X射線晶體衍射測定蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)測定2011-3-30現(xiàn)在是1頁\一共有74頁\編輯于星期一蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)測定方法及數(shù)量現(xiàn)在是2頁\一共有74頁\編輯于星期一蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)測定年增長圖現(xiàn)在是3頁\一共有74頁\編輯于星期一第一節(jié)：X-射線衍射技術(shù)用于蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)測定原理基本過程優(yōu)缺點(diǎn)應(yīng)用實(shí)例現(xiàn)在是4頁\一共有74頁\編輯于星期一一、相關(guān)原理光的衍射現(xiàn)象X射線的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用本質(zhì)的爭論X射線衍射的發(fā)現(xiàn)晶體學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)X射線晶體衍射現(xiàn)在是5頁\一共有74頁\編輯于星期一?‘光線’拐彎了！1.光的衍射現(xiàn)象現(xiàn)在是6頁\一共有74頁\編輯于星期一衍射現(xiàn)象：光波偏離直線傳播而出現(xiàn)光強(qiáng)不均勻分布的現(xiàn)象當(dāng)縫的大?。ɑ蛘系K物的大?。└ㄩL相差不多時(shí)就發(fā)生明顯的衍射現(xiàn)象．如果縫很寬，其寬度遠(yuǎn)大于波長，則波通過縫后基本上是沿直線傳播的，衍射現(xiàn)象就很不明顯了．現(xiàn)在是7頁\一共有74頁\編輯于星期一惠更斯—菲涅耳原理菲涅耳補(bǔ)充：從同一波陣面上各點(diǎn)發(fā)出的子波是相干波?！?818年惠更斯：光波陣面上每一點(diǎn)都可以看作新的子波源，以后任意時(shí)刻，這些子波的包跡就是該時(shí)刻的波陣面。——1690年解釋不了光強(qiáng)分布！

現(xiàn)在是8頁\一共有74頁\編輯于星期一2.X射線的發(fā)現(xiàn)歷程及應(yīng)用失之交臂1836法拉第發(fā)現(xiàn)陰極射線1861克魯克斯陰極射線管在放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生亮光干版和光片有問題？1890古德斯柏德洗出了一張X射線的透視底片照片的沖洗藥水或沖洗技術(shù)發(fā)現(xiàn)X射線本質(zhì)的爭論X射線衍射現(xiàn)在是9頁\一共有74頁\編輯于星期一2.X射線的發(fā)現(xiàn)及應(yīng)用1895年倫琴（Roentgen）發(fā)現(xiàn)故稱為倫琴射線?，F(xiàn)在是10頁\一共有74頁\編輯于星期一倫琴夫人的手的X射線照片現(xiàn)在是11頁\一共有74頁\編輯于星期一X射線在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用倫琴的新發(fā)現(xiàn)轟動(dòng)了全世界,不到三個(gè)月,維也納的一家醫(yī)院便拍出了應(yīng)用于醫(yī)療的X射線照片.從此,X射線拍片和射線透視成為醫(yī)學(xué)診療中常用的手段。為了防止各臟器成像發(fā)生的重疊給診療帶來不便,科學(xué)家們進(jìn)一步研究了成像更清晰、靈敏度更高的儀器。1972年，英國科學(xué)家漢斯菲爾德運(yùn)用計(jì)算機(jī)和圖像重建理論,制成了電子計(jì)算機(jī)射線斷層掃描成像裝置,也就是已被廣泛應(yīng)用的CT?，F(xiàn)在是12頁\一共有74頁\編輯于星期一X射線與諾貝爾獎(jiǎng)—物理學(xué)獎(jiǎng)倫琴因發(fā)現(xiàn)X射線而獲得第一屆諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1906年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。勞厄獲得了1914年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。英國的布拉格父子1915年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。英國的巴克拉1917年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。瑞典物理學(xué)家西格班1924年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。美國的康普頓1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。前蘇聯(lián)的切連科夫1958年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);美國的霍夫斯塔特1961年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng);瑞典的西格巴恩1981年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?，F(xiàn)在是13頁\一共有74頁\編輯于星期一現(xiàn)在是14頁\一共有74頁\編輯于星期一化學(xué)獎(jiǎng)荷蘭的物理化學(xué)家德拜1936年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。美國著名化學(xué)家鮑林1954年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。英國生物學(xué)家肯德魯與佩魯茨1962年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。英國女化學(xué)家霍奇金1964年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。美國化學(xué)家利普斯科姆1976年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。英國化學(xué)家桑格和美國化學(xué)家吉爾伯特1980年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。英國生物化學(xué)家克盧格因1982年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng);美國化學(xué)家豪普特曼和卡爾1985年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng);1988年,米歇爾等三位德國生物化學(xué)家諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?，F(xiàn)在是15頁\一共有74頁\編輯于星期一3.X射線本質(zhì)的爭論現(xiàn)在是16頁\一共有74頁\編輯于星期一X射線本質(zhì)的爭論--波動(dòng)說巴克拉：X射線波動(dòng)性標(biāo)識(shí)譜線：不管元素已化合成什么化合物，它們總是發(fā)射一種硬度的X射線，當(dāng)原子量增大時(shí)，標(biāo)識(shí)X射線的穿透本領(lǐng)會(huì)隨著增大。這說明X射線具有標(biāo)識(shí)特定元素的特性。現(xiàn)在是17頁\一共有74頁\編輯于星期一X射線本質(zhì)的爭論—微粒說X射線微粒論者粒子具有旋轉(zhuǎn)性布拉克父子現(xiàn)在是18頁\一共有74頁\編輯于星期一4.X射線衍射現(xiàn)在是19頁\一共有74頁\編輯于星期一X射線衍射的獲得波長范圍：10—0.1埃欲觀察其衍射現(xiàn)象則衍射線度應(yīng)與其波長差不多，晶體的晶格常數(shù)恰是這樣的線度衍射波的兩個(gè)基本特征—衍射線（束）在空間分布的方位（衍射方向）和強(qiáng)度與晶體內(nèi)原子分布規(guī)律（晶體結(jié)構(gòu)）密切相關(guān)?，F(xiàn)在是20頁\一共有74頁\編輯于星期一現(xiàn)在是21頁\一共有74頁\編輯于星期一X射線晶體結(jié)構(gòu)分析？

