结构生物学
百科物理知识点之结构生物学(structuralbiology)
百科物理知识点之结构生物学
（structuralbiology）
初中各科目的学习对同学们提高综合成绩非常重要，除了课堂上的学习外，平时的积累与练习也是学生提高成绩的重要途径，本文为大家提供了百科物理知识点，希望对大家的学习有一定帮助。
结构生物学(structuralbiology)主要用物理学方法，配合生物物理和分子生物学方法研究生物大分子结构与功能的新学科，它已成为分子生物学中最精确和最有成效的一个分支。
各个层次的生命活动，都需要在分子水平上进行物质结构和功能的研究才能最终阐明其本质。
近年来结构生物学的发展，一直在影响着生物物理学的面貌。
当前研究的主要内容为蛋白质及其受体、酶蛋白、通道蛋白以及与基因调控密切相关的核酸结合等的结构与功能，主要研究手段有X射线晶体衍射分析、核磁共振、电子晶体学、电镜三维重组、中子衍射及各种光谱技术等。
这篇百科物理知识点的内容，希望会对各位同学带来很大的帮助。
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生命科学领域中的结构生物学研究
生命科学领域中的结构生物学研究生命科学是一门涉及极广、发展迅速的学科，而结构生物学则是其中一门重要的分支学科。
结构生物学致力于探究生命体的分子结构，以及分子之间的相互作用方式，从而揭示生命体的生长发育、繁殖、代谢以及其他功能等方面的奥秘。
在结构生物学的发展过程中，科学家们使用了许多精密的实验技术和计算手段，取得了许多重要的研究成果，推动了生命科学领域的不断发展。
一、结构生物学的兴起和发展结构生物学这个名词最早出现于上个世纪五六十年代，当时是指用X射线晶体衍射方法研究生命体分子结构和生化反应机理的学科。
之后，伴随着其他实验技术的发展，结构生物学的研究范畴不断扩大，其中包括核磁共振、透射电镜、质谱等技术的应用，使得研究对象从蛋白质结构扩展到DNA、RNA、糖等生命分子的多个水平。
结构生物学不但目前成为了解生命科学的重要手段，而且正在成为药物设计和能源领域研究的前沿技术。
例如，药物的研发过程中，通过分析分子的三维结构，可以确认某些活性位点，从而设计出更有效和更安全的药物。
除此之外，计算机科学也在促进结构生物学的发展。
计算机技术的飞速进展，使科学家们能够处理和分析越来越大量的数据，并且模拟分子生物学的动态过程。
目前，各类电脑程序和数据库已成为结构生物学的重要工具。
二、结构生物学的研究对象和方法结构生物学的研究对象是各种生命分子，包括蛋白质、核酸、糖和膜等。
研究分子结构的手段则包括实验学和计算学。
1. 实验学结构生物学采用多种实验技术，如X射线晶体衍射、核磁共振、电子显微镜和质谱等方法。
其中，X射线晶体衍射的原理是射入样品的电磁波能够让原子产生散射，形成衍射图案。
通常情况下，这个过程是在晶体形态下进行，能够确定分子的三维结构。
核磁共振实验同样可以提供关于物质分子的结构和动力学信息，但大多数情况下针对的分子较小，同时难以得到具有足够纯度的样品。
相比之下，透射电镜则通常用于分析更为复杂的细胞结构，例如细胞膜或病毒等。
结构生物学研究及其应用前景
结构生物学研究及其应用前景随着现代科技的发展，越来越多的生物学科研方法得到了更新和升级，其中结构生物学研究显得尤为重要。
结构生物学是一门研究生物大分子的结构与功能关系的学科，其通过对生物大分子结构的解析、理解和分析，揭示了许多生命活动的奥秘，成为了生命科学领域中不可或缺的一环。
一、结构生物学的研究方法结构生物学的研究方法主要涉及X射线晶体学、核磁共振、电子显微镜和生化技术等多个学科的交叉研究。
其中，X射线晶体学是结构生物学中最古老的一种方法，它能够用于分析蛋白质、RNA、DNA等大分子的三维结构，从而解析其功能和作用机制。
核磁共振则可以更直观地捕捉生物分子中的质子、核子等的信息，从而理解它们之间的关联。
电子显微镜则可以用于分子精细结构的观察，甚至还能捕捉到生物分子之间的相互作用。
