結(jié)構(gòu)生物學(xué)序論

結(jié)構(gòu)生物學(xué)序論演示文稿當(dāng)前第1頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)（優(yōu)選）結(jié)構(gòu)生物學(xué)序論當(dāng)前第2頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)為什么要研究結(jié)構(gòu)？三維生物大分子結(jié)構(gòu)是解釋生物大分子功能的基礎(chǔ)。1962DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)/生理學(xué)和醫(yī)學(xué)1962血紅蛋白和肌紅蛋白/化學(xué)1964維生素B12和胰島素/化學(xué)1982病毒/化學(xué)1988細(xì)菌光合反應(yīng)中心/化學(xué)1997ATPF1/化學(xué)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的積累將帶動(dòng)生物學(xué)領(lǐng)域中其它學(xué)科的發(fā)展。分子生物學(xué)結(jié)構(gòu)基因組學(xué)藥物分子設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)工程。。。一些生物大分子三維結(jié)構(gòu)的測(cè)定，如病毒結(jié)構(gòu)，為解釋其致病機(jī)制提供可能，并最終為開發(fā)相關(guān)疫苗或新藥奠定基礎(chǔ)。在藥物分子設(shè)計(jì)中，高分辨率的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。一些蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的測(cè)定具有巨大的工業(yè)應(yīng)用前景。當(dāng)前第3頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)蛋白質(zhì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、功能及相互作用后基因組時(shí)代生命科學(xué)主要任務(wù)蛋白質(zhì)--最主要的生命活動(dòng)載體和功能執(zhí)行者當(dāng)前第4頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)與功能功能結(jié)構(gòu)當(dāng)前第5頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的內(nèi)涵關(guān)于結(jié)構(gòu)生物學(xué)的定義(definitionofstructuralbiology)：Structuralbiology:

Afieldofstudydedicatedtodeterminingthedetailed,three-dimensionalstructuresofbiologicalmoleculestobetterunderstandthefunctionofthesemolecules.——Thestructuresoflife,AlisaZappMachalek結(jié)構(gòu)生物學(xué)是以生命物質(zhì)的精確空間結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)來闡明生命活動(dòng)規(guī)律和生命現(xiàn)象本質(zhì)的學(xué)科，其核心內(nèi)容是蛋白質(zhì)及其復(fù)合物、組裝體和由此形成的細(xì)胞各類組分的三維結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)和相互作用，以及它們與正常的生物學(xué)功能和異常病理現(xiàn)象的關(guān)系?！蠡蚪M時(shí)代中的結(jié)構(gòu)生物學(xué)，王大成當(dāng)前第6頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)生物大分子發(fā)揮其生物學(xué)功能必需具備：(1)穩(wěn)定的、特征的三維結(jié)構(gòu)：凡要發(fā)揮功能和活性的生物大分子必須具有特定的，自身特有，相對(duì)穩(wěn)定的三級(jí)結(jié)構(gòu)。(2)三維結(jié)構(gòu)在各個(gè)水平上的運(yùn)動(dòng)：任何的破壞促使沒有穩(wěn)定的三級(jí)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，生物大分子很難發(fā)揮生物功能或活性

結(jié)構(gòu)生物學(xué)的內(nèi)涵當(dāng)前第7頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的內(nèi)涵結(jié)構(gòu)生物學(xué)

以生物大分子三維結(jié)構(gòu)測(cè)定為手段、以生物大分子結(jié)構(gòu)與功能研究為內(nèi)容、以探討和闡明生物學(xué)各前沿領(lǐng)域中分子作用機(jī)制和原理為目的

是當(dāng)前分子生物學(xué)的基礎(chǔ)和前沿領(lǐng)域，它更是分子生物物理學(xué)的核心。

生物分子結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究一直是分子生物學(xué)的核心。三維結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究的迅速發(fā)展已成為現(xiàn)代分子生物學(xué)的前沿與主流。結(jié)構(gòu)生物學(xué)是以生物大分子三維結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)的研究結(jié)果為基礎(chǔ)，定量地闡明生命現(xiàn)象的科學(xué)。從當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)來看，結(jié)構(gòu)生物學(xué)已經(jīng)成為生命科學(xué)的前沿和帶頭學(xué)科。當(dāng)前第8頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)definitionofstructuralbiology：結(jié)構(gòu)生物學(xué)主要是用物理的手段,用X-射線晶體學(xué)、核磁共振波譜學(xué)、電鏡技術(shù)等物理學(xué)技術(shù)來研究生物大分子的功能和結(jié)構(gòu)，闡明這些大分子相互作用中的機(jī)制。

