蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測定

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測定第1頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)測定方法及數(shù)量第2頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)測定年增長圖第3頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四第4頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四第5頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四第6頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)：X-射線衍射技術(shù)用于蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)測定原理基本過程優(yōu)缺點應(yīng)用實例第7頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四一、相關(guān)原理光的衍射現(xiàn)象X射線的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用本質(zhì)的爭論X射線衍射的發(fā)現(xiàn)晶體學基礎(chǔ)知識X射線晶體衍射第8頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四第9頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四?‘光線’拐彎了！1.光的衍射現(xiàn)象第10頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四衍射現(xiàn)象：光波偏離直線傳播而出現(xiàn)光強不均勻分布的現(xiàn)象當縫的大?。ɑ蛘系K物的大?。└ㄩL相差不多時就發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象．如果縫很寬，其寬度遠大于波長，則波通過縫后基本上是沿直線傳播的，衍射現(xiàn)象就很不明顯了．第11頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四第12頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四惠更斯—菲涅耳原理菲涅耳補充：從同一波陣面上各點發(fā)出的子波是相干波。

——1818年惠更斯：光波陣面上每一點都可以看作新的子波源，以后任意時刻，這些子波的包跡就是該時刻的波陣面。

——1690年解釋不了光強分布！

第13頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四第14頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四2.X射線的發(fā)現(xiàn)歷程及應(yīng)用失之交臂1836法拉第發(fā)現(xiàn)陰極射線1861克魯克斯陰極射線管在放電時會產(chǎn)生亮光干版和光片有問題？古德斯柏德洗出了一張X射線的透視底片照片的沖洗藥水或沖洗技術(shù)第15頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四2.X射線的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用1895年倫琴（Roentgen）發(fā)現(xiàn)故稱為倫琴射線。第16頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四倫琴夫人的手的X射線照片第17頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四X射線在醫(yī)學上的應(yīng)用倫琴的新發(fā)現(xiàn)轟動了全世界,不到三個月,維也納的一家醫(yī)院便拍出了應(yīng)用于醫(yī)療的X射線照片.從此,X射線拍片和射線透視成為醫(yī)學診療中常用的手段。為了防止各臟器成像發(fā)生的重疊給診療帶來不便,科學家們進一步研究了成像更清晰、靈敏度更高的儀器。1972年，英國科學家漢斯菲爾德運用計算機和圖像重建理論,制成了電子計算機射線斷層掃描成像裝置,也就是已被廣泛應(yīng)用的CT。第18頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四X射線與諾貝爾獎—物理學獎倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線而獲得第一屆諾貝爾物理學獎。1903年諾貝爾物理學獎。1906年的諾貝爾物理學獎。勞厄獲得了1914年諾貝爾物理學獎。英國的布拉格父子1915年的諾貝爾物理學獎。英國的巴克拉1917年的諾貝爾物理學獎。瑞典物理學家西格班1924年諾貝爾物理學獎。美國的康普頓1927年諾貝爾物理學獎。前蘇聯(lián)的切連科夫1958年諾貝爾物理學獎;美國的霍夫斯塔特1961年諾貝爾物理學獎;瑞典的西格巴恩1981年的諾貝爾物理學獎。第19頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四化學獎荷蘭的物理化學家德拜1936年諾貝爾化學獎。美國著名化學家鮑林1954年諾貝爾化學獎。英國生物學家肯德魯與佩魯茨1962年諾貝爾化學獎。英國女化學家霍奇金1964年諾貝爾化學獎。美國化學家利普斯科姆1976年諾貝爾化學獎。英國化學家桑格和美國化學家吉爾伯特1980年諾貝爾化學獎。英國生物化學家克盧格因1982年諾貝爾化學獎;美國化學家豪普特曼和卡爾1985年諾貝爾化學獎;1988年,米歇爾等三位德國生物化學家諾貝爾化學獎。第21頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四3.X射線本質(zhì)的爭論第22頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四X射線本質(zhì)的爭論--波動說巴克拉：X射線波動性標識譜線：不管元素已化合成什么化合物，它們總是發(fā)射一種硬度的X射線，當原子量增大時，標識X射線的穿透本領(lǐng)會隨著增大。這說明X射線具有標識特定元素的特性。第23頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四X射線本質(zhì)的爭論—微粒說X射線微粒論者粒子具有旋轉(zhuǎn)性布拉克父子第24頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四4.X射線衍射第25頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四X射線衍射的獲得波長范圍：10—0.1埃欲觀察其衍射現(xiàn)象則衍射線度應(yīng)與其波長差不多，晶體的晶格常數(shù)恰是這樣的線度衍射波的兩個基本特征—衍射線（束）在空間分布的方位（衍射方向）和強度與晶體內(nèi)原子分布規(guī)律（晶體結(jié)構(gòu)）密切相關(guān)。第26頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四第27頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四5.晶體基礎(chǔ)什么是晶體晶體的周期排布晶體的對稱性第28頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四3.1什么是晶體固體物質(zhì)晶體相當罕見的東西？非晶體晶體(Crystal

