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【史料】结构分子生物的发展(梁栋材)

透射电镜(TEM)

  • 结构分子生物的发展
    梁栋材
    (中科院生物物理所,生物大分子国家实验室,北京,100101)



    伦琴发现X射线后的一百年间,X射线在物质结构研究上立下了永不磨灭的伟大功绩。1912年劳埃发现晶体的X射线衍射,开创了晶态物质结构的新纪元。仅隔了22年Bernal和Crowfoot在1934年就成功地拍摄到第一张蛋白质 (胃蛋白酶) 单晶体的X射线衍射照片。事隔21年后的1953年Perutz发现了同晶置换法可以解决生物大分子晶体结构测定中的相位问题,从而蛋白质晶体学开始踏上自己发展的伟大历程。在1957年和1959年Kendrew和Perutz分别获得了肌红蛋白和血红蛋白的低分辨率 (6?和5?) 结构,在此期间Watson和Criek共同建立了DNA双螺旋的结构模型。他们的伟大成就为分子生物学奠定了基础。从1957年到1967年的十年里,随着溶菌酶结构之后,胰凝乳蛋白酶A、核糖核酸酶、核糖核酸酶S和羧肽酶也分别获得了高分辨率的结果,表明蛋白质晶体学已经成为一门成熟的学科。从六十年代末进入七十年代,蛋白质晶体学从对生物大分子三维结构测定迈入生物大分子三维结构与其生物学功能之间的关系研究,从而它既是分子生物学研究的有力的重要手段,同时也开始为结构分子生物学的建立和发展历程创造着条件。生物大分子发挥其生物学功能必需具备:(1) 稳定的特征的三维结构,(2) 其三维结构在各个水平上的运动。
    随着学科的交叉渗透和迅速发展,一个极其重要的分支学科--结构分子生物学正在高速发展,并已成为当前生物学中的一个重要前沿学科。结构分子生物学是结构生物学中的一个最重要、最活跃的研究层次,它是在分子层次上从结构角度特别是从三维结构的角度研究和阐明当前生物学中各个前沿领域的重要学科问题。结构分子生物学是一个包括生物、物理、化学和计算数学等多学科交叉的前沿,其中心任务就是生物大分子的结构与其生物功能关系的研究。
    结构分子生物学对生物大分子 (包括多亚基、多分子的复合物及复杂的复合体) 三维结构及其运动的研究手段主要有:X射线晶体衍射--蛋白质晶体学,二维及多维核磁共振谱,电子晶体学及电镜三维重组,中子衍射,其他包括应用傅里叶变换技术的各种谱学方法。他们都各有自身特有的优越性和不足。然而,无论从已测定生物大分子三维结构的数量上、精确度上或其发展潜力上,X射线单晶衍射方法--蛋白质晶体学--至今及可见的将来仍将占统治地位,都是其他手段不可相比的和不可代替的生物大分子三维结构研究手段。八十年代迅速崛起的蛋白质工程及药物设计已充分显示蛋白质晶体学方法是处于不可取代的重要地位,也表明结构分子生物学是生物高技术应用研究的重要前提和保证。
    在结构分子生物学领域中由于学科上的重大突破和杰出成变而荣获诺贝尔奖金的科学家,前后有:F. H. C. Crick和J. D. Watson (1962年生理与医学奖),M. F. Perutz和J. C. Kendrew (1962年化学奖),D. C. Hodgkin (1964年化学奖),A. Klug (1982年化学奖)和R. Huber (1988年化学奖) 等,他们都是蛋白质晶体学家。
    当前结构分子生物学在国际上的发展趋势有如下几个方面的特点:
    · 以蛋白质为主要手段的生物大分子三维结构测定在高速度发展。
    · 结构分子生物学的迅速兴起和发展,它在近些年来的生物物理学研究中已经毫无疑问地占据了主流的位。
    · 结构分子生物学的研究成果越来越受到生命科学各个领域的重视和引用。
    · 国际上很多难度高、意义重大的三维结构均是以蛋白质晶体学手段在近几年突破的。
    · 结构研究已由单一分子进入研究分子之间相互作用的复合物和分子体系的结构。
    · 蛋白质晶体学研究从生物大分子静态 (时间统计) 的结构分析开始进入了动态 (时间分辨) 的结构研究及力学分析。
    · 技术和方法高速发展。
    · 基础研究不断深入与扩展的同时,应用研究在迅速发展。
    · 激烈的竞争机制已打破了传统的学院工的研究体制和格局。
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  • 第1楼2005/11/02

    这个略微简单了点,有没有更详细的资料,作为回贴放在这一个帖子里?

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  • 第3楼2005/11/02

    (节选《多萝西·霍奇金传》)
    50年代是研究生物分子的科学家取得惊人成就的十年。1953年,当时在剑桥马克思·佩鲁茨的实验室工作的詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克,成功发现了DNA的结构。他们的工作也是以X射线晶体学研究为基础,由伦敦国王学院的罗莎琳德·富兰克林(Rosalind Franklin)和莫里斯·威尔金斯(Maurice Wilkins)完成。