結(jié)構(gòu)生物學(xué)的內(nèi)涵當(dāng)前第9頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)測(cè)定生物大分子三維結(jié)構(gòu)所使用的三種主要實(shí)驗(yàn)技術(shù)方法：1。晶體X射線衍射（X-raydiffraction）技術(shù)所能測(cè)定的生物大分子的分子量范圍寬，可以從1kDa以下到400kDa甚至更大，技術(shù)成熟度、應(yīng)用成本低廉、可高通量化，分辨率高，可快速測(cè)定結(jié)構(gòu)；缺點(diǎn)：需要可衍射單晶，有相位問題。2。溶液多維核磁共振（NMR）技術(shù)溶液構(gòu)象，無需結(jié)晶，無相位問題，可得到動(dòng)力學(xué)信息：缺點(diǎn)：方法尚在發(fā)展中，目前仍限于較小分子量蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)定；應(yīng)用成本遠(yuǎn)高于晶體X射線衍射技術(shù)。3。低溫電子顯微鏡三維電子衍射圖象重構(gòu)技術(shù)非常適合測(cè)定分子量非常巨大的生物大分子的復(fù)合體，例如病毒、膜蛋白的復(fù)合體等。當(dāng)前第10頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)?電子顯微學(xué)（electronmicroscopy：EM），CryoEM優(yōu)點(diǎn)：不需大單晶，無相位問題，可觀察原位及單粒子結(jié)構(gòu)；缺點(diǎn)：分辨率低，儀器昂貴，操作復(fù)雜；與高分辨X光結(jié)構(gòu)結(jié)合，前景可觀。?小角散射方法：X射線（SAXS），可見光。其他譜學(xué)方法：例如各種光譜學(xué)方法（可見；紫外；熒光；紅外；園二色；RAMAN等）；EPR；質(zhì)譜方法：當(dāng)前第11頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容生物大分子：蛋白質(zhì)、核酸、多糖、脂質(zhì)。蛋白質(zhì)在生命活動(dòng)過程中的作用：酶的催化機(jī)械支持運(yùn)輸和貯存協(xié)調(diào)作用免疫保護(hù)生長(zhǎng)和分化的控制神經(jīng)系統(tǒng)的產(chǎn)生和控制信號(hào)傳導(dǎo)跨膜運(yùn)輸電子傳遞光合作用當(dāng)前第12頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)誕生的科學(xué)背景19世紀(jì)后半葉至20世紀(jì)初生物學(xué)的發(fā)展孟德爾遺傳定律的建立發(fā)現(xiàn)DNA是遺傳物質(zhì)DNA組成的分析酶學(xué)的發(fā)展生物學(xué)研究的進(jìn)展迫切需要揭示核酸和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能19世紀(jì)末20世紀(jì)初物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論和技術(shù)的發(fā)展量子力學(xué)，量子化學(xué)，化學(xué)鍵理論，分子軌道理論X射線結(jié)構(gòu)分析，原子光譜，分子光譜，磁共振譜，光電子能譜理論和技術(shù)的進(jìn)展已經(jīng)可以測(cè)定無機(jī)和有機(jī)小分子的化合物結(jié)構(gòu)生物大分子的結(jié)構(gòu)與功能研究提上日程當(dāng)前第13頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展歷史結(jié)構(gòu)生物學(xué)的誕生（-1957）早期發(fā)展（1957-1967）全面發(fā)展時(shí)期（1967-1987）加速發(fā)展時(shí)期（1987-2000）后基因組時(shí)期（2000-至今）結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)當(dāng)前第14頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)●十九世紀(jì)末，俄羅斯科學(xué)家費(fèi)得羅夫等建立了結(jié)晶物質(zhì)的空間對(duì)稱群理論?！?895年，（倫琴）發(fā)現(xiàn)X射線(獲1901年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))。

其后的一百多年間，Ｘ射線在物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究上立下了永不磨滅的偉大功績(jī)?！?912年，M.vonLaue（勞埃）發(fā)現(xiàn)晶體的X射線衍射（獲1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)），開創(chuàng)了晶態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的新紀(jì)元?！?913年，奠定了結(jié)晶物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)測(cè)定的理論基礎(chǔ)（獲1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)）。結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展歷程當(dāng)前第15頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)ThediscoveryofX-rayWilhelmConradR?ntgendiscoveredX-Raysin1895.1901NobelprizeinPhysicsAmodernradiographofahand

BerthaR?ntgen’sHand8Nov,1895

當(dāng)前第16頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)●1927年，提出“同晶置換法”；●1929年，提出“重原子法”;●1934年，提出“原子間矢量法”；●1933年，H.Rusker發(fā)明電子顯微鏡。結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展歷程當(dāng)前第17頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)●193x年，D.Hodgkin等獲得第一張蛋白質(zhì)晶體X射線衍射照片（胃蛋白酶）?！?/p>

