生物物理学与结构生物学 课件

生物物理学与结构生物学生物物理学与结构生物学是现代生命科学中最重要的交叉学科之一，它们通过物理学的方法和理论来理解生命现象的本质本课程将深入探讨从分子到细胞各个层次的生物结构与功能关系，为学生建立坚实的理论基础我们将学习蛋白质、核酸等生物大分子的结构特点，掌握现代结构生物学的研究方法，理解结构与功能之间的内在联系这门课程将帮助学生培养跨学科思维，为未来在生命科学领域的研究奠定基础课程概述1生物物理学基本概念掌握生物物理学的核心理论和研究方法，了解物理学原理在生命现象研究中的应用2结构生物学核心内容学习生物大分子三维结构的测定方法和最新研究进展，理解结构决定功能的基本原理3分子结构与功能深入理解蛋白质、核酸等生物分子的结构特点及其与生物功能的内在联系4跨学科研究重要性认识物理学、化学、生物学等多学科交叉在现代生命科学研究中的关键作用生物物理学的定义物理学方法研究生命结构功能关系探究物理化学过程分析生物物理学是运用物理学的概念、理论通过研究生物体各个层次的结构与功能深入分析生命活动中涉及的各种物理和和方法来研究生命现象的交叉学科它关系，从原子分子水平到细胞器、细胞物理化学过程，包括能量转换、信息传将物理学的严谨性和定量化特点应用到乃至组织器官水平，揭示生命活动的内递、物质运输等，阐明这些过程的分子生物系统的研究中，为理解复杂的生命在规律和物理本质机制和调控原理过程提供了独特的视角生物物理学的研究范围分子层次研究生物大分子结构功能12从原子和分子水平研究生物大分子的结构、蛋白质、核酸、脂类等生物大分子的三维结动力学和相互作用构与生物学功能关系能量与信息传递生物膜与细胞器生物能量转换过程和细胞信号传导的物理化细胞膜、细胞器的物理特性及其在细胞生命43学基础活动中的作用机制结构生物学简介多技术研究方法结构生物学综合运用X射线晶体学、核磁共振、冷冻电镜等多种先进技术，从原子水平解析生物大分子的三维结构结构功能关系阐明通过精确的结构信息揭示生物分子执行特定功能的分子机制，为理解生命过程提供结构基础药物设计与治疗基于结构的药物设计已成为现代药物开发的重要策略，大大提高了新药研发的效率和成功率中科院生物物理所贡献中国科学院生物物理研究所在结构生物学领域做出了重要贡献，推动了我国生命科学研究的发展分子生物物理学基础物理学视角下的生命非共价键作用重要性从物理学角度理解生命现象，运氢键、范德华力、疏水相互作用用热力学、统计力学、量子力学等非共价键在维持生物分子结构等理论解释生物分子的行为和相稳定性和实现分子识别中发挥着互作用这种跨学科的研究方法至关重要的作用，这些弱相互作为生命科学带来了全新的理解框用的协同效应决定了生物系统的架精细调控稳定性与灵活性平衡生物分子需要在结构稳定性和功能灵活性之间保持精妙的平衡，这种平衡使得生物系统能够在维持基本结构的同时响应环境变化并执行特定功能生物膜的结构与特性1基本组成与不对称性生物膜主要由磷脂双分子层构成，具有明显的不对称性，内外叶片的脂质组成和蛋白质分布存在显著差异2流动镶嵌模型Singer和Nicolson提出的流动镶嵌模型描述了生物膜的动态结构特征，膜蛋白以不同方式镶嵌在流动的脂质双分子层中3物理特性与功能膜脂双分子层的流动性、相变温度、通透性等物理特性直接影响膜的生物学功能和细胞的生理活动蛋白质结构概述四级结构1多个亚基组装形成的复合物结构三级结构2完整多肽链的三维空间构象二级结构3局部规则的空间排列模式一级结构4氨基酸序列决定高级结构蛋白质作为生命