而生化技术，如质谱和X射线晶体管，可以用于解读生物大分子和其他分子之间的相互作用和反应，以及生命活动中的反应途径和途径的加速和减速。
二、结构生物学的应用随着结构生物学的逐步发展，科学家们发现这一方法在许多领域均有重要应用。
例如，结构生物学成为了生命科学领域中的“体验设计”方法，在蛋白质药物、抗生素等领域的研究应用做出了重要贡献。
结构生物学也能够帮助人们理解基因表达、分子传递等生命过程，甚至用于设计全新的有机分子反应。
一些例子：1. 蛋白质药物蛋白质药物已经成为医学领域中的研究热点，然而这种药物由于其复杂结构和药效等特性，被制备和使用时面临着许多挑战。
结构生物学通过对药物和对病原体中蛋白质结构的解析，能够更好地理解蛋白质的结构和作用机制，进而开发更有效的药物。
2. 生物催化生物催化是一种优于化学催化的催化形式，因为它具有了生物大分子的结构和活性特性。
结构生物学能够检测生物催化的活性，在生物体的催化机制研究中，具有重要的应用前景。
3. 基因表达通过结构生物学技术、通着质谱和X射线晶体管等技术，人们能够揭示基因表达中的一些重要信息。
结构生物学：第一章 绪论
4.结构生物学研究进展
Mo lecu le Type
X-ray
Protein s
Nucleic Acids
Protein/
NA Comp le
xes
Other
31549
934
1462
28
NMR
5074
732
122
7
Exp .
Method
Electro n Microsc
opy
• 基因经过转录,翻译成蛋白质, 再经过翻译后 的磷酸化,糖基化等修饰,蛋白质折叠, 多亚基 多复合体还要进行组装,最后才能形成有功 能的单位. (gene --transcription-
translation — processing — folding — assembling — function unit)所以这些信 息这样一系列的过程是不可能只从单一 的
• 单分子结构技术 ， 在体结构研究（发展趋势）
5.为什么要研究结构生物学?
• 首先 :结构决定功能 ，说到底就是一个分子的三维结构决 定功能 ， 因此如果要了解一个分子的功能首先要知道三 维结构.人类基因组计划(Human Genome Plan, HGP )完 成后,为我们提供了大量的基因组序列 。但是基因只给出 了一个线性的序列,一个脱氧核苷酸的序列 ， 是一个间接 的信息； 而要知道更进一步的信息 ， 必须要测定蛋白质.
• 杂志：
• Journal of Structural
Biology (1990,IF=3.092) Journal of
Ultrastructure,Journal of Molecular
structure research
结构生物学试题及答案
结构生物学试题及答案结构生物学是一门研究生物大分子三维结构及其与功能关系的科学。
以下是一套结构生物学的试题及答案，供参考使用。
一、选择题（每题2分，共20分）1. 结构生物学研究的主要对象是什么？A. 蛋白质B. 核酸C. 糖类D. 脂质答案：AB2. X射线晶体学是研究哪种结构的主要技术？A. 蛋白质B. 核酸C. 细胞膜D. 病毒答案：A3. 核磁共振（NMR）技术适用于研究哪种尺度的生物分子结构？A. 原子尺度B. 分子尺度C. 细胞尺度D. 组织尺度答案：B4. 下列哪项不是蛋白质结构预测的方法？A. 同源建模B. 从头预测C. 质谱分析D. 折叠识别答案：C5. 以下哪个是蛋白质折叠的二级结构？A. α-螺旋B. β-折叠C. 转角D. 所有选项答案：D6. 电子显微镜（EM）在结构生物学中的应用是什么？A. 观察细胞结构B. 观察病毒颗粒C. 观察蛋白质复合物D. 所有选项答案：D7. 下列哪项是核酸的二级结构？A. 双螺旋B. 三螺旋C. 四螺旋D. A选项答案：A8. 蛋白质工程的目的是什么？A. 改变蛋白质的氨基酸序列B. 改变蛋白质的空间结构C. 改变蛋白质的功能D. 所有选项答案：C9. 以下哪种技术可以用于确定蛋白质-蛋白质相互作用？A. 表面等离子共振（SPR）B. 质谱分析C. 核磁共振D. 所有选项答案：D10. 以下哪种疾病与蛋白质结构异常有关？A. 阿尔茨海默症B. 帕金森病C. 肌营养不良症D. 所有选项答案：D二、简答题（每题10分，共30分）1. 简述X射线晶体学在结构生物学中的应用及其局限性。
