“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ppt课件

1、“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构造测定方法的建立2002 年诺贝尔化学奖简介陈铭涛 03088003.“将我全部财富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艰苦奉献的人。 . 人物约翰B芬恩(John B. Fenn)美国人, 1917 年生于纽约,1940 年在耶鲁大学获博士学位,19671987 年任耶鲁大学教授,1987 年为该校的Emeri2tus 教授,1994 年起任弗吉尼亚共同体大学教授。田中耕一( Koichi Tanaka) 日本人,1959 年生于日本富山,1983 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丈

2、量仪器部生命科学运营处研讨与开发工程师。库尔特维特里希( Kurt Wthrich) 瑞士人,1938 年生于瑞士阿尔贝格,1964 年在巴塞尔大学获无机化学博士学位,1980 年起在瑞士苏黎世ETH 任分子物理学教授,并兼任美国加州La Jolla 的斯克里普斯研讨所构造生物学访问教授。.“革命性的突破 一切生物细菌、植物以及动物都含有包括DNA 和蛋白质在内的生物大分子。“看清它们的真面目曾经是科学家们梦寐以求的事,如今这一梦想成为现实。瑞典皇家科学院解释说,3 位获奖者发明的方法可以协助科学家绘制出蛋白质的三维构造图,从而“看清蛋白质,并且了解它们是如何在细胞中发扬作用的,这项成果是“革

3、命性的突破 。.质谱分析法约翰B芬恩(John B. Fenn)&田中耕一( Koichi Tanaka).质谱分析法是化学领域中一种非常重要的分析方法。它经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。质谱分析用于生物活性分子的研讨具有如下的优点:灵敏度极高,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构造测定 。质谱技术具有非常强的构造分析才干,并且样品用量极少(10 - 11g) 。19 世纪末科学家曾经奠定了这种方法的根底,1912 年科学家约瑟夫汤普生(Joseph Thompson) 第一次利用它获得对小分子的分析结果.问题?不过,最初科学家只能将质谱分析用于

4、分析小分子和中型分子,由于生物大分子比水这样的小分子大成千上万倍,因此将这种方法运用于生物大分子非常困难。虽然,相对而言生物大分子很大,但它们实践上是非常小的。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分之一克(10 - 19g) ,如何测定单个生物大分子的质量呢?. 方法 科学家在传统的质谱分析法根底上发明了一种新方法:首先将成团的生物大分子拆成单个的生物大分子,并将其电离,使之悬浮在真空中,然后让它们在电场的作用下运动。不同的分子经过指定间隔的时间不同,质量小的分子速度快些,质量大的分子速度慢些,经过丈量不同分子经过指定间隔的时间,就可计算出分子的质量。这种方法的难点在于生物大分

5、子比较脆弱,在拆分和电离成团的生物大分子过程中它们的构造和成分很容易被破坏。如今,有2 种方法抑制这一技术难点,其中约翰芬恩是对成团的生物大分子施加强电场,田中耕一那么用激光轰击成团的生物大分子。这2 种方法电放射离子化( ElectrosprayIonisation - ESI) 和软激光解吸附作(SoftLaser Des2orption - SLD) 技术(如图1 所示) 都胜利地使生物大分子相互完好地分别,同时也被电离。他们的发明奠定了科学家对生物大分子进展进一步分析的根底。.核磁共振.瑞士科学家库尔特维特里希那么发明了“利用核磁共振技术测定溶液中生物大分子三维构造法。这种方法的优点是

6、可对溶液中的蛋白质进展分析,进而可对活细胞中的蛋白质进展分析,能获得“活蛋白质的构造,其意义非常艰苦。这种方法的原理可以用测绘房屋的构造来比喻首先选定一座房屋的一切拐角作为丈量对象,然后丈量一切相邻拐角间的间隔和方位,据此就可以推知房屋的构造。维特里希选择生物大分子中的质子(氢原子核) 作为丈量对象,延续测定一切相邻的2个质子之间的间隔和方位,这些数据经计算机处置后就可构成生物大分子的三维构造图。.核磁共振(NuclearMagnetic Resonance -NMR) 景象是1946 年由哈佛大学的伯塞( E.M.Purcell) 和斯坦福大学的布洛赫(F.Bloch) 所指点的2个小组,用

7、不同的方法在各自的实验室里察看到的,伯塞尔运用的实验方法是吸收法,而布洛赫运用的是感应法.核磁共振分析技术是利用物理原理,通感应法.核磁共振分析技术是利用物理原理,经过对核磁共振谱线特征参数的测定来分析物质的分子构造与性质.NMR 不破坏被测样品的内部构造,是一种无损检测方法.由于不同的原子核吸收不同的电磁波,因此经过测定和分析受测物质对电磁波的吸收情况就可以断定它含有哪种原子,原子之间的间隔有多大,并据此分析出它的三维构造。.核磁共振(NuclearMagnetic Resonance -NMR). 在水溶液中,大约有一半的蛋白质链呈现出规那么、严密的 三维构造 ,而另一半那么非常松 。目前

8、,科学家曾经利用这一方法绘制出15 %20 %的知蛋白质的构造。最初,核磁共振技术主要用于核物理研讨方面,用它丈量各种原子核的磁矩,误差仅是0. 003 %0. 005 %; 迄今,它已广泛运用于化学、食品、医学、生物学、遗传学等学科领域,已成为在这些领域开展研讨任务的有力工具,甚至是某些领域(如:化学、医学诊断、药物学等) 常规分析中不可短少的手段。1985 年,维特里希等人公布了第一次利用NMR 法测定的溶液中蛋白质蛋白酶抑制剂IIA ( proteinase inhibitor IIA) 的构造(如图4 所示) 。1990 年用NMR 测定的蛋白质构造有23 个,而到1994 年一年测定

9、的蛋白质构造数上升到100个。1997 年,维特里希运用NMR 方法测定的一种蛋白质蛋白感染素(prion protein) 的构造.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胜利,生命科学和生物技术进入后基因组时代。专家以为,在未来20 年内,生物技术将蓬勃开展,很能够成为继信息技术之后推进经济开展和社会提高的主要动力,由这3 位诺贝尔化学奖得主发明的“对生物大分子进展确认和构造分析的方法将在今后发扬重要作用. 分子反响动力学国家重点实验室主任王鸿飞教授这样评价:本次3 位诺贝尔化学奖得主发明的方法,可以实现对蛋白质进展依次“点名,知道它们各自的特点并得到它们的三维构造图,这样就可以对这些蛋白质的功能做进一步研讨,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诺登说:“他们的成果为未来探求癌症的治疗方法铺平了道路。 3 正如中科院化学所研讨员卞那么梁所说,以前生物学界无法对DNA 和蛋白质这样的生物大分子构造进展准确丈量,这次获奖的“生物大分子质谱分析法不仅可以准确丈量生物大