活动的主要执行者，其结构层次性体现了从简单到复杂的组织原理氨基酸序列包含了形成特定三维结构所需的全部信息，而结构最终决定了蛋白质的生物学功能理解这种结构-功能关系是生物物理学研究的核心内容蛋白质的一级结构序列分析方法肽键形成与特性现代蛋白质序列分析技术包括质谱法、氨基酸分类与性质氨基酸通过脱水缩合反应形成肽键，肽键具有Edman降解法等，结合生物信息学方法可以20种标准氨基酸根据侧链的化学性质可分为疏部分双键性质，限制了其周围原子的自由旋预测蛋白质的结构特征和功能域序列比对分水性、极性不带电、酸性、碱性等类型每种转肽键平面的刚性结构为蛋白质二级结构的析有助于理解蛋白质的进化关系和功能保守氨基酸的独特性质决定了它们在蛋白质结构中形成提供了几何约束条件性的作用疏水性氨基酸倾向于埋藏在蛋白质内部，而极性氨基酸更多出现在蛋白质表面蛋白质的二级结构螺旋α基本几何特征螺旋是蛋白质中最常见的二级结构之一，具有规则的螺旋构象每α一圈包含

3.6个氨基酸残基，螺旋沿轴向每圈上升

0.54纳米，形成右手螺旋结构氢键稳定机制螺旋的稳定性主要来源于分子内氢键，每个肽键的羰基氧原子与向α前第四个氨基酸残基的酰胺氢原子形成氢键，这种规律性的氢键网络维持了螺旋结构典型蛋白实例许多重要蛋白质富含螺旋结构，如血红蛋白、肌红蛋白中的血红素α结合区域，以及膜蛋白的跨膜螺旋等，这些结构在蛋白质功能中发挥关键作用蛋白质的二级结构折叠β

24.7Å折叠类型链间距离平行与反平行β折叠相邻β链之间的距离

3.5Å残基间距同一链上氨基酸间距β折叠是另一种重要的蛋白质二级结构，由多条β链通过分子间或分子内氢键连接形成片层结构在平行β折叠中，相邻β链的N端和C端方向相同；而在反平行β折叠中，相邻β链的方向相反β折叠结构中的氢键网络与α螺旋不同，氢键形成于不同β链的主链原子之间，侧链交替分布在β片层的两侧这种结构在许多蛋白质中广泛存在，特别是在免疫球蛋白和酶的活性部位附近蛋白质的二级结构转角和突起ββ转角形成突起特点βββ转角通常由4个氨基酸残基组成，使多β突起是更短的转角结构，通常包含2-3肽链改变方向约180度，连接不同的二个氨基酸残基，提供结构的灵活性和适级结构元件应性整体结构影响折叠重要性转角结构连接不同的二级结构元件，对这些转角和突起结构在蛋白质折叠过程蛋白质的整体三维构象和功能域的形成中起关键作用，决定了整体结构的紧密具有重要影响程度和稳定性蛋白质的三级结构疏水作用主导疏水氨基酸聚集形成疏水核心，是蛋白质折叠的主要驱动力多种相互作用盐桥、氢键、范德华力等多种非共价相互作用共同稳定三级结构二硫键稳定半胱氨酸之间形成的二硫键提供额外的共价稳定性蛋白质三级结构是指整个多肽链在三维空间中的完整折叠构象这种结构的形成和稳定主要依赖于氨基酸侧链之间的各种相互作用疏水相互作用通常是最主要的驱动力，促使疏水性氨基酸向蛋白质内部聚集，而亲水性氨基酸则倾向于暴露在蛋白质表面与水分子相互作用疏水相互作用疏水相互作用是蛋白质折叠过程中最重要的驱动力之一疏水性氨基酸如亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸等倾向于从水相环境中聚集到一起，形成蛋白质的疏水核心这种现象实际上是由水分子的重新组织驱动的当疏水性基团暴露在水中时，周围的水分子必须形成更有序的结构来容纳这些基团，这导致熵的降低当疏水性基团聚集时，释放出的水分子可以形成更无序的氢键网络，从而增加了系统的熵，这在热力学上是有利的疏水作用不仅在