答案：X射线晶体学是一种利用X射线与晶体中的原子相互作用，通过衍射模式来确定晶体中原子的三维排列的技术。
它在结构生物学中被广泛用于解析蛋白质和核酸的高分辨率三维结构。
然而，它的局限性包括对样品的纯度和晶体质量要求高，且对于大分子复合物或柔性结构的解析存在挑战。
2. 解释核磁共振（NMR）技术在结构生物学中的优势。
结构生物学研究中的关键技术与方法
结构生物学研究中的关键技术与方法结构生物学是一门研究蛋白质、基因和其他生物大分子结构的科学领域。
通过了解这些分子的结构和功能，可以深入了解生物体内的各种生理过程，并为药物设计和疾病治疗提供重要依据。
在结构生物学研究中，关键技术和方法的发展至关重要，下面将介绍一些常见的技术和方法。
一、X射线晶体学X射线晶体学是结构生物学中最常用的技术之一。
通过将蛋白质或其他生物分子制备成晶体，然后用X射线进行衍射，可以获得高分辨率的结构信息。
结构生物学家可以通过分析晶体衍射图像，推断出分子中各个原子的位置和相互作用方式。
X射线晶体学技术在药物研发和疾病治疗中有着广泛的应用，例如用于药物靶点的结构优化和药物的设计。
二、电子显微镜技术与X射线晶体学相比，电子显微镜技术可以直接观察到大分子的形态和结构信息，而不需要制备晶体。
通过电子显微镜，可以获得更高的分辨率和更直观的结构信息，尤其适用于研究较大或复杂的生物大分子。
电子显微镜技术在研究细胞器、细胞膜和病毒等方面发挥了重要作用，并为疾病治疗提供了新的思路和方法。
三、核磁共振技术核磁共振（NMR）技术是一种可以在溶液中研究生物分子结构和动态性质的方法，尤其适用于研究蛋白质和核酸等大分子。
通过测量分子中不同原子核的共振现象，可以获得关于分子构象和相互作用的信息。
由于其可以在溶液中研究样品，NMR 技术可以研究生物分子在生理条件下的结构和功能，对于了解蛋白质的动态性质和相互作用机制非常有价值。
四、计算方法和模拟随着计算机性能的不断提高，计算方法和模拟在结构生物学研究中发挥了越来越重要的作用。
通过计算方法和模拟，可以对分子的结构、动力学和相互作用进行预测和模拟，为实验设计和数据解释提供重要指导。
计算方法和模拟在研究药物分子与蛋白质的结合、分子运动的模拟和蛋白质折叠等方面具有广泛应用，并与实验相结合，加深了我们对生物分子的认识。
五、多样性筛选技术多样性筛选技术是一种用于发现和优化药物分子的方法。
结构生物学在药物研发中的应用
结构生物学在药物研发中的应用结构生物学是一种研究蛋白质分子结构、功能、相互作用等问题的学科，近年来被广泛应用于药物研发领域。
通过结构生物学技术，科研人员可以观察和分析分子层面的结构，了解药物与蛋白质分子之间的结合关系和作用机制，从而加速药物研发进程，提高药物研发的成功率和可靠性。
结构生物学的应用主要有以下几个方面：1.药物设计药物与蛋白质结合是产生作用的前提。
但是药物与蛋白质的结合并不是随机的，它受到药物分子的物理化学特性、蛋白质分子的结构特点等因素的影响。
因此，通过结构生物学技术可以发现药物与蛋白质分子之间的相互作用模式，从而帮助药物研发人员进行药物设计。
例如，研究人员可以通过X射线晶体lography确定蛋白质的三维结构，发现可能的药物引发的改变，从而预测药物与蛋白质分子之间的相互作用模式，进而设计出更高效的药物。
2.药物筛选和优化药物的稳定性、药理特性等往往受到其分子结构的影响。
而结构生物学技术可以帮助科研人员了解药物分子的结构，从而确定药物分子之间的相互作用关系，筛选出具有潜在药效的化合物，进行进一步的药物优化。
例如，通过核磁共振谱学技术可以观察药物分子的三维结构和构象，帮助科研人员优化药物的空间结构和力学特性，提升药物的生物活性和稳定性。
3.药物作用机制研究通过结构生物学技术，科研人员可以观察药物与蛋白质分子之间的相互作用和作用机制，了解药物在生物体内运作的过程，从而研发出更加精准的药物，提升药物疗效和安全性。