1934年，英國(guó)伯納爾（Bernal）和Crowfoot成功拍攝到第一張蛋白質(zhì)(胃蛋白酶)晶體的X射線衍射照片●1953年，L.Pauling根據(jù)氨基酸和小肽的晶體結(jié)構(gòu)模型推斷蛋白質(zhì)肽鏈的-螺旋和-折疊模型(L.Pauling曾獲1954年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng))。結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展歷程當(dāng)前第18頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)●1945-1955年，D.Hodgkin等測(cè)定了青霉素、維生素B12等重要生物分子結(jié)構(gòu)。D.Hodgkin曾獲1964年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?！?94X-197x年，若干科學(xué)家提出并發(fā)展了測(cè)定晶體結(jié)構(gòu)的“直接法”，獲1985年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)前第19頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)

結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展歷程1953年，佩魯茨（M.Perutz）建立同晶置換方法用于解決生物大分子晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定中的相位問題，從而蛋白質(zhì)晶體學(xué)開始踏上自己發(fā)展的偉大歷程。1953年，沃森（J.Watson）和克里克（F.Crick）建立DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)模型,他們的偉大成就為分子生物學(xué)奠定了基礎(chǔ)。1957年和1959年，坎德潤(rùn)（J.C.Kendrew）獲得6?分辨率的肌紅蛋白晶體結(jié)構(gòu)；佩魯茨（M.Perutz）獲得5?分辨率的血紅蛋白晶體結(jié)構(gòu)。當(dāng)前第20頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)從1957年到1967年的十年里，隨著溶菌酶結(jié)構(gòu)之后，胰凝乳蛋白酶Ａ、核糖核酸酶、核糖核酸酶Ｓ和羧肽酶也分別獲得了高分辨率的結(jié)果，表明蛋白質(zhì)晶體學(xué)已經(jīng)成為一門成熟的學(xué)科。從六十年代末進(jìn)入七十年代，蛋白質(zhì)晶體學(xué)從對(duì)生物大分子三維結(jié)構(gòu)測(cè)定邁入生物大分子三維結(jié)構(gòu)與其生物學(xué)功能之間的關(guān)系研究，從而它既是分子生物學(xué)研究的有力的重要手段，同時(shí)也開始為結(jié)構(gòu)生物學(xué)的建立和發(fā)展歷程創(chuàng)造著條件。結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展歷程當(dāng)前第21頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)“結(jié)構(gòu)分子生物學(xué)”、“結(jié)構(gòu)生物學(xué)”名詞的出現(xiàn)至今已有近40年，而結(jié)構(gòu)生物學(xué)時(shí)代的真正形成卻不過是最近二十年的事。顯然，蛋白質(zhì)晶體學(xué)是結(jié)構(gòu)生物學(xué)的奠基者和開路先鋒

隨著作為生物大分子三維結(jié)構(gòu)測(cè)定手段的核磁共振(NMR)和電鏡三維重建技術(shù)的崛起，結(jié)構(gòu)生物學(xué)測(cè)定三維結(jié)構(gòu)的三大方法鼎足而立，生物大分子結(jié)構(gòu)測(cè)定的數(shù)量飛速增長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)全盛時(shí)代。結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展歷程N(yùn)ature雜志1994年出版“結(jié)構(gòu)生物學(xué)”子刊當(dāng)前第22頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)

伴隨結(jié)構(gòu)數(shù)量的飛速增長(zhǎng)，許多難度很大、生物學(xué)意義重大的結(jié)構(gòu)不斷突破，特別是多分子的復(fù)合體和膜蛋白結(jié)構(gòu)的突破，大大推動(dòng)了結(jié)構(gòu)生物學(xué)自身的發(fā)展乃至生命科學(xué)的發(fā)展。上世紀(jì)末，人類基因組計(jì)劃的完成為大規(guī)模高效的三維結(jié)構(gòu)測(cè)定提供全基因組表達(dá)產(chǎn)物—蛋白質(zhì)樣品成為可能。后基因組時(shí)代的結(jié)構(gòu)基因組計(jì)劃在全球興起。

結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展歷程當(dāng)前第23頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)

在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域中由于學(xué)科上的重大突破榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的科學(xué)家：

FrancisH.C.Crick

和JamesD.Watson

(生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)，1962，核酸雙股螺旋) MaxF.Perutz和JohnC.Kendrew

(化學(xué)獎(jiǎng)，1962，血紅蛋白與肌紅蛋白) DorothyC.Hodgkin (化學(xué)獎(jiǎng)，1964，維生素B12) AaronKlug

(化學(xué)獎(jiǎng)，1982，病毒) RobertHuber

(化學(xué)獎(jiǎng)，1988，紫色細(xì)菌光合反應(yīng)中心) J.Walker (化學(xué)獎(jiǎng)，1997,F1-ATP酶)

