第八章-晶体结构分析在其他学科中的应用

第八章晶体结构分析的应用和发展方向晶体结构的测定对学科的发展、物体性能的说明、新产品的生产和探讨等方面都有很大的作用,其应用面很宽,不能尽述,略谈几点如下，抛砖引玉:

8.1晶体结构分析的应用晶体结构的成功测定,在晶体学学科的发展上起了确定的作用。因为它证明白晶体具有周期性结构这一推想,使晶体的很多特性得到了说明:如晶体能自发长成多面体外形(自范性),如立方体的食盐、六角形的水晶等,又如晶体各种物理性质(光性,导热性等)的各向异性和对称性等等。使晶体学的发展有了坚实的基础。

8.1.1晶体结构和晶体学学科矿物学中曾有不少矿物的元素构成很接近,但他们的性质相差很远(如石墨和金刚石都是碳,还如一些硅酸盐),而有的矿物其物理或化学性质相近,但其元素组成又很不相同(如云母类矿物等)，使人困惑。晶体结构的测定使性能的异同从结构上得到了合理的说明。如石墨因是层状结构，层间结合力差，故较软，而金刚石为共价键形成的骨架结构，故结合力强，无薄弱环节,成为最硬的材料。8.1.2晶体结构和晶体性质人类和疾病作斗争,总离不开药物。原始的药物是自然产物,动植物或矿物。以后随着科学的发展,开展了从自然产物中提取有效成分的方法,而有效成分晶体结构的测定进一步将从自然产物中提取的活性物质变更为人工合成，使有可能大量制造，提高了产量、降低了成本、造福于人类。这种基于结构,设计出合成路途，工业制造的方法在药物，染料，香料等很多工业部门都是广泛运用的。8.1.3晶体结构关联自然产物和人工合成近年，基于病毒结构、人体内各种大分子结构的测定及人体感染疾病途径的了解，搞清了某些疾病感染及发展的结构匹配须要。人类已经依据这些结构学问设计结构上匹配的、合适的药物，来事先爱护病毒和人体的结合点，或阻断病毒的自身繁衍，从而避开感染或限制其繁衍，而不使疾病发展,这就是所谓的基于结构的、合理的药物设计。例如艾滋病毒复制过程中不行缺的蛋白酶及人类设计的对称性抑制剂A-74704之间的氢键结合模式。由于抑制剂的结合阻断了病毒的结合，使其无法复制。变更了过去神农尝百草型的阅历找寻药物的方法。8.1.3晶体结构与药物设计

