第二章结构生物学的研究方法
结构生物学的研究方法和应用
结构生物学的研究方法和应用近年来，随着技术的不断发展和人们的兴趣不断增加，结构生物学已经成为了前沿的研究领域。
结构生物学是一门研究生物分子结构的学科，旨在了解分子在三维空间中的结构构成和运动规律。
本文将介绍结构生物学的研究方法和应用，以及在科技领域的重要意义和前景。
一、结构生物学的研究方法1. X射线晶体学X射线晶体学是结构生物学中最主要的一种技术方法。
它的基本原理是利用X射线对生物分子进行照射，通过测量其衍射图案来确定生物分子的三维结构。
X射线晶体学适用于大多数生物大分子的研究，例如蛋白质、核酸、糖类、脂质等。
它可用于解析蛋白质的结构，理解其在生命中所扮演的重要角色。
2. 核磁共振技术核磁共振技术是一种在结构生物学中用于研究原子的位置和分子运动的强大方法。
通过测量生物分子内原子之间的距离和角度，可以详细描绘出生物分子的三维结构。
与X射线晶体学相比，核磁共振技术的解析能力更强，且无需生物分子结晶，因此被广泛应用于结构生物学研究。
3. 电子显微镜技术电子显微镜技术是一种通过高分辨电子显微镜图像来确定生物分子结构的方法。
这种方法适用于大分子复合物，如生物膜蛋白复合物和细胞核复合物。
由于永久性结晶难以实现，因此该技术在结构生物学领域中仅限于已经形成聚集体的生物分子。
二、结构生物学的应用1. 免疫学结构生物学提供对免疫响应和疫苗开发的深入了解。
通过对抗原（病原体）和抗体结构的解析，研究人员可以设计更为有效的制剂，以提高疫苗的免疫保护效果。
2. 药物开发结构生物学研究在药物开发中的应用越来越多。
利用该学科的技术方法，药品研究者们可以更好地理解药物与生物大分子之间的相互作用，从而更好地解析了它们的药效。
这有助于更加精确地设计新药，提高药品开发的成功率。
3. 矿物学结构生物学在矿物学中的应用领域正在不断扩大。
通过结晶学，研究人员可以获得有关晶体结构中原子形成和定位的详细信息。
这种方法的好处是可以使我们了解更多关于矿物和地球表面的性质的信息。
生物学研究的基本方法
练习题:
连线题
DNA分子双螺旋结
生物分类系统 物种起源和进化论 血液循环 提出两个遗传规律。
创立细胞学说
谢谢指导
THANK FOR YOU WATCHING
演讲人姓名 演讲时间
生物学的形成和发展是与生物 学家的科学活动分不开的。
科学活动包括观察、调查、实 验、查阅文献资料、相互交流 等等，正是科学工作者经过长 期不懈的科学活动，使得生物 学得到了不断的发展。
生物学的发展 史
”
0 1
17世纪文艺复兴时期，英国医生哈维开创
了近代实验生物学,建立了血液循环学说。
0
18世纪瑞典植物学家林奈于1735年出版了《自然系统》
科学家及其成 果
林奈与生物分类学
01
瑞典科学家林奈 ( Karl Linnaeus 1707---1778)根据生物的 形态、习性、大小各异，将当时已发现的所有植物和动物排列成一个 有规律的完整系统。从而创立了统一的生物工程命名法，使得分类学
成为一门科学，因而他被称为“分类学之父”
02 分 类 学 之 父 - - 林 奈
当代生物学的 重大成果和发
展趋势
DNA的双螺旋结构。
1953年4月，美国的沃森和英国的克里 克公布了他们在前人工作的基础上的研 究结果，建立了DNA双螺旋结构模型。
人类基因组的研究。
科学家估计，人类约有10万个基因，编码序列约为1亿个碱基对。人体基 因DNA全序列分析，即基因组研究。研究内容是：分析测定30亿个核苷 酸的排列顺序，破译每个核苷酸序列中包含的遗传信息，搞清每个遗传 信息的生物学功能。世界上已有一些国家先后立项对此进行研究，我国 也将人体基因组的研究列入国家研究项目。科学家预测，人类基因组研 究有巨大的理论意义和应用价值，将是生物学发展史上的又一个里程碑。
