结构生物学简介、发展趋势和研究方法课件

结结构生物学构生物学简简介、介、发发展展趋势趋势和研究方和研究方法法结构生物学简介、发展趋势和研究方法1为为什么要研究什么要研究结结构？构？结结构生物学的研究内容构生物学的研究内容结结构生物学构生物学诞诞生的科学背景生的科学背景结结构生物学的构生物学的历历史、史、现现状和状和发发展展趋势趋势结结构生物学的研究方法构生物学的研究方法结结构生物学在构生物学在“后基因后基因组时组时代代”中的重要性中的重要性为什么要研究结构？2为什么要研究结构？三维生物大分子结构是解释生物大分子功能的基础。1962 DNA双螺旋结构/生理学和医学1962 血红蛋白和肌红蛋白/化学1964 维生素B12和胰岛素/化学1982 病毒/化学1988 细菌光合反应中心/化学1997 ATP F1/化学三维结构数据的积累将带动生物学领域中其它学科的发展。分子生物学结构基因组学药物分子设计蛋白质工程。一些生物大分子三维结构的测定，如病毒结构，为解释其致病机制提供可能，并最终为开发相关疫苗或新药奠定基础。在在药药物分子物分子设计设计中，高分辨率的三中，高分辨率的三维结维结构数据是构数据是设计设计的重要依据的重要依据。一些蛋白质三维结构的测定具有巨大的工业应用前景。为什么要研究结构？三维生物大分子结构是解释生物大分子功能的基3蛋白蛋白质质物物质结质结构、功能及相互作用构、功能及相互作用后基因后基因组时组时代生命科学主要任代生命科学主要任务务蛋白蛋白质质-最主要的生命活最主要的生命活动载动载体和功能体和功能执执行者行者蛋白质物质结构、功能及相互作用蛋白质-最主要的生命活动载体4结构与功能功能 结构结构与功能功能结构5结构生物学的内涵关于结构生物学的定义(definition of structural biology)：Structural biology:A field of study dedicated to determining the detailed,three-dimensional structures of biological molecules to better understand the function of these molecules.The structures of life,Alisa Zapp Machalek结结构生物学构生物学是以生命物质的精确空间结构及其运动为基础来阐明生命活动规律和生命现象本质的学科，其核心内容是蛋白质及其复合物、组装体和由此形成的细胞各类组分的三维结构、运动和相互作用，以及它们与正常的生物学功能和异常病理现象的关系。后基因组时代中的结构生物学，王大成结构生物学的内涵关于结构生物学的定义(definition6生物大分子生物大分子发挥发挥其生物学功能必需具其生物学功能必需具备备：(1)稳稳定的、特征的三定的、特征的三维结维结构：构：凡要发挥功能和活性的生物大分子必须具 有特定的，自身特有，相对稳定的三级结构。(2)三三维结维结构在各个水平上的运构在各个水平上的运动动：任何的破坏促使没有稳定的三级结构和结构 运动，生物大分子很难发挥生物功能或活性结结构生物学的内涵构生物学的内涵生物大分子发挥其生物学功能必需具备：结构生物学的内涵7结结构生物学的内涵构生物学的内涵结结构构生生物物学学 以以生生物物大大分分子子三三维维结结构构测测定定为为手手段段、以以生生物物大大分分子子结结构构与与功功能能研研究究为为内内容容、以以探探讨讨和和阐阐明明生生物物学学各各前前沿沿领领域域中中分分子子作作用用机机制制和和原原理理为为目目的的 是是当当前前分分子子生生物物学学的的基基础础和和前前沿沿领领域域，它它更更是是分分子子生生物物物物理学的核心。理学的核心。生物分子生物分子结结构与功能关系的研究一直是分子生物学的核心。三构与功能关系的研究一直是分子生物学的核心。三维结维结构构与功能关系研究的迅速与功能关系研究的迅速发发展已成展已成为现为现代分子生物学的前沿与主流。代分子生物学的前沿与主流。结结构生构生物学是以生物大分子三物学是以生物大分子三维结维结构及其运构及其运动动的研究的研究结结果果为为基基础础，定量地定量地阐阐明生明生命命现现象的科学。从当前象的科学。从当前发发展展趋势趋势来看，来看，结结构生物学已构生物学已经经成成为为生命科学的前生命科学的前沿和沿和带头带头学科。学科。结构生物学的内涵生物分子结构与功能关系的研究一直是分子生物8definition of structural biology：结构生物学主要是用物理的手段,用X-射线晶体学、核磁共振波谱学、电镜技术等物理学技术来研究生物大分子的功能和结构，阐明这些大分子相互作用中的机制。结结构生物学的内涵构生物学的内涵definitionofstructuralbiolo9测测定生物大分子三定生物大分子三维结维结构所使用的三种主要构所使用的三种主要实验实验技技术术方法：方法：1。晶体。晶体X射射线线衍射（衍射（X-raydiffraction）技）技术术 所能所能测测定的生物大分子的分子量范定的生物大分子的分子量范围宽围宽，可以从，可以从1kDa1kDa以下以下到到400kDa400kDa甚至更大，技甚至更大，技术术成熟度、成熟度、应应用成本低廉、用成本低廉、可高通量化，分辨率高，可快速测定结构；缺点：缺点：需要可衍射单晶，有相位问题。