例如，通过分析蛋白质的晶体结构可以发现药物与蛋白质的相互作用位置和原理，估算药物对目标蛋白质的抑制程度，预测药物的作用方式和效果，有助于药物疗效的预测和生物体动力学的研究。
结构生物学在药物研发中的应用已经得到了广泛的证明，并且正在逐步成为药物设计和研发过程中必不可少的重要工具。
但是，要实现药物研发与应用的成功，除了结构生物学技术的应用，更需要科研人员积累丰富的经验和掌握相关的学科知识，才能打造一支专业的药物研发团队，为研发出更加高效、安全的药物而不懈努力。
结构生物学研究的技术发展
结构生物学研究的技术发展随着科技的不断进步和发展，结构生物学在社会进步和人类健康领域扮演了越来越重要的角色。
结构生物学是一门研究生物分子三维结构的学科，它通过对蛋白质、核酸和小分子等生物分子结构的研究，揭示了生命的机理和基础，并为药物设计和疾病诊断治疗提供了重要的基础和支持。
本文将讲述结构生物学研究的技术发展，以及这些技术在相关领域中所扮演的角色。
一、X射线晶体学X射线晶体学是一种研究生物分子结构的技术，它是由Max Perutz和John Kendrew等人在20世纪40年代发明的。
其原理是利用X射线穿过结晶样品，根据散射束的特性，确定其原子排列和相对空间结构。
这项技术被广泛地应用于研究蛋白质的三维结构，并奠定了结构生物学这一学科的基础。
例如，解析出蛋白质结构后，人们就可以在分子层面上理解蛋白质如何与其他分子相互作用，从而设计出更为合适的药物。
同时，这也在基因工程和生物技术等领域中发挥了重要的作用。
二、核磁共振核磁共振（NMR）是另一种研究生物分子结构的技术，它利用分子中的核磁共振信号来确定分子中原子的相对位置。
NMR技术主要应用于研究生物分子小结构如蛋白和核酸，以及药物发现和化学反应等领域。
与X射线晶体学类似，NMR技术也能够帮助科学家们更好地理解生物分子的结构和功能，并为药物研究和治疗提供重要支持。
三、电子显微镜电子显微镜也是一项较新的技术，已经成为了研究细胞和病毒的重要工具之一。
相比传统的光学显微镜，电子显微镜分辨率更高，可以观察到更细小的结构。
通过电子显微镜技术，科学家已经能够实现对生物大分子的高分辨率成像，如蛋白质超分子组装和生物膜中膜蛋白结构等。
此外，电子显微镜技术也被广泛应用于病毒学和神经科学等领域。
四、计算生物学计算生物学是一种利用计算机和数学方法研究生物大分子结构和功能的技术。
通过计算模拟和分析数据，科学家们能够更准确地预测生物分子的结构和功能，并利用这些信息，在药物发现和分子设计等领域中发挥重要作用。
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(HIV protease PDB:1a8k)
蛋白质功能与结构的主要类别－－分子开关
(Ras off and on PDB: 1pll and 121p)
蛋白质结构的稳定性
蛋白质需具有一定的结构稳定性才能行使其生物学功能
蛋白质稳定性可以定义为净自由能减少，一般为21-42 kJ/mol 三级结构由非共价和共价两类相互作用稳定，其中非共价相互作用为主
蛋白质四级结构
1. 蛋白质四级结构指的是相同或不同多肽链进一步相互 作用形成同源或异源寡聚 2. 分子间互补性对于四级结构的维持具有关键作用
3. 有时单个亚基必须在形成复合物状态时才能正确折叠
4. 不同亚基分子界面上的相互作用类型与稳定蛋白三级 结构的相互作用类型相似 5. 在分子间相互作用界面上可能会有被捕获的水分子
蛋白质功能与结构的主要类别－－结合
Myoglobin (PDB: 1a6k)
蛋白质功能与结构的主要类别－－结合
TATA binding protein (PDB: 1tgh)
蛋白质功能与结构的主要类别－－催化
(DNA polymerase PDB:3pw0)
蛋白质功能与结构的主要类别－－催化
AMP
AMP+AMPPNP/ATP
腺苷酸激酶(ADK)(PDB:2ak3,1ank)
蛋白质功能的不同层次
生化：酶催、信号、转运
遗传和细胞：表型、通路