结构生物学的研究与应用前景
结构生物学的研究与应用前景随着科技的进步和生物技术的发展，结构生物学成为了一个备受关注的领域。
结构生物学是通过解析生物分子的三维结构，从而揭示其功能和调控机理的一门学科。
它通常涉及到蛋白质、核酸和大分子等生物分子的结构研究，并且在病理和药物研发方面也具有重要的应用前景。
一、结构生物学的研究方法为了获得生物分子的高分辨率的结构，结构生物学主要采用X 射线晶体学、核磁共振、电子显微镜等技术。
其中，X射线晶体学是最为常用的手段，通过将生物分子在晶体中结晶，然后利用X射线的衍射像获取结构。
电子显微镜主要用于冷冻电镜技术的开发，目前已经可用于高分辨率的大分子复合物的结构解析。
二、结构生物学在蛋白质研究领域的应用蛋白质是生命界中最基本和最复杂的有机分子之一。
蛋白质通过复杂的折叠过程来获得特定的功能，并参与到身体内的各种代谢、信号传导和调节等生命活动过程中。
结构生物学的研究可以揭示蛋白质的三维结构，从而更深入地了解蛋白质的功能和调控机制。
同时，结构生物学也可以为新药物的开发和形成分子模型提供可靠的依据。
三、结构生物学在药物研发领域的应用随着疾病的不断出现和寻找治疗方法的进行，药物研发是一个不断发展的领域。
结构生物学的发展为药物研发提供了新的机会。
通过研究蛋白质的三维结构和相互作用，结构生物学可以为药物设计和药物筛选提供依据，帮助人们在短时间内进行有效的药物研发。
在治疗多种疾病，包括癌症和疟疾等方面，结构生物学都在为科学家和研究者提供优质的研究平台。
四、结构生物学在育种领域的应用结构生物学也可以在生物学的育种领域中发挥作用。
例如，科学家们可以通过研究植物的蛋白质结构，探索植物的内在机制，并且利用这些新的研究手段，通过新的育种和培育方法为未来人类的生活提供更多的方法和途径。
结论结构生物学在生物学、医药学和其他学科领域都有很广泛的应用前景。
随着技术的不断进步和应用范围的扩大，结构生物学会变得更加重要，为更多的领域提供帮助和支持。
结构生物学研究方法
结构生物学研究方法
哇塞，结构生物学研究方法，这可真是超级有趣又超级重要的领域啊！
首先来说说结构生物学研究的步骤和注意事项吧。
这当中呢，第一步就是要准备好样品，就像厨师准备食材一样，样品的质量可是至关重要的呀！然后进行数据的收集，这就好比是给研究对象拍好多好多的照片。
在这个过程中，要特别注意实验条件的控制，稍有不慎，可能就前功尽弃啦！还有数据的处理和分析，那可得仔细再仔细，不能放过任何一个小细节哦。
接着谈谈过程中的安全性和稳定性吧。
哎呀呀，这可不能马虎呀！就像走钢丝一样，必须得稳稳当当的。
实验设备要好好维护，保证不出差错。
实验人员也要严格遵守操作规程，可不能有丝毫的侥幸心理呀！不然出了问题那可不得了。
再讲讲应用场景和优势。
结构生物学研究方法在药物研发中那可是大显身手啊！可以帮助我们了解药物与靶点的相互作用，就像是给我们配上了一副超级眼镜，能看清那些微小的细节。
在生物学研究中也是不可或缺的，能让我们深入探究生命的奥秘。
它的优势就在于能够提供直观、准确的信息，这可不是一般方法能比的呀！
来看看实际案例吧。
比如说在新冠病毒的研究中，结构生物学研究方法就发挥了巨大的作用。
通过对病毒结构的解析，我们对它有了更深入的了解，这为疫苗和药物的研发提供了重要的依据。
这效果简直太棒啦！
我觉得呀，结构生物学研究方法真的是太厉害啦！它就像是一把神奇的钥匙，能打开生命奥秘的大门，让我们看到那些隐藏在微观世界里的精彩。
我们一定要好好利用它，为人类的健康和科学的进步做出更大的贡献呀！。
结构生物学课程大纲
三维重构:是电子显微图像含有振幅和相位的信息，二者可通过数字图像处理的傅立叶变换方法提取出来.
