结构生物学简介、发展趋势和研究方法

1、结构生物学简介、发展趋势和研究方法为什么要研究结构？结构生物学的研究内容结构生物学诞生的科学背景结构生物学的历史、现状和发展趋势结构生物学的研究方法结构生物学在“后基因组时代”中的重要性为什么要研究结构？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

2、可能，并最终为开发相关疫苗或新药奠定基础。在药物分子设计中，高分辨率的三维结构数据是设计的重要依据。一些蛋白质三维结构的测定具有巨大的工业应用前景。蛋白质物质结构、功能及相互作用后基因组时代生命科学主要任务蛋白质-最主要的生命活动载体和功能执行者结构与功能功能 结构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 biolog

3、ical molecules to better understand the function of these molecules. The structures of life, Alisa Zapp Machalek结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，王大成生物大分子发挥其生物学功能必需具备：(1)稳定的、特征的三维结构： 凡要发挥功能和活性的生物大分子必须具 有特定的

4、，自身特有，相对稳定的三级结构。(2)三维结构在各个水平上的运动： 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构生物学的内涵结构生物学的内涵结构生物学 以生物大分子三维结构测定为手段、以生物大分子结构与功能研究为内容、以探讨和阐明生物学各前沿领域中分子作用机制和原理为目的 是当前分子生物学的基础和前沿领域，它更是分子生物物理学的核心。生物分子结构与功能关系的研究一直是分子生物学的核心。三维结构与功能关系研究的迅速发展已成为现代分子生物学的前沿与主流。结构生物学是以生物大分子三维结构及其运动的研究结果为基础，定量地阐明生命现象的科学。从当前发展趋势来看，结构

5、生物学已经成为生命科学的前沿和带头学科。definition 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。 结构生物学的内涵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：1。晶体X射线衍射（X-ray diffraction）技术 所能测定的生物大分子的分子量范围宽，可以从1kDa以下到400kDa甚至更大，技术成熟度、应用成本低廉、可高通量化，分辨率高，可快速测定结构； 缺点：需要可衍射单晶，有相位问题。2。溶液多维核磁共振（NMR）技术溶

6、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；应用成本远高于晶体X射线衍射技术。3。低温电子显微镜三维电子衍射图象重构技术 非常适合测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。电子显微学（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：X射线（SAXS），可见光。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

7、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

8、提上日程结构生物学的历史、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群理论。1895年，（伦琴）发现X射线(获1901年诺贝尔物理学奖)。 其后的一百多年间，射线在物质结构研究上立下了永不磨灭的伟大功绩。1912年，M.von Laue （劳埃）发现晶体的X射线衍射（获1914年诺贝尔物理学奖），开创了晶态物质结构研究的新纪元。1913年，奠定了结晶

9、物质内部结构实验测定的理论基础（获1914年诺贝尔物理学奖）。结构生物学的发展历程The 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 1927年，提出“同晶置换法”；1929年，提出“重原子法”;1934年，提出“原子间矢量法”；1933年，发明电子显微镜。结构生物学的发展历程193x年，等获得第一张蛋白质晶体X射线衍射照片（胃蛋白

10、酶）。 1934年，英国伯纳尔（Bernal）和 Crowfoot成功拍摄到第一张蛋白质(胃蛋白酶)晶体的X射线衍射照片1953年，根据氨基酸和小肽的晶体结构模型推断蛋白质肽链的-螺旋和-折叠模型 曾获1954年诺贝尔化学奖)。结构生物学的发展历程1945-1955年，等测定了青霉素、维生素B12等重要生物分子结构。曾获1964年诺贝尔化学奖。194X-197x年，若干科学家提出并发展了测定晶体结构的“直接法”，获1985年诺贝尔化学奖。 结构生物学的发展历程1953年，佩鲁茨（M. Perutz）建立同晶置换方法用于解决生物大分子晶体结构测定中的相位问题，从而蛋白质晶体学开始踏上自己发展的伟