蛋白质分子内部折叠中起作用，在蛋白质-蛋白质相互作用、蛋白质-膜相互作用以及蛋白质-小分子配体结合中也发挥重要作用理解疏水效应对于药物设计和蛋白质工程具有重要意义蛋白质模体与结构域常见结构模体螺旋-转角-螺旋、锌指、亮氨酸拉链等结构模体是蛋白质中经常出现的功能单元，具有特定的结构特征和生物学功能这些模体在进化过程中高度保守结构域特征结构域是蛋白质中相对独立的折叠单元，通常具有特定的功能每个结构域可以独立稳定存在，多结构域蛋白质通过域间相互作用实现复杂功能功能协作机制在多结构域蛋白质中，不同结构域通过协作实现复杂的生物学功能域间相互作用可以调节蛋白质的构象变化，实现别构调节和信号传导蛋白质的四级结构蛋白质的折叠过程新生肽链从核糖体释放的新生多肽链处于相对无序的状态，需要经历复杂的折叠过程才能获得功能构象悖论Levinthal理论上蛋白质需要搜索所有可能的构象，但实际折叠时间远短于理论预期，说明折叠过程有特定路径折叠漏斗模型能量漏斗模型解释了蛋白质如何快速找到天然构象，通过逐步降低自由能到达全局最小值能量景观理论现代折叠理论认为蛋白质折叠是在复杂的能量景观中进行，包含多个中间态和可能的折叠路径天然无折叠蛋白结构可塑性天然无折叠蛋白缺乏稳定的三维结构，具有高度的结构可塑性，能够根据环境和结合伙伴的不同采用不同构象功能多样性正是由于其结构的灵活性，这类蛋白质能够与多个不同的分子结合，执行多种生物学功能，实现一个序列，多种功能信号传导作用在细胞信号传导网络中，无折叠蛋白发挥着重要作用，其结构灵活性使其成为理想的信号传导中介和调节因子疾病关联某些无折叠蛋白的异常聚集与阿尔茨海默病、帕金森病等神经退行性疾病密切相关，是重要的研究热点实验Anfinsen1变性处理使用尿素和β-巯基乙醇处理核糖核酸酶，破坏蛋白质的三级结构和二硫键，使酶完全失活2复性过程移除变性剂后，蛋白质能够自发重新折叠并恢复酶活性，证明了折叠信息包含在氨基酸序列中3热力学假说Anfinsen提出热力学假说在生理条件下，蛋白质的天然构象对应于自由能的全局最小值4科学影响这个经典实验奠定了现代蛋白质科学的理论基础，为蛋白质工程和设计提供了重要指导分子伴侣系统系统Hsp70GroEL/ESHsp70家族蛋白是最重要的分子GroEL/ES系统提供了一个封闭伴侣之一，通过ATP驱动的构象的折叠室，为蛋白质折叠提供隔变化循环，结合和释放新生多肽离的环境这种折叠笼机制能链或错误折叠的蛋白质，协助其够防止蛋白质聚集，确保正确折获得正确的折叠构象叠的进行质量控制机制分子伴侣系统不仅协助蛋白质折叠，还参与蛋白质质量控制，识别和处理错误折叠的蛋白质，维护细胞内蛋白质稳态平衡蛋白质折叠辅助酶蛋白质二硫化物脯氨酰肽酰顺反限速步骤催化异构酶异构酶这些折叠辅助酶专门PDI催化二硫键的形脯氨酸残基的肽键异针对蛋白质折叠过程成、断裂和重排，确构化是蛋白质折叠的中的限速步骤，通过保新生蛋白质中的二限速步骤，PPIase能酶催化机制大幅提高硫键形成正确的配对够催化这一过程，显折叠效率和准确性模式，这对于分泌蛋著加速蛋白质折叠速白的正确折叠至关重度要质量控制作用折叠辅助酶是细胞蛋白质质量控制系统的重要组成部分，确保只有正确折叠的蛋白质才能发挥生物学功能朊病毒构象转变机制朊病毒蛋白PrP从正常的α螺旋丰富构象转变为β折叠丰富的错误折叠构象，这种构象变化是朊病毒致病的分子基础正常PrP^C向致病性PrP^Sc的转变涉及蛋白质二级结构的根本性改变传染性聚集错误折叠的朊病毒蛋白具有模板效应，能够诱导