2。溶液多。溶液多维维核磁共振（核磁共振（NMR）技）技术术溶液构象，无需结晶，无相位问题，可得到动力学信息：缺点：方法尚在发展中，目前仍限于较小分子量蛋白质结构测定；应应用成本用成本远远高于晶体高于晶体X X射射线线衍射技衍射技术术。3。低温。低温电电子子显显微微镜镜三三维电维电子衍射子衍射图图象重构技象重构技术术 非常适合非常适合测测定分子量非常巨大的生物大分子的复合体，例定分子量非常巨大的生物大分子的复合体，例如病毒、膜蛋白的复合体等。如病毒、膜蛋白的复合体等。测定生物大分子三维结构所使用的三种主要实验技术方法：10电电子子显显微学（微学（electron microscopy：EM），），CryoEM优点：不需大单晶，无相位问题，可观察原位及单粒子结构；缺点：分辨率低，仪器昂贵，操作复杂；与高分辨X光结构结合，前景可观。小角散射方法：小角散射方法：X射射线线（SAXS），可），可见见光。光。其他谱学方法：例如各种光谱学方法（可见；紫外；荧光；红外；园二色；RAMAN等）；EPR；质谱方法：结构生物学简介、发展趋势和研究方法课件11结构生物学的研究内容生物大分子：蛋白质、核酸、多糖、脂质。蛋白质在生命活动过程中的作用：酶的催化机械支持运输和贮存协调作用免疫保护生长和分化的控制神经系统的产生和控制信号传导跨膜运输电子传递光合作用结构生物学的研究内容生物大分子：蛋白质、核酸、多糖、脂质。12结构生物学诞生的科学背景19世纪后半叶至20世纪初生物学的发展孟德尔遗传定律的建立发现DNA是遗传物质DNA组成的分析酶学的发展生物学研究的进展迫切需要揭示核酸和蛋白质的结构和功能19世纪末20世纪初物质结构理论和技术的发展量子力学，量子化学，化学键理论，分子轨道理论X射线结构分析，原子光谱，分子光谱，磁共振谱，光电子能谱理论和技术的进展已经可以测定无机和有机小分子的化合物结构生物大分子的结构与功能研究提上日程结构生物学诞生的科学背景19世纪后半叶至20世纪初生物学的发13结构生物学的历史、现状和发展趋势结构生物学的发展历史结构生物学的诞生（-1957）早期发展（1957-1967）全面发展时期（1967-1987）加速发展时期（1987-2000）后基因组时期（2000-至今）结构生物学的研究现状结构生物学的发展趋势结构生物学的历史、现状和发展趋势结构生物学的发展历史14十九世十九世纪纪末，俄末，俄罗罗斯科学家斯科学家费费得得罗罗夫等建立了夫等建立了结结晶晶物物质质的空的空间对间对称群理称群理论论。1895年，（年，（伦伦琴）琴）发现发现X射射线线(获获1901年年诺贝诺贝尔尔物理物理学学奖奖)。其后的一百多年其后的一百多年间间，射，射线线在物在物质结质结构研究构研究上立下了永不磨上立下了永不磨灭灭的的伟伟大功大功绩绩。1912年，年，M.von Laue（劳劳埃）埃）发现发现晶体的晶体的X射射线线衍衍射（射（获获1914年年诺贝诺贝尔尔物理学物理学奖奖），开，开创创了晶了晶态态物物质结质结构构研究的新研究的新纪纪元。元。1913年，奠定了年，奠定了结结晶物晶物质质内部内部结结构构实验测实验测定的理定的理论论基基础础（获获1914年年诺贝诺贝尔尔物理学物理学奖奖）。）。结结构生物学的构生物学的发发展展历历程程十九世纪末，俄罗斯科学家费得罗夫等建立了结晶物质的空间对称15The discovery of X-rayWilhelm Conrad Rntgen discovered X-Rays in 1895.1901 Nobel prize in PhysicsA modern radiograph of a hand Bertha Rntgens Hand 8 Nov,1895 ThediscoveryofX-rayWilhelm161927年，提出年，提出“同晶置同晶置换换法法”；1929年，提出年，提出“重原子法重原子法”;1934年，提出年，提出“原子原子间间矢量法矢量法”；1933年，年，发发明明电电子子显显微微镜镜。结结构生物学的构生物学的发发展展历历程程结构生物学的发展历程17193x年，等年，等获获得第一得第一张张蛋白蛋白质质晶体晶体X射射线线衍射照衍射照片（胃蛋白片（胃蛋白酶酶）。）。1934年，年，英国英国伯伯纳纳尔尔（Bernal）和和 Crowfoot成成功功拍拍摄摄到到第一第一张张蛋白蛋白质质(胃蛋白胃蛋白酶酶)晶体的晶体的X射射线线衍衍射照片射照片1953年，根据氨基酸和小年，根据氨基酸和小肽肽的晶体的晶体结结构模型推断构模型推断蛋白蛋白质肽链质肽链的的-螺旋和螺旋和-折叠模型折叠模型 曾曾获获1954年年诺诺贝贝尔尔化学化学奖奖)。结结构生物学的构生物学的发发展展历历程程193x年，等获得第一张蛋白质晶体X射线衍射照片（胃蛋白酶181945-1955年，等年，等测测定了青霉素、定了青霉素、维维生素生素B12等重要生物分子等重要生物分子结结构。曾构。曾获获1964年年诺贝诺贝尔尔化学化学奖奖。194X-197x年，若干科学家提出并年，若干科学家提出并发发展了展了测测定晶体定晶体结结构的构的“直接法直接法”，获获1985年年诺贝诺贝尔尔化化学学奖奖。