X射線晶體衍射分析

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1、X射線晶體衍射分析(X-rayCrystallography,X-rayDiffractionMethods)殷雷梁毅(武漢大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院)測定生物大分子三維結(jié)構(gòu)的主要方法?完整、精確、實時(動態(tài))地測定生物大分子三維結(jié)構(gòu)的主要研究對象包括核酸、蛋白質(zhì)、寡糖、脂以及它們之間的復(fù)合物。?直接測定生物大分子三維結(jié)構(gòu)的主要實驗方法有:X射線晶體衍射分析(亦稱X射線結(jié)晶學(xué)或晶體結(jié)構(gòu)分析)、核磁共振波譜分析(NMR)、電鏡三維重構(gòu)（EM）、掃描隧道顯微技術(shù)(STM)和原子力顯微技術(shù)(AFM)。X射線晶體衍射分析?X射線

2、晶體衍射分析迄今仍然是蛋白質(zhì)和核酸三維結(jié)構(gòu)測定的主要方法。?美國蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫(PDB)存入的三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),截止目前,已經(jīng)存入國際蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的蛋白質(zhì)、核酸和糖類的三維結(jié)構(gòu)已超過104537套(其中晶體結(jié)構(gòu)92747套)。?倫琴（R?ntgen）發(fā)現(xiàn)X射線（1895年）及其后勞埃（Laue）發(fā)現(xiàn)晶體的X射線衍射（1912年），從而開創(chuàng)了晶態(tài)物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的新紀(jì)元。?1953年P(guān)erutz在當(dāng)時的同晶置換原理上，發(fā)現(xiàn)了重原子同晶置換法可以解決生物大分子晶體結(jié)構(gòu)測定中衍射的相位問題，從而X射線晶體衍射分析開始踏

3、上了自己發(fā)展的偉大歷程。X-raycrystallography?Thefirstpublishedobservationofthecrystallizationofaprotein,hemoglobinfromearthworm,wasauthoredbyF.L.HRnefeldin1840;?Thefirstx-raycrystallographicstructuralresultsonaglobularproteinmolecule,myoglobin,werereportedbyJohnKendrewi

4、n1957.TheNobelPrizeinChemistry1962"fortheirstudiesofthestructuresofglobularproteins"MaxFerdinandPerutzJohnCowderyKendrew1/2oftheprize1/2oftheprizeUnitedKingdomUnitedKingdomMRCLaboratoryofMRCLaboratoryofMolecularBiologyMolecularBiologyCambridge,UnitedKingdomC

5、ambridge,UnitedKingdomb.1914b.1917(inVienna,Austria)d.1997d.2002?在1957年和1959年Kendrew和Perutz分別獲得了肌紅蛋白和血紅蛋白的低分辨率（6?和5?）結(jié)構(gòu)，在此期間Watson和Crick共同建立了DNA雙螺旋的結(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)。?上述4位科學(xué)家分別獲得1962年度Nobel化學(xué)獎和生理或醫(yī)學(xué)獎。?從1957年到1967年的十年里，在溶菌酶結(jié)構(gòu)之后，胰凝乳蛋白酶A、核糖核酸酶、核糖核酸酶S和羧肽酶等

6、也分別獲得了高分辨率的晶體結(jié)構(gòu)，表明X射線晶體衍射分析已經(jīng)成為一門成熟的學(xué)科。?從六十年代末進入七十年代，X射線晶體衍射分析從對生物大分子三維結(jié)構(gòu)測定邁入生物大分子三維結(jié)構(gòu)及其生物學(xué)功能之間關(guān)系的研究，從而它既是分子生物學(xué)研究的有力的重要手段，同時也開始為結(jié)構(gòu)生物學(xué)的建立和發(fā)展創(chuàng)造著條件。?今天的X射線晶體衍射分析已經(jīng)完全超越單純晶體結(jié)構(gòu)測定的本身，而是直接瞄準(zhǔn)待測結(jié)構(gòu)的生物大分子的功能，瞄準(zhǔn)那些與功能緊密聯(lián)系在一起的生物大分子復(fù)合物的晶體結(jié)構(gòu)，如酶與底物(DNA聚合酶—DNA)、酶與抑制劑(溶菌酶-(NAG)

7、)、激素與受體(人3生長激素與其受體)、抗原與抗體(流感病毒神經(jīng)氨酶-單克隆抗體)、DNA與其結(jié)合蛋白(TATAbox與其結(jié)合蛋白)等。?現(xiàn)在，X射線晶體衍射分析已被應(yīng)用到測定由許多生物大分子組成的極其復(fù)雜的大分子組裝體(Macromolecularassembly)的晶體結(jié)構(gòu)，如組成細胞骨架的微管系統(tǒng)(Microtubules)、由200多種不同的蛋白質(zhì)組成的細菌鞭毛(flagella)和由60個不同的蛋白質(zhì)分子和3條RNA鏈組成的分子量高達230萬的核糖體等。其中核糖體大亞基的分析已達2.9埃分辨率，是當(dāng)前

8、X射線晶體結(jié)構(gòu)分析的一個突破。?現(xiàn)在，X射線晶體衍射分析已不再滿足于靜態(tài)晶體結(jié)構(gòu)的測定，而追求與生物大分子發(fā)揮生物功能相伴隨的動態(tài)晶體結(jié)構(gòu)的測定。生物大分子及其復(fù)合體的結(jié)構(gòu)不是剛性的，而是有柔性的，存在著在不同層次的不同自由度的運動，它們是生物大分子發(fā)揮生物功能的基礎(chǔ)和條件。另一方面，生物大分子發(fā)揮功能的過程就是和其他分子相互作用的過程，也是構(gòu)象變化的過程．因此生命的結(jié)構(gòu)必然是運動的結(jié)