从前述的应用已经看出，晶体结构的测定及结构与性能关系的探讨,是今后走上人类按需设计新材料的基础。今日虽已测了很多晶体的结构,但还有很多未能测定,而且还不断有新化合物，新晶体出现,因此不断的测定他们的结构,加以总结分析是特别必要的。8.2可能的发展方向8.2.1数据的积累当今已有多个晶体结构数据库，如：（1）剑桥结构数据库（CSD）。包括各种有机，有机金属化合物及协作物的晶体学数据。（2）无机晶体结构数据库（ICSD）。（3）金属结晶学数据库（CRXSTMET）。(4）蛋白质数据库（PDB）。（5）晶体学数据（CD）。（6）粉末衍射卡片（PDF）。(7）有序无序结构数据库（OD）等。2001年2月12日，人类基因组框架图发表。接下来的任务是要把各基因的结构和功能搞清晰，有大量的基因结构须要测定。世界上已经成立了结构基因组的国际合作组织，安排人类基因结构的测定任务。除了人类基因以外，还有水稻基因组，各种病毒等范围更广的生物大分子结构需测定。生物大分子的数量将会远远超过各种无机物，有机物分子的总量。生物大分子结构测定将是今后晶体结构测定的主要任务。8.2.2各种生物大分子结构的测定依据已知的结构和性能的关系设计制造须要的新材料是进行大量结构测定的目的。如何总结大量已测结构的规律并与其性能、功能相联系是今后的任务之一。特殊是生物结构与功能的关系。进一步如何利用这种关系设计制造人类须要的材料，药物等,更是永不完结的任务。8.2.3结构与性能关系的探讨与应用目前虽已有各种方法用来解决相角的问题，但要置换很多同晶化合物还是颇费时和颇昂贵的，假如能如小分子那样用干脆法来解决相角问题，将会便利很多。我国科学家范海福院士是探讨干脆法的我国权威人物，正在进行这方面的探讨。8.2.4解生物大分子结构方法的发展晶体结构的描述。X射线结构分析和晶体学在无机、有机、自然有机、金属有机、催化、生物、药物、蛋白质、矿物、材料、金属等学科中的应用。电子衍射、中子衍射、粉末衍射的晶体学应用。8.2.5晶体结构分析在其他学科中的应用目前的试验室单晶体结构分析方法对于测定小分子的单晶体结构已经是相当完备了,但对于巨大的生物大分子就显得懦弱无力，主要是光源强度不够，光的平行性不良，波长又不好调。目前主要要依靠同步辐射作为X射线源。同步辐射X光源(synchrotronradiation)比常规X射线源有很多优点,所以用同步辐射光源测定生物大分子的结构更有无比的优越性。8.2.6单晶体结构分析试验方法的发展同步辐射1.同步辐射X射线单晶衍射技术的特点:同步辐射产生高强度的X射线,在短时间内收集衍射数据。Hajdu等用试验室X光源,为收集到糖原磷酸化酶b2.7A分率的衍射数据(约10000个),约一周的时间,而用同步辐射X射线,只花了25min收集到全部衍射数据。对于蛋白质晶体,X射线损伤的限速过程是照射产生的OH自由基的扩散,常温下该扩散的时间尺度为数小时。因而,用同步辐射X射线测量时,在此时间范围内即可收集到全部数据,而且晶体不至于造成损伤。(2)利用同步辐射波长可随意变更的特性,可以利用多波长反常散射技术,干脆确定常规X射线晶体结构分析中最困难的相位参数。特殊是用硒代替甲硫氨酸中的硫,以及应用溴化脲嘧啶等标记,可便利地分别用于蛋白质和核酸结构中相位参数的测定。1995年在美国NSLS的X4A同步辐射光束线试验站上就发表了12个接受多波长反常散射法测定新的生物大分子结构。