第5章蛋白质结构解析

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1、 人体基因数目仅比低等生物线虫多两倍。人体基因数目仅比低等生物线虫多两倍。如此少的基因是如何创造出人体如此复杂如此少的基因是如何创造出人体如此复杂的生命活动？的生命活动？ 人体基因的主要功能是通过蛋白质来实现人体基因的主要功能是通过蛋白质来实现的，的，蛋白质扮演着构筑生命大厦的主要角蛋白质扮演着构筑生命大厦的主要角色。色。人体中大约有人体中大约有1010万种蛋白质。万种蛋白质。 测定蛋白质结构的意义测定蛋白质结构的意义vX-X-射线晶体衍射法：射线晶体衍射法：85.3% 85.3% v核磁共振波谱：核磁共振波谱：14.7%14.7%v电镜三维重构、各种光谱技术、显微电镜三维重构、各种光谱技术、

2、显微 技术和计算机模拟技术和计算机模拟 l 1895年年11月月8日日 ,德国物德国物理学家，理学家，50岁的伦琴在岁的伦琴在自己的实验室中偶然发自己的实验室中偶然发现现 一种从阴极射线管一种从阴极射线管中辐射出的新型射线，中辐射出的新型射线，由于对管子发出的由于对管子发出的“东东西西”性质不确定，伦琴性质不确定，伦琴就把这种射线命名为就把这种射线命名为“X射线射线” 。图片出处: http:/ 伦琴实验室伦琴实验室人类第一张人类第一张X光照片光照片图片出处:http:/ 伦琴妻子之手伦琴妻子之手 1896年年1月月23日伦日伦琴将这一重大发现在维琴将这一重大发现在维尔兹堡物理医学会上报尔兹堡

3、物理医学会上报告。告。Kolliker教授提议教授提议将该射线命名为将该射线命名为“伦琴伦琴射线射线”,但伦琴却说：但伦琴却说：“我还没有彻底解释这我还没有彻底解释这种射线的发生现象，还种射线的发生现象，还是称它为是称它为X射线最恰射线最恰当。当。” 威廉威廉康拉德康拉德伦琴伦琴 Wilhelm Conrad Rntgenl1901年第一届诺贝尔物理学奖评选时，年第一届诺贝尔物理学奖评选时，29封推荐信中就有封推荐信中就有17封集中推荐他。伦封集中推荐他。伦琴最终获得了第一次诺贝尔物理学奖金琴最终获得了第一次诺贝尔物理学奖金图片出处http:/ X射线本质射线本质 X射线是一种短波长射线是一种

4、短波长(0.00510nm)、高能量高能量(2.5105 1.2102eV)的电磁波。的电磁波。它是原子内层电子在高速运动电子流冲它是原子内层电子在高速运动电子流冲击下，产生跃迁而发射的电磁辐射。击下，产生跃迁而发射的电磁辐射。l 一般由高速电子撞击金属产生。如图所示，是一种产生一般由高速电子撞击金属产生。如图所示，是一种产生X射线的真空管，射线的真空管，K是发射电子的热阴极，是发射电子的热阴极，A是由钼、钨或是由钼、钨或铜等金属制成的阳极。两极之间加有数万伏特的高电压，铜等金属制成的阳极。两极之间加有数万伏特的高电压，使电子流加速，向阳极使电子流加速，向阳极A撞击而产生撞击而产生X射线。射线

5、。AX射线衍射射线衍射l1912年年Max von Laue发现发现X射线具有衍射线具有衍射的现象。（射的现象。（1914年的诺贝尔物理学奖）年的诺贝尔物理学奖）图片出处图片出处: :http:/ 劳厄的实验装置劳厄的实验装置 图片出处图片出处:http:/ l X射线衍射分析所依赖的基本原理是射线衍射分析所依赖的基本原理是X射线衍射现象射线衍射现象l X射线衍射现象射线衍射现象利用利用X射线的波长和晶体中原子的大小及射线的波长和晶体中原子的大小及原子间距同数量级的特性来分析晶体结构。原子间距同数量级的特性来分析晶体结构。 l 当当X射线入射到样品晶体分子上时，分子上的每个原子使射线入射到样品