结构生物学简介、发展趋势和研究方法课件19 结结构生物学的构生物学的发发展展历历程程1953年，佩年，佩鲁鲁茨（茨（M.Perutz）建立同晶置建立同晶置换换方法方法用于解决用于解决生物大分子晶体生物大分子晶体结结构构测测定中的相位定中的相位问题问题，从而蛋白从而蛋白质质晶体学开始踏上自己晶体学开始踏上自己发发展的展的伟伟大大历历程。程。1953年，沃森（年，沃森（J.Watson）和克里克（和克里克（F.Crick）建立建立DNA双螺旋双螺旋结结构模型构模型,他他们们的的伟伟大大成就成就为为分子生物学奠定了基分子生物学奠定了基础础。1957年和年和1959年，坎德年，坎德润润（J.C.Kendrew）获获得得6分辨率的肌分辨率的肌红红蛋白晶体蛋白晶体结结构；佩构；佩鲁鲁茨（茨（M.Perutz）获获得得5 分辨率的血分辨率的血红红蛋白晶体蛋白晶体结结构。构。结构生物学的发展历程1953年，佩鲁茨（M.20结结 构构 生生 物物 学学 的的 发发 展展 历历 程程从从1957年年到到1967年年的的十十年年里里，随随着着溶溶菌菌酶酶结结构构之之后后，胰胰凝凝乳乳蛋蛋白白酶酶、核核糖糖核核酸酸酶酶、核核糖糖核核酸酸酶酶和和羧羧肽肽酶酶也也分分别别获获得得了了高高分分辨辨率率的的结结果果，表表明明蛋蛋白白质质晶晶体体学学已已经经成成为为一一门门成熟的学科。成熟的学科。从从六六十十年年代代末末进进入入七七十十年年代代，蛋蛋白白质质晶晶体体学学从从对对生生物物大大分分子子三三维维结结构构测测定定迈迈入入生生物物大大分分子子三三维维结结构构与与其其生生物物学学功功能能之之间间的的关关系系研研究究，从从而而它它既既是是分分子子生生物物学学研研究究的的有有力力的的重重要要手手段段，同同时时也也开开始始为为结结构构生生物物学学的的建建立立和和发发展展历历程程创创造着条件。造着条件。结构生物学的发展历程从1957年到196721“结结构构分分子子生生物物学学”、“结结构构生生物物学学”名名词词的的出出现现至至今今已已有有近近40年年，而而结结构构生生物物学学时时代代的的真真正正形形成成却却不不过过是是最最近近二二十十年年的的事。事。显显然，蛋白然，蛋白质质晶体学是晶体学是结结构生物学的奠基者和开路先构生物学的奠基者和开路先锋锋随着作随着作为为生物大分子三生物大分子三维结维结构构测测定手段的核磁共振定手段的核磁共振(NMR)和和电镜电镜三三维维重建技重建技术术的崛起，的崛起，结结构生物学构生物学测测定三定三维结维结构的三大构的三大方法鼎足而立，生物大分子方法鼎足而立，生物大分子结结构构测测定的数量定的数量飞飞速增速增长长，结结构生构生物学的物学的发发展展进进入了一个全盛入了一个全盛时时代。代。结结 构构 生生 物物 学学 的的 发发 展展 历历 程程Nature杂杂志志1994年出版年出版“结结构生物学构生物学”子刊子刊“结构分子生物学”、“结构生物学”名词的出现至今已有近40年22结结 构构 生生 物物 学学 的的 发发 展展 历历 程程 伴随伴随结结构数量的构数量的飞飞速增速增长长，许许多多难难度很大、度很大、生物学意生物学意义义重大的重大的结结构不断突破，特构不断突破，特别别是多分子的是多分子的复合体和膜蛋白复合体和膜蛋白结结构的突破，大大推构的突破，大大推动动了了结结构生物构生物学自身的学自身的发发展乃至生命科学的展乃至生命科学的发发展。展。上世上世纪纪末，人末，人类类基因基因组计组计划的完成划的完成为为大大规规模高效的三模高效的三维结维结构构测测定提供全基因定提供全基因组组表达表达产产物物蛋蛋白白质样质样品成品成为为可能。后基因可能。后基因组时组时代的代的结结构基因构基因组计组计划在全球划在全球兴兴起。起。结构生物学的发展历程23 在在结结构生物学构生物学领领域中由于学科上的重大突破域中由于学科上的重大突破 荣荣获诺贝获诺贝尔尔奖奖的科学家的科学家：Francis H.C.Crick 和和 James D.Watson (生理与医学生理与医学奖奖，1962，核酸双股螺旋，核酸双股螺旋)Max F.Perutz 和和 John C.Kendrew (化学化学奖奖，1962，血，血红红蛋白与肌蛋白与肌红红蛋白蛋白)Dorothy C.Hodgkin (化学化学奖奖，1964，维维生素生素 B12 )Aaron Klug (化学化学奖奖，1982，病毒，病毒)Robert Huber (化学化学奖奖，1988，紫色，紫色细细菌光合反菌光合反应应中心中心)J.Walker (化学化学奖奖，1997,F1-ATP酶酶)Roderick MacKinnon (化学化学奖奖，2003,钾钾离子通道离子通道)在结构生物学领域中由于学科上的重大突破24结构生物学的发展历程总结早期发展（1957-1967）技术手段的成熟时期肌红蛋白、血红蛋白(1959，剑桥)、溶菌酶（1965，剑桥）、胰凝乳蛋白酶A（剑桥）、核糖核酸酶S（耶鲁）、核糖核酸酶（布法罗）、羧肽酶（1967，哈佛）的结构相继解出蛋白质晶体学（大分子晶体学）趋于成熟结构生物学的发展历程总结早期发展（1957-1967）技术25结构生物学的发展历程总结全面发展时期（1967-1987）注重结构与功能关系研究1968年，电子晶体学与电镜三维重构方法建立；1975年，重构了细菌视紫红质7分辨率的三维结构1969年，对酶的结构与功能关系研究已经可以揭示酶的催化机理和专一性、血红蛋白的氧合机理和变构效应1971年，二维核磁共振概念提出；1983年用2D-NMR方法解析了胰高血糖素多肽的溶液构象1971年，经过晶体结构分析的蛋白质在功能上已经有5个大类：呼吸和氧化还原蛋白，连接酶，糖酵解和中间代谢的酶，大分子结合蛋白，激素和抗体1971年，专门储存大分子结构数据的数据库Protein Data Bank建立1972年，正式提出了结构生物学的名称（?）