X射线晶体衍射测定蛋白质三维结构

蛋白质结构测定2011-3-30现在是1页\一共有74页\编辑于星期一蛋白质三维结构测定方法及数量现在是2页\一共有74页\编辑于星期一蛋白质三维结构测定年增长图现在是3页\一共有74页\编辑于星期一第一节：X-射线衍射技术用于蛋白质晶体结构测定原理基本过程优缺点应用实例现在是4页\一共有74页\编辑于星期一一、相关原理光的衍射现象X射线的发现及应用本质的争论X射线衍射的发现晶体学基础知识X射线晶体衍射现在是5页\一共有74页\编辑于星期一?‘光线’拐弯了！1.光的衍射现象现在是6页\一共有74页\编辑于星期一衍射现象：光波偏离直线传播而出现光强不均匀分布的现象当缝的大小（或障碍物的大小）跟波长相差不多时就发生明显的衍射现象．如果缝很宽，其宽度远大于波长，则波通过缝后基本上是沿直线传播的，衍射现象就很不明显了．现在是7页\一共有74页\编辑于星期一惠更斯—菲涅耳原理菲涅耳补充：从同一波阵面上各点发出的子波是相干波。——1818年惠更斯：光波阵面上每一点都可以看作新的子波源，以后任意时刻，这些子波的包迹就是该时刻的波阵面。——1690年解释不了光强分布！

现在是8页\一共有74页\编辑于星期一2.X射线的发现历程及应用失之交臂1836法拉第发现阴极射线1861克鲁克斯阴极射线管在放电时会产生亮光干版和光片有问题？1890古德斯柏德洗出了一张X射线的透视底片照片的冲洗药水或冲洗技术发现X射线本质的争论X射线衍射现在是9页\一共有74页\编辑于星期一2.X射线的发现及应用1895年伦琴（Roentgen）发现故称为伦琴射线。现在是10页\一共有74页\编辑于星期一伦琴夫人的手的X射线照片现在是11页\一共有74页\编辑于星期一X射线在医学上的应用伦琴的新发现轰动了全世界,不到三个月,维也纳的一家医院便拍出了应用于医疗的X射线照片.从此,X射线拍片和射线透视成为医学诊疗中常用的手段。为了防止各脏器成像发生的重叠给诊疗带来不便,科学家们进一步研究了成像更清晰、灵敏度更高的仪器。1972年，英国科学家汉斯菲尔德运用计算机和图像重建理论,制成了电子计算机射线断层扫描成像装置,也就是已被广泛应用的CT。现在是12页\一共有74页\编辑于星期一X射线与诺贝尔奖—物理学奖伦琴因发现X射线而获得第一届诺贝尔物理学奖。1903年诺贝尔物理学奖。1906年的诺贝尔物理学奖。劳厄获得了1914年诺贝尔物理学奖。英国的布拉格父子1915年的诺贝尔物理学奖。英国的巴克拉1917年的诺贝尔物理学奖。瑞典物理学家西格班1924年诺贝尔物理学奖。美国的康普顿1927年诺贝尔物理学奖。前苏联的切连科夫1958年诺贝尔物理学奖;美国的霍夫斯塔特1961年诺贝尔物理学奖;瑞典的西格巴恩1981年的诺贝尔物理学奖。现在是13页\一共有74页\编辑于星期一现在是14页\一共有74页\编辑于星期一化学奖荷兰的物理化学家德拜1936年诺贝尔化学奖。美国著名化学家鲍林1954年诺贝尔化学奖。英国生物学家肯德鲁与佩鲁茨1962年诺贝尔化学奖。英国女化学家霍奇金1964年诺贝尔化学奖。美国化学家利普斯科姆1976年诺贝尔化学奖。英国化学家桑格和美国化学家吉尔伯特1980年诺贝尔化学奖。英国生物化学家克卢格因1982年诺贝尔化学奖;美国化学家豪普特曼和卡尔1985年诺贝尔化学奖;1988年,米歇尔等三位德国生物化学家诺贝尔化学奖。现在是15页\一共有74页\编辑于星期一3.X射线本质的争论现在是16页\一共有74页\编辑于星期一X射线本质的争论--波动说巴克拉：X射线波动性标识谱线：不管元素已化合成什么化合物，它们总是发射一种硬度的X射线，当原子量增大时，标识X射线的穿透本领会随着增大。这说明X射线具有标识特定元素的特性。现在是17页\一共有74页\编辑于星期一X射线本质的争论—微粒说X射线微粒论者粒子具有旋转性布拉克父子现在是18页\一共有74页\编辑于星期一4.X射线衍射现在是19页\一共有74页\编辑于星期一X射线衍射的获得波长范围：10—0.1埃欲观察其衍射现象则衍射线度应与其波长差不多，晶体的晶格常数恰是这样的线度衍射波的两个基本特征—衍射线（束）在空间分布的方位（衍射方向）和强度与晶体内原子分布规律（晶体结构）密切相关。现在是20页\一共有74页\编辑于星期一现在是21页\一共有74页\编辑于星期一X射线晶体结构分析？