三大方法：X 射线衍射技术，核磁共振，电镜三维重建技术。
特别是多分子的复合体和膜蛋白结构的突破 结构基因组计划在全球兴起 雷啊……
还有频率域，频率域的核磁图谱成单峰状。 proton NMR 质子 NMR： 每一种原子核都可以吸收或释放不同频率的 Rf （无线电波） 。按某种标准测量化学位移（ppm） 。一个原子的化学位移依赖于原子核的 电子环境。 3 P6
理论层次：定性⇒ 定量
方法学： 描述、归纳⇒ 演绎、推理
对象： 宏观现象⇒ 微观本质
By Jason Wan
结构生物学概论目录哈 第一章结构生物学的研究现状与发展趋势 结构生物学诞生的背景；结构生物学时代的到来；结构生物学是生命科学的前沿和主流；结构生物学主要研究手段 简介；结构基因组学简介；结构生物学研究的新进展。 第二章结构生物学的研究方法 核磁共振;电子晶体学和电子显微学三维重构;X 射线晶体学 第三章蛋白质分离纯化及其晶体生长 1. 蛋白质的表达与纯化 [主要内容]：蛋白质在大肠杆菌、昆虫细胞和酵母中表达的原理、 方法和关键技术；蛋白质的纯化方法和纯度鉴定。 2. 蛋白质的结晶和晶体生长 [主要内容]：蛋白质结晶的原理、技术和方法、对材料的要求、晶 体生长的理化条件、晶体的鉴定。 第四章蛋白质晶体结构的解析 3. 衍射数据的收集 [主要内容]：晶体的收集与冷冻处理；X 射线源的选择；衍射线记 录装置及其使用方法；衍射数据收集的全自动化。 4. 蛋白质结晶结构的解析 [主要内容]：蛋白质晶体空间群(Space group); 相位(Phase)的测 定；电子密度图的解释；结构模型的修正与精化。
结构生物学复习资料
结构生物学复习资料结构生物学是一门旨在研究生物大分子（如蛋白质、核酸等）的三维结构、功能以及它们之间相互作用的学科。
它为我们理解生命现象的分子基础提供了关键的视角和方法。
一、结构生物学的研究对象1、蛋白质蛋白质是生命活动的主要执行者，其结构决定了功能。
蛋白质的结构层次包括一级结构（氨基酸序列）、二级结构（如α螺旋、β折叠等）、三级结构（整条肽链的空间构象）和四级结构（多个亚基组成的复合物）。
2、核酸核酸分为脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）。
DNA 的双螺旋结构是遗传信息的储存和传递的基础，RNA 在基因表达中起着重要作用，其结构多样，如 tRNA 的三叶草结构等。
3、生物大分子复合物例如，核糖体是由蛋白质和 RNA 组成的复合物，其结构对于理解蛋白质的合成机制至关重要。
二、研究方法1、 X 射线晶体学这是结构生物学中最常用的方法之一。
通过使生物大分子结晶，然后用 X 射线照射晶体，根据衍射图谱来解析结构。
但该方法存在一些限制，如某些蛋白质难以结晶。
2、核磁共振（NMR）适用于研究较小的蛋白质和核酸，能够在溶液状态下获取结构信息，但对大分子复合物的研究存在挑战。
3、冷冻电镜技术近年来发展迅速，能够对较大的生物大分子复合物进行高分辨率的结构解析。
三、结构与功能的关系1、蛋白质的结构与功能结构的微小变化可能导致功能的显著改变。
例如，酶的活性中心的结构决定了其催化反应的特异性和效率。
2、核酸的结构与功能DNA 的双螺旋结构保证了遗传信息的稳定性和准确性传递，RNA的结构影响其与蛋白质的相互作用以及基因表达的调控。
3、复合物的结构与功能核糖体的结构决定了蛋白质合成的过程和质量控制。
四、结构生物学在医学和药物研发中的应用1、疾病机制的研究通过解析与疾病相关的蛋白质结构，揭示疾病的发生机制，如某些基因突变导致蛋白质结构异常进而引发疾病。
2、药物设计基于靶标蛋白的结构，设计特异性的药物分子，提高药物的疗效和减少副作用。
生物物理学中的结构生物学