生理和发育：综合多方面
结合 互补性 活性位点
分子识别和催化均依赖于互补性
分子识别依赖于蛋白质三级结构形成的特定微环境，而催化 反应则依赖于结合位点的特定微环境
蛋白质晶体示例
衍射
数据采集策略
1. 一般母体数据可选取1.0埃的X光波长采集（家用机在1.54 埃，同步辐射在1.0埃光质量较好） 2. 根据对称性、冗余度和信噪比确定所需扫描角度
3. 根据衍射强度、饱和情况确定所需曝光时间及探测器距离
4. 根据单晶性适当调整晶体角度和位置 5. 超过分辨率（高于1.3埃）数据往往需要高低区分开采集 6. 根据分子大小确定每张衍射画面所需扫描角度（一般1度）
分子间可以形成二级结构以稳定蛋白质四级结构
蛋白质结构的柔性
蛋白质结构柔性对于其配体结合和催化是必需的
蛋白质三级结构的柔性使其能够对配体进行调适
不同蛋白质根据其功能具有不同程度的结构柔性 蛋白质晶体结构是时间和空间的平均，是静态的，而生理条件 下蛋白质结构一个巨大的构象集合
钩端螺旋体去甲酰化酶
2 ADP ⇔ ATP + AMP
蛋白质结构技术的选择
取决于多方面因素：分子量、可溶性、结晶难易程度 分辨率决定了一个结构的信息含量(高于1.5埃为原子分辨率） 数据质量决定结构质量 单晶衍射 核磁共振 冷冻电镜 小角散射 电子自旋共振 多角度光散射 各类光谱学
技术路线
蛋白质样品制备
结构测定与模建
结构分析与假说 功能分析与验证 机制确立与应用
蛋白质结构技术导论
周兆才 博士 研究员 中科院上海生化与细胞所
2011.9.27
什么是结构生物学
1.生物大分子的结构是如何形成的 2.生物大分子行使功能的结构机制
3.生物大分子的结构改变如何影响其功能
结构生物学的重要性 1. 生物大分子参与行使绝大多数细胞功能 2. 生物大分子只有折叠成特定结构才能行使其功能
催化机制
有些活性位点主要是促进临近效应 有些活性位点主要是促进基态的去稳定化 有些活性位点主要是稳定中间态 许多活性位点必须保护底物远离水环境，但有必须能为底物所接近 许多活性位点使用辅酶因子来协助催化
有些活性位点使用多步反应机制
蛋白质功能调控
蛋白可被定位到细胞位点或者倍招募到特定复合物中 蛋白活性可被效应子结合或共价修饰（磷酸化最重要）所调控 蛋白活性可被其本身的数量和生命周期所调控 蛋白活性可被其所处微环境所调控：氧化态和pH都能够剧烈改变蛋白质 的结构和功能。 效应配体对配体结合位点或活性位点的竞争性结合可以调控蛋白质功能 效应配体的协同性结合可以放大其调控效应 效应分子可在远端位点引起构象变化 核苷酸结合与水解驱动的构象变化是蛋白质行使分子开关和生物马达 功能的结构基础（ATPase和GTPase的共同特征：P-loop，Switch-I， Switch-II）
1. 分子筛或动态光散射测聚集态
2. 如果是酶，测定酶活 3. 如果形成复合物，测定结合能力 4. 其他生化或细胞分析
单晶培养
蛋白质溶液缓慢饱和：高通量筛选＋分步优化 影响晶体生长的因素：样品质量、盐、沉淀剂、 pH、温度、添加剂、配体、金属离子等等
培养方法：最常用气相扩散法（坐滴、悬滴）
晶体质量：单晶性、衍射能力
稳定蛋白质结构的化学相互作用
共价键(C-C) 1.5埃 356kJ/mol 610kJ/mol(C=C双键)
二硫键
盐桥
2.2埃
2.8埃(<3.4埃)
167kJ/mol
12.5-17kJ/mol 30kJ/mol(部分或全部包埋) 2-6kJ/mol(水环境) 12.5-21kJ/mol(供体或受体带电荷) (非极性环境中强，水环境中弱） 4kJ/mol 4-17kJ/mol(蛋白内部）
定点突变可以鉴定与结合或催化相关的氨基酸
DOCK可以模拟蛋白质与配体之间的结合
蛋白质结构与功能的关系
蛋白质是由单个或多个结构域组成的 结构域/折叠花样的总数是有限的 蛋白结构的模块化本质允许一级序列存在插入或删除 一般来说，结构域与功能一一对应（如Kinase），但并不总 是如此（如TIM桶） 类似的结构可具有不同的功能,不同的结构可具有相似的功能