RoderickMacKinnon

(化學(xué)獎(jiǎng)，2003,鉀離子通道)當(dāng)前第24頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展歷程總結(jié)早期發(fā)展（1957-1967）—技術(shù)手段的成熟時(shí)期肌紅蛋白、血紅蛋白(1959，劍橋)、溶菌酶（1965，劍橋）、胰凝乳蛋白酶A（劍橋）、核糖核酸酶S（耶魯）、核糖核酸酶（布法羅）、羧肽酶（1967，哈佛）的結(jié)構(gòu)相繼解出蛋白質(zhì)晶體學(xué)（大分子晶體學(xué)）趨于成熟當(dāng)前第25頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展歷程總結(jié)全面發(fā)展時(shí)期（1967-1987）—注重結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究1968年，電子晶體學(xué)與電鏡三維重構(gòu)方法建立；1975年，重構(gòu)了細(xì)菌視紫紅質(zhì)7?分辨率的三維結(jié)構(gòu)1969年，對(duì)酶的結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系研究已經(jīng)可以揭示酶的催化機(jī)理和專一性、血紅蛋白的氧合機(jī)理和變構(gòu)效應(yīng)1971年，二維核磁共振概念提出；1983年用2D-NMR方法解析了胰高血糖素多肽的溶液構(gòu)象1971年，經(jīng)過晶體結(jié)構(gòu)分析的蛋白質(zhì)在功能上已經(jīng)有5個(gè)大類：呼吸和氧化還原蛋白，連接酶，糖酵解和中間代謝的酶，大分子結(jié)合蛋白，激素和抗體1971年，專門儲(chǔ)存大分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫ProteinDataBank建立1972年，正式提出了結(jié)構(gòu)生物學(xué)的名稱（?）方法和技術(shù)不斷改進(jìn)，測(cè)定的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的數(shù)量穩(wěn)定增長(zhǎng)，幾乎每年都有10-40個(gè)高分辨率結(jié)構(gòu)問世，1987年P(guān)DB中結(jié)構(gòu)數(shù)達(dá)到273個(gè)1974年，首次在蛋白質(zhì)晶體學(xué)中應(yīng)用同步輻射當(dāng)前第26頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展歷史加速發(fā)展時(shí)期（1987-2000）—結(jié)構(gòu)數(shù)目呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)結(jié)構(gòu)測(cè)定技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展多波長(zhǎng)反常散射法（MAD）的建立（1988）低溫?cái)?shù)據(jù)收集技術(shù)（1990）第三代同步輻射儀建成（1997）900MHz核磁共振譜儀建成（1998）結(jié)構(gòu)測(cè)定的速度加快，結(jié)構(gòu)數(shù)目呈指數(shù)增長(zhǎng)：1988年，129個(gè)/年（~1個(gè)/3天）1995年，3.3個(gè)/天1997年，5.1個(gè)/天2000年，8個(gè)/天2003年，9個(gè)/天2006年，17個(gè)/天研究范圍已經(jīng)涉及到大多數(shù)重要的生命活動(dòng)，對(duì)生命過程的分子機(jī)理研究達(dá)到了前所未有的深度和廣度當(dāng)前第27頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展歷史后基因組時(shí)期（2000-）結(jié)構(gòu)生物學(xué)與基因組學(xué)的交叉促成了一個(gè)新的學(xué)科領(lǐng)域：結(jié)構(gòu)基因組學(xué)發(fā)展高產(chǎn)晶體學(xué)和大規(guī)模NMR技術(shù)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)過程成為研究熱點(diǎn)對(duì)藥物靶標(biāo)的結(jié)構(gòu)測(cè)定和基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)成為熱點(diǎn)當(dāng)前第28頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)生物學(xué)是生命科學(xué)的前沿和主流分子生物學(xué)的每一個(gè)前沿突破都與結(jié)構(gòu)生物學(xué)密切相關(guān)結(jié)構(gòu)生物學(xué)已滲透到生物學(xué)的各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究范圍已經(jīng)涉及大多數(shù)重要的生命活動(dòng)，對(duì)生命過程的分子機(jī)理的闡明達(dá)到了前所未有的深度和廣度結(jié)構(gòu)生物學(xué)越來越緊密地與人類健康和疾病相關(guān)“構(gòu)象病”的分子機(jī)理闡明基于結(jié)構(gòu)的理性藥物設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)測(cè)定在加速發(fā)展當(dāng)前第29頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)NMR數(shù)據(jù)的速度驚人NMR的發(fā)展速度是驚人的。1990年以前平均每天只可測(cè)定半個(gè)結(jié)構(gòu)，97年全世界每天平均發(fā)表2個(gè)，2003是每天平均9個(gè),2006年是每天平均18個(gè)，這個(gè)發(fā)展速度是非?？斓漠?dāng)前第30頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)YearlyGrowthofStructuresSolvedByNMR當(dāng)前第31頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)PDBCurrentHoldingsBreakdown（Feb-27-2007）當(dāng)前第32頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)TuesdaySep04,2007

