備課素材：結(jié)構(gòu)生物學(xué) 第一學(xué)期高中生物學(xué)必修一

結(jié)構(gòu)生物學(xué)2020版高中生物學(xué)必修一“科學(xué)家訪談”提到了“結(jié)構(gòu)生物學(xué)”：那么。什么是結(jié)構(gòu)生物學(xué)？研究的內(nèi)容和意義是什么？結(jié)構(gòu)生物學(xué)是一門研究生物大分子的三維空間結(jié)構(gòu)、動(dòng)態(tài)過程和生物學(xué)功能的交叉性學(xué)科，屬于生命科學(xué)的范疇。早在1995年，中國科學(xué)院院士鄒承魯，就發(fā)表過一篇《結(jié)構(gòu)生物學(xué)的時(shí)代已經(jīng)開始》的文章，闡述了結(jié)構(gòu)生物學(xué)的重要性：結(jié)構(gòu)生物學(xué)是以生物大分子結(jié)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)的測(cè)定為基礎(chǔ)來闡明生命現(xiàn)象的科學(xué)。它一直是分子生物學(xué)的重要組成部分，只是近年來才飛速發(fā)展成為分子生物學(xué)的前沿和主流；并且從當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)來看必將取代分子生物學(xué)的位置，成為整個(gè)生命科學(xué)的前沿和帶頭學(xué)科。結(jié)構(gòu)生物學(xué)是分子生物學(xué)、生物化學(xué)和生物物理學(xué)的一個(gè)分支，主要研究生物大分子如蛋白質(zhì)和核酸的三維結(jié)構(gòu)和它們的功能之間的關(guān)系。生物大分子的功能很大程度上取決于它們的空間結(jié)構(gòu)，因此，結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究對(duì)于深入理解生命現(xiàn)象至關(guān)重要。在結(jié)構(gòu)生物學(xué)領(lǐng)域，研究的核心是生物大分子的三級(jí)結(jié)構(gòu)，也就是它們?cè)谌S空間中的折疊方式和形態(tài)。這種結(jié)構(gòu)不僅包括分子的骨架，還包括分子內(nèi)部的空腔和通道，以及分子表面的特定功能區(qū)。生物大分子的三級(jí)結(jié)構(gòu)是相對(duì)穩(wěn)定的，但同時(shí)也具有一定的動(dòng)態(tài)性，這種動(dòng)態(tài)性使得分子能夠執(zhí)行各種生物學(xué)功能。這一學(xué)科的發(fā)展對(duì)于深入理解生命現(xiàn)象、揭示生物大分子的生物功能和分子機(jī)理、探索疾病發(fā)病機(jī)理及新藥設(shè)計(jì)等方面具有重要意義。自1970年代初期中國科學(xué)工作者測(cè)定豬胰島素三方二鋅晶體結(jié)構(gòu)以來，結(jié)構(gòu)生物學(xué)取得了顯著進(jìn)展，多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)的頒發(fā)更是凸顯了其在生命科學(xué)中的核心地位。結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究?jī)?nèi)容包括但不限于：?生物大分子的三維結(jié)構(gòu)?：獲取生物大分子在原子分辨率水平的精確三維結(jié)構(gòu)信息。?結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系?：分析生物大分子的結(jié)構(gòu)與其生物學(xué)功能之間的內(nèi)在聯(lián)系。?動(dòng)態(tài)變化?：研究生物大分子在行使功能過程中的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究方法多樣，主要包括：?X射線晶體學(xué)?：確定分子的精確三維結(jié)構(gòu)，是目前分辨率最高的結(jié)構(gòu)測(cè)定方法。?核磁共振（NMR）光譜學(xué)?：測(cè)量原子核的電磁特性，推斷分子結(jié)構(gòu)，特別適合研究小分子量的蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)相互作用位點(diǎn)。?冷凍電子顯微鏡（Cryo-EM）?：適合研究超大分子量蛋白復(fù)合物和亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)。?計(jì)算機(jī)模擬和計(jì)算生物學(xué)?：已成為一種重要的結(jié)構(gòu)生物學(xué)研究方法。結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究成果對(duì)于理解生物學(xué)原理、疾病發(fā)生機(jī)制以及新藥設(shè)計(jì)都有著極其重要的作用。