看清蛋白质生物大分子质谱电离技术的突破及核磁共振三维结构测定课件

“看清看清”蛋白质蛋白质生物大分子质谱电离技术的突破及生物大分子质谱电离技术的突破及生物大分子质谱电离技术的突破及生物大分子质谱电离技术的突破及核磁共振三维结构测定方法的建立核磁共振三维结构测定方法的建立核磁共振三维结构测定方法的建立核磁共振三维结构测定方法的建立2002 年诺贝尔化学奖简介陈铭涛 03088003“看清”蛋白质生物大分子质谱电离技术的突破及核磁共振1 1“将我全部财产作为设立诺贝尔奖的基金，每年取出基金利息，奖给对人类文化科学事业做出重大贡献的人。”“将我全部财产作为设立诺贝尔奖的基金，每年取出基金利息，奖给2 2看清蛋白质生物大分子质谱电离技术的突破及核磁共振三维结构测定课件3 3 人物约翰约翰约翰约翰BB芬恩芬恩芬恩芬恩(John BJohn B.FennFenn)美国人美国人,1917,1917 年生于纽约年生于纽约,1940,1940 年在耶鲁大学获博士学位年在耶鲁大学获博士学位,1967,19671987 1987 年任耶鲁大学教授年任耶鲁大学教授,1987,1987 年为该校的年为该校的Emeri2tus Emeri2tus 教授教授,1994,1994 年起任弗吉尼亚共同体大学教年起任弗吉尼亚共同体大学教授。授。田中耕一田中耕一田中耕一田中耕一(Koichi TanakaKoichi Tanaka)日本人日本人,1959,1959 年生于日本富山年生于日本富山,1983,1983 年在东北大学获工程学士学位年在东北大学获工程学士学位,现任日本京都岛津公司分析和测现任日本京都岛津公司分析和测量仪器部生命科学经营处研究与开发工程师。量仪器部生命科学经营处研究与开发工程师。库尔特库尔特库尔特库尔特 维特里希维特里希维特里希维特里希(Kurt WthrichKurt Wthrich)瑞士人瑞士人,1938,1938 年生于瑞士阿年生于瑞士阿尔贝格尔贝格,1964,1964 年在巴塞尔大学获无机化学博士学位年在巴塞尔大学获无机化学博士学位,1980,1980 年起在年起在瑞士苏黎世瑞士苏黎世ETH ETH 任分子物理学教授任分子物理学教授,并兼任美国加州并兼任美国加州La Jolla La Jolla 的的斯克里普斯研究所结构生物学访问教授。斯克里普斯研究所结构生物学访问教授。人物约翰B芬恩(Joh4 4“革命性的突破”所有生物所有生物细菌、细菌、植物以及动物植物以及动物都含都含有包括有包括DNA DNA 和蛋白质在内和蛋白质在内的生物大分子。的生物大分子。“看清看清”它们的真面目曾经是科学它们的真面目曾经是科学家们梦寐以求的事家们梦寐以求的事,如今这如今这一梦想成为现实。瑞典皇一梦想成为现实。瑞典皇家科学院解释说家科学院解释说,3,3 位获奖位获奖者发明的方法可以帮助科者发明的方法可以帮助科学家绘制出蛋白质的三维学家绘制出蛋白质的三维结构图结构图,从而从而“看清看清”蛋白蛋白质质,并且了解它们是如何在并且了解它们是如何在细胞中发挥作用的细胞中发挥作用的,这项成这项成果是果是“革命性的突破革命性的突破”。“革命性的突破”所有生物细菌、植5 5质谱分析法约翰约翰约翰约翰BB芬恩芬恩芬恩芬恩(John BJohn B.FennFenn)&田中耕一田中耕一田中耕一田中耕一(Koichi TanakaKoichi Tanaka)质谱分析法约翰B芬恩(John B.Fenn)6 6n n质谱分析法是化学领域中一种非常重要的分析方法。它通过测定质谱分析法是化学领域中一种非常重要的分析方法。它通过测定分子质量和相应的离子电荷实现对样品中分子的分析。分子质量和相应的离子电荷实现对样品中分子的分析。