當(dāng)前第33頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)戰(zhàn)略性重要地位結(jié)構(gòu)基因組學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際協(xié)作實(shí)現(xiàn)快速、自動(dòng)、批量結(jié)構(gòu)測(cè)定，復(fù)雜結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)過程研究將成為熱點(diǎn)測(cè)定生物大分子復(fù)合物、細(xì)胞器及亞細(xì)胞器的三維結(jié)構(gòu)是目前結(jié)構(gòu)生物學(xué)中的主要發(fā)展方向膜蛋白和糖蛋白模式生物中蛋白質(zhì)組成為重要的研究對(duì)象與人類疾病相關(guān)的蛋白成為主要的研究對(duì)象，查明“構(gòu)象病”的結(jié)構(gòu)機(jī)理，開辟防治相關(guān)疑難病癥的新途徑批量發(fā)現(xiàn)藥物靶標(biāo)，基于結(jié)構(gòu)的理性藥物設(shè)計(jì)漸成創(chuàng)新藥物主流當(dāng)前第34頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)發(fā)展趨勢(shì)有如下特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)研究的興趣由水溶性球蛋白進(jìn)入攻克疏水的膜蛋白結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)研究已由單一分子進(jìn)入分子間相互作用的復(fù)合物以及由許多分子所構(gòu)成的復(fù)合體，乃至分子機(jī)器

國(guó)際上很多難度高、意義重大的三維結(jié)構(gòu)均是在近十來年突破的結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究成果已滲透到生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域以蛋白質(zhì)晶體學(xué)為主要手段，加以NMR方法的不斷突破，生物大分子三維結(jié)構(gòu)測(cè)定在高速發(fā)展當(dāng)前第35頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)以蛋白質(zhì)晶體學(xué)為主要手段，加以NMR方法的不斷突破，生物大分子三維結(jié)構(gòu)測(cè)定在高速發(fā)展

測(cè)定結(jié)構(gòu)速度： 1997-1998平均每日~2個(gè)結(jié)構(gòu)

2001-2002平均每日~8個(gè)結(jié)構(gòu) 當(dāng)前平均每日~15個(gè)結(jié)構(gòu)以結(jié)構(gòu)生物學(xué)三大實(shí)驗(yàn)手段統(tǒng)計(jì)： 晶體衍射 30,306 NMR 5,314

電鏡三維重建 1172006年4月1日PDB的公布 已釋放原子坐標(biāo)的結(jié)構(gòu)共 35,813套 其中 蛋白質(zhì)、多肽和病毒 32,724

核酸 1,585

蛋白與核酸復(fù)合物 1,471

多糖 33當(dāng)前第36頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究成果已滲透到生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)前，為了定量地闡明有關(guān)的生物學(xué)機(jī)理——結(jié)構(gòu)和功能關(guān)系，生命科學(xué)各領(lǐng)域的研究都盡最大可能地運(yùn)用生物大分子三維結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果。國(guó)際著名期刊《Cell》、《Science》、《Nature》、《J.Mol.Bol》、《J.Biol.Chem.》等刊登與結(jié)構(gòu)生物學(xué)有關(guān)的論文與日俱增，而1991年創(chuàng)刊的《MolecularStructure》和《CurrentOpinionStructuralBiology》，1993年創(chuàng)刊的《Structure》以及1994年創(chuàng)刊的《NatureStructureBiology》等重要國(guó)際期刊幾乎全部都是刊登結(jié)構(gòu)生物學(xué)的最新研究成果。除此之外，另一些重要刊物雖然不用結(jié)構(gòu)生物學(xué)為名，但所刊登的論文也主要與結(jié)構(gòu)生物學(xué)密切相關(guān)，如《ProteinScience》、《BiologicalMacromolecules》、《StructureandDynamics》、《Protein》、《Structure、FunctionandGenetics》等。這既反映著整個(gè)生物學(xué)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，也表明結(jié)構(gòu)生物學(xué)在當(dāng)前和未來生命科學(xué)中的重要地位。當(dāng)前第37頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)國(guó)際上很多難度高、意義重大的三維結(jié)構(gòu)均是在近十來年突破的細(xì)菌視紫紅質(zhì)(bacteriorhodopsin) (1990,J.M.B.電子晶體學(xué))人免疫缺乏性病毒蛋白酶(HIVprotease) (1990,Science)CD4(水溶片斷) (1990,Nature)類人猿病毒40（simianvirus40） (1991,Nature)人生長(zhǎng)激素與受體復(fù)合物(humangrowthhormonereceptorcomplex) (1992,Science)口蹄疫病毒(footandmouthdiseasevirus) (1993,Nature)高等植物光合作用系統(tǒng)I(systemIofphotosynthesis,PSI) (6?1993,Nature)細(xì)胞色素c氧化酶(CytochromecOxidase) (牛心2.8?,1995,Science