生物物理学中的结构生物学生物物理学是研究生物学中的物理学的分支，它主要关注的是生命的物理学特性，包括分子结构和功能、运动和交互作用等。
结构生物学是生物物理学的一部分，它是研究不同级别生物结构的一种方法，它的主要目的是理解生物大分子的三维结构、生命过程中分子的相互作用、蛋白质和其他生物分子的功能等。
结构生物学的研究方法结构生物学主要采用X射线晶体学、电子显微镜、液态核磁共振、质谱等方法进行研究。
X射线晶体学是用来得到蛋白质晶体的分析工具，在晶体学中，蛋白质完全结晶后，它们会产生一种可以通过X射线进行研究的晶体结构。
这种方法的原理是通过X射线照射晶体，测量X射线在晶体内部被散射时的角度，而得到晶体结构的信息。
电子显微镜是一种观察超高分辨率的生物分子结构的工具，它是通过在非常细的缺陷区域劈开蛋白质晶体，再加以加强，然后观察样品的电子显微图像。
其中大分子生物组分的型号、组分数量、分子结构和功能等都可以获得。
质谱是一种可以测量蛋白质分子质量的方法，它是通过将蛋白质分子制成离子，然后通过质量筛选器区分离不同种类的离子，最终得到蛋白质质量的一种方法。
液态核磁共振是一种通过核磁共振来研究蛋白质结构的方法。
对于一个分子，其中的氢原子有多种可能的状态，然而这些状态之间的差异在非常快的速度下发生激烈的转移。
这种情况下液态核磁共振技术提供了一种观察弱的这些状态转移的分析工具。
应用结构生物学在生命科学研究中有着广泛的应用。
蛋白质结构的解析，可以用于推断它的结构和功能。
例如，结构生物学研究中，三维蛋白结构信息有助于推断结构域，判断蛋白质的功能和相互作用。
结构生物学会进一步发掘建筑这些生物分子在基因组和细胞生物学中的工作。
结构生物学可以为新药研发提供理论基础。
药物被人体吸收后，它们会与蛋白质相互作用，如何使药物选择性地与其目标相互作用，是结构生物学所关注的重点问题。
通过基于已有结构设计出新的药物，并通过化学物理学的手段优化药物的性能是结构生物学研究的重要目标之一。
生物物理学研究中的结构生物学方法
生物物理学研究中的结构生物学方法生物物理学是研究生命系统的科学，它涵盖了生物、生物化学、物理学等多个交叉学科。
内部结构和形态决定了生物体的功能和特性，因此在生物物理学研究中，结构生物学方法占据了重要的地位。
结构生物学是一种重要的生物物理学研究方法，它集成了X射线衍射、核磁共振、电镜显微镜、荧光共振能量转移等各种技术手段来解析生物系统的结构与功能。
这种方法不仅非常有利于对杂乱无章的生物大分子体系进行可视化，还能揭示、导致、确认生命中关键过程的结构基础。
今天，我们将介绍几种最流行的结构生物学方法，仅供参考。
第一个结构生物学方法是X射线晶体学。
X射线晶体学是一种重要的生物物理学工具，可以通过获取高分辨率晶体结构来研究异质分子体系的各种结构和动态过程。
它通过构建仿真3D结构和计算化学的当前状况，推动了药物设计、生命科学、材料科学的快速发展。
第二种方法是核磁共振。
核磁共振是将磁场引入样品，在样品中的核磁强矩对原子核产生影响。
通过探测原子核之间的相互作用和磁偶极矩，可以得到生物大分子的3D结构、空间构象和蛋白质动力学等关键信息，该方法被广泛应用于药物发现与结构、靶标发现和识别、蛋白质构象和功能的调控等领域。
第三种方法是电镜显微镜。
电子显微镜是一种在模型系统和样品表面二三维表现时查看生物大分子形态并计算然后重构函数形态的高分辨率显微镜。
借助电子显微镜，人们可以非常容易地观察到细胞、病毒等生物结构的三维结构和超微细节，例如病毒颗粒的膜构成或发生变化的分子网格。
最后一个结构生物学方法是荧光共振能量转移。
荧光共振能量转移因其具备超强的分辨率和灵敏度，而逐渐成为关键的生物物理学研究技术手段。
该技术利用蛋白质分子振动频率和相应蛋白质中氨基酸流通的能量进行解析，从而了解蛋白质分布、互动和耦联到哪个程度，并进一步从构象和理化特点上研究蛋白质的结构成分。