使用X射線作為物理工具，依賴X射線衍射現(xiàn)象為物理原理，以晶體作為研究對象，晶體結(jié)構(gòu)作為研究結(jié)果的一種分析方法?，F(xiàn)在是22頁\一共有74頁\編輯于星期一5.X射線的獲得：X射線管激光等離子體同步輻射X射線激光現(xiàn)在是23頁\一共有74頁\編輯于星期一6.晶體基礎(chǔ)什么是晶體晶體的周期排布晶體的對稱性現(xiàn)在是24頁\一共有74頁\編輯于星期一3.1什么是晶體固體物質(zhì)晶體相當(dāng)罕見的東西？非晶體晶體(Crystal

)指離子、原子或分子這些微粒在三維空間中周期性重復(fù)排列形成的、能夠給出明銳衍射的固體結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)在是25頁\一共有74頁\編輯于星期一晶體什么樣（1）現(xiàn)在是26頁\一共有74頁\編輯于星期一晶體什么樣（2）現(xiàn)在是27頁\一共有74頁\編輯于星期一晶體什么樣（3）現(xiàn)在是28頁\一共有74頁\編輯于星期一晶體什么樣（4）現(xiàn)在是29頁\一共有74頁\編輯于星期一2.晶體和點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)晶體的周期性結(jié)構(gòu)使得我們可以把它抽象成“點(diǎn)陣”來研究.一維周期性結(jié)構(gòu)與直線點(diǎn)陣二維周期性結(jié)構(gòu)與平面點(diǎn)陣三維周期性結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣現(xiàn)在是30頁\一共有74頁\編輯于星期一一維周期性結(jié)構(gòu)與直線點(diǎn)陣

現(xiàn)在是31頁\一共有74頁\編輯于星期一二維周期性結(jié)構(gòu)與平面點(diǎn)陣現(xiàn)在是32頁\一共有74頁\編輯于星期一三維周期性結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣

現(xiàn)在是33頁\一共有74頁\編輯于星期一晶胞(Unitcell)空間點(diǎn)陣的單位（大小和形狀完全相同的平行六面體），是晶體結(jié)構(gòu)的最小單位。同一個(gè)空間點(diǎn)陣，劃分平行六面體的方式是多種多樣的。選擇平行六面體的原則：①所選平行六面體的對稱性應(yīng)符合整個(gè)空間點(diǎn)陣的對稱性。②選擇棱與棱之間直角關(guān)系為最多的平行六面體③所選平行六面體之體積應(yīng)最小。④當(dāng)對稱性規(guī)定棱間的交角不能為直角關(guān)系時(shí)，應(yīng)選擇結(jié)點(diǎn)間距小的行列作為平行六面體的棱，且棱間的交角接近于直角的平行六面體?，F(xiàn)在是34頁\一共有74頁\編輯于星期一單位平行六面體，a、b、c、、、是表征它本身形狀、大小的一組參數(shù)，稱為格子參數(shù)或點(diǎn)陣參數(shù)。cab單位平行六面體參數(shù)現(xiàn)在是35頁\一共有74頁\編輯于星期一單位平行六面體與坐標(biāo)軸的關(guān)系：棱交角＝坐標(biāo)軸之間交角。a、b、c＝軸單位。a、b、c、、、關(guān)系有七種情況，與單位平行六面體七種格子相對應(yīng)。立方格子a=b=c===90o現(xiàn)在是36頁\一共有74頁\編輯于星期一三方格子a=b=c==≠90o，60， 109o28'16"現(xiàn)在是37頁\一共有74頁\編輯于星期一菱面體格子中α為特殊角度時(shí)，演變成的三種立方體格子現(xiàn)在是38頁\一共有74頁\編輯于星期一四方格子a=b≠c===90o現(xiàn)在是39頁\一共有74頁\編輯于星期一六方格子a=b≠c==90o=120o現(xiàn)在是40頁\一共有74頁\編輯于星期一正交格子a≠b≠c===90o現(xiàn)在是41頁\一共有74頁\編輯于星期一單斜格子a≠b≠c==90o≠90o現(xiàn)在是42頁\一共有74頁\編輯于星期一三斜格子a≠b≠c≠≠≠90o現(xiàn)在是43頁\一共有74頁\編輯于星期一按結(jié)點(diǎn)位置，可有四種不同的類型：P——原始格子（角頂）C——底心格子（角頂、頂?shù)酌妫㊣——體心格子（角頂、體心）F——面心格子（角頂、每個(gè)面）現(xiàn)在是44頁\一共有74頁\編輯于星期一P——原始格子（角頂）現(xiàn)在是45頁\一共有74頁\編輯于星期一C——底心格子（角頂、頂?shù)酌妫┈F(xiàn)在是46頁\一共有74頁\編輯于星期一I——體心格子（角頂、體心）現(xiàn)在是47頁\一共有74頁\編輯于星期一F——面心格子（角頂、每個(gè)面）現(xiàn)在是48頁\一共有74頁\編輯于星期一結(jié)構(gòu)中代表各類等同點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)在空間的排列方式來說，格子的種類有、且只有十四種?，F(xiàn)在是49頁\一共有74頁\編輯于星期一衍射方向現(xiàn)在是50頁\一共有74頁\編輯于星期一現(xiàn)在是51頁\一共有74頁\編輯于星期一二、X射線晶體結(jié)構(gòu)測定基本過程①蛋白質(zhì)獲?。ㄌ峒儯诰w生長并經(jīng)冷凍技術(shù)處理③重原子衍生物制備④衍射數(shù)據(jù)收集⑤衍生數(shù)據(jù)分析和改進(jìn)⑥結(jié)構(gòu)模型的獲?。òㄐ拚┈F(xiàn)在是52頁\一共有74頁\編輯于星期一（2）晶體生長過程及影響因素晶核（盡量少）微晶（可用作晶種）晶體在數(shù)小時(shí)至數(shù)月后出現(xiàn)2個(gè)問題：是鹽晶嗎？能給出有用的衍射嗎？（多晶/雙晶）現(xiàn)在是53頁\一共有74頁\編輯于星期一影響因素物理因素：溫度、壓力、震動(dòng)、溶劑清潔度、試劑純度、重力、外加物理場等生物化學(xué)因素：pH、離子強(qiáng)度、沉淀劑/添加劑的類型和濃度等其他：溶液過飽和度、純度等“經(jīng)驗(yàn)”“機(jī)器人”（2）晶體生長過程及影響因素現(xiàn)在是54頁\一共有74頁\編輯于星期一（3）結(jié)晶方法批量結(jié)晶法batchcrystallization透射法crystallizationbydialysis液相擴(kuò)散法liquiddiffusion氣相擴(kuò)散法vapordiffusion氫氘交換質(zhì)譜技術(shù)Enhancedamidehydrogen/deuterium-exchangemassspectrometry,DXMS生物玻璃bioglass現(xiàn)在是55頁\一共有74頁\編輯于星期一（4）晶體的初步鑒定小分子晶體蛋白質(zhì)晶體邊界完整，漂亮常不完整，易出現(xiàn)多晶硬度偏硬，易碎成2瓣或幾瓣偏軟，易碎成粉脫水不變化因脫水而變壞溶解性慢快偏光性強(qiáng)相對弱染色性弱強(qiáng)漂浮性下沉漂浮現(xiàn)在是56頁\一共有74頁\編輯于星期一（5）衍射數(shù)據(jù)收集晶體的處理：低溫液氮?dú)饫淞骷夹g(shù)數(shù)據(jù)收集儀：底片、面探測器現(xiàn)在是57頁\一共有74頁\編輯于星期一衍射分析儀器的發(fā)展射線種類：連續(xù)射線特征射線電子衍射中子衍射探測技術(shù)：膠片閃爍體計(jì)數(shù)器（點(diǎn)）（IP）CCD探測器（面）圖2-22石英的衍射儀計(jì)數(shù)器記錄圖（部分）*右上角為石英的德拜圖，衍射峰上方為（hkl）值，β代表Kβ衍射現(xiàn)在是58頁\一共有74頁\編輯于星期一底片（外森堡相機(jī)、徘循相機(jī)）優(yōu)點(diǎn)：多點(diǎn)同時(shí)收集容易保存價(jià)格便宜缺點(diǎn)存在“化學(xué)霧”背景和X射線散射背景費(fèi)時(shí)、費(fèi)力現(xiàn)在是59頁\一共有74頁\編輯于星期一計(jì)數(shù)管（四圓衍射儀）將X射線光子強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)放大后再轉(zhuǎn)換成數(shù)字存入計(jì)算機(jī)隨時(shí)調(diào)用逐點(diǎn)收集數(shù)據(jù)優(yōu)缺點(diǎn)與底片相反現(xiàn)在是60頁\一共有74頁\編輯于星期一面探技術(shù)-SMARTAPEX-CCD衍射儀SmartCCDOverviewSMARTAPEX-CCD探測器現(xiàn)在是61頁\一共有74頁\編輯于星期一金屬絲構(gòu)成的面板，可同時(shí)多點(diǎn)收集將X射線光子強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)集計(jì)數(shù)管的精確和底片的多點(diǎn)收集效率面探技術(shù)-SMARTAPEX-CCD衍射儀