例如，通過結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究，科學(xué)家可以揭示特定蛋白質(zhì)的功能和如何調(diào)控這些功能，這對(duì)于開發(fā)治療相關(guān)疾病的新藥具有重要價(jià)值。此外，結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究還促進(jìn)了生物技術(shù)的進(jìn)步，例如在生物制藥領(lǐng)域，通過了解生物大分子的結(jié)構(gòu)，可以設(shè)計(jì)出更有效的生物制品，包括藥物、疫苗和酶等。結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究還幫助我們理解生物體內(nèi)部的信號(hào)傳遞、遺傳信息的存儲(chǔ)與傳遞等生命過程。結(jié)構(gòu)生物學(xué)在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，以下是一些主要的應(yīng)用領(lǐng)域及相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)：1.藥物發(fā)現(xiàn)與開發(fā)：高分辨率蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)：通過X射線晶體學(xué)、NMR光譜學(xué)或冷凍電子顯微鏡等技術(shù)獲得的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，用于指導(dǎo)藥物設(shè)計(jì)，特別是針對(duì)蛋白質(zhì)靶點(diǎn)的藥物。藥物篩選與優(yōu)化：基于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模擬用于預(yù)測(cè)和評(píng)估藥物候選分子與靶標(biāo)蛋白的相互作用，從而優(yōu)化藥物設(shè)計(jì)。生物相似物和生物制劑：結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究有助于開發(fā)與自然界中存在的生物分子相似的人工分子，如生物相似藥物和生物制劑。2.疾病機(jī)理研究：結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)疾病研究：通過研究疾病相關(guān)蛋白的結(jié)構(gòu)，揭示疾病的分子機(jī)制，為治療策略提供理論基礎(chǔ)。遺傳性疾病研究：結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)用于研究遺傳性疾病的分子基礎(chǔ)，如囊性纖維化、鐮狀細(xì)胞性貧血等。3.生物技術(shù)：重組蛋白質(zhì)生產(chǎn)：結(jié)構(gòu)生物學(xué)指導(dǎo)下的蛋白質(zhì)工程用于生產(chǎn)重組蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)在工業(yè)、醫(yī)藥和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。生物傳感器和診斷工具：基于蛋白質(zhì)或其他生物大分子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的生物傳感器，用于檢測(cè)病原體、疾病標(biāo)志物等。4.農(nóng)業(yè)：植物抗病性研究：通過研究植物抗病蛋白的結(jié)構(gòu)，了解植物如何抵抗病原體，為培育抗病品種提供科學(xué)依據(jù)。作物改良：結(jié)構(gòu)生物學(xué)的研究有助于理解植物生長和發(fā)育的分子機(jī)制，指導(dǎo)作物改良。5.能源領(lǐng)域：光合作用研究：結(jié)構(gòu)生物學(xué)技術(shù)用于研究光合作用中的關(guān)鍵蛋白和反應(yīng)機(jī)制，為生物能源的開發(fā)提供信息。6.納米技術(shù)：蛋白質(zhì)納米結(jié)構(gòu)：利用蛋白質(zhì)的自組裝能力，開發(fā)納米級(jí)別的材料，如蛋白質(zhì)納米管、納米線等，這些材料在藥物輸送、組織工程等領(lǐng)域有潛在應(yīng)用。7.組織工程和再生醫(yī)學(xué)：生物支架設(shè)計(jì)：基于對(duì)細(xì)胞外基質(zhì)蛋白結(jié)構(gòu)的理解，設(shè)計(jì)用于組織修復(fù)和再生醫(yī)學(xué)的生物支架。8.疫苗開發(fā)：病原體結(jié)構(gòu)分析：通過分析病原體的結(jié)構(gòu)，如病毒和細(xì)菌的外殼蛋白，設(shè)