方法和技术不断改进，测定的蛋白质结构的数量稳定增长，几乎每年都有10-40个高分辨率结构问世，1987年PDB中结构数达到273个1974年，首次在蛋白质晶体学中应用同步辐射结构生物学的发展历程总结全面发展时期（1967-1987）26结构生物学的发展历史加速发展时期（1987-2000）结构数目呈指数增长趋势结构测定技术进一步发展多波长反常散射法（MAD）的建立（1988）低温数据收集技术（1990）第三代同步辐射仪建成（1997）900MHz核磁共振谱仪建成（1998）结构测定的速度加快，结构数目呈指数增长：1988年，129个/年（1个/3天）2000年，8个/天2003年，9个/天2006年，17个/天研究范围已经涉及到大多数重要的生命活动，对生命过程的分子机理研究达到了前所未有的深度和广度结构生物学的发展历史加速发展时期（1987-2000）结构27结构生物学的发展历史后基因组时期（2000-）结构生物学与基因组学的交叉促成了一个新的学科领域：结构基因组学发展高产晶体学和大规模NMR技术复杂结构和动态过程成为研究热点对药物靶标的结构测定和基于结构的药物设计成为热点结构生物学的发展历史后基因组时期（2000-）28结构生物学的研究现状结构生物学是生命科学的前沿和主流分子生物学的每一个前沿突破都与结构生物学密切相关结构生物学已渗透到生物学的各个相关领域结构生物学的研究范围已经涉及大多数重要的生命活动，对生命过程的分子机理的阐明达到了前所未有的深度和广度结构生物学越来越紧密地与人类健康和疾病相关“构象病”的分子机理阐明基于结构的理性药物设计结构测定在加速发展结构生物学的研究现状结构生物学是生命科学的前沿和主流29NMR数据的速度惊人NMR的发展速度是惊人的。1990 年以前平均每天只可测定半个结构，97 年全世界每天平均发表2个，2003是每天平均9个,2006年是每天平均18个，这个发展速度是非常快的NMR数据的速度惊人NMR的发展速度是惊人的。1990年以30Yearly Growth of Structures Solved By NMRYearlyGrowthofStructuresSo31PDB Current Holdings Breakdown（Feb-27-2007）PDBCurrentHoldingsBreakdown32Tuesday Sep 04,2007 TuesdaySep04,200733结构生物学的发展趋势战略性重要地位结构基因组学领域的国际协作实现快速、自动、批量结构测定，复杂结构和动态过程研究将成为热点测定生物大分子复合物、细胞器及亚细胞器的三维结构是目前结构生物学中的主要发展方向膜蛋白和糖蛋白模式生物中蛋白质组成为重要的研究对象与人类疾病相关的蛋白成为主要的研究对象，查明“构象病”的结构机理，开辟防治相关疑难病症的新途径批量发现药物靶标，基于结构的理性药物设计渐成创新药物主流结构生物学的发展趋势战略性重要地位34结结构生物学构生物学发发展展趋势趋势有如下特点有如下特点 结结构研究的构研究的兴兴趣由水溶性球蛋白趣由水溶性球蛋白进进入攻克疏水的膜蛋白入攻克疏水的膜蛋白结结构构 结结构研究已由构研究已由单单一分子一分子进进入分子入分子间间相互作用的复合物以及由相互作用的复合物以及由许许多多 分子所构成的复合体，乃至分子机器分子所构成的复合体，乃至分子机器 国国际际上很多上很多难难度高、意度高、意义义重大的三重大的三维结维结构均是在近十来年突破的构均是在近十来年突破的 结结构生物学的研究成果已渗透到生命科学的各个构生物学的研究成果已渗透到生命科学的各个领领域域 以蛋白以蛋白质质晶体学晶体学为为主要手段，加以主要手段，加以NMR方法的不断突破，生物大分方法的不断突破，生物大分子三子三维结维结构构测测定在高速定在高速发发展展结构生物学发展趋势有如下特点结构研究的兴趣由水溶性球蛋白35以以蛋蛋白白质质晶晶体体学学为为主主要要手手段段，加加以以NMRNMR方方法法的的不不断断突突破，生物大分子三破，生物大分子三维结维结构构测测定在高速定在高速发发展展测测定定结结构速度：构速度：1997-1998 平均每日平均每日 2 个个结结构构 2001-2002 平均每日平均每日 8 个个结结构构当前当前 平均每日平均每日 15 个个结结构构 以以结结构生物学三大构生物学三大实验实验手段手段统计统计：晶体衍射晶体衍射 30,306NMR 5,314电镜电镜三三维维重建重建 1172006年年4月月1日日PDB的公布的公布 已已释释放原子坐放原子坐标标的的结结构共构共 35,813 套套其中其中蛋白蛋白质质、多、多肽肽和病毒和病毒 32,724核酸核酸 1,585蛋白与核酸复合物蛋白与核酸复合物 1,471多糖多糖 33以蛋白质晶体学为主要手段，加以NMR方法的不断突破，生物大分36结结构生物学的研究成果构生物学的研究成果已渗透到生命科学的各个已渗透到生命科学的各个领领域域当当前前，为为了了定定量量地地阐阐明明有有关关的的生生物物学学机机理理结结构构和和功功能能关关系系，生生命命科科学各学各领领域的研究都尽最大可能地运用生物大分子三域的研究都尽最大可能地运用生物大分子三维结维结构的研究构的研究结结果。