n n质谱分析用于生物活性分子的研究具有如下的优点质谱分析用于生物活性分子的研究具有如下的优点:灵敏度极高灵敏度极高,能为亚微克级试样提供信息能为亚微克级试样提供信息,适用于复杂体系中痕量物质的鉴定和适用于复杂体系中痕量物质的鉴定和结构测定结构测定 。n n质谱技术具有非常强的结构分析能力质谱技术具有非常强的结构分析能力,并且样品用量极少并且样品用量极少(10-10-11g)11g)。19 19 世纪末科学家已经奠定了这种方法的基础世纪末科学家已经奠定了这种方法的基础,1912,1912 年科学年科学家约瑟夫家约瑟夫 汤普生汤普生(Joseph Thompson)(Joseph Thompson)第一次利用它获得对小分第一次利用它获得对小分子的分析结果子的分析结果.质谱分析法是化学领域中一种非常重要的分析方法。它通过测定分子7 7问题?n n不过不过,最初科学家只能将质谱最初科学家只能将质谱分析用于分析小分子和中型分分析用于分析小分子和中型分子子,由于生物大分子比水这样由于生物大分子比水这样的小分子大成千上万倍的小分子大成千上万倍,因而因而将这种方法应用于生物大分子将这种方法应用于生物大分子非常困难。非常困难。n n虽然虽然,相对而言生物大分子很相对而言生物大分子很大大,但它们实际上是非常小的。但它们实际上是非常小的。例如一个人体内运送氧气的血例如一个人体内运送氧气的血红蛋白分子的质量仅有千亿亿红蛋白分子的质量仅有千亿亿分之一克分之一克(10-19g),(10-19g),如何测如何测定单个生物大分子的质量呢定单个生物大分子的质量呢?问题?不过,最初科学家只能将质谱分析用于分析小分子和中型分子8 8 方法 科学家在传统的质谱分析法基础上发科学家在传统的质谱分析法基础上发明了一种新方法明了一种新方法:首先将成团的生物大分子首先将成团的生物大分子拆成单个的生物大分子拆成单个的生物大分子,并将其电离并将其电离,使之悬使之悬浮在真空中浮在真空中,然后让它们在电场的作用下运然后让它们在电场的作用下运动。不同的分子通过指定距离的时间不同动。不同的分子通过指定距离的时间不同,质量小的分子速度快些质量小的分子速度快些,质量大的分子速度质量大的分子速度慢些慢些,通过测量不同分子通过指定距离的时通过测量不同分子通过指定距离的时间间,就可计算出分子的质量。这种方法的难就可计算出分子的质量。这种方法的难点在于生物大分子比较脆弱点在于生物大分子比较脆弱,在拆分和电离在拆分和电离成团的生物大分子过程中它们的结构和成分成团的生物大分子过程中它们的结构和成分很容易被破坏。现在很容易被破坏。现在,有有2 2 种方法克服这一种方法克服这一技术难点技术难点,其中约翰其中约翰 芬恩是对成团的生物芬恩是对成团的生物大分子施加强电场大分子施加强电场,田中耕一则用激光轰击田中耕一则用激光轰击成团的生物大分子。这成团的生物大分子。这2 2 种方法种方法电喷射电喷射离子化离子化(ElectrosprayIonisation-ESI)(ElectrosprayIonisation-ESI)和软和软激光解吸附作激光解吸附作(SoftLaser Des2orption-(SoftLaser Des2orption-SLD)SLD)技术技术(如图如图1 1 所示所示)都成功地使生都成功地使生物大分子相互完整地分离物大分子相互完整地分离,同时也被电离。同时也被电离。他们的发明奠定了科学家对生物大分子进行他们的发明奠定了科学家对生物大分子进行进一步分析的基础。进一步分析的基础。方法 9 9核磁共振核磁共振1010n n瑞士科学家库尔特瑞士科学家库尔特 维特里希则发明了维特里希则发明了“利用核磁共振技术测利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维结构法定溶液中生物大分子三维结构法”。