正常蛋白质发生相同的构象转变，形成传染性蛋白质颗粒这种蛋白质构象的传染机制在生物学中极为罕见神经退行性疾病朊病毒感染导致克雅氏病、库鲁病等致命的神经退行性疾病错误折叠的蛋白质在脑组织中聚集，破坏神经细胞结构和功能，最终导致死亡蛋白质组学基因组到蛋白质组结构蛋白质组学从静态的基因组信息转向动态的蛋白质1系统性地解析蛋白质组中所有蛋白质的组研究，揭示蛋白质的表达、修饰和相三维结构，面临技术挑战但前景广阔互作用模式功能与药物发现相互作用网络基于蛋白质组学数据进行功能预测和药构建蛋白质相互作用网络图谱，理解细物靶点识别，推动精准医学发展胞内复杂的分子调控网络蛋白质的功能多样性酶催化功能结构支持功能运输与防御蛋白质作为生物催化剂，能够显著降低结构蛋白为细胞和组织提供机械支撑和载体蛋白负责物质运输，如血红蛋白运生化反应的活化能，提高反应速率和选形状维持胶原蛋白、角蛋白等纤维蛋输氧气免疫蛋白如抗体提供特异性免择性酶的高效性和专一性使生命体内白具有独特的结构特征，赋予组织特定疫保护，识别并中和外来病原体的复杂代谢网络得以精确调控的力学性质•分子识别结合•代谢途径调控•细胞骨架组织•跨膜物质运输•信号转导放大•组织机械强度•免疫应答调节•能量转换过程•细胞形态维持兼职蛋白多功能现象兼职蛋白指一条多肽链能够执行两种或多种完全不同的生物学功能功能转换机制通过改变细胞内定位、蛋白质修饰或结合伙伴实现功能切换代谢调控作用在不同生理条件下发挥不同功能，参与细胞代谢的精细调控进化意义体现基因经济性原则，通过有限基因产生功能多样性蛋白质结构与功能的关系药物开发应用基于结构的药物设计活性位点特征特异性结合口袋形成分子识别机制构象变化介导识别结构决定功能三维结构决定生物学功能蛋白质结构与功能之间存在密切的对应关系，这是生物学的基本原理之一蛋白质的三维结构决定了其与其他分子的相互作用模式，进而决定其生物学功能活性位点的精确几何形状使酶能够特异性地识别和结合底物分子诱导契合模型进一步揭示了蛋白质与配体结合时发生的动态构象变化这种结构可塑性不仅保证了结合的特异性，还实现了功能的调节现代结构生物学技术使我们能够在原子水平理解这些结构-功能关系，为药物设计和蛋白质工程提供了重要指导结构蛋白角蛋白与角蛋白αβ结构蛋白胶原蛋白三螺旋结构羟基化修饰纤维组装胶原蛋白由三条多肽链组成的三螺旋结脯氨酸和赖氨酸的羟基化修饰对胶原蛋白胶原分子在细胞外组装成胶原纤维，通过构，每条链都具有特征性的甘氨酸-X-Y重的稳定性至关重要羟脯氨酸能够形成额醛醇缩合等交联反应形成稳定的纤维网复序列，其中X和Y位置经常是脯氨酸和羟外的氢键，显著提高三螺旋结构的热稳定络这种分层次的组装过程赋予结缔组织脯氨酸这种独特的序列模式使三条链能性维生素C缺乏会导致羟化不足，引起优异的机械强度和弹性，是骨骼、软骨、够紧密缠绕坏血病血管等组织的重要组成部分肌红蛋白与血红蛋白肌红蛋白特征血红蛋白结构血红素结构肌红蛋白是单体蛋白，由153个氨基酸组血红蛋白是四聚体蛋白，由两个α亚基和血红素由卟啉环和中心铁原子组成，铁成，含有一个血红素辅基其主要功能两个亚基组成，每个亚基含有一个血红原子能够可逆地结合氧分子血红素的β是在肌肉组织中储存氧气，为肌肉收缩素其主要功能是在血液中运输氧气和卟啉环结构高度共轭，赋予血液特征性提供氧气储备二氧化碳的红色•单体结构简单•四聚体复杂结构•卟啉环共轭体系•高氧亲和力•协同氧结合•中心铁离子配位•氧气储存功能•氧气运输功能•可逆氧结合•双曲线结合曲线•S形结合曲线•特征光谱