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NMR在生命科学中的应用与进展 150亿年前的宇宙大爆炸 50亿年前太阳系的形成 40亿年前地球生命的诞生 500万年前人类的出现 …………... 人类基因组草图宣布完成！ DNA中隐含的“生命剧本” DNA为永久使用，RNA为一次性使用 液体高分辨： 蛋白质、核酸、多糖的溶液构象解析 固体高分辨 对于分子量超过10万的多糖、核酸、蛋白质等生物大分子，谱线的展宽严重，固体高分辨可以提供重要的信息。 NMR谱仪硬件要求：500M-900MHz 生物体内几乎一切最基本的生物活动都与蛋白质有关，蛋白质是细胞中最丰富的生物分子，具有多种不同的生物功能。在生物进化中，已存在了30亿年。 蛋白质所具有的功能在很大程度上取决于其空间结构，理解细胞行为最可能的方式在于研究蛋白质分子的结构与功能的关系”. NMR与X-RAY对比 X-RAY: 蛋白质需要结晶,大蛋白质可以,5%的误差. 此外,蛋白质中的一些部分常常结晶较差或根本不能结晶,使得衍射图上不能留下相应的电子密度的痕迹. NMR的最大优点是不必使蛋白质结晶, 结晶是一项艰巨的任务,而且常常得不到晶体,此外,蛋白质中不能结晶的部分往往对其活性密切相关. NMR不仅可以对这些不能结晶的蛋白质的结构进行测定,还可以跟踪这种结构的运动. NMR的缺点在于:它可以解析的最大蛋白质要比用X-RAY的晶体学方法小一个数量级. NMR可以解析的蛋白质的大小已从80个氨基酸残基增加到150-200个残基. 蛋白质的结构层次 可分为一、二、三和四级结构 一级结构：肽链上氨基酸残基的序列 二级结构：多肽链骨架的局部空间结构； 三级结构：整个肽链的折叠及侧链的排列，既蛋白质的空间结构或三维结构 四级结构：许多蛋白质是由相同或不同的亚基组成，靠共价键结合在一起的结构 A: 基 本 单 位 ： 氨 基 酸 蛋 白 质 系 由 一 条 或 少 数 几 条 多 肽 链 (peptide chain) 盘 绕 而 成 。 构 成多 肽 链 的 基 本 单 位 是 氨 基 酸 (amino acid) 。 若 把 一 条多 肽 链 比 做 一 个 英 文 单 字 ， 氨 基 酸 就 像 是 英 文 字 母 （图 2-A-0）。 不 过 ， 一 个 英 文 单 字 最 多 只 有 十 多个 英 文 字 母 ， 一 条 多 肽 链 可 能 包 含 数 十 到 数 千 个 氨 基 酸 。 构 成 蛋 白 质 的 氨 基 酸 共 有 20 种 ， 因 此 可 以 形 成 极 多 不 同 种 类 的 蛋 白 质 。 氨 基 酸 序 列 不 同 ， 所 绕 成 的 蛋 白 质 结 构 也 就 千 变 万 化 。 图: RNase A 的 实 际 氨 基 酸 序 列 ， 每 一 字 母 代 表 一 个 氨 基 酸 一级结构的确定: 残基自旋系统的识别 D2O中：主链的酰胺基团与侧链上的活泼质子被氘代，简化，获得不活泼自旋的偶合 H2O：主链的酰胺基团与侧链上 其他质子的自旋系统（*指纹区） 二级结构单元的确定 根据二级结构中顺序识别的中等范围内的1H-1H短距离所引起的NOE。 确定螺旋结构等： DFQ-COSY：测量3JHNaH A（二面角），确定二级结构单元 三级结构的确定：分子动力学模拟 在20ms-200ms内选择不同的混合时间做系列的NOESY，根据公式计算蛋白质中的几十对、甚至几百对的1H-1H核间距离的上限，下限为两个原子的范德华半径之和。 在二级结构单元基础上，计算机搭出模型 距离几何法：DISGEO，DISMAN 能量极小化方法，模拟退火，距离约束的分子动力学方法。 BPTI-牛胰蛋白酶抑制剂的溶液三维结构 BPTI是Wuthrich和其合作者进行过序列识别的第一个蛋白质。这个蛋白质具有58个残基，分子量为6500，序列识别是用结合的COSY-NOESY谱完成的。BPTI 的第一个 NMR 结构出现于 1987年，之后为了检测结构优化 算法和识别过程，进行了几次 结构确定。 人脑智能的探索: 中科院昆明动物研究所(走进科学CCTV-2): 猴脑与人脑 现代医学研究: 人体核磁共振成像-MRI 诊断肿瘤和脑血管疾病 在超导磁场中，测出核在人体组织内分布的情况，借助计算机分析，可以组建人体器官任意断面的高清晰度图象，这对于诊断肿瘤和脑血管疾病具有十分重要的意义。 大脑MRI：1+1=？ * * 生命科学将成为21世纪自然科学的带头科学 1997年2月24日：英国罗斯林研究所 生物芯片 能够产生荧光素酶的萤火虫基因加入兰花细胞 Bio-macromolecules: Conformation of proteins