11、大历程。1953年，沃森（J. Watson）和克里克（F. Crick）建立DNA双螺旋结构模型, 他们的伟大成就为分子生物学奠定了基础。1957年和1959年，坎德润（J.C.Kendrew）获得6分辨率的肌红蛋白晶体结构；佩鲁茨（M. Perutz）获得5 分辨率的血红蛋白晶体结构。结 构 生 物 学 的 发 展 历 程从1957年到1967年的十年里，随着溶菌酶结构之后，胰凝乳蛋白酶、核糖核酸酶、核糖核酸酶和羧肽酶也分别获得了高分辨率的结果，表明蛋白质晶体学已经成为一门成熟的学科。从六十年代末进入七十年代，蛋白质晶体学从对生物大分子三维结构测定迈入生物大分子三维结构与其生物学功能之间的

12、关系研究，从而它既是分子生物学研究的有力的重要手段，同时也开始为结构生物学的建立和发展历程创造着条件。“结构分子生物学”、“结构生物学”名词的出现至今已有近40年，而结构生物学时代的真正形成却不过是最近二十年的事。显然，蛋白质晶体学是结构生物学的奠基者和开路先锋 随着作为生物大分子三维结构测定手段的核磁共振(NMR)和电镜三维重建技术的崛起，结构生物学测定三维结构的三大方法鼎足而立，生物大分子结构测定的数量飞速增长，结构生物学的发展进入了一个全盛时代。结 构 生 物 学 的 发 展 历 程Nature杂志1994年出版“结构生物学”子刊结 构 生 物 学 的 发 展 历 程 伴随结构数量的飞速

13、增长，许多难度很大、生物学意义重大的结构不断突破，特别是多分子的复合体和膜蛋白结构的突破，大大推动了结构生物学自身的发展乃至生命科学的发展。 上世纪末，人类基因组计划的完成为大规模高效的三维结构测定提供全基因组表达产物蛋白质样品成为可能。后基因组时代的结构基因组计划在全球兴起。 在结构生物学领域中由于学科上的重大突破 荣获诺贝尔奖的科学家：Francis H. C. Crick 和 James D. Watson (生理与医学奖，1962，核酸双股螺旋) Max F. Perutz 和 John C. Kendrew (化学奖，1962，血红蛋白与肌红蛋白)Dorothy C. Hodgkin

14、 (化学奖，1964，维生素 B12 )Aaron Klug (化学奖，1982，病毒) Robert Huber (化学奖，1988，紫色细菌光合反应中心) J. Walker (化学奖，1997, F1-ATP酶) Roderick MacKinnon (化学奖，2003, 钾离子通道)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全面发

15、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

16、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

17、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

18、发展NMR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Yearly Growth of Structures Solved By NMRPDB Current Holdings Breakdown（ Feb-27- 2007）Tuesday Sep 04, 2007 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

19、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发展趋势有如下特点 结构研究的兴趣由水溶性球蛋白进入攻克疏水的膜蛋白结构 结构研究已由单一分子进入分子间相互作用的复合物以及由许多 分子所构成的复合体，乃至分子机器 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 结构生物学的研究成果已渗透到生命科学的各个领域 以蛋白质晶体学为主要手段，加以NMR方法的不断突破，生物大分子三维结构测定在高速发展以蛋白质晶体学为主

20、要手段，加以NMR方法的不断突破，生物大分子三维结构测定在高速发展测定结构速度：1997-1998 平均每日 2 个结构 2001-2002 平均每日 8 个结构当前 平均每日 15 个结构 以结构生物学三大实验手段统计：晶体衍射 30,306NMR 5,314电镜三维重建 1172006年4月1日PDB的公布 已释放原子坐标的结构共 35,813 套其中蛋白质、多肽和病毒 32,724核酸 1,585蛋白与核酸复合物 1,471多糖 33结构生物学的研究成果已渗透到生命科学的各个领域当前，为了定量地阐明有关的生物学机理结构和功能关系，生命科学各领域的研究都尽最大可能地运用生物大分子三维结构的

21、研究结果。国际著名期刊Cell、Science、Nature、J. Mol. Bol、J. Biol. Chem.等刊登与结构生物学有关的论文与日俱增，而1991年创刊的 Molecular Structure和Current Opinion Structural Biology，1993年创刊的Structure以及1994年创刊的Nature Structure Biology等重要国际期刊几乎全部都是刊登结构生物学的最新研究成果。除此之外，另一些重要刊物虽然不用结构生物学为名，但所刊登的论文也主要与结构生物学密切相关，如Protein Science、Biological Macromo