总结来说，生物物理学研究中的结构生物学方法是对生物学的结构和功能进行研究的关键方法之一，给我们带来了诸多的优势与奇妙的成就。
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应用实例
DNA分子结构的研究
应用实例
蛋白质三维结构的测定
微管蛋白的结构与功能研究 膜蛋白的三维结构研究 二十面体病毒颗粒的三维结构研究
微管蛋白的结构与功能研究
微管：细胞的物质传送系统 微管是由微管蛋白单体线性聚合而成
膜蛋白的三维结构研究
细菌视紫红质：第一个用电子晶体学方法得到的 膜蛋白结构
电子晶体学与电镜三维重构
电子晶体学与电镜三维重构
概况 电子显微镜的基本知识 电镜三维重构的理论基础 有关的实验技术 应用实例
概况
目前广泛使用的术语 方法特点 膜蛋白结构测定的困难 电子晶体学与X-射线晶体学的比较 电子晶体学的历史 结构测定的一般步骤
概况
20世纪30年代，原苏联的一个晶体学小组开始电子衍射的方法研究 1968年Klug和DeRosier开创电子显微镜三维重构的基本原理和方法 重构了T4烟草花叶病毒颗粒尾部的三维空间结构。 1975年，Henderson和Unwin重构了细菌视紫红质（BR）的7Å分辨 率的三维结构。------电子晶体学的一个里程碑。 1982年，Klug因此获得诺贝尔化学奖。 1990年，Henderson等人把细菌视紫红质的研究提高到了3.5Å分辨 率，并提出了原子模型。 最近十几年来，电子晶体学已经发展成为一种X射线晶体学所不可 替代的生物大分子空间结构分析的有效手段。
目前广泛使用的术语：
Electron crystallography 电子晶体学 Electron cryomicroscopy 低温电子显微学 3-dimensional reconstruction of electron microscopy 电镜三维重构 Electron diffraction and imaging 电子衍射和成像
数据的收集和处理
显微像和电子衍射信息的获取
样品的多角度照相 低剂量曝光技术：聚焦和照相不在同一个样品区域 低温电镜技术：电镜中样品的温度维持在-160℃左右 照片的数字化 计算机数据处理及三维重构
数据处理
电子晶体学与电镜三维重构
概况 电子显微镜的基本知识 电镜三维重构的理论基础 有关的实验技术 应用实例
真空系统 电源系统
透射电镜的基本工作原理
电子成象和电子衍射的基本原理
电镜的三级成像系统：物镜、中间镜和投影镜。 成像模式和衍射模式：电镜的两种工作模式。
电子晶体学与电镜三维重构
概况 电子显微镜的基本知识 电镜三维重构的理论基础 有关的实验技术 应用实例
电镜三维重构的理论基础
原理及方法：用高电子密度的染色剂沉积在蛋白质分子周围，使蛋 白质的电子显微像具有较高的反差（衬度）。 常用的负染剂：醋酸铀 特点：最常用的衬度增强技术；分辨率低，15~20 Å；样品脱水会 影响蛋白质分子的结构 用葡萄糖等物质取代蛋白质溶液中的水介质，形成类似水的环境。 包埋剂：葡萄糖、海藻糖、单宁酸等 特点：可以保持生物大分子的结构；分辨率较高，理论上可达3-4Å
电子显微像是物体的二维投影 三维重构的数学基础 三维重构的原理
电子显微像是物体的二维投影
三维重构的数学基础
Radon理论
1917年，Radon提出：如果已知一个物体在不同方向上 的无穷多个低维投影，就可以通过Radon变换，精确地 重构出高维空间的物体结构。
傅里叶变换
中央截面定理
E. Ruska
电子显微镜的分辨率
电子的波长
电子的速度由加速电压决定，故电子的波长与加速电压有关：