M. F. Perutz, Sir John Kendrew (Chemistry, 1962) for their studies of the structures of globular proteins D. Crowfoot Hodgkin (Chemistry, 1964) for her determinations by X-ray techniques of the structures of important biochemical substances Sir A. Klug (Chemistry, 1982) for his development of crystallographic electron microscopy J. Deisenhofer, R. Huber, H. Michel (Chemistry, 1988) for the determination of the three-dimensional structure of a photosynthetic reaction centre P. D. Boyer, J. E. Walker, J. C. Skou (Chemistry, 1997) for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the ATP synthesis ion transportation J. B. Fenn, K. Tanaka, K. Wüthrich (Chemistry, 2002) for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules Roderick MacKinnon (Chemistry, 2003) R. D. Kornberg (Chemistry, 2006) for his studies of the molecular basis of eukaryotic transcription V. Ramakrishnan, T.A. Steitz, A.E. Yonath (Chemistry 2009) for studies of the structure and function of the ribosome
进化问题
进化产生了数量相对有限的蛋白质折叠种类和催化机制 趋异进化：序列和结构相似的蛋白质具有不同的活性位点、 催化机制和生化功能 趋同进化：不同序列和结构的蛋白质具有相似的活性位点、 催化机制和生化功能
具有不同序列但相似整体结构和活性位点的蛋白之间可能 是同源的
鉴定蛋白质结合位点的策略
蛋白质结合位点有时候可通过对其三维结构的计算分析得到 (GRID/MCSS) 实验方法测定蛋白质结合位点比计算分析准确
单晶初步检测
1. 是否为蛋白质晶体（偏光染色，电泳，荧光）
1. 衍射能力如何（分辨率，容积含量，晶胞大小） 2. 单晶性（不同衍射角度，不同晶体部位） 3. 对称性高低
单晶优化
1. 样品质量控制（动态光散射检查，必要时重结晶） 2. 梯度微调前述影响晶体生长的各个因子 3. 改变培养方法，调整蛋白浓度 4. 种晶（宏观种晶、微观种晶） 5. 脱水（直接和间接） 6. 选用合适的冷冻液和冷冻方法
3. 生物大分子结构可以直接加深人们对功能的深入理解
4. 基于结构信息的药物筛选与优化
结构生物学诺贝尔奖
F. H. C. Crick, J. D. Watson, M. H. C. Wilkins (Physiology or Medicine, 1962) for their discoveries concerning the molecular structure of nuclear acids
蛋白质样品制备
片段选取：二级结构预测结合生化功能实验
表达体系：原核、真核、无细胞
融合标签：HIS、GST、MBP、SUMO、STRAP、 FLAG 层析纯化：亲和、离子、分子筛、反相 蛋白质复合物：可单独纯化后进行体外组装， 也可直接共表达共纯化 最终样品质量：纯度、浓度和分子均一性