“看清”蛋白質(zhì)生物大分子質(zhì)譜電離技術(shù)的突破及核磁共振三維結(jié)ppt課件

1、“看清蛋白質(zhì)生物大分子質(zhì)譜電離技術(shù)的突破及核磁共振三維構(gòu)造測(cè)定方法的建立2002 年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)簡(jiǎn)介陳銘濤 03088003.“將我全部財(cái)富作為設(shè)立諾貝爾獎(jiǎng)的基金，每年取出基金利息，獎(jiǎng)給對(duì)人類文化科學(xué)事業(yè)做出艱苦奉獻(xiàn)的人。 . 人物約翰B芬恩(John B. Fenn)美國(guó)人, 1917 年生于紐約,1940 年在耶魯大學(xué)獲博士學(xué)位,19671987 年任耶魯大學(xué)教授,1987 年為該校的Emeri2tus 教授,1994 年起任弗吉尼亞共同體大學(xué)教授。田中耕一( Koichi Tanaka) 日本人,1959 年生于日本富山,1983 年在東北大學(xué)獲工程學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)任日本京都島津公司分析和丈

2、量?jī)x器部生命科學(xué)運(yùn)營(yíng)處研討與開發(fā)工程師。庫(kù)爾特維特里希( Kurt Wthrich) 瑞士人,1938 年生于瑞士阿爾貝格,1964 年在巴塞爾大學(xué)獲無機(jī)化學(xué)博士學(xué)位,1980 年起在瑞士蘇黎世ETH 任分子物理學(xué)教授,并兼任美國(guó)加州La Jolla 的斯克里普斯研討所構(gòu)造生物學(xué)訪問教授。.“革命性的突破 一切生物細(xì)菌、植物以及動(dòng)物都含有包括DNA 和蛋白質(zhì)在內(nèi)的生物大分子?！翱辞逅鼈兊恼婷婺吭?jīng)是科學(xué)家們夢(mèng)寐以求的事,如今這一夢(mèng)想成為現(xiàn)實(shí)。瑞典皇家科學(xué)院解釋說,3 位獲獎(jiǎng)?wù)甙l(fā)明的方法可以協(xié)助科學(xué)家繪制出蛋白質(zhì)的三維構(gòu)造圖,從而“看清蛋白質(zhì),并且了解它們是如何在細(xì)胞中發(fā)揚(yáng)作用的,這項(xiàng)成果是“革

3、命性的突破 。.質(zhì)譜分析法約翰B芬恩(John B. Fenn)&田中耕一( Koichi Tanaka).質(zhì)譜分析法是化學(xué)領(lǐng)域中一種非常重要的分析方法。它經(jīng)過測(cè)定分子質(zhì)量和相應(yīng)的離子電荷實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品中分子的分析。質(zhì)譜分析用于生物活性分子的研討具有如下的優(yōu)點(diǎn):靈敏度極高,能為亞微克級(jí)試樣提供信息,適用于復(fù)雜體系中痕量物質(zhì)的鑒定和構(gòu)造測(cè)定 。質(zhì)譜技術(shù)具有非常強(qiáng)的構(gòu)造分析才干,并且樣品用量極少(10 - 11g) 。19 世紀(jì)末科學(xué)家曾經(jīng)奠定了這種方法的根底,1912 年科學(xué)家約瑟夫湯普生(Joseph Thompson) 第一次利用它獲得對(duì)小分子的分析結(jié)果.問題?不過,最初科學(xué)家只能將質(zhì)譜分析用于

4、分析小分子和中型分子,由于生物大分子比水這樣的小分子大成千上萬倍,因此將這種方法運(yùn)用于生物大分子非常困難。雖然,相對(duì)而言生物大分子很大,但它們實(shí)踐上是非常小的。例如一個(gè)人體內(nèi)運(yùn)送氧氣的血紅蛋白分子的質(zhì)量?jī)H有千億億分之一克(10 - 19g) ,如何測(cè)定單個(gè)生物大分子的質(zhì)量呢?. 方法 科學(xué)家在傳統(tǒng)的質(zhì)譜分析法根底上發(fā)明了一種新方法:首先將成團(tuán)的生物大分子拆成單個(gè)的生物大分子,并將其電離,使之懸浮在真空中,然后讓它們?cè)陔妶?chǎng)的作用下運(yùn)動(dòng)。不同的分子經(jīng)過指定間隔的時(shí)間不同,質(zhì)量小的分子速度快些,質(zhì)量大的分子速度慢些,經(jīng)過丈量不同分子經(jīng)過指定間隔的時(shí)間,就可計(jì)算出分子的質(zhì)量。這種方法的難點(diǎn)在于生物大分

5、子比較脆弱,在拆分和電離成團(tuán)的生物大分子過程中它們的構(gòu)造和成分很容易被破壞。如今,有2 種方法抑制這一技術(shù)難點(diǎn),其中約翰芬恩是對(duì)成團(tuán)的生物大分子施加強(qiáng)電場(chǎng),田中耕一那么用激光轟擊成團(tuán)的生物大分子。這2 種方法電放射離子化( ElectrosprayIonisation - ESI) 和軟激光解吸附作(SoftLaser Des2orption - SLD) 技術(shù)(如圖1 所示) 都勝利地使生物大分子相互完好地分別,同時(shí)也被電離。他們的發(fā)明奠定了科學(xué)家對(duì)生物大分子進(jìn)展進(jìn)一步分析的根底。.核磁共振.瑞士科學(xué)家?guī)鞝柼鼐S特里希那么發(fā)明了“利用核磁共振技術(shù)測(cè)定溶液中生物大分子三維構(gòu)造法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是