果。国国际际著著名名期期刊刊Cell、Science、Nature、J.Mol.Bol、J.Biol.Chem.等等刊刊登登与与结结构构生生物物学学有有关关的的论论文文与与日日俱俱增增，而而1991年年创创刊刊的的 Molecular Structure和和Current Opinion Structural Biology，1993年年 创创 刊刊 的的 Structure 以以 及及 1994年年 创创 刊刊 的的 Nature Structure Biology等等重重要要国国际际期期刊刊几几乎乎全全部部都都是是刊刊登登结结构构生生物物学学的的最最新新研研究究成成果果。除除此此之之外外，另另一一些些重重要要刊刊物物虽虽然然不不用用结结构构生生物物学学为为名名，但但所所刊刊登登的的论论文文也也主主要要 与与 结结 构构 生生 物物 学学 密密 切切 相相 关关，如如 Protein Science、Biological Macromolecules、Structure and Dynamics、Protein、Structure、Function and Genetics等等。这这既既反反映映着着整整个个生生物物学学的的发发展展态势态势，也表明，也表明结结构生物学在当前和未来生命科学中的重要地位。构生物学在当前和未来生命科学中的重要地位。结构生物学的研究成果37国国际际上很多上很多难难度高、意度高、意义义重大的三重大的三维结维结构均是在近十来年突破的构均是在近十来年突破的细细菌菌视视紫紫红质红质(bacteriorhodopsin)(1990,J.M.B.电电子晶体学子晶体学)人免疫缺乏性病毒蛋白人免疫缺乏性病毒蛋白酶酶(HIV protease)(1990,Science)CD4(水溶片断水溶片断)(1990,Nature)类类人猿病毒人猿病毒40（simian virus 40）(1991,Nature)人生人生长长激素与受体复合物激素与受体复合物(human growth hormonereceptor complex)(1992,Science)口蹄疫病毒口蹄疫病毒(foot and mouth disease virus)(1993,Nature)高等植物光合作用系高等植物光合作用系统统I(system I of photosynthesis,PSI)(6 1993,Nature)细细胞色素胞色素c氧化氧化酶酶(Cytochrome c Oxidase)(牛心牛心,1995,Science 细细菌菌,1995,Nature)ATP酶酶的的F1(F1-ATPase)(牛心牛心线线粒体粒体,1994,Nature)伴伴侣侣蛋白蛋白GroEL(chaperonin GroEL)(大大肠肠杆菌杆菌,1994,Nature)辅辅-伴伴侣侣蛋白蛋白GroELS(co-chaperonin GroES)(大大肠肠杆菌杆菌,1996,Nature)光合光合细细菌捕光复合物菌捕光复合物,1995,Nature)Rhodopseudomonas acidophila strain 10050)R-藻藻红红蛋白色素复合物蛋白色素复合物(R-phycoerythrin),1996,J.M.B)核糖体大核糖体大亚亚基（基（Large Ribosomal Subunit from Haloarcula marismortui）,2000,Science)钾钾离子通道蛋白离子通道蛋白(K+Channel Protein)(3.2,2003,Nature)主要捕光复合物主要捕光复合物,2004,Nature ,1994,Nature电电子晶体学子晶体学)线线粒体呼吸粒体呼吸链链复合物复合物-II (Mitochondrial Respiratory Complex II)(2.4,2005,Cell)尿激尿激酶酶与其受体复合物与其受体复合物(Urokinase Plasminogen Activator with its Receptor)(1.9,2006,Science)国际上很多难度高、意义重大的三维结构均是在近十来年突破的38结结构生物学构生物学发发展展趋势趋势有如下特点有如下特点以以蛋蛋白白质质晶晶体体学学为为主主要要手手段段，加加以以NMR方方法法的的不不断断突突破破，生生物物大大分分子子三三维结维结构构测测定在高速定在高速发发展展结结构生物学的研究成果已渗透到生命科学的各个构生物学的研究成果已渗透到生命科学的各个领领域域国国际际上很多上很多难难度高、意度高、意义义重大的三重大的三维结维结构均是在近十余年来突破的构均是在近十余年来突破的结结构构研研究究已已由由单单一一分分子子进进入入分分子子间间相相互互作作用用的的复复合合物物以以及及由由许许多多分分子子所构成的复合体，乃至分子机器所构成的复合体，乃至分子机器结结构研究的构研究的兴兴趣由水溶性球蛋白趣由水溶性球蛋白进进入攻克疏水的膜蛋白入攻克疏水的膜蛋白结结构构结结构生物学的迅猛构生物学的迅猛发发展在后基因展在后基因组时组时代必然代必然导导致致结结构基因构基因组组学的崛起学的崛起 