使用X射线作为物理工具，依赖X射线衍射现象为物理原理，以晶体作为研究对象，晶体结构作为研究结果的一种分析方法。现在是22页\一共有74页\编辑于星期一5.X射线的获得：X射线管激光等离子体同步辐射X射线激光现在是23页\一共有74页\编辑于星期一6.晶体基础什么是晶体晶体的周期排布晶体的对称性现在是24页\一共有74页\编辑于星期一3.1什么是晶体固体物质晶体相当罕见的东西？非晶体晶体(Crystal

)指离子、原子或分子这些微粒在三维空间中周期性重复排列形成的、能够给出明锐衍射的固体结构。

现在是25页\一共有74页\编辑于星期一晶体什么样（1）现在是26页\一共有74页\编辑于星期一晶体什么样（2）现在是27页\一共有74页\编辑于星期一晶体什么样（3）现在是28页\一共有74页\编辑于星期一晶体什么样（4）现在是29页\一共有74页\编辑于星期一2.晶体和点阵结构晶体的周期性结构使得我们可以把它抽象成“点阵”来研究.一维周期性结构与直线点阵二维周期性结构与平面点阵三维周期性结构与空间点阵现在是30页\一共有74页\编辑于星期一一维周期性结构与直线点阵

现在是31页\一共有74页\编辑于星期一二维周期性结构与平面点阵现在是32页\一共有74页\编辑于星期一三维周期性结构与空间点阵

现在是33页\一共有74页\编辑于星期一晶胞(Unitcell)空间点阵的单位（大小和形状完全相同的平行六面体），是晶体结构的最小单位。同一个空间点阵，划分平行六面体的方式是多种多样的。选择平行六面体的原则：①所选平行六面体的对称性应符合整个空间点阵的对称性。②选择棱与棱之间直角关系为最多的平行六面体③所选平行六面体之体积应最小。④当对称性规定棱间的交角不能为直角关系时，应选择结点间距小的行列作为平行六面体的棱，且棱间的交角接近于直角的平行六面体。现在是34页\一共有74页\编辑于星期一单位平行六面体，a、b、c、、、是表征它本身形状、大小的一组参数，称为格子参数或点阵参数。cab单位平行六面体参数现在是35页\一共有74页\编辑于星期一单位平行六面体与坐标轴的关系：棱交角＝坐标轴之间交角。a、b、c＝轴单位。a、b、c、、、关系有七种情况，与单位平行六面体七种格子相对应。立方格子a=b=c===90o现在是36页\一共有74页\编辑于星期一三方格子a=b=c==≠90o，60， 109o28'16"现在是37页\一共有74页\编辑于星期一菱面体格子中α为特殊角度时，演变成的三种立方体格子现在是38页\一共有74页\编辑于星期一四方格子a=b≠c===90o现在是39页\一共有74页\编辑于星期一六方格子a=b≠c==90o=120o现在是40页\一共有74页\编辑于星期一正交格子a≠b≠c===90o现在是41页\一共有74页\编辑于星期一单斜格子a≠b≠c==90o≠90o现在是42页\一共有74页\编辑于星期一三斜格子a≠b≠c≠≠≠90o现在是43页\一共有74页\编辑于星期一按结点位置，可有四种不同的类型：P——原始格子（角顶）C——底心格子（角顶、顶底面）I——体心格子（角顶、体心）F——面心格子（角顶、每个面）现在是44页\一共有74页\编辑于星期一P——原始格子（角顶）现在是45页\一共有74页\编辑于星期一C——底心格子（角顶、顶底面）现在是46页\一共有74页\编辑于星期一I——体心格子（角顶、体心）现在是47页\一共有74页\编辑于星期一F——面心格子（角顶、每个面）现在是48页\一共有74页\编辑于星期一结构中代表各类等同点的结点在空间的排列方式来说，格子的种类有、且只有十四种。