生物分子结构测定

通过衍射、散射或成像分子并从信号中重建模型，获得蛋白质和核酸原子分辨率形状的方法。

Definition

生物分子结构测定是一系列实验方法，通过衍射、共振或成像数据获得生物大分子的三维原子坐标。

Scope

本主题从概念层面概述了主要结构测定方法——X射线晶体学、核磁共振和冷冻电子显微镜——的物理基础：每种方法测量什么物理量，每种方法需要什么样品和存在什么局限性，以及如何从数据中构建三维模型。详细的仪器属于生物物理技术领域；此处重点是从实验到结构的逻辑。

Core questions

• 每种主要方法测量什么物理信号，以及它如何编码结构？
• 为什么晶体学、核磁共振和冷冻电镜适用于不同的分子和条件？
• 决定结构可达分辨率的因素是什么？
• 原子模型如何拟合实验数据并进行验证？

Key theories

衍射和相位问题

晶体的衍射图样给出了散射波的振幅，但没有给出它们的相位；恢复相位是核心障碍，一旦解决，就能得到一个电子密度图，然后在此基础上构建模型。

单颗粒重构

冷冻电镜记录了许多处于随机方向的相同颗粒的嘈杂二维投影，并通过计算将它们组合成三维密度，这种方法的分辨率随着直接探测器的出现而显著提高。

Mechanisms

在晶体学中，X射线从晶体中排列有序的电子散射，测量到的强度——在恢复相位后——通过傅里叶变换生成电子密度图。在核磁共振中，原子核的共振频率和空间耦合报告原子间距离，从而限制溶液中的结构。在冷冻电镜中，电子从快速冷冻的单个颗粒散射，其许多投影图像经过对齐和平均后形成密度图。在每种情况下，原子模型都会经过精修以拟合数据，并通过一致性统计和立体化学验证进行评估。

Clinical relevance

药物靶点和疾病相关大分子的已确定结构是基于结构的药物设计和突变解释的基础；此处的方法为这项工作提供了教育背景，但不提供临床建议。

History

X射线分析在1950年代后期首次获得了肌红蛋白和血红蛋白的蛋白质结构；溶液核磁共振从1980年代开始将结构测定扩展到处于天然状态的分子；而2010年代，由于直接电子探测器的出现，冷冻电镜分辨率革命使得大型复合物的近原子结构测定成为常规。

Key figures

• John Kendrew
• Max Perutz
• Kurt Wüthrich
• Richard Henderson

Seminal works

• kendrew1958
• kuhlbrandt2014

Frequently asked questions

为什么相位问题在晶体学中很重要？

衍射实验记录的是强度，它给出波的振幅但丢失了相位；没有相位就无法计算电子密度图，因此恢复相位对于解析结构至关重要。

单个结构能否完全捕捉分子的运动方式？

不能完全捕捉；大多数方法会产生一个代表性结构或集合，捕捉运动需要额外的动力学测量，这也是结构研究和动力学研究互补的原因。