同步辐射中的蛋白质结构和功能研究-中国物理C.PDF

2014国际晶体学年专题 同步辐射中的蛋白质结构和功能研究 董宇辉 （中国科学院高能物理研究所 100049 ） 20 世纪后半叶发展最迅速的一个学科是结构生物 样品仍是一个昂贵和费时的工作。 学，这是一门通过蛋白质结构来诠释蛋白质功能的学 冷冻电子显微学在研究分子量巨大的体系方面具 科，DNA 双螺旋结构和血红蛋白以及肌红蛋白的结构 有优势。这种方法可以使用二维晶体，也可以使用单 的确定标志着这个学科的建立。蛋白质是生命活动主 颗粒重建技术来获得三维结构。然而二维晶体的生长， 要的执行者，只有形成了正确的结构，蛋白质才能具 遇到的困难和生长三维晶体类似，也是一个依靠经验 有正确的功能。因此蛋白质的结构研究，不仅可以让 尝试的过程。利用单颗粒重建技术，需要拍摄很大数 我们得以深入了解生物体内诸多生命过程的细节，更 量的生物大分子图像，才能够得到足够的信息确定结 有助于重大疾病的预防和治疗、新型高效药物和疫苗 构的细节。理论上用单颗粒重建技术得到分辨率为 的研发等。正是由于蛋白质结构研究在基础科学和医 1 Å 的结构需要处理数以百万计的分子图像，目前还 药、疫苗研发中的重要作用，结构生物学获得了蓬勃 没有完成如此多的图像处理工作的可能性。最近随着 的发展。 新型探测器的发展，在图像质量上得到了大幅度的改 目前获得蛋白质结构的方法主要有3 种：X 射线 善，因此冷冻电镜单颗粒重建获得的结构也接近了原 晶体学、核磁共振和冷冻电镜。 子分辨率，但是由于电子与蛋白质的相互作用截面很 核磁共振是一种应用非常广泛的技术，在化学、 大，多重散射效应使得蛋白质内部结构的分辨率不如 物理及生物学的多个领域中都有广泛的应用。如果在 表面部分。 磁场中有一个核磁矩不为零的原子核，那么这个原子 确定蛋白质分子的三维结构最常用和最准确的手 核的自旋能级将会发生塞曼分裂。在这种条件下，这 段是X 射线晶体学。蛋白质可以在适当的条件下长出 个原子核就能够共振吸收某一特定频率的射频辐射。 晶体，因此衍射技术可以用到蛋白质的结构解析上来。 而这个核磁共振的频率随着周围化学环境的不同也略 其实利用晶体学衍射解析结构的历史非常悠久，自劳 有变化，因此通过核磁共振方法确定出共振峰的位置 厄第一次观察到晶体的衍射现象以来，人们就意识到 后，就能够计算出相应的原子核周围的化学环境，即 可以利用衍射来解决物质的结构问题。布拉格父子第 原子之间的键长、键角、二面角等立体化学参数。这 一次演示了利用衍射解析结构的例子，因此结构分析 样我们就获得了搭建整个蛋白质结构的片段信息，从 逐步成为了晶体学最重要的作用之一。晶体学早年的 而搭建出整个分子的三维结构。这个方法的优点在于 工作集中在小分子晶体的结构解析上，一直到二十世 可以研究溶液状态下的结构以及动力学过程，但是由 纪五六十年代，肯德鲁（Kendrew ）和佩鲁茨（Perutz ） 于谱仪的分辨能力有限，分子量很大（即分子量大于 的工作解析了肌红蛋白和血红蛋白的晶体结构，结构 4 万道尔顿，相当于360 个氨基酸残基）的生物大分 生物学这个今天的 “明星”学科诞生了。今天，利用 子所产生的共振峰由于数目过多难以分辨，导致结构 X 射线晶体学解析蛋白质结构这门学科也被称为 “蛋 无法解析。同时为了产生核磁共振信号，还必须把没 白质晶体学”，属于X 射线晶体学的一个分支。之所 有核磁矩的原子核替换成为有磁矩的同位素，例如把 以在劳厄和布拉格父子的工作完成几十年之后才得到 14 15 12 13 第一个蛋白质的结构，就是因为蛋白质的结构远远要 N 替换为 N ， C 替换为 C 等。虽然这些同位素替 换的技术已经相当成熟，但是制备这些同位素置换的 比小分子复杂，解析蛋白质的晶体结构要困难得多。 现代物理知识 22 2014国际晶体学年专题 很幸运，随着X 射线晶体学的各种理论，以及实 远的影响。现在生物学的研究者在浏览诸如Nature 、