6、晶体分子上时，分子上的每个原子使X射线发生散射，这些散射波之间相互叠加形成衍射图形。射线发生散射，这些散射波之间相互叠加形成衍射图形。 l 衍射图形能给出样品内部结构的许多资料，如原子间的衍射图形能给出样品内部结构的许多资料，如原子间的距离距离、键角键角，分子的，分子的立体结构立体结构、绝对构型绝对构型、原子和分子、原子和分子的的堆积堆积、有序或无序的、有序或无序的排列排列等。等。 X X射线通过红宝石晶体射线通过红宝石晶体( (a)a)和硅单晶体和硅单晶体( (b)b)所拍摄的劳厄斑所拍摄的劳厄斑图片出处图片出处:http:/ 劳伦斯劳伦斯布拉格布拉格( Lawrence Bragg) 因在

7、用因在用X射线研究晶体结构方面所作出的杰出贡射线研究晶体结构方面所作出的杰出贡献献 ,亨利亨利布拉格布拉格（William Henry Bragg）和和劳伦劳伦斯斯布拉格布拉格（William Lawrence Bragg）父子分享了父子分享了1915年的诺贝尔物理学奖。年的诺贝尔物理学奖。图片出处图片出处http:/202.202.4.150/nobel/nobel1.htm 图片出处图片出处http:/nobelprize.org/physics/laureates/1915/wl-bragg-bio.html l 20世纪世纪60年代解析一个蛋白质结构可以获年代解析一个蛋白质结构可以获

8、得诺贝尔奖；得诺贝尔奖；l 20世纪世纪70年代解析一个蛋白质结构则可成年代解析一个蛋白质结构则可成 为轰动世界的新闻；为轰动世界的新闻； l 20世纪世纪80年代解析一个蛋白质结构则可申请到教授的职位；年代解析一个蛋白质结构则可申请到教授的职位；l 20世纪世纪90年代解析一个蛋白质结构通常可以获得博士学位；年代解析一个蛋白质结构通常可以获得博士学位；l 今天，一个博士研究生也许就可解析多个蛋白质结构，但如今天，一个博士研究生也许就可解析多个蛋白质结构，但如果没有深入研究其结构与功能的关系，往往不能毕业。果没有深入研究其结构与功能的关系，往往不能毕业。蛋白质结构解析的发展蛋白质结构解析的发展

9、饶子和院士饶子和院士HIV基质蛋白基质蛋白 SARS射线衍射用于蛋白质结构的测定射线衍射用于蛋白质结构的测定l1954年年伯纳尔伯纳尔(Bernal)获得第一张胃蛋白获得第一张胃蛋白酶晶体衍射图片。酶晶体衍射图片。l1957年年肯特罗肯特罗(Kendrew)完成肌红蛋白完成肌红蛋白的的0.6 nm分辨率的蛋白质晶体结构分辨率的蛋白质晶体结构图片出处:http:/www.drg.de/data/wuerdigungen/Nobelpreise/RoenNobel.htm 图片出处:http:/www2.mrcmb.cam.ac.uk/archive/gal/source/kendrew.html

10、 肌红蛋白的三维结构肌红蛋白的三维结构 肌红蛋白的三维结构模型肌红蛋白的三维结构模型图片出处:http:/ http:/ www2.mrc-lmb.cam.ac.uk/ archive/Kendrew62.html 1959年年佩鲁茨佩鲁茨(Perute)完成血完成血红蛋白红蛋白0.55分辨分辨率的晶体结构率的晶体结构图片出处:http:/www.hsgq.pudong- (1962) 血红蛋白的四级结构血红蛋白的四级结构 模型模型图片出处http:/ 血红蛋白分子就是由二个由血红蛋白分子就是由二个由141个氨基酸残基组成的个氨基酸残基组成的亚基和二个由亚基和二个由146个氨基酸个氨基酸残基组

11、成的残基组成的亚基按特定的接触和排列组成的一个球状蛋白质分子，每个亚基中亚基按特定的接触和排列组成的一个球状蛋白质分子，每个亚基中各有一个含亚铁离子的血红素辅基。四个亚基间靠氢键和八个盐键维系着血红蛋各有一个含亚铁离子的血红素辅基。四个亚基间靠氢键和八个盐键维系着血红蛋白分子严密的空间构象。白分子严密的空间构象。 由于测定出蛋白质的精细结构由于测定出蛋白质的精细结构, ,两位英国科两位英国科学家学家M.F.M.F.佩鲁茨佩鲁茨和和J.C.J.C.肯德鲁肯德鲁获得获得19621962年的诺年的诺贝尔化学奖。贝尔化学奖。图片出处：图片出处： 1997年年,核小体八组蛋白结构核小体八组蛋白结构 20