这种方法的优点是可对溶液。这种方法的优点是可对溶液中的蛋白质进行分析中的蛋白质进行分析,进而可对活细胞中的蛋白质进行分析进而可对活细胞中的蛋白质进行分析,能获能获得得“活活”蛋白质的结构蛋白质的结构,其意义非常重大。这种方法的原理可以用其意义非常重大。这种方法的原理可以用测绘房屋的结构来比喻首先选定一座房屋的所有拐角作为测量对测绘房屋的结构来比喻首先选定一座房屋的所有拐角作为测量对象象,然后测量所有相邻拐角间的距离和方位然后测量所有相邻拐角间的距离和方位,据此就可以推知房屋据此就可以推知房屋的结构。维特里希选择生物大分子中的质子的结构。维特里希选择生物大分子中的质子(氢原子核氢原子核)作为测量作为测量对象对象,连续测定所有相邻的连续测定所有相邻的2 2个质子之间的距离和方位个质子之间的距离和方位,这些数据经这些数据经计算机处理后就可形成生物大分子的三维结构图。计算机处理后就可形成生物大分子的三维结构图。瑞士科学家库尔特维特里希则发明了“利用核磁共振技术测定溶1111n n核磁共振核磁共振(NuclearMagnetic Resonance-NMR)(NuclearMagnetic Resonance-NMR)现象是现象是1946 1946 年年由哈佛大学的伯塞由哈佛大学的伯塞(E.M.Purcell)(E.M.Purcell)和斯坦福大学的布洛赫和斯坦福大学的布洛赫(F.Bloch)(F.Bloch)所领导的所领导的2 2个小组个小组,用不同的方法在各自的实验室里观用不同的方法在各自的实验室里观察到的察到的,伯塞尔使用的实验方法是吸收法伯塞尔使用的实验方法是吸收法,而布洛赫使用的是感应而布洛赫使用的是感应法法.核磁共振分析技术是利用物理原理核磁共振分析技术是利用物理原理,通感应法通感应法.核磁共振分析技核磁共振分析技术是利用物理原理术是利用物理原理,通过对核磁共振谱线特征参数的测定来分析物通过对核磁共振谱线特征参数的测定来分析物质的分子结构与性质质的分子结构与性质.NMR.NMR 不破坏被测样品的内部结构不破坏被测样品的内部结构,是一种无损是一种无损检测方法检测方法.由于不同的原子核吸收不同的电磁波由于不同的原子核吸收不同的电磁波,因而通过测定和因而通过测定和分析受测物质对电磁波的吸收情况就可以判定它含有哪种原子分析受测物质对电磁波的吸收情况就可以判定它含有哪种原子,原原子 之 间 的 距 离 有 多 大子 之 间 的 距 离 有 多 大,并 据 此 分 析 出 它 的 三 维 结 构。并 据 此 分 析 出 它 的 三 维 结 构。核磁共振(NuclearMagnetic Resonanc1212核磁共振核磁共振(NuclearMagnetic Resonance-NMR)(NuclearMagnetic Resonance-NMR)核磁共振(NuclearMagnetic Resonanc1313 在水溶液中在水溶液中,大约有一半的蛋白质链呈现出规则、紧密的大约有一半的蛋白质链呈现出规则、紧密的 三维结构三维结构,而另一半则非常松而另一半则非常松 。目前。目前,科学家已经利用这一方科学家已经利用这一方法绘制出法绘制出15%15%20%20%的已知蛋白质的结构。的已知蛋白质的结构。n n最初最初,核磁共振技术主要用于核物理研究方面核磁共振技术主要用于核物理研究方面,用它测量各种原子用它测量各种原子核的磁矩核的磁矩,误差仅是误差仅是0.003%0.003%0.005%;0.005%;迄今迄今,它已广泛应用于化它已广泛应用于化学、食品、医学、生物学、遗传学等学科领域学、食品、医学、生物学、遗传学等学科领域,已成为在这些领域已成为在这些领域开展研究工作的有力工具开展研究工作的有力工具,甚至是某些领域甚至是某些领域(如如:化学、医学诊断、化学、医学诊断、药物学等药物学等)常规分析中不可缺少的手段。