静静态结态结构到构到动态变动态变化化技技术术和方法在高速和方法在高速发发展展基基础础研究不断深入与研究不断深入与扩扩展的同展的同时时，应应用研究在迅速用研究在迅速发发展展 竞竞争日争日趋趋激烈激烈结构生物学发展趋势有如下特点结构生物学的迅猛发展在后基因组时39静静态结态结构到构到动态变动态变化化蛋蛋白白质质晶晶体体学学研研究究从从生生物物大大分分子子静静态态（时时间间统统计计）的的结结构构分分析析开开始始进进入入了了动动态态（时时间间分分辨辨）的的结结构构研研究究及及动动力力学学分分析析。由由于于同同步步辐辐射射光光源源具具有有极极高高的的光光通通量量、高高度度单单色色和和高高度度准准直直，它它也也可可以以调调制制成成脉脉冲冲式式光光源源，为为瞬瞬时时结结构构变变化化研研究究提提供供了了可可能能性性。为为了了连连续续记记录录瞬瞬时时结结构构变变化化的的X射射线线单单晶晶衍衍射射谱谱，人人们们已已设设计计出出各各种种类类型型的的与与脉脉冲冲式式光光源源相相匹匹配配的的、能能快快速速脉脉冲冲式式微微量量平平衡衡的的Laue（平平板板型型）和和 Weissenberg(园园筒筒型型)摄摄谱谱仪仪。时时间间分分辨辨率率为为毫毫秒秒（1-10ms）量量级级的的X射射线线单单晶晶Laue衍衍射射方方法法的的连连续续摄摄谱谱已已广广泛泛应应用用，这这一一时时间间尺尺度度对对于于研研究究生生物物大大分分子子之之间间的的相相互互作作用用过过程程中中二二级级结结构构之之间间的的运运动动是是十十分分合合适适的的，它它为为诸诸如如酶酶分分子子与与其其底底物物的的相相互互作作用用，蛋蛋白白质质分分子子的的折折叠叠卷卷曲曲运运动动等等动动态态结结构构研研究究提提供供了了有有力力的的手手段段。近近些些年年来来，时时间间分分辨辨率率为为微微秒秒（10-100 s）量量级级的的X射射线线单单晶晶衍衍射射方方法法的的连连续续摄摄谱谱已已经经获获得得突突破破。人人们们期期望望，随随着着极极高高光光通通量量的的同同步步辐辐射射光光源源的的建立，更高建立，更高时间时间分辨率的生物大分子分辨率的生物大分子动态结动态结构研究能构研究能够够成功。成功。静态结构到动态变化40 核磁共振（核磁共振（NMR）谱谱学方面学方面目前高目前高质质量的量的NMR结结构已构已经经达到相当于达到相当于分辨率的晶体分辨率的晶体结结构构900MHz的的NMR谱仪谱仪已大量涌入已大量涌入实验实验室室高磁高磁场场条件下，使用条件下，使用TROCSY方法有可能将方法有可能将NMR测测定的蛋白定的蛋白质质的分子量增加的分子量增加稀稀液液晶晶使使蛋蛋白白质质取取向向受受到到约约束束，偶偶极极 偶偶极极耦耦合合信信息息为为结结构构解解析析提提供供更更多多约约束束，加上加上氢键氢键的的测测定，可定，可进进一定提高一定提高结结构构测测定精度定精度自自动动化的波化的波谱谱解析方法有望大大提高解析方法有望大大提高结结构构测测定速度定速度 技技术术和方法在高速和方法在高速发发展展 蛋白蛋白质质晶体学方面：晶体学方面：同同步步辐辐射射光光源源逐逐步步作作为为常常规规光光源源广广泛泛被被应应用用，诸诸如如日日本本的的Spring-8等等新新一一代代具具有有更更高高光光通通量量的的同同步步辐辐射射装装置置已已在在进进入入21世世纪纪前前投投入入了了使使用用，并并向向世世界界各各国国科科学学家家开放开放机器人自机器人自动寻动寻找最找最优优的晶体生物条件的晶体生物条件晶体低温技晶体低温技术术使晶体的衍射寿命大大延使晶体的衍射寿命大大延长长解解决决衍衍射射相相位位问问题题的的传传统统的的多多对对重重原原子子同同晶晶置置换换法法（MIR）已已被被日日趋趋成成熟熟的的“锶锶多波多波长长反常散射反常散射”方法所代替。方法所代替。“硫硫多波多波长长反常散射反常散射”和和“硫硫单单波波长长反常散射与直接法反常散射与直接法结结合合”方法己方法己经经突破突破计计算算机机硬硬件件和和软软件件的的迅迅猛猛发发展展不不但但为为结结构构测测定定而而且且为为理理论论计计算算、结结构构预预测测和和信信息息生物学的生物学的发发展提供着机会和条件展提供着机会和条件核磁共振（NMR）谱41另另一一方方面面，对对医医学学卫卫生生、工工业业和和农农业业上上具具有有应应用用背背景景的的一一些些生生物物大大分分子子结结构构研研究究越越来来越越吸吸引引着着人人们们注注意意和和重重视视，以以此此为为基基础础的的高高科科技技产产业业正正在在形形成成。以以蛋蛋白白质质晶晶体体学学为为主主要要研研究究手手段段的的结结构构生生物物学学已已经经从从五五十十年年代代、六六十十年年代代乃乃至至七七十十年年代代的的纯纯基基础础性性研研究究逐逐渐渐步步入入应应用用基基础础性性以以及及应应用用性性研研究究。