性质血红蛋白的协同效应态低亲和力T脱氧血红蛋白处于紧张态T态，亚基间相互作用较强，对氧的亲和力较低，便于在肺部释放二氧化碳构象转变过程第一个氧分子结合后引发构象变化，逐步削弱亚基间的约束性相互作用，为后续氧分子结合创造条件态高亲和力R氧合血红蛋白处于松弛态R态，亚基间约束减少，对氧的亲和力显著提高，有利于在肺部充分结合氧气形结合曲线S正协同效应使氧结合曲线呈现S形特征，在生理氧分压范围内实现高效的氧气装载和卸载波尔效应与别构调节调节机制pH组织中pH降低时血红蛋白对氧的亲和力下降，促进氧气释放效应2,3-BPG22,3-二磷酸甘油酸结合血红蛋白中央腔，稳定T态构象别构调节网络多种效应器分子协同调节血红蛋白的氧亲和力波尔效应是血红蛋白功能调节的重要机制，当组织代谢活跃、pH降低和CO2浓度升高时，血红蛋白对氧的亲和力下降，促进氧气向组织释放这种pH敏感性使血红蛋白能够根据组织的代谢需求调整氧气供应2,3-BPG是另一个重要的别构调节因子，它专一性地结合脱氧血红蛋白的中央空腔，稳定T态构象，降低氧亲和力在高原等低氧环境中，2,3-BPG水平升高有助于组织获得更多氧气血红蛋白变异与疾病镰状细胞贫血β亚基第6位谷氨酸突变为缬氨酸，形成HbS脱氧时HbS分子聚合形成纤维，使红细胞变形为镰刀状，导致溶血和血管阻塞分子病理机制单点突变改变蛋白质表面性质，在脱氧条件下促进分子间疏水相互作用，形成长纤维状聚合物，破坏红细胞正常形态胎儿血红蛋白HbF含有γ链代替β链，对氧亲和力更高，在胎儿期有利于从母体获取氧气某些血红蛋白病患者HbF水平升高可缓解症状治疗策略包括羟基脲治疗诱导HbF表达、基因治疗修复缺陷基因、以及造血干细胞移植等多种治疗方法核酸结构基础生命信息中心遗传信息载体与表达调控核苷酸单元磷酸-糖-碱基三元组成碱基多样性3嘌呤与嘧啶碱基系统化学组成4DNA与RNA的基本构建单元核酸是生物体内最重要的信息大分子，承载着遗传信息的存储、传递和表达功能DNA和RNA都由核苷酸单体聚合而成，每个核苷酸包含磷酸基团、五碳糖和含氮碱基三个组分碱基是核酸的信息载体部分，包括嘌呤类的腺嘌呤A和鸟嘌呤G，以及嘧啶类的胞嘧啶C、胸腺嘧啶T，仅存在于DNA和尿嘧啶U，仅存在于RNA这些碱基的特定序列编码了所有生物的遗传信息核酸的碱基与核苷酸与的结构比较DNA RNA化学组成差异结构特征对比功能分工明确DNA含有脱氧核糖和胸腺嘧啶，而RNA DNA通常以双链形式存在，形成稳定的DNA主要负责遗传信息的存储和传递，含有核糖和尿嘧啶脱氧核糖2位缺少羟双螺旋结构RNA主要以单链形式存RNA参与蛋白质合成、基因表达调控和基使DNA更加稳定，适合长期储存遗传在，但能够形成复杂的二级和三级结催化等多种功能信息构•信息存储vs执行•糖基结构不同•DNA双链螺旋•稳定性vs灵活性•碱基组成差异•RNA单链折叠•单一vs多样功能•稳定性显著不同•结构复杂度不同的类型与功能多样性RNA信使RNA转运RNA tRNA核糖体RNAmRNA rRNA携带蛋白质编码信息将特定氨基酸运输到构成核糖体的主要成从DNA转录而来，在核糖体，具有特征性分，具有催化肽键形蛋白质合成中充当模的三叶草二级结构和L成的核酶活性板作用真核细胞形三级结构反密码rRNA是细胞内含量mRNA经过剪接、加子与mRNA密码子配最丰富的RNA类型帽、加尾等修饰过对确保翻译准确性程非编码RNA包括microRNA、long non-codingRNA等，参与基因表达调控、染色质修饰等重要生物学过程。