細(xì)菌2.8?,1995,Nature)ATP酶的F1(F1-ATPase) (牛心線粒體2.8?,1994,Nature)伴侶蛋白GroEL(chaperoninGroEL) (大腸桿菌2.8?,1994,Nature)輔-伴侶蛋白GroELS(co-chaperoninGroES) (大腸桿菌2.8?,1996,Nature)光合細(xì)菌捕光復(fù)合物L(fēng)H2(light-harvestingcomplexfrom (2.5?,1995,Nature)Rhodopseudomonasacidophilastrain10050)R-藻紅蛋白色素復(fù)合物(R-phycoerythrin)

(2.8?,1996,J.M.B)核糖體大亞基（LargeRibosomalSubunitfromHaloarculamarismortui） (2.4?,2000,Science)鉀離子通道蛋白(K+ChannelProtein)(3.2?,2003,Nature)主要捕光復(fù)合物-II(MajorLight-harvestingComplexofphotosystemII)(LHC-II)(2.72?,2004,Nature

(3.4?,1994,Nature電子晶體學(xué))線粒體呼吸鏈復(fù)合物-II(MitochondrialRespiratoryComplexII)(2.4?,2005,Cell)尿激酶與其受體復(fù)合物(UrokinasePlasminogenActivatorwithitsReceptor)(1.9?,2006,Science)當(dāng)前第38頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)發(fā)展趨勢(shì)有如下特點(diǎn)以蛋白質(zhì)晶體學(xué)為主要手段，加以NMR方法的不斷突破，生物大分子三維結(jié)構(gòu)測(cè)定在高速發(fā)展結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究成果已滲透到生命科學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域國(guó)際上很多難度高、意義重大的三維結(jié)構(gòu)均是在近十余年來突破的結(jié)構(gòu)研究已由單一分子進(jìn)入分子間相互作用的復(fù)合物以及由許多分子所構(gòu)成的復(fù)合體，乃至分子機(jī)器結(jié)構(gòu)研究的興趣由水溶性球蛋白進(jìn)入攻克疏水的膜蛋白結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的迅猛發(fā)展在后基因組時(shí)代必然導(dǎo)致結(jié)構(gòu)基因組學(xué)的崛起

靜態(tài)結(jié)構(gòu)到動(dòng)態(tài)變化技術(shù)和方法在高速發(fā)展基礎(chǔ)研究不斷深入與擴(kuò)展的同時(shí)，應(yīng)用研究在迅速發(fā)展競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈當(dāng)前第39頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)靜態(tài)結(jié)構(gòu)到動(dòng)態(tài)變化

蛋白質(zhì)晶體學(xué)研究從生物大分子靜態(tài)（時(shí)間統(tǒng)計(jì)）的結(jié)構(gòu)分析開始進(jìn)入了動(dòng)態(tài)（時(shí)間分辨）的結(jié)構(gòu)研究及動(dòng)力學(xué)分析。由于同步輻射光源具有極高的光通量、高度單色和高度準(zhǔn)直，它也可以調(diào)制成脈沖式光源，為瞬時(shí)結(jié)構(gòu)變化研究提供了可能性。為了連續(xù)記錄瞬時(shí)結(jié)構(gòu)變化的X射線單晶衍射譜，人們已設(shè)計(jì)出各種類型的與脈沖式光源相匹配的、能快速脈沖式微量平衡的Laue（平板型）和Weissenberg(園筒型)攝譜儀。時(shí)間分辨率為毫秒（1-10ms）量級(jí)的X射線單晶Laue衍射方法的連續(xù)攝譜已廣泛應(yīng)用，這一時(shí)間尺度對(duì)于研究生物大分子之間的相互作用過程中二級(jí)結(jié)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)是十分合適的，它為諸如酶分子與其底物的相互作用，蛋白質(zhì)分子的折疊卷曲運(yùn)動(dòng)等動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)研究提供了有力的手段。近些年來，時(shí)間分辨率為微秒（10-100s）量級(jí)的X射線單晶衍射方法的連續(xù)攝譜已經(jīng)獲得突破。人們期望，隨著極高光通量的同步輻射光源的建立，更高時(shí)間分辨率的生物大分子動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)研究能夠成功。當(dāng)前第40頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)

核磁共振（NMR）譜學(xué)方面目前高質(zhì)量的NMR結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)于2-2.5?分辨率的晶體結(jié)構(gòu)900MHz的NMR譜儀已大量涌入實(shí)驗(yàn)室高磁場(chǎng)條件下，使用TROCSY方法有可能將NMR測(cè)定的蛋白質(zhì)的分子量增加稀液晶使蛋白質(zhì)取向受到約束，偶極—偶極耦合信息為結(jié)構(gòu)解析提供更多約束，加上氫鍵的測(cè)定，可進(jìn)一定提高結(jié)構(gòu)測(cè)定精度自動(dòng)化的波譜解析方法有望大大提高結(jié)構(gòu)測(cè)定速度