)指離子、原子或分子這些微粒在三維空間中周期性重復排列形成的、能夠給出明銳衍射的固體結(jié)構(gòu)。

第29頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四晶體什么樣（1）第30頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四晶體什么樣（2）第31頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四晶體什么樣（3）第32頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四晶體什么樣（4）第33頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四2.晶體和點陣結(jié)構(gòu)晶體的周期性結(jié)構(gòu)使得我們可以把它抽象成“點陣”來研究.一維周期性結(jié)構(gòu)與直線點陣二維周期性結(jié)構(gòu)與平面點陣三維周期性結(jié)構(gòu)與空間點陣第34頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四一維周期性結(jié)構(gòu)與直線點陣

第35頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四二維周期性結(jié)構(gòu)與平面點陣第36頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四三維周期性結(jié)構(gòu)與空間點陣

第37頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四晶胞(Unitcell)空間點陣的單位（大小和形狀完全相同的平行六面體），是晶體結(jié)構(gòu)的最小單位。同一個空間點陣，劃分平行六面體的方式是多種多樣的。選擇平行六面體的原則：①所選平行六面體的對稱性應(yīng)符合整個空間點陣的對稱性。②選擇棱與棱之間直角關(guān)系為最多的平行六面體③所選平行六面體之體積應(yīng)最小。④當對稱性規(guī)定棱間的交角不能為直角關(guān)系時，應(yīng)選擇結(jié)點間距小的行列作為平行六面體的棱，且棱間的交角接近于直角的平行六面體。第38頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四單位平行六面體，a、b、c、、、是表征它本身形狀、大小的一組參數(shù)，稱為格子參數(shù)或點陣參數(shù)。cab單位平行六面體參數(shù)第39頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四單位平行六面體與坐標軸的關(guān)系：棱交角＝坐標軸之間交角。a、b、c＝軸單位。a、b、c、、、關(guān)系有七種情況，與單位平行六面體七種格子相對應(yīng)。立方格子a=b=c===90o第40頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四三方格子a=b=c==≠90o，60， 109o28'16"第41頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四菱面體格子中α為特殊角度時，演變成的三種立方體格子第42頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四四方格子a=b≠c===90o第43頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四六方格子a=b≠c==90o=120o第44頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四正交格子a≠b≠c===90o第45頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四單斜格子a≠b≠c==90o≠90o第46頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四三斜格子a≠b≠c≠≠≠90o第47頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四按結(jié)點位置，可有四種不同的類型：P——原始格子（角頂）C——底心格子（角頂、頂?shù)酌妫㊣——體心格子（角頂、體心）F——面心格子（角頂、每個面）第48頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四P——原始格子（角頂）第49頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四C——底心格子（角頂、頂?shù)酌妫┑?0頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四I——體心格子（角頂、體心）第51頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四F——面心格子（角頂、每個面）第52頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四結(jié)構(gòu)中代表各類等同點的結(jié)點在空間的排列方式來說，格子的種類有、且只有十四種。第53頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四X射線晶體結(jié)構(gòu)分析？

