构之迷,沃森,克里克,伦琴,双螺旋结构的发现,小沟,大沟,沃森与克里克在1983向Nature发表了九百多字的期刊，提出了正确的DNA结构模型。 左图为两人从废弃铁工场找到原料所作出的DNA双螺旋模

5、型,所以，应该是磷酸在双股的线上，而含氮盐基在內。 且A和T配对，C和G配对,根据其他实验指出，大部分的碱基都有氢键存在而其氢键乃从氮氧相接而來。 也即，两个含氮盐基即可产生氢键,利用X-ray研究蛋白质的3-D结构,X-ray研究蛋白质的3-D结构,x-ray照射结晶，产生布拉格衍射，得到衍射分析图,振幅amplitude,相角,由电脑分析衍射图，可得衍射波的強度,结构因子F (structure factor,经过Forier 变换之后,多張電子密度圖(electron density map)比較,测量方法,Laue method Rotating-crystal method Powd

6、er method,Laue method,由科学家Von Laue所设计 第一种被用来测量衍射点的方法,2dsin=n,连续波长 晶体固定 平面底片,Rotating-crystal method,多用在大型晶体(如蛋白质)上 在晶体衍射时进行旋转,连续波长 晶体固定 平面底片,Powder method,原理与Rotating-crystal 相似 结晶为粉末状,回流程图,连续波长 晶体固定 平面底片,布拉格衍射图,回流程圖,X射线结晶学揭示第一个蛋白质结构myoglobin实验,大分子三维空间结构,1950年代前维生素B12 1957年,John Kendrew肌红蛋白 (myoglob

7、in 17.8kdal) 蛋白小 容易制备与结晶,肌红蛋白结晶化,X-ray crystallography实验组成装置,肌红蛋白结晶X-ray分析图,肌红蛋白电子密度图(部分,低解析度肌红蛋白模型,高解析度下的肌红蛋白模型,蛋白质结构的重要性X-ray与结构生物学的近期发展,蛋白质3D结构重要性,20种氨基酸组成； 在立体空间上折叠，产生复杂的螺旋、叠状、和弯曲； 特有的活性功能区域； 生物机制和功能； 基础生命科学领域； 验证生化反应机制及实验假说； 提供新的诠释与研究方向,协助搜寻並快速决定小分子药物的构造 降低新药开发所需的时間与投资成本 改进药物的疗效 爱滋病毒抑制药物,X-光晶体衍

8、射学的近期变化与发展,同步辐射光源的应用 结构基因组学的发展,同步辐射光源(synchrotron radiation,光源強大、品质稳定 光源能量可调整 MAD+先进的电荷耦合器+同步辐射的強大光源 巨大分子的晶体-晶格巨大且体质脆弱、衍射数据微弱等结晶学上的障碍,结构基因组学,快速地在基因资料库中加入基因编码之蛋白質的三维空间结构资料 突破所遇到的瓶颈、改善实验方法並加快研究的进行 蛋白质大量表现和晶体的培养技术逐渐进入机械化的阶段,Oryx 6 Robot form Douglas Instrument：可於一年內以約400 種不同的 養晶條件，篩選500 個以上的蛋白質，設定最適合晶體生長的條件。速度、數量、樣品用量控制或晶化技術都有顯著的進步,组成的超大型结构基因组研究计划的研究成果，各领域的研究人员可以透过蛋白质结构