结构生物学介绍及进展
生物信息学的研究进展及其在生物学中的应用
生物信息学的研究进展及其在生物学中的应用随着生物学的深入研究，人们对生物信息学的应用也越来越关注。
生物信息学作为一门新兴交叉学科，应用于各个领域，使得科学家们能够更高效地挖掘生物学数据中蕴含的信息。
本文将简要介绍生物信息学的研究进展及其在生物学中的应用。
一、生物信息学的研究进展生物信息学作为一门交叉性学科，涉及到生物学、计算机科学、统计学和物理学等多个学科。
近年来，生物信息学研究的重点越来越倾向于应用性和综合性。
以下分别从基因组学、蛋白质组学、结构生物学和系统生物学几个方面阐述生物信息学的研究进展。
1、基因组学基因组学是研究基因组结构、功能、演化和调控的学科。
以人类基因组计划和癌症基因组图谱等为代表的一系列基因组计划的推出，使得我们对基因组的认识愈发深入。
生物信息学在基因组学的研究中发挥了重要的作用。
由于基因组学数据的存储和分析需要大量的计算机技术支持，生物信息学中的许多软件和算法得以应用。
例如，常用的序列比对工具 BLAST 和 ClustalW 在基因组学研究中被广泛应用。
2、蛋白质组学蛋白质组学是研究蛋白质组成和功能的学科。
相比基因组学，蛋白质组学研究涉及到大量的分子生物学和化学实验，所需花费的时间和资源更多。
生物信息学在蛋白质组学研究中的应用主要是在蛋白质序列分析和结构预测方面。
目前，生物信息学尤其是机器学习在蛋白质结构预测中的应用已经取得了一定的成果。
3、结构生物学结构生物学是研究蛋白质、核酸和细胞器等生物大分子的结构和功能的学科。
生物信息学在结构生物学中的应用尤为重要，其主要用于蛋白质的结构预测、构象分析、分子对接等方面。
例如，人们可以通过生物信息学工具预测出某个蛋白质的二级结构和三级结构，这极大地促进了分子生物学和疾病治疗的研究。
4、系统生物学系统生物学是全面认识生物体的组成、结构和功能的学科。
它综合了生物化学、分子生物学和基因组学等各种技术手段，以更加系统和全面的方式来探索生物体的复杂机理。
多糖的结构及其生物学功能研究进展
食品科技多糖的结构及其生物学功能研究进展郭 杰，贾国军，陶 蕾，王瑞雪（兰州职业技术学院，甘肃兰州 730070）摘 要：多糖绿色安全，且具有多种药理作用，得到了人们的广泛研究。
生物多糖结构复杂，目前相关研究主要集中于多糖的一级结构。
近年来的研究表明，多糖具有多种生物学功能，包括抗肿瘤、降血糖、抗辐射、增强免疫力和抗氧化等作用，在保健、医药领域具有十分广阔的应用前景。
本文从化学结构和生物学功能两方面介绍了多糖的研究进展。
关键词：多糖；结构；生物学功能Research Progress on Structure and Biological Function ofPolysaccharidesGUO Jie, JIA Guojun, TAO Lei, WANG Ruixue(Lanzhou V ocational and Technical College, Lanzhou 730070, China) Abstract: Polysaccharide is green, safe and has a variety of pharmacological effects, which has been widely studied. The structure of biological polysaccharides is complex. At present, relevant research mainly focuses on the primary structure of polysaccharides. Recent studies have shown that polysaccharides have a variety of biological functions, including anti-tumor, hypoglycemic, anti radiation, enhancing immunity and antioxidation. They have a very broad application prospect in the field of health care and medicine. This paper introduces the research progress of Polysaccharides from two aspects of chemical structure and biological function.Keywords: polysaccharide; structure; biological function多糖（Polysaccharides）是一类由单糖为基本单位，通过糖苷键连接而成的生物高分子化合物，是构成生命体的4大生物大分子之一，在机体的新陈代谢中作为信息受体参与多种信号传导[1]。