6、可對(duì)溶液中的蛋白質(zhì)進(jìn)展分析,進(jìn)而可對(duì)活細(xì)胞中的蛋白質(zhì)進(jìn)展分析,能獲得“活蛋白質(zhì)的構(gòu)造,其意義非常艱苦。這種方法的原理可以用測(cè)繪房屋的構(gòu)造來比喻首先選定一座房屋的一切拐角作為丈量對(duì)象,然后丈量一切相鄰拐角間的間隔和方位,據(jù)此就可以推知房屋的構(gòu)造。維特里希選擇生物大分子中的質(zhì)子(氫原子核) 作為丈量對(duì)象,延續(xù)測(cè)定一切相鄰的2個(gè)質(zhì)子之間的間隔和方位,這些數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算機(jī)處置后就可構(gòu)成生物大分子的三維構(gòu)造圖。.核磁共振(NuclearMagnetic Resonance -NMR) 景象是1946 年由哈佛大學(xué)的伯塞( E.M.Purcell) 和斯坦福大學(xué)的布洛赫(F.Bloch) 所指點(diǎn)的2個(gè)小組,用

7、不同的方法在各自的實(shí)驗(yàn)室里察看到的,伯塞爾運(yùn)用的實(shí)驗(yàn)方法是吸收法,而布洛赫運(yùn)用的是感應(yīng)法.核磁共振分析技術(shù)是利用物理原理,通感應(yīng)法.核磁共振分析技術(shù)是利用物理原理,經(jīng)過對(duì)核磁共振譜線特征參數(shù)的測(cè)定來分析物質(zhì)的分子構(gòu)造與性質(zhì).NMR 不破壞被測(cè)樣品的內(nèi)部構(gòu)造,是一種無損檢測(cè)方法.由于不同的原子核吸收不同的電磁波,因此經(jīng)過測(cè)定和分析受測(cè)物質(zhì)對(duì)電磁波的吸收情況就可以斷定它含有哪種原子,原子之間的間隔有多大,并據(jù)此分析出它的三維構(gòu)造。.核磁共振(NuclearMagnetic Resonance -NMR). 在水溶液中,大約有一半的蛋白質(zhì)鏈呈現(xiàn)出規(guī)那么、嚴(yán)密的 三維構(gòu)造 ,而另一半那么非常松 。目前

8、,科學(xué)家曾經(jīng)利用這一方法繪制出15 %20 %的知蛋白質(zhì)的構(gòu)造。最初,核磁共振技術(shù)主要用于核物理研討方面,用它丈量各種原子核的磁矩,誤差僅是0. 003 %0. 005 %; 迄今,它已廣泛運(yùn)用于化學(xué)、食品、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、遺傳學(xué)等學(xué)科領(lǐng)域,已成為在這些領(lǐng)域開展研討任務(wù)的有力工具,甚至是某些領(lǐng)域(如:化學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷、藥物學(xué)等) 常規(guī)分析中不可短少的手段。1985 年,維特里希等人公布了第一次利用NMR 法測(cè)定的溶液中蛋白質(zhì)蛋白酶抑制劑IIA ( proteinase inhibitor IIA) 的構(gòu)造(如圖4 所示) 。1990 年用NMR 測(cè)定的蛋白質(zhì)構(gòu)造有23 個(gè),而到1994 年一年測(cè)定

9、的蛋白質(zhì)構(gòu)造數(shù)上升到100個(gè)。1997 年,維特里希運(yùn)用NMR 方法測(cè)定的一種蛋白質(zhì)蛋白感染素(prion protein) 的構(gòu)造.隨著人類基因組圖譜、水稻基因組草圖以及其他一些生物基因組圖譜破譯勝利,生命科學(xué)和生物技術(shù)進(jìn)入后基因組時(shí)代。專家以為,在未來20 年內(nèi),生物技術(shù)將蓬勃開展,很能夠成為繼信息技術(shù)之后推進(jìn)經(jīng)濟(jì)開展和社會(huì)提高的主要?jiǎng)恿?由這3 位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主發(fā)明的“對(duì)生物大分子進(jìn)展確認(rèn)和構(gòu)造分析的方法將在今后發(fā)揚(yáng)重要作用. 分子反響動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任王鴻飛教授這樣評(píng)價(jià):本次3 位諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主發(fā)明的方法,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)蛋白質(zhì)進(jìn)展依次“點(diǎn)名,知道它們各自的特點(diǎn)并得到它們的三維構(gòu)造圖,這樣就可以對(duì)這些蛋白質(zhì)的功能做進(jìn)一步研討,分析出它們對(duì)人類疾病的影響。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)委員會(huì)主席本特諾登說:“他們的成果為未來探求癌癥的治療方法鋪平了道路。 3 正如中科院化學(xué)所研討員卞那么梁所說,以前生物學(xué)界無法對(duì)DNA 和蛋白質(zhì)這樣的生物大分子構(gòu)造進(jìn)展準(zhǔn)確丈量,這次獲獎(jiǎng)的“生物大分子質(zhì)譜分析法不僅可以準(zhǔn)確丈量生物大