使用X射線作為物理工具，依賴X射線衍射現(xiàn)象為物理原理，以晶體作為研究對象，晶體結(jié)構(gòu)作為研究結(jié)果的一種分析方法。第54頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四衍射方向第55頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四第56頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四二、X射線晶體結(jié)構(gòu)測定基本過程①蛋白質(zhì)獲?。ㄌ峒儯诰w生長并經(jīng)冷凍技術(shù)處理③重原子衍生物制備④衍射數(shù)據(jù)收集⑤衍生數(shù)據(jù)分析和改進⑥結(jié)構(gòu)模型的獲取（包括修正）第57頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四1.X射線的質(zhì)量X射線管激光等離子體同步輻射X射線激光第58頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四2.晶體質(zhì)量晶體生長過程及影響因素晶核（盡量少）微晶（可用作晶種）晶體在數(shù)小時至數(shù)月后出現(xiàn)2個問題：是鹽晶嗎？能給出有用的衍射嗎？（多晶/雙晶）第59頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四影響因素物理因素：溫度、壓力、震動、溶劑清潔度、試劑純度、重力、外加物理場等生物化學因素：pH、離子強度、沉淀劑/添加劑的類型和濃度等其他：溶液過飽和度、純度等“經(jīng)驗”“機器人”第60頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四結(jié)晶方法批量結(jié)晶法batchcrystallization透射法crystallizationbydialysis液相擴散法liquiddiffusion氣相擴散法vapordiffusion氫氘交換質(zhì)譜技術(shù)Enhancedamidehydrogen/deuterium-exchangemassspectrometry,DXMS生物玻璃bioglass第61頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四晶體的初步鑒定小分子晶體蛋白質(zhì)晶體邊界完整，漂亮常不完整，易出現(xiàn)多晶硬度偏硬，易碎成2瓣或幾瓣偏軟，易碎成粉脫水不變化因脫水而變壞溶解性慢快偏光性強相對弱染色性弱強漂浮性下沉漂浮第62頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四3衍射數(shù)據(jù)收集晶體的處理：低溫液氮氣冷流技術(shù)數(shù)據(jù)收集儀：底片、面探測器第63頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四衍射分析儀器的發(fā)展射線種類：連續(xù)射線特征射線電子衍射中子衍射探測技術(shù)：膠片閃爍體計數(shù)器（點）（IP）CCD探測器（面）圖2-22石英的衍射儀計數(shù)器記錄圖（部分）*右上角為石英的德拜圖，衍射峰上方為（hkl）值，β代表Kβ衍射第64頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四底片（外森堡相機、徘循相機）優(yōu)點：多點同時收集容易保存價格便宜缺點存在“化學霧”背景和X射線散射背景費時、費力第65頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四計數(shù)管（四圓衍射儀）將X射線光子強度轉(zhuǎn)換為電信號，信號放大后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字存入計算機隨時調(diào)用逐點收集數(shù)據(jù)優(yōu)缺點與底片相反第66頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四面探技術(shù)-SMARTAPEX-CCD衍射儀SmartCCDOverviewSMARTAPEX-CCD探測器第67頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四金屬絲構(gòu)成的面板，可同時多點收集將X射線光子強度轉(zhuǎn)換為電信號集計數(shù)管的精確和底片的多點收集效率面探技術(shù)-SMARTAPEX-CCD衍射儀

第68頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四圖像板imageplate

面探測器的改進由化學材料構(gòu)成，整塊板子密度一致高分辨率可見光下可測量集底片和面探測器的優(yōu)點于一身第69頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四4.數(shù)據(jù)分析電子密度修飾電子密度圖詮釋結(jié)構(gòu)模型精化數(shù)據(jù)處理軟件：Denzo,Scalepack第70頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四第71頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四第72頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四三、X射線晶體結(jié)構(gòu)測定優(yōu)點分辨率高不損傷樣品無污染相對快捷能得到晶體完整性的大量信息第73頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四晶體構(gòu)象是靜態(tài)的，不能測定不穩(wěn)定的過渡態(tài)的構(gòu)象；很多蛋白質(zhì)很難結(jié)晶，或者很難得到用于結(jié)構(gòu)分析的足夠大的單晶；（瓶頸）X射線晶體衍射的工作流程較長。四、X射線晶體結(jié)構(gòu)測定存在問題第74頁，共80頁，2023年，2月20日，星期四Lastupdate:Tuesday