常规分析中不可缺少的手段。1985 1985 年年,维特里希等人公维特里希等人公布了第一次利用布了第一次利用NMR NMR 法测定的溶液中蛋白质法测定的溶液中蛋白质蛋白酶抑制剂蛋白酶抑制剂IIA(proteinase inhibitor IIA)IIA(proteinase inhibitor IIA)的结构的结构(如图如图4 4 所示所示)。1990 1990 年用年用NMR NMR 测定的蛋白质结构有测定的蛋白质结构有23 23 个个,而到而到1994 1994 年一年测定的蛋白质年一年测定的蛋白质结构数上升到结构数上升到100100个。个。1997 1997 年年,维特里希应用维特里希应用NMR NMR 方法测定的一方法测定的一种蛋白质种蛋白质蛋白感染素蛋白感染素(prion protein)(prion protein)的结构的结构 在水溶液中,大约有一半的蛋白质链呈现出规则1414n n随着人类基因组图谱、水稻基因组草随着人类基因组图谱、水稻基因组草图以及其他一些生物基因组图谱破译图以及其他一些生物基因组图谱破译成功成功,生命科学和生物技术进入后基因生命科学和生物技术进入后基因组时代。专家认为组时代。专家认为,在未来在未来20 20 年内年内,生生物技术将蓬勃发展物技术将蓬勃发展,很可能成为继信息很可能成为继信息技术之后推动经济发展和社会进步的技术之后推动经济发展和社会进步的主要动力主要动力,由这由这3 3 位诺贝尔化学奖得主位诺贝尔化学奖得主发明的发明的“对生物大分子进行确认和结对生物大分子进行确认和结构分析的方法构分析的方法”将在今后发挥重要作将在今后发挥重要作用用.随着人类基因组图谱、水稻基因组草图以及其他一些生物基因组图谱1515n n 分子反应动力学国家重点实验室主任王鸿飞教分子反应动力学国家重点实验室主任王鸿飞教授这样评价授这样评价:本次本次3 3 位诺贝尔化学奖得主发明的方法位诺贝尔化学奖得主发明的方法,可以实现对蛋白质进行依次可以实现对蛋白质进行依次“点名点名”,”,知道它们各自知道它们各自的特点并得到它们的三维结构图的特点并得到它们的三维结构图,这样就可以对这些这样就可以对这些蛋白质的功能做进一步研究蛋白质的功能做进一步研究,分析出它们对人类疾病分析出它们对人类疾病的影响。诺贝尔化学奖委员会主席本特的影响。诺贝尔化学奖委员会主席本特 诺登说诺登说:“:“他们的成果为未来探索癌症的治疗方法铺平了道路。他们的成果为未来探索癌症的治疗方法铺平了道路。3”3”正如中科院化学所研究员卞则梁所说正如中科院化学所研究员卞则梁所说,以前生物以前生物学界无法对学界无法对DNA DNA 和蛋白质这样的生物大分子结构进和蛋白质这样的生物大分子结构进行准确测量行准确测量,这次获奖的这次获奖的“生物大分子质谱分析法生物大分子质谱分析法”不仅可以准确测量生物大分子的分子量不仅可以准确测量生物大分子的分子量,而且可以进而且可以进一步揭示各种蛋白质分子内氨基酸的构成和一步揭示各种蛋白质分子内氨基酸的构成和DNA DNA 分分子内核糖核酸的构成及其序列结构子内核糖核酸的构成及其序列结构,这对人类疾病治这对人类疾病治疗方面具有重大的意义。清华大学化学系教授赵玉芬疗方面具有重大的意义。清华大学化学系教授赵玉芬院士认为院士认为,3,3 位获奖者的成果对于生命科学发展的影位获奖者的成果对于生命科学发展的影响意义深远。在响意义深远。在21 21 世纪世纪,化学学科将和生命科学更紧化学学科将和生命科学更紧密地融合。密地融合。分子反应动力学国家重点实验室主任王鸿飞教授这样1616Thank You!Thank You!1717