清华大学：《生物物理》课程教学资源（PPT课件讲稿）膜蛋白的结构研究

膜蛋白的结构研究 蛋白的膜拓扑学研究 蛋白质的晶体学研究:3D:2D 蛋白质的单颗粒研究:EM;AFM 蛋白质结构的波谱技术

膜蛋白的结构研究 • 蛋白的膜拓扑学研究 • 蛋白质的晶体学研究: 3D; 2D • 蛋白质的单颗粒研究: EM; AFM • 蛋白质结构的波谱技术

生物电子显微学

生物电子显微学

电子显微学研究生物大分子结构的 主要方法 研究尺度 研究对象 研究方法 生物大分子 二维晶体 纤维或管状晶体 电子晶体学 (周期排列) 生物大分子复单颗粒生物大分子 合体 及复合体、病毒等 单颗粒技术 全同粒子) 亚细胆水平胞器,亚泡结构电子断层成像术 (单一结构)

电子显微学研究生物大分子结构的 主要方法 二维晶体 纤维或管状晶体 单颗粒生物大分子 及复合体、病毒等 电子晶体学 单颗粒技术 亚细胞水平 电子断层成像术 生物大分子 生物大分子复 合体 超分子复合体，细 胞器，亚细胞结构 研究尺度 研究对象 研究方法 （周期排列） （全同粒子） （单一结构）

三维重构梗概中心截面 定理与三维重构示意图。 Three dimensional Fourier transform A4):在X射线晶体学中 通过对整个三维体的 Inverse three dimensional Fourier transform X射线分射直接获得 Fourier倒易空间的衍 射信息,其与时空同的 三维是体是应关系 Two dimensional Fourier transform (B):在电子最体学中, 通过不同方向的投影及 数字 Fourier变换,获 得的是其 Fourier倒易 Two dimensional Fourier transform 空间不同中心截面的 射信息,将所有不同方 向投影的中心截面整合 到一起,可以获得物体 Inverse three dimensional 在整个三维 Fourier倒 Fourier transform 易空间的的射信息,通 过逆变换同样可以获得 该物体在实空间的图象

三维重构梗概中心截面 定理与三维重构示意图。 (A)：在X射线晶体学中 通过对整个三维晶体的 X射线衍射直接获得 Fourier倒易空间的衍 射信息，其与时空间的 三维晶体是对应关系。 (B)：在电子晶体学中， 通过不同方向的投影及 数字Fourier变换，获 得的是其Fourier倒易 空间不同中心截面的衍 射信息，将所有不同方 向投影的中心截面整合 到一起，可以获得物体 在整个三维Fourier倒 易空间的衍射信息，通 过逆变换同样可以获得 该物体在实空间的图象

维重构的基本原理(中心截面定理) 将电子显微图像(实空间)进行傅里叶变换(倒 易空间),一张显微图像的傅里叶变换相应于成 像物体在三维傅里叶变换(倒易空间)的一个通 过中心的截面。通过改变生物样品在电镜下的 倾斜角度,就可以得到相当于傅里叶变换(倒易 空间)的其它通过中心的截面。收集在不同倾斜 角度下样品的显微图像,经过傅里叶变换就可 以获得一套完整的三维倒易空间数据。对样品 的三维倒易空间数据进行傅里叶逆变换运算就 可以获得该样品在实空间的三维结构图像

三维重构的基本原理(中心截面定理) 将电子显微图像(实空间)进行傅里叶变换(倒 易空间)，一张显微图像的傅里叶变换相应于成 像物体在三维傅里叶变换(倒易空间)的一个通 过中心的截面。通过改变生物样品在电镜下的 倾斜角度，就可以得到相当于傅里叶变换(倒易 空间)的其它通过中心的截面。收集在不同倾斜 角度下样品的显微图像，经过傅里叶变换就可 以获得一套完整的三维倒易空间数据。对样品 的三维倒易空间数据进行傅里叶逆变换运算就 可以获得该样品在实空间的三维结构图像

电子晶体学( Electron Crystallography) 蛋白二维晶体样品 电子显微镜 电子显微照片 Fourier变换 倒易空间衍射谱 清除噪音 倒易空间信号信息 反 Fourier变换 实空间蛋白质结构信息

电子晶体学（Electron Crystallography） 蛋白二维晶体样品 电子显微照片 倒易空间衍射谱 倒易空间信号信息 实空间蛋白质结构信息 电子显微镜 Fourier 变换 清除噪音 反Fourier 变换

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电子晶体学的优势: 1可以直接得到膜蛋白的结构信息以及与膜相关 蛋白在膜上的结构信息。 2可以获得高分辨率的结构,尤其适用于难于三 维结晶的膜蛋白。 Bacteriohodopsin, Henderson et al. 1990 Plant light-harvesting complex, Kuhlbrandt, Wang, 1994 Aquaporin, Murata et al 2000

电子晶体学的优势： 1.可以直接得到膜蛋白的结构信息以及与膜相关 蛋白在膜上的结构信息。 2.可以获得高分辨率的结构，尤其适用于难于三 维结晶的膜蛋白。 Bacteriohodopsin, Henderson et al.,1990; Plant light-harvesting complex, Kuhlbrandt, Wang, 1994; Aquaporin, Murata et al., 2000

单颗粒技术( Single Particle Technique) 近年来迅速发展起来的单颗粒方法( Single Particle Technique)是生物电子显微学的新方法,它克 服了晶体学的限制。 顾名思义,单颗粒方法是对分离的,非有序排列的, 但是相同的颗粒进行结构解析。其所采用的基本原理是通 过对相同的生物大分子某方向的投影显微像在实空间中经 过调整后进行叠加平均,从而提高信噪比,使粒子中共同 部分的结构信息得到加强,最后对各种不同投影方向的单 颗粒显微像在三维空间中进行重构,从而获得单颗粒大分 子的三维结构信息。 由于它处理的是同一大分子随机散布的电镜照片,所 以没有形成晶体的要求。另外,单颗粒方法处理的生物大 分子没有质量上限,而且分子越大,结果越好

近年来迅速发展起来的单颗粒方法 （Single Particle Technique）是生物电子显微学的新方法,它克 服了晶体学的限制。 顾名思义，单颗粒方法是对分离的，非有序排列的， 但是相同的颗粒进行结构解析。其所采用的基本原理是通 过对相同的生物大分子某方向的投影显微像在实空间中经 过调整后进行叠加平均，从而提高信噪比，使粒子中共同 部分的结构信息得到加强，最后对各种不同投影方向的单 颗粒显微像在三维空间中进行重构，从而获得单颗粒大分 子的三维结构信息。 由于它处理的是同一大分子随机散布的电镜照片，所 以没有形成晶体的要求。另外，单颗粒方法处理的生物大 分子没有质量上限，而且分子越大，结果越好。 单颗粒技术（Single Particle Technique）

单颗粒技术( Single Particle Technique) 0 G Q (A)零度倾斜角照片 (B)60度倾斜角照片 锥形采集法模型示意

锥形采集法模型示意 单颗粒技术（Single Particle Technique）