      富兰克林成为最知名的女科学家之一,很大程度上是因为她是科学界不公正的牺牲品,以及她的早逝。她是一名非常有才华的科学家,她在剑桥的一位导师毫不犹豫地称她有“一流的头脑”,这种说法是牛津和剑桥对人的最高称赞。在来到国王学院之前,她曾经在巴黎工作过几年,过得非常愉快并富有成果。但与此相反,新工作对她来说是一个打击。首先,她发现威尔金斯认为她应当在他指导下工作,而她期望独立研究DNA。其次,两人都彼此不理解,以至无法消除分歧。在法国的同事们中,富兰克林直接而斗志旺盛的性格并未招来任何意见——激烈的争论是科学讨论的正常特征,没有人会生气。而在国王学院,只有她的助手雷蒙德·戈斯林(Raymond Gosling)同样地反击她,他们成了朋友。威尔金斯对攻击的反应是立即收回自己的看法。他们的风格如此不协调,以至于在她在那里的两年里,他们很少说话。还有一件事情不那么重要,但也使富兰克林生气,那就是她发现女性不允许进入员工每天聚集在一起用午餐的高级公用室。

      富兰克林在戈斯林的帮助下孤独地工作着。她的实验使她离解决DNA的结构不远了,但她的方法与沃森和克里克的方法全然不同。与多萝西一样,她对在没有证据支持的情况下接受任何理论模型都是极端谨慎的。但与多萝西不同的是,她并不把建立模型作为寻找证据的一种途径。她选择了更难的方法,计算帕特森方程。当威尔金斯在她不知道的情况下把她的一张X射线照片给沃森看——一张使这个美国人立刻领悟到螺旋结构是正确的照片——的时候,她离成功还有一段距离。沃森和克里克只花了几个星期,就建立了现代生物学中最重要的发现的模型。

      此时,富兰克林决定离开国王学院,放弃DNA研究,来到了贝尔纳在伯克贝克的实验室,一个与她更相投的环境。在那里,她与艾伦·克卢格(Aaron Klug)在植物病毒方面进行了成果卓著的合作,一直到1958年她因癌症早逝,终年37岁。尽管她那张照片起了关键作用,由于诺贝尔奖不给已经故世的人颁发,她未能分享DNA发现的荣耀。在沃森所写的一本关于这一发现的书中,她以戴眼镜的女学者“罗西(Rosy)”(这是个只在她被后被使用过的外号)这种歪曲讽刺的形象再次被剥夺了应得的荣光。近年来,她的故事的复杂性和她的作用开始被人们认识到。这个故事讲述了一个受困的、有些孤独的人,才华横溢,然而由于自身的倔强和别人无法接受她,失去了到达事业颠峰的重要机会。

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  • 第4楼2005/11/02

    Johann Deisenhofer教授1943年生于德国,先后获得慕尼黑工大硕士学位和"Max-Planck-Institut für Biochemie"博士学位。他于1988年因利用X光射线绕射呈现了光合作用中心蛋白质复合体的三维结构而获得诺贝尔化学奖。他现为Howard Hughes医学中心研究员和德州达拉斯西南医学中心教授。

      具体研究成果:1988年因利用X光绕射呈现了光合作用中心的立体结构而得到诺贝尔化学奖。膜上蛋白质在溶液中不容易分离而获得,因此若要得到三维中(Three dimentional)细节的架构就更加的困难。在 1984年以前只有两个膜上蛋白质的模糊不清架构图片。而这些图片是由Aaron Klug利用电子显微镜技术所获得的。在1982-1985年间Johann Deisenhofer与Robert Huber两人共同发展出一套能够找出分子结构的方法。我们都知道光合作用的一系列反应在细菌体内是较在真核的植物或藻类中进行的过程还要简单,然而,在结构上,高等植物的含氧蛋白质复合物(Oxygen-evolving protein complex)与菌体内的光合作用反应中心是有相当接近的关系的,因此,确定架构除了可以帮助我们更了解在各种生物体内光合作用进行的模式外,他还能帮助我们建构理论上电子传递及化学反应的情形。结构的决定,提供了相当多光合作用中化学层面的新信息,较我们原先所了解的更为多元化,除了呼吸作用与光合作用,细胞中有许多重要的中心反应都与模上的蛋白质有关,如:化学物质于细胞间的传送、贺尔蒙的作用、以及神经冲动的传导等。而不同反应接源于这些作用中心其立体架构及其于膜上所涵盖的范围不同而造成的。

       Deisenhofer先生现在为Howard Huges医学中心的研究员,并于德州达拉斯西南医学中心担任教授。他认为:晶格构图为分析大分子蛋白质(>40kD)上的分子结构的一种相当优越的方法;在他的研究过程中他分析出箱当多的蛋白质结构,其中包括:Cytochrome bc1、紫色光合菌中的光合作用反应中心,细菌UvrABC DNA修补系统中的蛋白质、及细胞外的LDL受器等多种生物体内的蛋白质结构。现在Deisenhofer先生于HHMI主要是在探讨人类HMG-CoA还原酵素其上作用区域如何进行反应或遭受抑制的。

      胆固醇为细胞膜上必须要有的组成物质,在正常的状况下,有三分之二的胆固醇可由身体制造,而量外的三分之一则由饮食中摄取。在人体合成胆固醇或许多体内重要物质的过程中大都会由Mevalonate这项化合物开始反应,若在含有3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A(HMG-CoA)并氧化两个NADPH再由HMG-CoA还原脢作用后即可得到胆固醇。由于这个酵素是控制胆固醇量的重要酵素,且其是由磷酸化来调控其活性的。在分析过后发现人类的HMG-CoA还原脢主要由三个部分所组成,一部份为由339个胺基酸所连结成插在内质网膜内的蛋白质,第二部分为由120个胺基酸所组成作为连结的区域,而第三部分则为429个胺基酸所组成于细胞质中的作用部位。藉由他的晶格立体结构,我们可以进一步的来探讨物如何的作用,及反应物如何的藉由作用区域转变为产物,此极为往后其欲发展的重点,经由立体结构所提供的信息,再次显示了Deisenhofer先生发展出显示立体结构对科学上的重要性。

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