许许多多课课题题研研究究都都与与企企业业、公公司司、财财团团有有着着密密切切联联系系。这这一一变变化随着化随着时间时间的推的推进进将会将会变变得越来越突出，得越来越突出，这这一一发发展展趋势趋势恐怕恐怕难难以逆以逆转转。基基础础研究不断深入与研究不断深入与扩扩展的同展的同时时，应应用研究在迅速用研究在迅速发发展展一一方方面面，八八十十年年代代迅迅速速崛崛起起的的蛋蛋白白质质工工程程向向人人们们展展示示了了利利用用和和改改造造蛋蛋白白质质的的美美好好前前景景，与与此此同同时时，以以生生物物大大分分子子（蛋蛋白白质质和和核核酸酸）三三维维结结构构为为基基础础的的药药物物分分子子设设计计在在蓬蓬勃勃发发展展，它它可可预预测测的的深深远远的的学学术术意意义义和和重重大大经济经济效益已使它成效益已使它成为现为现代高技代高技术领术领域的重要方向之一。域的重要方向之一。基础研究不断深入与扩展的同时，一方面，八十年代迅速崛起的蛋42激烈的激烈的竞竞争机制已打破了争机制已打破了传统传统的学院式的研究体制和格局，并在很大的学院式的研究体制和格局，并在很大程度上左右着一些重要程度上左右着一些重要项项目的目的进进展和方向。展和方向。竞竞争日争日趋趋激烈激烈然然而而，最最终终的的竞竞争争是是人人才才的的竞竞争争，这这已已是是各各国国政政府府部部门门、实实验验室室和和广大科学家的共广大科学家的共识识。因此，几乎可以。因此，几乎可以这样说这样说，人才是决定性的因素。，人才是决定性的因素。再再就就是是财财力力上上的的竞竞争争，课课题题的的组组织织者者和和研研究究者者都都全全力力以以赴赴地地从从各各渠渠道道争争取取资资助助，许许多多例例子子表表明明：“财财大大气气粗粗”是是在在竞竞争争中中取取得得优优势势的的重重要要条条件。件。其其次次是是表表现现在在方方法法和和技技术术上上的的竞竞争争，谁谁在在方方法法和和技技术术上上占占有有优优势势，谁谁就有可能就有可能赢赢得得竞竞争的争的胜胜利。利。首首先先是是课课题题的的竞竞争争，一一项项具具有有重重要要意意义义的的课课题题同同时时在在几几家家实实验验室室内内进进行，他行，他们们接受不同接受不同财团财团的的资资助，自助，自觉觉或不自或不自觉觉地开展地开展“竞竞争研究争研究”。随着随着竞竞争而同争而同时时到来的就是研究工作的保密性增到来的就是研究工作的保密性增强强和知和知识产权识产权的保的保护护。激烈的竞争机制已打破了传统的学院式的研究体制和格局，并在很大43 结结构生物学的迅猛构生物学的迅猛发发展在后基因展在后基因组时组时代必然代必然导导致致 结结构基因构基因组组学（学（Structural Genomics）的崛起）的崛起 全基因全基因组组的成果的成果为为大大规规模高效的三模高效的三维结维结构构测测定提供全基因定提供全基因组组表达表达产产物物蛋蛋白白质样质样品成品成为为可能。后基因可能。后基因组时组时代的代的结结构基因构基因组计组计划已在全球崛起。划已在全球崛起。目前在世界范目前在世界范围围内全基因内全基因组计组计划已划已经获经获得了得了连连同人同人类类的很多种生物的全基因的很多种生物的全基因组组序列，而理解序列，而理解这这些序列信息的关些序列信息的关键键是理解基因是理解基因产产物物蛋白蛋白质质的的结结构与功能。构与功能。“基因的功能非常基因的功能非常强强大，但最大，但最终终需要明白蛋白需要明白蛋白质质如何在生物体中如何在生物体中发挥发挥作用作用”。当前。当前要求科学家从整个基因要求科学家从整个基因组组及其全套蛋白及其全套蛋白质产质产物的物的结结构与功能的高度去了解生命活构与功能的高度去了解生命活动动的全貌，并系的全貌，并系统统整合有关生物学的全部知整合有关生物学的全部知识识，以真正揭示神奇的生命世界。，以真正揭示神奇的生命世界。结结构生物学的构生物学的发发展，人展，人类类从生物大分子三从生物大分子三维结维结构与功能研究中越来越多地得构与功能研究中越来越多地得以在原子水平上定量地以在原子水平上定量地阐阐明生命的各种明生命的各种现现象。象。虽虽然，随着已有然，随着已有14000余个生物大余个生物大分子三分子三维结维结构的解析，人构的解析，人们们从从结结构与功能研究中探知了一些生命构与功能研究中探知了一些生命现现象的奥秘，然象的奥秘，然而而这这只是非常少的一点，人只是非常少的一点，人们们追求探索更多更多。追求探索更多更多。结结构生物学的基石是生物大分构生物学的基石是生物大分子的三子的三维结维结构，构，结结构乃功能之基构乃功能之基础础，因而在原子水平上，因而在原子水平上测测定更多更多的生物大分定更多更多的生物大分子及其复合体的三子及其复合体的三维结维结构就成构就成为为当前当前结结构生物学的构生物学的紧紧迫任迫任务务。结构生物学的迅猛发展在后基因组时代必然导致全基因44结结构生物学的构生物学的发发展展中国蛋白中国蛋白质质晶体学与晶体学与结结构生物学的构生物学的发发展展历历程程结构生物学的发展中国蛋白质晶体学与结构生物学的发展历程45七七十十年年代代末末八八十十年年代代初初，高高分分辨辨、高高精精度度的的胰胰岛岛素素及及去去五五肽肽胰胰岛岛素素结结构研究所构研究所获获得的得的结结果达到了当果达到了当时时国国际际上同上同类类工作的最高水平。工作的最高水平。