(3)由于同步辐射的高强度,就有可能用微小的晶体进行结构的分析。蛋白质等晶体的培育,目前还找不到内在的规律性,难以得到供试验室X射线源祚高辨别率测量用的大晶体。但是对于同步辐射X射线源,则用尺度上比常规小几个数量级的晶体。例如对20KD左右大小的蛋白质分子,用一般试验室X射线源时,晶体必需大于0.13mm×0.13mm×0.13mm。若用2.5GeV同步辐射装置产生的单色X射线,其强度提高了1000倍,此时晶体大小为0.03mm×0.03mm×0.03mm。Tan用于测定(C2H8N）（Sb4S7）的晶体结构的晶粒仅为20μm×30μm×40μm。比试验室X射线源所用晶体在线度上要小1个数量级,在体积上要小3个数量级。由于同步辐射的高强度使弱衍射可以测出,这对于总结出正确的系统消光规律,避开得出错误的空间群有确定性的作用。Schomaker等有过特地的探讨,Kassner等对弱衍射与晶体是否有对称中心的关系进行了探讨,他们认为弱反射在确定有无对称中心中取确定性作用。(5)同步辐射光源结合劳厄试验方法能在微秒的时间尺度进行时间辨别的三维结构探讨。由此将传统的静态结构分析提高到动态结构的新高度,这是目前用其他方法不能达到的。有很多生物反应的速度是相当快的,如血红蛋白与一氧化碳的结合，速度在纳秒级（10-9sec），要对这种反应进行动力学探讨，既要有高强度脉冲光源,又要有快速切换的探测器以连续跟踪反应。现在已有了强脉冲光源，但探测器的切换速度却慢太多，须要作长时间的更大的努力。3.同步X射线衍射技术在三维结构生物学中的应用(1)细胞膜通道的探讨人们早就相识到水和其他物质如K+、Na+、Ca2+和Cl-等多种离子能够经过一些孔道通过细胞壁,但是细胞膜是如何选择性转运离子的,以及离子的运动又是如何受调控却始终不为人所知。2000年P.Agre等应用场放射电子源的电子衍射方法得到辨别率为3.8A的AQPl水通道电子密度图。就在同时Robert等在美国LawrenceBerkeley国家试验室的ALS,用同步辐射X衍射方法得到一种和水通道具有相像结构的甘油通道GlpF辨别率为2.2A的电子密度图。美国科学家R.Mackinnon等在1998年首次得到膜蛋白离子通道的结构,他们在Cornel高校高能同步光源(CHESS)通过X射线衍射解出一种称为KcsA的K+通道的原子结构,辨别率为3.2A。近年来他们始终致力于K+通道的结构、特性、功能等方面的探讨。R.Mackinnon和P.Agre因为对膜蛋白分子和离子通道开创性的探讨,而共同共享2003年的诺贝尔化学奖。(2)光合作用机制的探讨植物光合作用机制的阐明一向是人们梦寐以求的,长期以来进展不大。1985年德国Deisenhofer和他的同事测定了紫色光合细菌光合膜中光合反应中心复合体的晶体结构。他们的探讨成果引起很大的轰动,因为这是第一个真正原子水平上的膜蛋白结构,该结构的辨别率为2.3A,光合反应中心由4个蛋白质亚基和14个非蛋白质辅基构成,复合体的分子量为145kD。为此他们荣获1988年诺贝尔化学奖。中国科学院生物物理所的ZhengfengLiu等在中国科学院高能物理所同步辐射国家试验室的同步X衍射生物大分子试验站,用同步辐射X射线衍射完成了菠菜主要捕光复合体(LHC-II)2.72A辨别率的晶体结构测定。并论述光合作用系统的主要捕光复合体LHC-II在绿色植物的光合作用中主要是太阳能的收集器,在强光条件下还能起到光爱护物的功能。

