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结构生物学的简介和发展历史
 
更新日期:2022-07-07   来源:   浏览次数:74   在线投稿
 
 

核心提示:1结构生物学的简介结构生物学是以生物大分子三维结构测定为手段、以生物大分子结构与功能研究为内容、以探讨和阐明生物学各前沿领域中分子作用机制和

 
 1 结构生物学的简介
结构生物学是以生物大分子三维结构测定为手段、以生物大分子结构与功能研究为内容、以探讨和阐明生物学各前沿领域中分子作用机制和原理为目的的科学。结构生物学作为生物物理学的一个重要分支学科,主要是应用物理学的思想和研究方法,采用X射线晶体衍射、核磁共振和冷冻电镜成像等技术,精确解析蛋白质、核酸等生物大分子的三维结构以及分析生物大分子复合物之间的相互作用机制,从原子的层面来深入认识生命过程。结构生物学也是分子生物学的重要组成部分,随着近几十年来技术的巨大进步,结构生物学已成为整个生命科学的前沿、主流和带头学科之一。尤其是人类基因组计划成功完成后,科研工作者们将进一步集中研究蛋白质的结构和功能,尤其是蛋白质的三维结构,生命科学已进入后基因时代,结构生物学的迅猛发展决定了其战略性的关键地位。
以蛋白质为代表的生物大分子是生命体中各种生理功能的主要执行者。几乎所有蛋白质都是由20种氨基酸以肽键连接而成的肽链所构成,这些肽链必须形成特定的三维结构,蛋白质才具有活性,这一物理过程被称为蛋白质折叠。肽链未折叠或折叠错误的蛋白质,不能正常发挥其生理功能,从而导致严重的疾病甚至死亡。按从简单到复杂、分子量从小到大,蛋白质的结构可分为四个等级。其中,一级结构指线性的氨基酸序列;二级结构指肽链通过卷曲和折叠等形式形成的如α螺旋,β折叠等构象;三级结构是由几个二级结构形成的三维结构;四级结构则是蛋白质复合物。蛋白质的性质和功能不仅在于它的一级结构,更重要的取决于它的三维空间结构。一级结构相同的蛋白质在三维空间结构不同时,其功能通常也各不相同。因此,解析生物大分子的三维结构对探索其功能,进而了解其参与生命过程的机制,最终解释其如何实现有效调控生命活动有着非常重要的意义。结构生物学正是解析生物大分子三维结构的科学,其提供的结构信息为生物学带来了巨大的变化,使得研究者们可以从原子水平去探索分子机理,也使人们对生物大分子有了更加深入可靠和详细直观的认识。
2 结构生物学的发展和应用
半个多世纪以来,结构生物学研究已经取得了丰硕的成果。在世界范围内,20世纪50年代,基于X射线晶体衍射图谱提出的DNA双螺旋模型,开启了分子生物学的大门,这一标志性成果直到今天仍具有深远影响;20世纪60年代,首次解析的球蛋白三维结构为此后蛋白质结构的解析开辟了道路;20世纪70、80年代,核磁共振技术的发明和发展使得结构生物学的研究范围得到拓展,即允许在溶液环境中解析蛋白质的结构;20世纪80年代,冷冻电镜技术的出现和进步为研究高分辨率的蛋白质复合物、核糖体、病毒等复杂生物大分子结构提供了无限可能;伴随着技术的巨大进步,20世纪90年代是“结构生物学时代”真正降临的年代。结构生物学研究具有不同于其他生物学研究的显著特点,即高度依赖于大型或超大型实验设施。随着多学科交叉融合的不断深入和技术的不断进步,结构生物学将更加深入的拓展研究方向,扩展到对生物大分子的动态构象变化、生理环境中生物大分子的三维结构,多分子所构成的复合体结构和三维结构的转化应用等多个方向。
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