什么叫蛋白质晶体（详述蛋白质晶体学技术的发展与展望）

详述蛋白质晶体学技术的发展与展望

记得上次跟大家简单分享过关于蛋白质晶体学的相关知识，今天跟大家详细的探讨一下。

从50年前英国科学家解析出第一个蛋白质晶体结构以来,蛋白质晶体学历经数个里程碑式的发展,已经成为一门成熟的高科技学科,是结构生物学的主要研究手段。近年来结构生物学发展迅速并和其他学科相互渗透交叉,特别是受到结构基因组学等热点学科的极大带动。作为结构生物学的基本手段和技术,蛋白质晶体学从解析简单的蛋白质三维结构延伸到解决各类生物大分子及复合物结构,并更加注重研究结构与功能之间的相互关系,派生出诸如基于结构的药物设计等应用性很强的分支。生物技术及计算机技术的飞速发展,尤其是高通量技术在生物学领域的应用,为蛋白质晶体学带来了全新的概念和更加广阔的前景。

蛋白质晶体学（或称蛋白晶体学）是利用X射线晶体衍射技术进行生物大分子结构研究的通称，是结构生物学的一个重要组成部分。蛋白质晶体学的研究对象是一切具有重要（包括尚属未知）生物学功能的，可以被提纯、结晶的大分子或大分子复合物。通常，生物体内发挥主要功能的物质，无论从质的方面还是量的方面来说基本上都是蛋白质，因此蛋白质晶体学也可以说是主要研究蛋白质结构与功能的一门学科。当前，生命科学的研究已进入“蛋白质时代”。国务院2006年发布的今后十五年《国家中长期科学和技术发展规划纲要》中明确将“蛋白质研究”作为基础研究的重大研究计划之一。生命科学的主要任务是探讨基因组信息中蕴藏的所有功能。基因组的功能最终是通过它的重要表达产物——蛋白质而完成，对于基因功能的探讨必然最终落实到对蛋白质的研究。以细胞内全部蛋白质的存在、活动方式以及相互作用为研究对象的蛋白质组学是当前生命科学领域的热点之一。具有同样重要意义的蛋白质的结构与功能关系研究也是生命科学领域的前沿和焦点。蛋白质科学的国际发展态势，一是对蛋白质进行全面广泛的研究，找出所有可能存在于生物体内，特别是人体内的不同种类蛋白质分子（有几万种之多）并对其定位。目前这主要是依靠以质谱技术为主要手段的蛋白质组学研究，力争鉴定出所有可能的蛋白质，然后再深入探讨各种蛋白质的功能及相互作用，为理解其生物学机理以及可能的应用奠定基础。二是对已经鉴定出的蛋白质及其复合物的三维结构进行深入的解析及分析，对蛋白质分子的三维结构解析到原子水平（因而也就能够大致定位价电子及质子）应该是理解蛋白质功能所需要的最深层次。这是因为一般在常温、常压下进行的生物学反应过程不可能涉及高能反应，对亚原子层次（原子核以下）的结构细节无需更多要求。这个纵深层次的三维结构研究就是结构生物学，当前国际发展趋势是以X射线晶体学作为解析蛋白质原子分辨率结构的主要手段，核磁共振技术（NMR）和电镜技术（EM）为辅助手段。然而，在已知蛋白质所有折叠类型的原子分辨率结构基本解析完成以后，EM技术有可能成为研究大分子复合物结构的主导手段。NMR技术在研究蛋白质及其复合物的动态过程方面，则有着无可比拟的优势。结构生物学的研究对于深入理解蛋白质功能与机理非常重要，同时也是基于结构进行合理化药物研发及设计的基础。也许可以说，蛋白质组学是对蛋白质的广度进行研究，探索未知；而结构生物学是对已知蛋白质进行深入研究，探微求源，以达到对其生物功能和作用机理更加深刻的理解。