ZhenfengLiu,etal.,Crystalstructureofspinachmajorlight-harvestingcomplexat2.72?Resolution.Nature2004,428(6980):287～292(3)能量转换的探讨能量转换的一个关键是跨膜质子电化学梯度的建立,这都是由膜蛋白介导完成的,由于膜蛋白结晶的困难,长期以来对此过程的分子机制了解甚少。20世纪末日本学者Tsukihara等成功地结晶牛心细胞色素C氧化酶,得到辨别率为2.8A的结构模型。他们从酶的几种状态的晶体结构比较,提出质子泵的机理。随后他们又进一步用光子工厂同步辐射得到2.30A辨别率的该晶体结构,并提出质子泵过程中的间接偶联机制。(4)信号转导的探讨

外界信号大多是通过细胞质膜上的特殊蛋白及其它多种蛋白质的接联反应最终传至细胞内的细胞核等靶区。如细胞质膜内表面的一种G蛋白,它在信号受体蛋白和效应器(酶、离子通道等)之间起中介体作用。Tesmer等在美国Cornel高校高能同步辐射源上测定了腺苷酸化酶复合物的2.3A辨别率的晶体结构。该结果是第一个有关两个信号蛋白分子在质膜上相互“交谈”的三维图像,并提出该G蛋白α亚基激活腺苷酸环化酶的分子机制。(5)基因转录的探讨生物基因转录它涉及DNA与蛋白质的相互作用,同时往往数种乃至十几种蛋白质起作用,这样就必需测定超分子复合体的晶体结构。Geiger等得到TFIIA/TBP/TATAbox复合体、TFIIA/TFIIB/TBP/TATAbox复合体的晶体结构。晶体结构表明,TFIIA和TFIIB这两个转录因子分别位于DNA两侧,因而它们无干脆的相互作用。并且TFIIB和TATAbox的上游及下游区都有作用,而TFIIA只位于TBP/TATA复合体的上游区。（6）病毒生物大分子结构的探讨小RNA病毒是一种正链RNA动物病毒,其中的鼻病毒能引起人们常见的感冒。这种病毒的分子量约为250×104Da,蛋白壳体为20面体对称结构,由60个原体组成。每个原体则由VP1、VP2、VP3三个表面蛋白质亚基及一个和RNA核心紧密结合的VP4F蛋白质亚基构成。1985年用同步辐射X射线、成功地测定称为鼻病毒的超分子复合体的三维结构,这是第一个在2.8A辨别率水平上被阐明结构的动物病毒。美国科学家和新加坡科学家合作,利用美国DOE’s国家试验室的AdvancedPhotonSource(APS)的同步辐射X射线衍射技术,测定SARS冠状病毒蛋白酶,得到1.86A辨别率的晶体结构模型。这为治疗SARS新药的设计、研制和开发,供应最有力的依据。同步辐射是一种大科学装置，设备大投资高，不是一般试验室所能具备的，须要申请立项才能运用。因此，假如能发展出高强度的试验室光源和极高灵敏度的探测器，使在一般试验室中也能测定生物大分子结构，则确定是有益的。

高强度的试验室光源和极高灵敏度的探测器时间辨别X射线衍射(Time-resolvedX-rayDiffraction)又称超快X射线衍射(UltrafastX-rayDiffraction)；在生物化学领域，被称为时间辨别X射线结晶学（Time-resolvedX-rayCrystallography）。超快时间辨别X射线衍射仪，波长在硬X射线区，能利用这个系统从事材料和生物、生化等各种超快过程的探讨。时间辨别率达到ps量级，晶格间距变更的辨别率达到mÅ尺度。时间辨别X射线衍射仪时间辨别X射线衍射是目前观测生化反应和物理变更过程中原子瞬间运动状态的最有效方法。在很多生物、化学和材料探讨中，人们希望视察在原子运动尺度上所发生过程的一些状态，特殊是非稳态和短寿命的中间态，从而了解更多物质世界的奇异，如植物的光合作用、蛋白质的运动、超导相变、新药的药理作用等等，只有当探测光的脉宽比这个时间更短时，才有可能视察到。

超快时间辨别X射线衍射可以在原子水平上视察这些动态过程，因为X射线的波长正好与原子间距同一个量级，而超快脉冲已达到飞秒甚至更短的水平，因此超快时间辨别的x射线衍射能够探测到晶体内部结构真实的动态信息。有很多生物反应的速度是相当快的,如血红蛋白与一氧化碳的结合，速度在纳秒级（10-9sec），要对这种反应进行动力学探讨，既要有高强度脉冲光源,又要有快速切换的探测器以连续跟踪反应。现在已有了强脉冲光源，但探测器的切换速度却慢太多，须要作长时间的更大的努力。目前市场上都是静态X射线衍射仪，超快时间辨别X射线衍射仪在国内外市场尚属空白，明显研制时间辨别X射线衍射仪刻不待时，可以占据市场真空，有着巨大的产业化前景。1、内容：标题，作者姓名，年级，专业。摘要关键词前言：探讨领域的简要概述，该领域探讨的意义，主要内容：结论或结束语,今后可能探讨的方向。参考文献8.3探讨进展论文－（自学）参考文献格式：杂志：作者，标题，杂志名，年、卷、页，书刊：作者，书名，编辑者名，年、页，出版社（出版地）2、要求：历史，新，难，准，评说字迹工整，标点符号正确，层次清晰。电子版和纸版各交1份。考试交卷日期：2008年1月7日,地点另行通知。E-mail:zhuy@3、题目范围：（1）C60、C70及其络合物的发展和应用（2）超导晶体结构的探讨（3）生物无机分子晶体结构的探