現(xiàn)在是62頁\一共有74頁\編輯于星期一圖像板imageplate

面探測器的改進(jìn)由化學(xué)材料構(gòu)成，整塊板子密度一致高分辨率可見光下可測量集底片和面探測器的優(yōu)點(diǎn)于一身現(xiàn)在是63頁\一共有74頁\編輯于星期一（6）數(shù)據(jù)分析電子密度修飾電子密度圖詮釋結(jié)構(gòu)模型精化數(shù)據(jù)處理軟件：Denzo,Scalepack現(xiàn)在是64頁\一共有74頁\編輯于星期一現(xiàn)在是65頁\一共有74頁\編輯于星期一現(xiàn)在是66頁\一共有74頁\編輯于星期一三、X射線晶體結(jié)構(gòu)測定優(yōu)點(diǎn)分辨率高不損傷樣品無污染相對快捷能得到晶體完整性的大量信息現(xiàn)在是67頁\一共有74頁\編輯于星期一晶體構(gòu)象是靜態(tài)的，不能測定不穩(wěn)定的過渡態(tài)的構(gòu)象；很多蛋白質(zhì)很難結(jié)晶，或者很難得到用于結(jié)構(gòu)分析的足夠大的單晶；（瓶頸）X射線晶體衍射的工作流程較長。四、X射線晶體結(jié)構(gòu)測定存在問題現(xiàn)在是68頁\一共有74頁\編輯于星期一Lastupdate:TuesdayOct20,2009at5