22、lecules、Structure and Dynamics、Protein、Structure、Function and Genetics等。这既反映着整个生物学的发展态势，也表明结构生物学在当前和未来生命科学中的重要地位。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细菌视紫红质 (bacteriorhodopsin)(1990, J.M.B.电子晶体学)人免疫缺乏性病毒蛋白酶 (HIV protease)(1990, Science)CD4 (水溶片断)(1990, Nature)类人猿病毒40 （simian virus 40）(1991, Nature)人生长激素与受体复合

23、物 (human growth hormonereceptor complex)(1992, Science)口蹄疫病毒 (foot and mouth disease virus)(1993, Nature)高等植物光合作用系统I (system I of photosynthesis, PSI)(6 1993, Nature)细胞色素c氧化酶 (Cytochrome c Oxidase)(牛心, 1995, Science 细菌, 1995, Nature)ATP酶的F1 (F1-ATPase) (牛心线粒体, 1994, Nature)伴侣蛋白GroEL (chaperonin GroE

24、L) (大肠杆菌, 1994, Nature)辅-伴侣蛋白GroELS (co-chaperonin GroES) (大肠杆菌, 1996, Nature)光合细菌捕光复合物, 1995, Nature) Rhodopseudomonas acidophila strain 10050) R-藻红蛋白色素复合物 (R-phycoerythrin), 1996, J.M.B)核糖体大亚基（Large Ribosomal Subunit from Haloarcula marismortui） , 2000, Science)钾离子通道蛋白 (K+ Channel Protein ) (3.2 ,

25、 2003, Nature )主要捕光复合物, 2004, Nature , 1994, Nature电子晶体学)线粒体呼吸链复合物-II (Mitochondrial Respiratory Complex II) (2.4 , 2005, Cell )尿激酶与其受体复合物 (Urokinase Plasminogen Activator with its Receptor) (1.9 , 2006, Science)结构生物学发展趋势有如下特点以蛋白质晶体学为主要手段，加以NMR方法的不断突破，生物大分子三维结构测定在高速发展结构生物学的研究成果已渗透到生命科学的各个领域国际上很多难度高、

26、意义重大的三维结构均是在近十余年来突破的结构研究已由单一分子进入分子间相互作用的复合物以及由许多分子所构成的复合体，乃至分子机器结构研究的兴趣由水溶性球蛋白进入攻克疏水的膜蛋白结构结构生物学的迅猛发展在后基因组时代必然导致结构基因组学的崛起 静态结构到动态变化技术和方法在高速发展基础研究不断深入与扩展的同时，应用研究在迅速发展 竞争日趋激烈静态结构到动态变化蛋白质晶体学研究从生物大分子静态（时间统计）的结构分析开始进入了动态（时间分辨）的结构研究及动力学分析。由于同步辐射光源具有极高的光通量、高度单色和高度准直，它也可以调制成脉冲式光源，为瞬时结构变化研究提供了可能性。为了连续记录瞬时结构变化

27、的X射线单晶衍射谱，人们已设计出各种类型的与脉冲式光源相匹配的、能快速脉冲式微量平衡的Laue（平板型）和 Weissenberg (园筒型)摄谱仪。时间分辨率为毫秒（1-10ms）量级的X射线单晶Laue衍射方法的连续摄谱已广泛应用，这一时间尺度对于研究生物大分子之间的相互作用过程中二级结构之间的运动是十分合适的，它为诸如酶分子与其底物的相互作用，蛋白质分子的折叠卷曲运动等动态结构研究提供了有力的手段。近些年来，时间分辨率为微秒（10-100s）量级的X射线单晶衍射方法的连续摄谱已经获得突破。人们期望，随着极高光通量的同步辐射光源的建立，更高时间分辨率的生物大分子动态结构研究能够成功。 核磁

28、共振（NMR）谱学方面目前高质量的NMR结构已经达到相当于分辨率的晶体结构900MHz的NMR谱仪已大量涌入实验室高磁场条件下，使用TROCSY方法有可能将NMR测定的蛋白质的分子量增加稀液晶使蛋白质取向受到约束，偶极 偶极耦合信息为结构解析提供更多约束，加上氢键的测定，可进一定提高结构测定精度自动化的波谱解析方法有望大大提高结构测定速度 技术和方法在高速发展 蛋白质晶体学方面：同步辐射光源逐步作为常规光源广泛被应用，诸如日本的Spring-8等新一代具有更高光通量的同步辐射装置已在进入21世纪前投入了使用，并向世界各国科学家开放机器人自动寻找最优的晶体生物条件晶体低温技术使晶体的衍射寿命大大