结构生物学研究在药物研发中的应用及进展
结构生物学研究在药物研发中的应用及进展药物研发是一项复杂和漫长的过程，需要在化学、生物、物理等多个领域进行深入的研究。
随着科学技术的不断发展，结构生物学研究在药物研发中发挥着越来越重要的作用。
本文将探讨结构生物学研究在药物研发中的应用及其进展。
一、什么是结构生物学？结构生物学是研究蛋白质、核酸、多肽和其他生物分子结构的学科。
该领域的主要目标是理解生物分子如何相互作用、调节和进行信号传递，以及如何造成疾病。
在结构生物学中，研究者使用多种技术来确定生物分子的三维结构，包括结晶学、核磁共振、电子显微镜和X射线晶体lography等。
这些技术可以帮助研究者理解生物分子的功能和性质，从而为药物研发提供重要的信息。
二、结构生物学在药物研发中的应用1. 药物设计结构生物学研究可以帮助药物研发人员更好地了解目标蛋白质的结构和功能，从而设计出更有效的药物。
在这个过程中，研究者通过对目标蛋白质和潜在药物分子之间的相互作用进行分析，确定药物的结构和位置，从而改善药物的药效和副作用。
2. 研究药效机制结构生物学研究可以帮助研究者深入了解药物与特定蛋白质或其他生物分子之间的相互作用，从而研究药物的药效机制。
通过分析药物与目标蛋白质的结合方式和位置，研究者可以更好地理解药物与生物分子之间的互动过程，从而发展更准确的药物治疗方案。
3. 药物剂量和安全性评估结构生物学研究可以帮助研究者确定药物的剂量和安全性，从而减少潜在的不良反应和副作用。
通过对药物分子和潜在靶标蛋白质之间的交互作用进行分析，研究者可以更好地了解药物对蛋白质的影响，从而确定药物的最佳剂量和使用方法，并评估潜在的不良反应和副作用。
三、结构生物学在药物研发中的进展随着技术的不断发展，结构生物学在药物研发中的应用越来越广泛。
以下是一些最新的结构生物学技术，可以帮助研究者深入了解药物与目标蛋白质之间的相互作用。
1. 电子显微镜技术电子显微镜技术是一种新颖的结构生物学技术，可以帮助研究者研究大分子复合物的结构和功能。
组织因子途径抑制物-2的结构及其生物学作用研究进展
中国医药生物技术 2009年6月第4卷第3期Chin Med Biotechnol, June 2009, V ol. 4, No. 3 233 DOI:10.3969/cmba.j.issn.1673-713X.2009.03.015 ·综述·组织因子途径抑制物-2的结构及其生物学作用研究进展时辉宁，钟玉绪，丁日高，廖明阳蛋白水解失调是机体许多病理过程的主要特征，例如癌症、动脉粥样硬化和炎症等。
蛋白酶抑制剂在血液凝集、补体固定、纤维蛋白溶解、受精和胚胎形成等多种生物学过程中均发挥重要的调控作用[1]。
大部分的蛋白酶抑制剂都具有多肽支架的特征，包括 Kunitz 家族、Kazal 家族、Serpin 家族和 Mucus 家族等[2]，其中 Kunitz 家族即丝氨酸蛋白酶抑制剂家族由 20 多个成员组成，主要包括牛胰蛋白酶抑制剂（bovine pancreatic trypsin inhibitor，BPTI）、组织因子途径抑制物（tissue factor pathway inhibitor，TFPI-1）及其同系物 TFPI-2 等，它们共同的特点是都包含有一个或多个Kunitz 结构域（kunitz-type domain，KD）。
1994 年 Sprecher 等[3]报道发现一个新的 Kunitz 家族成员 cDNA 序列，通过原核表达、纯化并对其特征进行研究发现，其氨基酸序列与TFPI 相似，并可以抑制 XIIa 凝血因子复合物的形成，因此将其命名为 TFPI-2，又称胎盘蛋白-5（placental protein-5，PP5）。
TFPI-2 是相对分子质量为30 000 ~ 36 000 的糖蛋白，由富含酸性氨基酸残基的 N 末端、3 个串联的 KD 和富含碱性氨基酸残基的 C 末端组成，它主要通过 KD1 区发挥广谱的丝氨酸蛋白酶抑制作用，可以抑制纤溶酶的酰胺分解活性和凝血酶的纤维蛋白原水解活性。
结构生物学研究中的新进展
结构生物学研究中的新进展随着科技的不断进步，结构生物学也在不断发展和进步。
结构生物学主要研究生物分子的结构和功能，如蛋白质、核酸、碳水化合物等。
广泛应用于新药研发、生命科学和医学领域。
近年来，随着各种高分辨率技术的发展，结构生物学也取得了一些新的进展。