技術(shù)和方法在高速發(fā)展

蛋白質(zhì)晶體學(xué)方面：同步輻射光源逐步作為常規(guī)光源廣泛被應(yīng)用，諸如日本的Spring-8等新一代具有更高光通量的同步輻射裝置已在進(jìn)入21世紀(jì)前投入了使用，并向世界各國(guó)科學(xué)家開放機(jī)器人自動(dòng)尋找最優(yōu)的晶體生物條件晶體低溫技術(shù)使晶體的衍射壽命大大延長(zhǎng)解決衍射相位問題的傳統(tǒng)的多對(duì)重原子同晶置換法（MIR）已被日趨成熟的“鍶—多波長(zhǎng)反常散射”方法所代替?！傲颉嗖ㄩL(zhǎng)反常散射”和“硫—單波長(zhǎng)反常散射與直接法結(jié)合”方法己經(jīng)突破計(jì)算機(jī)硬件和軟件的迅猛發(fā)展不但為結(jié)構(gòu)測(cè)定而且為理論計(jì)算、結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和信息生物學(xué)的發(fā)展提供著機(jī)會(huì)和條件當(dāng)前第41頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)

另一方面，對(duì)醫(yī)學(xué)衛(wèi)生、工業(yè)和農(nóng)業(yè)上具有應(yīng)用背景的一些生物大分子結(jié)構(gòu)研究越來越吸引著人們注意和重視，以此為基礎(chǔ)的高科技產(chǎn)業(yè)正在形成。以蛋白質(zhì)晶體學(xué)為主要研究手段的結(jié)構(gòu)生物學(xué)已經(jīng)從五十年代、六十年代乃至七十年代的純基礎(chǔ)性研究逐漸步入應(yīng)用基礎(chǔ)性以及應(yīng)用性研究。許多課題研究都與企業(yè)、公司、財(cái)團(tuán)有著密切聯(lián)系。這一變化隨著時(shí)間的推進(jìn)將會(huì)變得越來越突出，這一發(fā)展趨勢(shì)恐怕難以逆轉(zhuǎn)?；A(chǔ)研究不斷深入與擴(kuò)展的同時(shí)，應(yīng)用研究在迅速發(fā)展一方面，八十年代迅速崛起的蛋白質(zhì)工程向人們展示了利用和改造蛋白質(zhì)的美好前景，與此同時(shí)，以生物大分子（蛋白質(zhì)和核酸）三維結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的藥物分子設(shè)計(jì)在蓬勃發(fā)展，它可預(yù)測(cè)的深遠(yuǎn)的學(xué)術(shù)意義和重大經(jīng)濟(jì)效益已使它成為現(xiàn)代高技術(shù)領(lǐng)域的重要方向之一。當(dāng)前第42頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)激烈的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制已打破了傳統(tǒng)的學(xué)院式的研究體制和格局，并在很大程度上左右著一些重要項(xiàng)目的進(jìn)展和方向。競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈然而，最終的競(jìng)爭(zhēng)是人才的競(jìng)爭(zhēng)，這已是各國(guó)政府部門、實(shí)驗(yàn)室和廣大科學(xué)家的共識(shí)。因此，幾乎可以這樣說，人才是決定性的因素。再就是財(cái)力上的競(jìng)爭(zhēng)，課題的組織者和研究者都全力以赴地從各渠道爭(zhēng)取資助，許多例子表明：“財(cái)大氣粗”是在競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)的重要條件。其次是表現(xiàn)在方法和技術(shù)上的競(jìng)爭(zhēng)，誰在方法和技術(shù)上占有優(yōu)勢(shì)，誰就有可能贏得競(jìng)爭(zhēng)的勝利。首先是課題的競(jìng)爭(zhēng)，一項(xiàng)具有重要意義的課題同時(shí)在幾家實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，他們接受不同財(cái)團(tuán)的資助，自覺或不自覺地開展“競(jìng)爭(zhēng)研究”。隨著競(jìng)爭(zhēng)而同時(shí)到來的就是研究工作的保密性增強(qiáng)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)的保護(hù)。

當(dāng)前第43頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)

結(jié)構(gòu)生物學(xué)的迅猛發(fā)展在后基因組時(shí)代必然導(dǎo)致 結(jié)構(gòu)基因組學(xué)（StructuralGenomics）的崛起