中国蛋白中国蛋白质质晶体学与晶体学与结结构生物学的构生物学的发发展展六六十十年年代代末末，继继我我国国化化学学全全合合成成结结晶晶牛牛胰胰岛岛素素之之后后，一一些些X射射线线晶晶体体结结构构分分析析工工作作者者聚聚集集于于中中国国科科学学院院物物理理所所，与与化化学学、生生物物化化学学和和计计算算数数学学工工作作者者一一起起，共共同同努努力力，开开始始研研究究胰胰岛岛素素晶晶体体结结构构。这这一一研研究究项项目目使使我我国国在在国国际际上上属属于于较较早早地地涉涉足足这这一一学学科科前前沿沿领领域域的的国国家家之一。之一。在在英英国国Hodgkin教教授授领领导导的的牛牛津津小小组组发发表表了了他他们们的的研研究究结结果果不不久久，我我国国分分别别于于1970年年和和1971年年发发表表了了4和和分分辨辨率率的的三三方方二二锌锌猪猪胰胰岛岛素素晶晶体体结结构构的的研研究究结结果果，1974年年我我国国所所发发表表的的分分辨辨率率结结果果是是当当时时国国际际上上运运用用多多对对重重原原子子同同晶晶置置换换法法（MIR）所所获获得得的的最最高高分分辨辨率率结结构构。七七十十年年代代初初我我国国在在胰胰岛岛素素结结构构测测定定的的成成就就曾曾得得到到国国际际同同行行的的承承认认和和赞扬赞扬。中国蛋白质晶体学与结构生物学的发展六十年代末，继我国化学全合46七十年代后期开始的天花粉七十年代后期开始的天花粉结结构分析及随后的构分析及随后的3-磷酸甘油磷酸甘油醛醛脱脱氢氢酶酶及及胰蛋白胰蛋白酶酶抑制抑制剂剂等等结结构构测测定都是我国定都是我国继继胰胰岛岛素之后的几个很具我国特素之后的几个很具我国特色的新研究色的新研究课题课题。八十年代初胰八十年代初胰岛岛素开始了三素开始了三维结维结构与功能关系的系列研究，在大量活构与功能关系的系列研究，在大量活性敏感部位修性敏感部位修饰饰的的类类似物晶体似物晶体结结构构测测定的基定的基础础上，上，对对胰胰岛岛素分子的特素分子的特征运征运动动和与其受体和与其受体结结合相互作用机制上提出了一些很有意合相互作用机制上提出了一些很有意义义的的见见解。解。八十年代以来，一大批新八十年代以来，一大批新课题课题在我国不断涌在我国不断涌现现，并已取得了，并已取得了许许多多优优秀成果，研究秀成果，研究队队伍伍发发展很快，研究手段也有一定展很快，研究手段也有一定补补充和更新。充和更新。与此同与此同时时，核磁共振及，核磁共振及电镜电镜三三维维重重组组技技术术的建立，我国的建立，我国结结构生物学构生物学有了一个新的有了一个新的发发展。展。紧紧随国随国际结际结构基因构基因组计组计划的崛起，在世划的崛起，在世纪纪之交，中国开始之交，中国开始实实施具有自施具有自己特色的己特色的结结构基因构基因组组研究研究计计划，其中既包括大划，其中既包括大规规模的基因表达模的基因表达产产物物蛋白蛋白质结质结构构测测定定计计划，也包括划，也包括结结构构测测定的方法定的方法论论和技和技术术研究研究计计划。划。随着随着测测定定结结构数量的激增，近些年我国科学家也完成了几个水平构数量的激增，近些年我国科学家也完成了几个水平很高、很高、难难度很大的膜蛋白和多分子复合物的度很大的膜蛋白和多分子复合物的结结构研究，大大构研究，大大缩缩短了我国与国短了我国与国际际在此在此领领域的差距。域的差距。七十年代后期开始的天花粉结构分析及随后的3-磷酸甘油醛脱氢酶47结构生物学的研究方法晶体学谱学显微学新发展的方法大分子计算机模拟技术计算生物学生物信息学分子生物学生物化学蛋白质组学系统生物学结构生物学的研究方法晶体学谱学显微学新发展的方法大分子计算机48X-射线晶体学 优点：分辨率高，测定分子大；缺点：需要制备单晶，有相位问题核磁共振波谱学 优点：溶液构象，无相位问题；缺点：限于较小的蛋白质分子（目前MW40kDa）电子晶体学和电镜三维重构 优点：不需大单晶，无相位问题；缺点：目前分辨率尚不如前二者高三种主要研究方法的比较X-射线晶体学三种主要研究方法的比较49结构生物学在“后基因组时代”中的重要性战略性关键地位揭示人类疾病分子机理的基本途径创新药物设计和开发的重要基础结构生物学在“后基因组时代”中的重要性战略性关键地位50为什么要研究生物大分子的结构？阐明生物大分子的结构与功能关系，揭示生命过程的详细的分子机制。揭示蛋白质的折叠规律，破译第二遗传密码。实用价值：用于开发新药、新材料和新的诊断方法。为什么要研究生物大分子的结构？阐明生物大分子的结构与功能关系51X射射线发现线发现（1895）晶体衍射晶体衍射（1912）蛋白蛋白质质晶体学晶体学结结构构生物学生物学晶体学晶体学生物学生物学(大分子大分子)结构测定三大手段内容三维结构与功能研究 生物学作用机制与原理目的分子层次上定量地阐明学科(多学科交叉)表达产生蛋白结构任务 大规模高效测定基因手段两大手段蛋白质晶体学核磁共振谱学目标体基因表达(蛋白)的结构人及各种靶生物系统的整折叠(结构)类型寻找尽量多的蛋白质蛋白蛋白质质工程工程结结构构基因基因组组工程、项目结结构构测测定定手段手段(主力）主力）电镜电镜三三维维重重组组核磁共核磁共振振谱谱学学手段手段学科晶体生长技术衍射技术解决衍射相位学科结构模型建立与精化X射线发现晶体衍射（1912）蛋白质结构晶体学生物学结构测定52