一、单粒子冷冻电镜技术单粒子冷冻电镜技术（single particle cryo-electron microscopy，cryo-EM）是一种高分辨率结构生物学技术。
该技术可在几乎自然状态下，高分辨率地解析生物大分子的三维结构。
该技术与传统X射线晶体学（X-ray crystallography）和核磁共振技术（NMR）不同，前者需要高纯度的蛋白质晶体，后者对样品有比较严格的要求。
而常规电子显微镜在高分辨率下又存在样品极易受损的问题。
相比之下，cryo-EM技术几乎可以处理所有的生物大分子样品，且在高分辨率下还能保持生物大分子之间的自然状态。
近几年，随着谷歌的Deepmind公司研究人员开发了结合深度神经网络的自动化软件Relion用于处理cryo-EM数据，从而加速、最大程度地自动化了数据处理的过程，使得cryo-EM技术更容易实现。
二、膜蛋白结构研究膜蛋白在生物体内的重要性不言而喻，它们负责细胞内外物质的交换和信号传导等功能。
在过去，由于其高度水溶性和不稳定性，使得膜蛋白的结构研究相对困难，很少有高分辨率的结构信息被得到。
但凭借电镜技术的不断发展和导入，在不同解析度下，越来越多的膜蛋白结构被揭示。
最近，有越来越多的研究表明，有机溶剂结构导向法（organic solvent modulation method）可被用于澄清膜蛋白的结构。
该方法将有机溶剂（如丙酮、甲醇、氯仿和戊酸）加入到膜蛋白样品中，利用溶剂的高度极性和疏水特性，对膜蛋白的结构进行一定的修饰，使其成为X射线晶体学和NMR方法所能解析的样品。
三、仿生学用于结构生物学的研究仿生学是研究生物体和生命系统的结构、功能和行为等特征，并提取这些特性来设计、制造和应用新的材料、设备和系统的跨学科领域。
结构生物学的意义
结构生物学的意义
1 结构生物学的重要性
结构生物学是一门研究生物的形状和结构的科学，它尤其重要，因为它允许我们了解生物体的复杂关系，以改善人类的健康和生活。
有许多研究表明，许多重要疾病的发病机制表现为生物分子结构的相互作用，因此，结构生物学是用于研究基因表达、疾病发病机制和抗病毒治疗方法等诸多领域的重要工具。
2 目前结构生物学的作用
先进的结构生物学技术被广泛应用于药物开发和生物识别。
结合分子生物学技术，研究者可以识别和回答宿主-病原体相互作用如何调节相互作用的生物分子结构、发展疫苗和药物以及揭开许多疾病的病理机制。
结构生物学的研究还可以促进微生物的演变，并且可以用于开发可重复使用的生物传感器和其他生物技术。
3 结构生物学下一步发展
结构生物学还可以用于研究各种生物类型之间的关系，如植物、微生物、动物和变异微生物。
此外，它可以被用来研究蛋白质之间的共同作用，用于生物传感和其他生物医学应用。
此外，与新的结构生物学技术结合，可以使其应用于研究体外合成，新药物发现等领域，从而推动生物分子结构和功能研究的发展。
未来，结构生物学将受到越来越多的重视，因为它不仅可以帮助研究者解决重大疾病，而且还
可以通过它来更好地控制和调控生物分子间的相互作用来维持健康状态。
现代生物学进展资料
现代生物学进展资料近代生物学发展的三个阶段：一)、描述性生物学阶段：19世纪30年代，德国植物学家施莱登和动物学家施旺提出细胞学说，指出细胞是一切动植物结构的基本单位，为研究生物的结构、生理、生殖和发育等奠定了基础。
1859年，英国生物学家达尔文，出版了《物种起源》一书,科学地阐述了以自然选择学说为中心的生物进化理论,这是人类对生物界认识的伟大成就，给神创论和物种不变论以沉重的打击，在推动现代生物学的发展方面起了巨大作用。
二）、实验生物学阶段。
19世纪中后期，自然科学在物理学的带动下取得了较大的成就。
物理和化学的实验方法和研究成果也逐渐引进到生物科学的研究领域。
到1900年，随着孟德尔发现的遗传定律被重新提出，生物学迈进到第二阶段—实验生物学阶段。
在这个阶段中，生物学家更多地用实验手段和理化技术来考察生命过程，由于生物化学、细胞遗传学等分支学科不断涌现，使生物科学研究逐渐集中到分析生命活动的基本规律上来。
三）、分子生物学阶段：20世纪30年代以来，生物科学研究的主要目标是生物大分子——蛋白质和核酸上。
1944年，美国生物学家艾弗里用细菌作实验，第一次证明了DNA是遗传物质。
1953年，美国科学家沃森和英国科学家克里克共同提出了DNA分子双螺旋结构模型，这是20世纪生物科学最伟大的成就，标志着生物科学的发展进入了一个新阶段——-分子生物学阶段。
21世纪生命科学的研究进展和发展趋势20世纪后半叶生命科学各领域所取得的巨大进展，特别是分子生物学的突破性成就，使生命科学在自然科学中的位置起了革命性的变化。