全基因組的成果為大規(guī)模高效的三維結(jié)構(gòu)測(cè)定提供全基因組表達(dá)產(chǎn)物——蛋白質(zhì)樣品成為可能。后基因組時(shí)代的結(jié)構(gòu)基因組計(jì)劃已在全球崛起。目前在世界范圍內(nèi)全基因組計(jì)劃已經(jīng)獲得了連同人類的很多種生物的全基因組序列，而理解這些序列信息的關(guān)鍵是理解基因產(chǎn)物——蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與功能?！盎虻墓δ芊浅?qiáng)大，但最終需要明白蛋白質(zhì)如何在生物體中發(fā)揮作用”。當(dāng)前要求科學(xué)家從整個(gè)基因組及其全套蛋白質(zhì)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)與功能的高度去了解生命活動(dòng)的全貌，并系統(tǒng)整合有關(guān)生物學(xué)的全部知識(shí)，以真正揭示神奇的生命世界。結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展，人類從生物大分子三維結(jié)構(gòu)與功能研究中越來越多地得以在原子水平上定量地闡明生命的各種現(xiàn)象。雖然，隨著已有14000余個(gè)生物大分子三維結(jié)構(gòu)的解析，人們從結(jié)構(gòu)與功能研究中探知了一些生命現(xiàn)象的奧秘，然而這只是非常少的一點(diǎn)，人們追求探索更多更多。結(jié)構(gòu)生物學(xué)的基石是生物大分子的三維結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)乃功能之基礎(chǔ)，因而在原子水平上測(cè)定更多更多的生物大分子及其復(fù)合體的三維結(jié)構(gòu)就成為當(dāng)前結(jié)構(gòu)生物學(xué)的緊迫任務(wù)。當(dāng)前第44頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展中國(guó)蛋白質(zhì)晶體學(xué)與結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展歷程當(dāng)前第45頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)七十年代末八十年代初，高分辨、高精度的胰島素及去五肽胰島素結(jié)構(gòu)研究所獲得的結(jié)果達(dá)到了當(dāng)時(shí)國(guó)際上同類工作的最高水平。中國(guó)蛋白質(zhì)晶體學(xué)與結(jié)構(gòu)生物學(xué)的發(fā)展六十年代末，繼我國(guó)化學(xué)全合成結(jié)晶牛胰島素之后，一些X射線晶體結(jié)構(gòu)分析工作者聚集于中國(guó)科學(xué)院物理所，與化學(xué)、生物化學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)工作者一起，共同努力，開始研究胰島素晶體結(jié)構(gòu)。這一研究項(xiàng)目使我國(guó)在國(guó)際上屬于較早地涉足這一學(xué)科前沿領(lǐng)域的國(guó)家之一。在英國(guó)Hodgkin教授領(lǐng)導(dǎo)的牛津小組發(fā)表了他們的研究結(jié)果不久，我國(guó)分別于1970年和1971年發(fā)表了4?和2.5?分辨率的三方二鋅豬胰島素晶體結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果，1974年我國(guó)所發(fā)表的1.8?分辨率結(jié)果是當(dāng)時(shí)國(guó)際上運(yùn)用多對(duì)重原子同晶置換法（MIR）所獲得的最高分辨率結(jié)構(gòu)。七十年代初我國(guó)在胰島素結(jié)構(gòu)測(cè)定的成就曾得到國(guó)際同行的承認(rèn)和贊揚(yáng)。當(dāng)前第46頁\共有54頁\編于星期五\11點(diǎn)七十年代后期開始的天花粉結(jié)構(gòu)分析及隨后的3-磷酸甘油醛脫氫酶及胰蛋白酶抑制劑等結(jié)構(gòu)測(cè)定都是我國(guó)繼胰島素之后的幾個(gè)很具我國(guó)特色的新研究課題。八十年代初胰島素開始了三維結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的系列研究，在大量活性敏感部位修飾的類似物晶體結(jié)構(gòu)測(cè)定的基礎(chǔ)上，對(duì)胰島素分子的特征運(yùn)動(dòng)和與其受體結(jié)合相互作用機(jī)制上提出了一些很有意義的見解。八十年代以來，一大批新課題在我國(guó)不斷涌現(xiàn)，并已取得了許多優(yōu)秀成果，研究隊(duì)伍發(fā)展很快，研究手段也有一定補(bǔ)充和更新。與此同時(shí)，核磁共振及電鏡三維重組技術(shù)的建立，我國(guó)結(jié)構(gòu)生物學(xué)有了一個(gè)新的發(fā)展。

緊隨國(guó)際結(jié)構(gòu)基因組計(jì)劃的崛起，在世紀(jì)之交，中國(guó)開始實(shí)施具有自己特色的結(jié)構(gòu)基因組研究計(jì)劃，其中既包括大規(guī)模的基因表達(dá)產(chǎn)物—蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測(cè)定計(jì)劃，也包括結(jié)構(gòu)測(cè)定