29、延长解决衍射相位问题的传统的多对重原子同晶置换法（MIR）已被日趋成熟的“锶多波长反常散射”方法所代替。“硫多波长反常散射”和“硫单波长反常散射与直接法结合”方法己经突破计算机硬件和软件的迅猛发展不但为结构测定而且为理论计算、结构预测和信息生物学的发展提供着机会和条件另一方面，对医学卫生、工业和农业上具有应用背景的一些生物大分子结构研究越来越吸引着人们注意和重视，以此为基础的高科技产业正在形成。以蛋白质晶体学为主要研究手段的结构生物学已经从五十年代、六十年代乃至七十年代的纯基础性研究逐渐步入应用基础性以及应用性研究。许多课题研究都与企业、公司、财团有着密切联系。这一变化随着时间的推进将会变得越

30、来越突出，这一发展趋势恐怕难以逆转。基础研究不断深入与扩展的同时，应用研究在迅速发展一方面，八十年代迅速崛起的蛋白质工程向人们展示了利用和改造蛋白质的美好前景，与此同时，以生物大分子（蛋白质和核酸）三维结构为基础的药物分子设计在蓬勃发展，它可预测的深远的学术意义和重大经济效益已使它成为现代高技术领域的重要方向之一。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，并在很大程度上左右着一些重要项目的进展和方向。竞争日趋激烈然而，最终的竞争是人才的竞争，这已是各国政府部门、实验室和广大科学家的共识。因此，几乎可以这样说，人才是决定性的因素。再就是财力上的竞争，课题的组织者和研究者都全力以赴地从各

31、渠道争取资助，许多例子表明：“财大气粗”是在竞争中取得优势的重要条件。其次是表现在方法和技术上的竞争，谁在方法和技术上占有优势，谁就有可能赢得竞争的胜利。首先是课题的竞争，一项具有重要意义的课题同时在几家实验室内进行，他们接受不同财团的资助，自觉或不自觉地开展“竞争研究”。随着竞争而同时到来的就是研究工作的保密性增强和知识产权的保护。 结构生物学的迅猛发展在后基因组时代必然导致 结构基因组学（Structural Genomics）的崛起 全基因组的成果为大规模高效的三维结构测定提供全基因组表达产物蛋白质样品成为可能。后基因组时代的结构基因组计划已在全球崛起。 目前在世界范围内全基因组计划已经

32、获得了连同人类的很多种生物的全基因组序列，而理解这些序列信息的关键是理解基因产物蛋白质的结构与功能。“基因的功能非常强大，但最终需要明白蛋白质如何在生物体中发挥作用”。当前要求科学家从整个基因组及其全套蛋白质产物的结构与功能的高度去了解生命活动的全貌，并系统整合有关生物学的全部知识，以真正揭示神奇的生命世界。 结构生物学的发展，人类从生物大分子三维结构与功能研究中越来越多地得以在原子水平上定量地阐明生命的各种现象。虽然，随着已有14000余个生物大分子三维结构的解析，人们从结构与功能研究中探知了一些生命现象的奥秘，然而这只是非常少的一点，人们追求探索更多更多。结构生物学的基石是生物大分子的三维

33、结构，结构乃功能之基础，因而在原子水平上测定更多更多的生物大分子及其复合体的三维结构就成为当前结构生物学的紧迫任务。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七十年代末八十年代初，高分辨、高精度的胰岛素及去五肽胰岛素结构研究所获得的结果达到了当时国际上同类工作的最高水平。中国蛋白质晶体学与结构生物学的发展六十年代末，继我国化学全合成结晶牛胰岛素之后，一些X射线晶体结构分析工作者聚集于中国科学院物理所，与化学、生物化学和计算数学工作者一起，共同努力，开始研究胰岛素晶体结构。这一研究项目使我国在国际上属于较早地涉足这一学科前沿领域的国家之一。在英国Hodgkin教授领导的牛津小组发表了他们的研究结果不久，我国分别于1970年和1971年发表了4和分辨率的三方二锌猪胰岛