很多科学家认为，在未来的自然科学中，生命科学将要成为带头学科，甚至预言21世纪是生物学世纪，虽然目前对这些论断还有不同看法，但勿庸置疑，在21世纪生命科学将继续蓬勃发展，生命科学对自然科学所起的巨大推动作用，决不亚于19世纪与20世纪上半叶的物理学。
假如过去生命科学曾得益于引入物理学、化学和数学等学科的概念、方法与技术而得到长足的发展，那么，未来生命科学将以特有的方式向自然科学的其他学科进行积极的反馈与回报。
结构生物学
发展
结构生物学的发展经过以下几个阶段：结构生物学起源于上世纪五十年代众所周知的Waston Crick发现DNA 双螺旋结构，建立DNA的双螺旋模型。60年代当时的开文迪许实验室的ew用X-射线晶体衍射技术获得了球蛋白的 结构。由于X射线晶体衍射技术的应用，使我们可以在晶体水平研究大分子的结构，在分子原子基础上解释了大分 子，由于他们开创性的工作，Waston Crick获得了1962年的诺贝尔生理学或医学奖，M.Pertt和J.Kendrew获得 了同年的化学奖。从那时起，技术的发展就成为结构生物学发展最重要的决定因素。60到70年代，在同一实验室 的他们又发展了电子晶体学技术，当时的研究对象主要是有序的，对称性高的生物体系，如二维的晶体和对称性 很高的三维晶体。70-80年代，多维核磁共振波谱学的发明使得在水溶液中研究生物大分子成为可能，水溶液中 的生物大分子更接近于生理状态。最近二十年，80年代到本世纪初，冷冻电镜的发明，这种技术的发明使我们不 仅能够研究生物大分子在晶体状态和溶液状态的结构，而且能够研究研究复杂的大分子体系（molecular complex）超分子体系，这就是细胞器和细胞。可见结构生物学的发展过程经历了从结晶到溶液再到大分子体系， 超分子体系，如核糖体（ribosome），病毒，溶酶体（lysosome），线粒体等。
定义
什么是结构生物学？生物大分子要发挥功能，必须满足两个条件。第一，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。第二，结构运动。没有稳定的三级结构和结构运动，生物大 分子是很难发挥生物功能或活性的。那么，结构生物学研究什么呢？按我的看法，是以生物大分子三级结构的确 定作为手段，研究生物大分子的结构功能关系，将探讨生物大分子的作用机制和原理作为研究目的。结构生物学 是近代生物学发展过程中，定量阐明生命现象的一门科学，这个是我对结构生物学的看法。生物大分子的三级结 构和结构功能研究的结构生物学已经成为生命科学当前的前沿和带头学科。
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行实验； 能量可调：多波长反常散射解决相位问题。 同步辐射正好提供了适合的光源。
什么是同步辐射？
• 接近光速运动的电子或正电 子在改变运动方向时放出的 电磁辐射，因为是在同步加 速器上发现的，所以称为同 步辐射。
同步辐射覆 盖了一个很 宽的频谱范 围，从远红 外到硬X光。 而X光机只 能提供几个 分立的光子 能量。
（多对同晶置换）
设法在蛋白质晶体 中加入一些重金属 离子，同时晶体结 构不发生大的变化 （同晶置换），置 换前后结构因子的 关系。
一个同晶置换可以得到两个可能的解。
两个同晶置换就可以得到唯一的解。
• 这种辐射强度高、覆盖的频 谱范围广，可以任意选择所 需要的波长且连续可调，因 此成为一种科学研究的新光 源。
同步辐射装置示意图
部分图片来自
储存环
三种发光元件
波荡扭器摆(u器nd(uWlaigtogrl)er) 弯转磁铁
图片来自
实验站
光束线
发光元件
同步辐射的亮度（单 位时间，单位面积， 单位立体角，一定光 子能量范围内的光子 数）和转靶X光机的比 较。
（2）通道内氨基酸残基的结构，模拟了钾离子在溶液中的水 合状态。只有水合的钾离子能够在通道内犹如在水溶液内一 样自由地运动。
,
( ) 3.2Å .
钾离子通道
280, 69-77 (1998) 95, 649-655 (1998) 289, 123-127 (2000) 414, 37-42 (2001) 414, 43-48 (2001) 415, 287-294 (2002) 111, 967-965 (2002)
• 核磁共振方法：分辨率与灵敏度不够，不能确定分子量很大的 结构，要求样品浓度极高，测定效率低下（几个星期甚至几个 月的数据收集时间）。
• 晶体学方法：对样品要求过高，高质量晶体的获得困难。
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F (h,k,l)F (h,k,l)ei(h,k,l)
(h,k,l)?