现在是49页\一共有74页\编辑于星期一衍射方向现在是50页\一共有74页\编辑于星期一现在是51页\一共有74页\编辑于星期一二、X射线晶体结构测定基本过程①蛋白质获取（提纯）②晶体生长并经冷冻技术处理③重原子衍生物制备④衍射数据收集⑤衍生数据分析和改进⑥结构模型的获取（包括修正）现在是52页\一共有74页\编辑于星期一（2）晶体生长过程及影响因素晶核（尽量少）微晶（可用作晶种）晶体在数小时至数月后出现2个问题：是盐晶吗？能给出有用的衍射吗？（多晶/双晶）现在是53页\一共有74页\编辑于星期一影响因素物理因素：温度、压力、震动、溶剂清洁度、试剂纯度、重力、外加物理场等生物化学因素：pH、离子强度、沉淀剂/添加剂的类型和浓度等其他：溶液过饱和度、纯度等“经验”“机器人”（2）晶体生长过程及影响因素现在是54页\一共有74页\编辑于星期一（3）结晶方法批量结晶法batchcrystallization透射法crystallizationbydialysis液相扩散法liquiddiffusion气相扩散法vapordiffusion氢氘交换质谱技术Enhancedamidehydrogen/deuterium-exchangemassspectrometry,DXMS生物玻璃bioglass现在是55页\一共有74页\编辑于星期一（4）晶体的初步鉴定小分子晶体蛋白质晶体边界完整，漂亮常不完整，易出现多晶硬度偏硬，易碎成2瓣或几瓣偏软，易碎成粉脱水不变化因脱水而变坏溶解性慢快偏光性强相对弱染色性弱强漂浮性下沉漂浮现在是56页\一共有74页\编辑于星期一（5）衍射数据收集晶体的处理：低温液氮气冷流技术数据收集仪：底片、面探测器现在是57页\一共有74页\编辑于星期一衍射分析仪器的发展射线种类：连续射线特征射线电子衍射中子衍射探测技术：胶片闪烁体计数器（点）（IP）CCD探测器（面）图2-22石英的衍射仪计数器记录图（部分）*右上角为石英的德拜图，衍射峰上方为（hkl）值，β代表Kβ衍射现在是58页\一共有74页\编辑于星期一底片（外森堡相机、徘循相机）优点：多点同时收集容易保存价格便宜缺点存在“化学雾”背景和X射线散射背景费时、费力现在是59页\一共有74页\编辑于星期一计数管（四圆衍射仪）将X射线光子强度转换为电信号，信号放大后再转换成数字存入计算机随时调用逐点收集数据优缺点与底片相反现在是60页\一共有74页\编辑于星期一面探技术-SMARTAPEX-CCD衍射仪SmartCCDOverviewSMARTAPEX-CCD探测器现在是61页\一共有74页\编辑于星期一金属丝构成的面板，可同时多点收集将X射线光子强度转换为电信号集计数管的精确和底片的多点收集效率面探技术-SMARTAPEX-CCD衍射仪

现在是62页\一共有74页\编辑于星期一图像板imageplate

面探测器的改进由化学材料构成，整块板子密度一致高分辨率可见光下可测量集底片和面探测器的优点于一身现在是63页\一共有74页\编辑于星期一（6）数据分析电子密度修饰电子密度图诠释结构模型精化数据处理软件：Denzo,Scalepack现在是64页\一共有74页\编辑于星期一现在是65页\一共有74页\编辑于星期一现在是66页\一共有74页\编辑于星期一三、X射线晶体结构测定优点分辨率高不损伤样品无污染相对快捷能得到晶体完整性的大量信息现在是67页\一共有74页\编辑于星期一晶体构象是静态的，不能测定不稳定的过渡态的构象；很多蛋白质很难结晶，或者很难得到用于结构分析的足够大的单晶；（瓶颈）X射线晶体衍射的工作流程较长。四、X射线晶体结构测定存在问题现在是68页\一共有74页\编辑于星期一Lastupdate:TuesdayOct20,2009at5