Ｅ（kv） l (Å) ---------------------------------------50 0.0548 100 0.0388 200 0.0251 400 0.0164 1000 0.01体的生长
膜蛋白二维晶体的生长（内在膜蛋白）
天然膜中重排
天然形成的膜晶体 • 嗜盐菌质膜上的细菌视紫红质（BR） 物理或化学因素诱导形成膜晶体
负提纯技术 透析法 脂单层表面的二维结晶化
水溶性蛋白二维晶体的生长
电镜样品的制备
电镜制样的器材
载网：铜网 支持膜：碳膜
三维重构的数学基础
中央截面定理
物体的二维投影像的傅里叶变换等于物体的三维傅里叶 变换中通过原点且与投影方向垂直的一个截面（中央截 面）。
三维重构的原理
如果获得足够多的物体在各个方向的二维投影像， 即可获得足够多的傅里叶空间中的中心截面，将 这些中心截面按其方向组合起来，即可获得物体 三维傅里叶变换的近似值，将它作傅里叶逆变换， 就得到物体的三维图像。 1968年，D.De Rosier和A.Klug首次提出上述三维 重构思想
二十面体病毒颗粒的三维结构研究
球状病毒颗粒具有二十面体对称性
概况
结构测定的一般步骤
电镜样品的制备（包括蛋白质二维晶体的生长） 电镜观察照相 数据处理及计算机三维重构 （构建原子模型）
电子晶体学与电镜三维重构
概况 电子显微镜的基本知识 电镜三维重构的理论基础 有关的实验技术 应用实例
电子显微镜的基本知识
“科学之眼”的诞生 电子显微镜的分辨率 透射电镜的基本工作原理
PDB统计：内在膜蛋白 2003年3月 58 个 膜蛋白难于结晶 膜蛋白多是多重复合物，分子量大
概况
电子晶体学与X-射线晶体学的比较 X-ray EM
研究对象： 晶体 >20um 微小晶体与薄膜，单颗粒，螺旋纤维 数据形式： 衍射数据 衍射数据，显微像 相位问题： 有 无
概况
电子晶体学的历史
负染色技术
糖包埋技术
电镜样品的制备
冰包埋技术
将样品悬液薄层高速冷冻到-160℃以下，冷冻速度达到 106℃/s，使蛋白质样品处于非晶体的玻璃态冰中。 常用液氮冷却 特点：1）是目前最好的样品包埋方法；2）高速冷冻形 成的无序冰中，样品的水合状态得以保持，样品的结构 不受破坏；3）可以获得高分辨率的结构数据；4）可以 降低样品的辐射损伤；
概况
方法特点
分辨率：3~30 Å，大多数达不到原子分辨率 适用的样品：晶态或非晶态，复杂的大分子组装体
蛋白质的二维晶体 螺旋状分子复合物 纤维样品 单颗粒的大分子复合物（MW>250kDa） 病毒
无相位问题，电镜像本身即包含振幅和位相信息
概况
膜蛋白结构测定的困难
“科学之眼”的诞生
光的衍射效应对分辨率的限制
d 0.4 l 人眼的分辨率：0.1~0.2 mm 光学显微镜：0.1~0.2 um 电子波动性的发现
寻找新的光源
1924 De. Broglie提出物质波理论，并被电子衍射实 验证实
电子透镜的发现
1926年, H. Busch提出轴对称磁场可以汇聚电子束， 并服从几何光学定律 第一台电子显微镜的研制
三维重构原理
电子晶体学与电镜三维重构
概况 电子显微镜的基本知识 电镜三维重构的理论基础 有关的实验技术 应用实例
有关的实验技术
蛋白质二维晶体的生长 电镜样品的制备 数据的收集和处理
蛋白质二维晶体的生长
二维晶体的特征
一个连续的脂双层或脂单层膜 膜上的蛋白质呈规则的周期排列 有囊泡状、片状和管状等类型 疏水相互作用是维系二维晶体结构的主要作用
电子显微镜的实际分辨率：
目前可达到 1Å左右，能够看到单个原子
透射电镜的基本工作原理
透射电镜的外观
透射电镜的基本工作原理
透射电镜的内部结构
电子透镜系统（镜筒）
照明系统：由电子枪和聚光镜组成 成象系统：包括物镜、中间镜、投影镜，有时增加一个衍射透 镜。 观察系统：荧光屏、光学观察放大镜及照相机。