蛋白质晶体
• 衍射能力很弱：大部分原子为C、N、O、S； • 晶体质量差，晶胞大； • 相位问题解决困难。
• 一共有11项诺贝尔奖授予生物分子结构 方面的研究。
• 有结构解析方法研究，也有重要的生物 分子结构和功能研究的工作。
1962
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1962
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1964
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1997
D.
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2002
Wü
结构生物学
，，
结构生物学的定义
• 顾名思义，结构生物学就是研究各种生物 大分子（蛋白质、核酸、糖类等）的结构， 结构与功能的关系，以及如何在生物体内 发挥作用的学科。
结构的重要性
• 生物大分子的功能主要取决于其结构。
• 结构的异常会引起功能的改变，也是所谓 “构像病”的原因。
疯牛病等构像病的罪魁祸首—
“同步辐射+硒代+样品冷冻”已经 成为解析全新结构的标准方法。
多波长反常衍射（）
• 可以解析全新结构，如果能够得到足够的 同晶置换晶体的话。
• 如果蛋白质里有金属离子存在，就可以使 用方法。
• 硒代。
原子散射因子
• 选择吸收边附近的几个波长，相当于几个 不同的完全同晶的置换。
• 分子生物学提供了硒代的手段，对于解析 全新结构非常有利。
图片来自 设计报告
2p立体角：180°
1毫弧度：0.06 ° 三代光源甚至达到10微弧度
实际的蛋白质单晶
真实单晶体内部不 是完美的，可以看 成有一系列的小晶 体镶嵌而成，每个 小晶体可以认为是 完美的晶体。这些 小晶体取向无序的
程度以“镶嵌度” 表 征。
• 分子置换法（ ，） • 同晶置换法（ ，，） • 反常散射法（ ，，） • 直接法（ ）
.
423, 33–41 (2003)
结构生物学进展：
董宇辉 ，，
• 同步辐射（ ） • 小角散射（ ） • 自由电子激光（ ）
同步辐射
:.
X射线晶体学和是蛋白质 结构测定的主要技术
测定方法 X射线晶体学
综合方法 总数
蛋白质结构
74768 9616
99.2%
458 51 165
85058
，2012年10月2日
• 关键是衍射实验使用的X步辐射的加入，大大提高了结构测定的 速度。
结构在现代生物学里的中心地位
• 在分子生物学中，结构是非常重要的内容。
• 只有在获得相应分子的结构后才能深入地 研究其功能和生化过程。
举例
• 酶蛋白：只有在了解了酶的活性中心的结 构以及如何与底物的结合后，才能真正了 解这种酶的作用机理；
• 对肌肉中的肌动蛋白和肌球蛋白的结构有 了详细的了解，才能说明肌肉收缩和非肌 肉细胞运动的机理。
蛋白质结构测定的流程
靶标 克隆 15272 14866
表达 可溶 6408 1474
2008.6.16
纯化 843
结构 80
各种生 物基因 组和功 能基因 组数据
基因 克隆
蛋白制备
样品制备
结构测定
结构测定
蛋白结构
获得生物大分子结构的主要技术
实验耗时
分辨率低
灵敏度低
单晶难以获得
相位解析需要特殊单晶
2003
"" "" ""
2006
""
2009
A.
E.
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2003年诺贝尔化学奖 钾离子通道的三维结构图
选择筛
外螺旋
内螺旋
钾离子透过细胞膜的输运行为，对体内或是大脑中 神经信号的传导至关重要。然而离子通道的选择性 透过行为却困扰了生物学家许多年。
钾离子通道的离子导通机理
通过钾离子通道的三维 结构，解释了它对离子 的选择性透过机理。（1） “多离子透过”的过程： 原先通道里有三个钾离 子被束缚在里面，只有 体积合适的钾离子才能 通过撞击，将另一个钾 离子从相反方向弹出， 而体积较小的纳离子不 行。
由于结构的变化， 导致了疯牛病、克 雅氏病（ ； ）等传染性脑海绵 状病变（）。
正常的
致病的
分子生物学： 现代生物学的主流方向
• 分子生物学是现代生物学中最重要的学科， 几乎每年的诺贝尔化学奖，生理学或医学 奖都授予这方面的研究。
• 研究各种生物大分子的功能以及在生物体 中的生物化学过程，是分子生物学最重要 的任务。