X射线晶体衍射测定蛋白质三维结构-课件

蛋白质结构测定2011-3-302020/12/121蛋白质结构测定2011-3-302020/12/121蛋白质三维结构测定方法及数量2020/12/122蛋白质三维结构测定方法及数量2020/12/122精品资料3精品资料3你怎么称呼老师？如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？教师的教鞭“不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘……”“太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”44精品资料5精品资料5你怎么称呼老师？如果老师最后没有总结一节课的重点的难点，你是否会认为老师的教学方法需要改进？你所经历的课堂，是讲座式还是讨论式？教师的教鞭“不怕太阳晒，也不怕那风雨狂，只怕先生骂我笨，没有学问无颜见爹娘……”“太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”66蛋白质三维结构测定年增长图2020/12/127蛋白质三维结构测定年增长图2020/12/127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2020/12/128第一节：X-射线衍射技术用于蛋白质晶体结构测定原理2020/一、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2020/12/129一、相关原理光的衍射现象2020/12/129?‘光线’拐弯了！1.光的衍射现象2020/12/1210?‘光线’拐弯了！1.光的衍射现象2020/12/1210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．2020/12/1211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！

2020/12/1212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2020/12/12132.X射线的发现历程及应用失之交臂2020/12/12132.X射线的发现及应用1895年伦琴（Roentgen）发现故称为伦琴射线。2020/12/12142.X射线的发现及应用1895年伦琴（Roentgen）发伦琴夫人的手的X射线照片2020/12/1215伦琴夫人的手的X射线照片2020/12/1215X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。2020/12/1216X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,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。2020/12/1217X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2020/12/12182020/12/1218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。2020/12/1219化学奖荷兰的物理化学家德拜1936年诺贝尔化学奖。20203.X射线本质的争论2020/12/12203.X射线本质的争论2020/12/1220X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。2020/12/1221X射线本质的争论--波动说巴克拉：X射线波动性2020/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2020/12/1222X射线本质的争论—微粒说X射线微粒论者4.X射线衍射2020/12/12234.X射线衍射2020/12/1223X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。2020/12/1224X射线衍射的获得波长范围：10—0.1埃2020/12/122020/12/12252020/12/1225X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。2020/12/1226X射线晶体结构分析？2020/12/12265.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2020/12/12275.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206.晶体基础什么是晶体晶体的周期排布晶体的对称性2020/12/12286.晶体基础什么是晶体2020/12/12283.1什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。

2020/12/12293.1什么是晶体固体物质2020/12/1229晶体什么样（1）2020/12/1230晶体什么样（1）2020/12/1230晶体什么样（2）2020/12/1231晶体什么样（2）2020/12/1231晶体什么样（3）2020/12/1232晶体什么样（3）2020/12/1232晶体什么样（4）2020/12/1233晶体什么样（4）2020/12/12332.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2020/12/12342.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“点一维周期性结构与直线点阵

2020/12/1235一维周期性结构与直线点阵2020/12/1235二维周期性结构与平面点阵2020/12/1236二维周期性结构与平面点阵2020/12/1236三维周期性结构与空间点阵

2020/12/1237三维周期性结构与空间点阵2020/12/1237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。2020/12/1238晶胞(Unitcell)2020/12/1238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2020/12/1239单位平行六面体，a、b、c、、、是表征它本身形状、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===90o2020/12/1240单位平行六面体与坐标轴的关系：棱交角＝坐标轴之间交角。立方格三方格子a=b=c==≠90o，60， 109o28'16"2020/12/1241三方格子2020/12/1241菱面体格子中α为特殊角度时，演变成的三种立方体格子2020/12/1242菱面体格子中α为特殊角度时，演变成的三种立方体格子2020/四方格子a=b≠c===90o2020/12/1243四方格子a=b≠c六方格子a=b≠c==90o=120o2020/12/1244六方格子a=b≠c正交格子a≠b≠c===90o2020/12/1245正交格子a≠单斜格子a≠b≠c==90o≠90o2020/12/1246单斜格子a≠b≠c三斜格子a≠b≠c≠≠≠90o2020/12/1247三斜格子a≠b≠c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）2020/12/1248按结点位置，可有四种不同的类型：P——原始格子（角顶）C—P——原始格子（角顶）2020/12/1249P——原始格子（角顶）2020/12/1249C——底心格子（角顶、顶底面）2020/12/1250C——底心格子（角顶、顶底面）2020/12/1250I——体心格子（角顶、体心）2020/12/1251I——体心格子（角顶、体心）2020/12/1251F——面心格子（角顶、每个面）2020/12/1252F——面心格子（角顶、每个面）2020/12/1252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。2020/12/1253结构中代表各类等同点的结点在空间的排列方式来说，格子的种类有衍射方向2020/12/1254衍射方向2020/12/12542020/12/12552020/12/1255二、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）2020/12/1256二、X射线晶体结构测定基本过程①蛋白质获取（提纯）2020/（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）2020/12/1257（2）晶体生长过程及影响因素晶核（尽量少）2020/12/1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2020/12/1258影响因素（2）晶体生长过程及影响因素2020/12/1258（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bioglass2020/12/1259（3）结晶方法批量结晶法batchcrystalliza（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2020/12/1260（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（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2020/12/1261（5）衍射数据收集晶体的处理：低温液氮气冷流技术2020/1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2020/12/1262衍射分析仪器的发展射线种类：连续射线特征射线电子衍底片（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2020/12/1263底片（外森堡相机、徘循相机）优点：2020/12/1263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2020/12/1264计数管（四圆衍射仪）将X射线光子强度转换为电信号，信号放大后面探技术-SMARTAPEX-CCD衍射仪SmartCCDOverviewSMARTAPEX-CCD探测器2020/12/1265面探技术-SMARTAPEX-CCD衍射仪SmartCC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

2020/12/1266金属丝构成的面板，可同时多点收集面探技术-SMARTAPE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2020/12/1267图像板imageplate

面探测器的改进2020/12/（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,Scalepack2020/12/1268（6）数据分析电子密度修饰2020/12/12682020/12/12692020/12/12692020/12/12702020/12/1270三、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2020/12/1271三、X射线晶体结构测定优点分辨率高2020/12/1271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2020/12/1272晶体构象是静态的，不能测定不稳定的过渡