蛋白质晶体学的发展历程

1895年德国物理学家伦琴（W.C.Roentgen）在研究阴极射线过程中偶然发现X射线，因此获得了1901年第一个诺贝尔物理学奖。X射线的发现奠定了包括X射线晶体学在内的许多新领域的基础，拉开了一个学科——X射线晶体学诞生的序幕。1912年德国物理学家劳埃（MaxvonLaue）推测，如果X射线波长与矿物晶体晶格长度相似，则当射线通过晶体时，晶体可作为立体光栅产生X射线衍射图谱，劳埃的想法通过他及助手对多种晶体的衍射实验得到证实，后来他还提出Laue方程来描述晶体X射线衍射。紧随其后，在对X射线晶体结构分析的深入研究中，英国物理学家布拉格父子（TheBraggs）于1913年提出了X射线衍射方程式，即Bragg方程，更为直观地描述X射线衍射行为，并由此测定了有史以来第一个晶体结构——NaCl的结构。因此，1913年常被认为是X射线晶体学的开端。此后多年，X射线晶体学技术在解析许多无机及有机化合物空间结构中被广泛应用，为研究多种化合物的键长、键角等方面提供了精确数据，为理解原子的价键理论奠定了坚实的基础。例如，1928年英国化学家凯瑟琳·伦斯戴尔（KathleenLonsdale）报道，苯环结构中的6个键并不是单双键交错排布，而是大小等同的；1935年，Robertson等人测定酞菁的结构，第一次利用晶体X射线技术解析了复杂有机化合物的结构；1951年，荷兰结构化学家Bijvoet利用X射线异常散射技术建立了右旋酒石酸钠的绝对构型；英国著名化学家、晶体学家多萝思·霍奇金（DorothyCrowfootHodgkin）教授等人在1949年和1957年先后解析了盘尼西林（penicillin）和维生素B12（vitaminB-12）的晶体结构。这些重要化合物的精确立体结构信息极大地促进了有机化学及相关医药领域研究的发展。然而，比起当时已经解析的最复杂的有机分子晶体来说，蛋白质分子不仅更为复杂、体积更大，晶体单胞也要大许多，这使得蛋白质晶体结构解析更加困难，一些对小分子适用的晶体学方法不能直接用于蛋白质的结构解析。

对蛋白质晶体学及结构基因组学的展望

光源方面

室内光源不仅在数量上会继续增加，而且在光源强度和波长可调节性等性能上也会有所提高，未来的室内光源将会使更多的衍射能力较弱的晶体也能够收集到数据。在同步辐射光源方面，微聚焦、高光强的光束线已经可以对微米大小的蛋白质晶体进行数据采集，这方面的进展可以使得以前不可能或难以收到数据的微晶或衍射能力差的蛋白质晶体，如膜蛋白或大分子复合物（如核糖体）的晶体结构得到解析。这些进展对研究膜蛋白及复杂复合物分子机器具有重大意义。

数据收集和处理

蛋白质晶体衍射数据的收集与处理是紧密相关联的。随着相应软件的进一步成熟与完善，特别是计算机运行速度及存储空间的不断加大，蛋白质晶体数据收集及处理的策略将更加趋向于自动、实时，并依据处理结果而不断优化。另一方面，数据处理结果将被输入到自动结构解析和精修等软件做进一步处理，快速判断是否还需要搜集更多的数据。结构解析、精修和结果检验的工具不仅在算法和处理速度上不断提高，而且操作界面更加友好，简单、图形化、易操作。总之，一个全自动与半自动化相结合的从数据采集到结构提交的软件平台正在世界范围内不断发展完善，这不仅提高了结构解析的速度，而且对其他领域的生物学家研究蛋白质结构也显得更加简单和容易上手。

应用方面

结构基因组学研究及蛋白质晶体学在应用方面具有巨大的潜力，这里主要略述以下几点：

1) 蛋白质功能研究

在原子及电子传递层次，酶反应机理或蛋白质-蛋白质相互作用方面，蛋白质结构的经典意义是深入理解其功能。随着越来越多复杂大分子复合物及膜蛋白晶体结构的解析，我们必将更加广泛和深刻地理解生物学功能及生物界的起源、发生和发展规律。

2) 基于结构的药物设计

根据已知蛋白质结构进行药物设计和优化，这种方法已经被广泛用于目标蛋白的选取和药物的前期研发，并已成功研制出一些药物用于临床治疗。大量蛋白质结构的解析，尤其是蛋白激酶和具有重要功能的膜蛋白（如GPCR等）的结构分析，将为基于结构的药物设计提供更多的工作靶标。此外，这些蛋白质或其晶体可用于Fragment小分子的共结晶或浸泡筛选，它们复合物的晶体结构将为药物的优化提供数据支持。

3) 蛋白质工程

通过对野生型及不同突变体的空间结构的研究，根据需要对蛋白质进行改造，设计活性更高或具有其他功能特性的蛋白质分子。尤其是对于具有某一功能的家族的蛋白质结构研究分析，对于更好地理解结构和功能的关系是十分重要的。同时大量实验数据的积累将为基于结构的预测分析提供必要的理论依据。

纵观自伦琴发现X射线以来100多年的蛋白质晶体学从诞生到成熟的发展历史，可以让我们理解人类的进步与文明的一个层面，体会到在一个学科当中实际上蕴含着科学进步的辉煌历程。展望蛋白质晶体学的现在与未来，可以让我们感受到一个古老学科所迸发出的强大生命力。在生命科学不断呈现出一个又一个研究热点的当今，蛋白质时代的到来为蛋白质晶体学赋予了全新的内涵和更为广阔的发展前景。