結(jié)構(gòu)生物學

前言

　　自然界許多有趣現(xiàn)象的發(fā)生和人類多種疾病的發(fā)病都和具體參與其中的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)有關(guān)。例如，光是怎樣被綠色植物所“俘獲”并源源不斷為其生長提供能量的？在綠色植物的體內(nèi)，存在著由膜蛋白、色素分子和脂分子組成的蛋白脂質(zhì)體復合物，常文瑞院士課題組運用結(jié)構(gòu)生物學的方法，獲得了這個“龐大”復合物的晶體結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)它是綠色植物俘獲光能的有力武器。又如，分子伴侶trigger factor與裝配蛋白質(zhì)的機器——核糖體組成巧妙的復合物，為新生肽鏈的折疊提供了“分子搖籃”，而該復合物的晶體結(jié)構(gòu)又與我們小時候睡過的搖籃何其相似！　　結(jié)構(gòu)生物學是以生物大分子（包括蛋白質(zhì)和核酸）的特定三維結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)的特定運動與其生物學功能的關(guān)系為基礎來闡明生命現(xiàn)象的科學，是分子生物學的重要組成部分。近年來，結(jié)構(gòu)生物學興起并逐漸發(fā)展成為分子生物學的前沿和主流，從當前發(fā)展趨勢l來看，很可能會成為整個生命科學的前沿和帶頭學科之一?，F(xiàn)在，生命科學的眾多分支在運用結(jié)構(gòu)生物學的概念和技術(shù)，隨著人類基因組計劃的提前完成，結(jié)構(gòu)生物學研究進入了一個高潮迭起的時代?！　”緯陨锎蠓肿樱ǖ鞍踪|(zhì)、核酸）結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系為主線，以結(jié)構(gòu)生物學研究技術(shù)為基礎，貫穿現(xiàn)代分子生物學原理，講述結(jié)構(gòu)生物學基本知識、基礎理論和研究方法，比較結(jié)構(gòu)生物學研究方法的優(yōu)勢和局限，介紹結(jié)構(gòu)生物學的新成果、新進展、發(fā)展的趨勢及面臨的挑戰(zhàn)。內(nèi)容涵蓋緒論（第1章）、核酸結(jié)構(gòu)與功能（第2～6章）、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能（第7～14章）、結(jié)構(gòu)生物學研究技術(shù)（第15～23章）共4部分23章。其中第8章由王志珍院士編寫，第15章由丁怡編寫、饒子和院士指導，其余章節(jié)由梁毅編寫，第16章等部分章節(jié)經(jīng)施蘊渝院士審閱。核酸結(jié)構(gòu)與功能部分闡明RNA和DNA的結(jié)構(gòu)，揭示RNA和DNA生物學功能的大量信息，介紹人類基因組計劃的基本概念和背景知識。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能部分闡明蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，講授蛋白質(zhì)折疊與去折疊的基本規(guī)律和分子伴侶、第二遺傳密碼的基本概念，闡述蛋白質(zhì)錯誤折疊導致疾病的分子生物學原理，示例幾種蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能的內(nèi)在關(guān)系，介紹蛋白質(zhì)組計劃的基本概念和背景知識，描述蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測和蛋白質(zhì)分子動力學的主要方法。結(jié)構(gòu)生物學研究技術(shù)系統(tǒng)部分介紹當前結(jié)構(gòu)生物學研究的多種技術(shù)，包括X射線晶體衍射分析、核磁共振技術(shù)和電鏡三維重構(gòu)3種結(jié)構(gòu)生物學主要研究方法，比較這些技術(shù)的優(yōu)勢和局限，從而使讀者掌握結(jié)構(gòu)生物學研究技術(shù)的基本知識。這些知識和方法不僅是21世紀生物學研究的重要內(nèi)容，而且將為醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和工業(yè)的革新提供嶄新的思路?！　τ诖髮W本科教育來說，本書旨在通過傳授知識、培養(yǎng)能力和提高素質(zhì)為一體的教學，使學生不僅較好地獲得結(jié)構(gòu)生物學知識，而且在能力和素質(zhì)方面有較大提高，學習目的明確，以較好的綜合素質(zhì)、較高的學習興趣、較扎實的知識基礎和良好的學習狀態(tài)進入以后研究生階段的學習課程。

內(nèi)容概要

本書以生物大分子(蛋白質(zhì)、核酸)結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系為主線，以結(jié)構(gòu)生物學研究技術(shù)為基礎，貫穿現(xiàn)代分子生物學原理，講述結(jié)構(gòu)生物學基本知識、基礎理論和研究方法，比較結(jié)構(gòu)生物學研究方法的優(yōu)勢和局限，介紹結(jié)構(gòu)生物學的新成果、新進展、今后發(fā)展的趨勢及面臨的挑戰(zhàn)。內(nèi)容涵蓋緒論、核酸結(jié)構(gòu)與功能、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能、結(jié)構(gòu)生物學研究技術(shù)4部分23章。與國內(nèi)外已經(jīng)出版的同類書比較，本書增加了分子伴侶、第二遺傳密碼、蛋白質(zhì)的錯誤折疊與疾病、蛋白質(zhì)組學和質(zhì)譜技術(shù)等新章節(jié)，并增加了一些最近幾年出現(xiàn)的新概念。每章后有小結(jié)和思考題，全書后附有結(jié)構(gòu)生物學名詞索引和歷年結(jié)構(gòu)生物學相關(guān)領域Nobel獎獲獎情況統(tǒng)計，以方便讀者查閱。    本書可作為綜合性大學、理工科大學以及農(nóng)、林、醫(yī)院校生命科學學院(生物系)本科高年級學生和研究生學習結(jié)構(gòu)生物學的教材和參考用書，也可供有關(guān)教師及科研人員作參考。

書籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  結(jié)構(gòu)生物學——歷史與定義  1.2  結(jié)構(gòu)生物學——進展  1.3  結(jié)構(gòu)生物學——新目標  小結(jié)  思考題第2章  核酸結(jié)構(gòu)的多樣性(nucleic acid structure diversity)  2.1  單鏈核酸分子的結(jié)構(gòu)形態(tài)  2.2  雙鏈核酸分子的結(jié)構(gòu)形態(tài)  2.3  三鏈核酸分子的結(jié)構(gòu)形態(tài)  2.4  分支的三鏈核酸復合物  2.5  四鏈核酸分子的結(jié)構(gòu)形態(tài)  2.6  非線型多支鏈結(jié)構(gòu)  2.7  多聚核苷酸右手螺旋：A型和B型  2.8  Z-DNA  2.9  天然DNA的構(gòu)象  小結(jié)  思考題第3章RNA的結(jié)構(gòu)(the structure of RNA)  3.1  RNA和DNA的結(jié)構(gòu)差異  3.2  RNA的結(jié)構(gòu)特征  3.3  RNA的一級結(jié)構(gòu)  3.4  RNA的二級結(jié)構(gòu)  3.5  RNA的三級結(jié)構(gòu)  3.6  RNA的折疊  3.7  RNA的晶體結(jié)構(gòu)  3.8  具有催化功能的RNA  小結(jié)  思考題第4章DNA的結(jié)構(gòu)(the structure of DNA)  4.1  DNA的一級結(jié)構(gòu)  4.2  DNA的二級結(jié)構(gòu)  4.3  DNA的三級結(jié)構(gòu)  4.4  四鏈DNA結(jié)構(gòu)  小結(jié)  思考題第5章  核酸的功能(nucleic acid function)  5.1  核酸分子作為遺傳信息載體的功能  5.2  核酶  小結(jié)  思考題第6章  基因組學(genomics)  6.1  人類基因組計劃  6.2  基因組的初步分析  6.3  基因組研究的部分內(nèi)容  6.4  基因組學研究的前景  6.5  結(jié)構(gòu)基因組學(Structural genomics)  小結(jié)  思考題第7章  蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)(the structures of proteins)  7.1  蛋白質(zhì)分子的一級結(jié)構(gòu)(primary structure)  7.2  蛋白質(zhì)分子的二級結(jié)構(gòu)(secondary structure)  7.3  蛋白質(zhì)分子的三級結(jié)構(gòu)(tertiary structure  7.4  蛋白質(zhì)分子的四級結(jié)構(gòu)(quaternary structure)  小結(jié)  思考題第8章  蛋白質(zhì)折疊和分子伴侶(protein folding and molecular chaperones)  8.1  蛋白質(zhì)和新生肽鏈折疊的新概念  8.2  幫助蛋白質(zhì)和新生肽鏈折疊的生物大分子  小結(jié)  思考題第9章  第二遺傳密碼(the second genetic code)  9.1  第一遺傳密碼  9.2  第二遺傳密碼  9.3  第二遺傳密碼的研究在實際應用上的意義  小結(jié)  思考題第10章  蛋白質(zhì)的錯誤折疊與疾病(protein misfolding and diseases)  10.1  細胞內(nèi)保證蛋白質(zhì)正常功能的“質(zhì)量控制”系統(tǒng)  10.2  與蛋白質(zhì)錯誤折疊有關(guān)的疾病  10.3  如何治療由于蛋白質(zhì)錯誤折疊引起的疾病  小結(jié)  思考題第11章  蛋白質(zhì)去折疊(protein unfolding)  11.1  主要研究手段  11.2  促使蛋白質(zhì)去折疊常用的方法  11.3  蛋白質(zhì)去折疊研究進展  11.4  質(zhì)譜法、熒光相圖法在研究蛋白質(zhì)去折疊中的應用  小結(jié)  思考題第12章  蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能示例(structures and functions 0f proteins：solne examples)  12.1  超氧化物歧化酶  12.2  ATP合成酶  12.3  DNA依賴的蛋白激酶  小結(jié)  思考題第13章  蛋白質(zhì)組學(proteomics)  13.1  后基因組學——蛋白質(zhì)組學研究  13.2  蛋白質(zhì)組學研究的主要手段  13.3  自動化蛋白質(zhì)組分析的完整途徑  13.4  蛋白質(zhì)組學研究的現(xiàn)狀和前景  小結(jié)  思考題第14章  蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測和分子動力學模擬(protein structure prediction and molecular dynamics simulations)  14.1  蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的預測  14.2  蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的預測  14.3  蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的預測  14.4  蛋白質(zhì)分子動力學  14.5  蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測實例  14.6  蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預測的展望  小結(jié)  思考題第15章  X射線晶體衍射分析(Protein crystallography，X-ray diffraction methods)  15.1  X射線晶體衍射分析概述  15.2  晶體生長和X射線衍射數(shù)據(jù)收集  15.3  X射線衍射分析  15.4  X射線衍射結(jié)構(gòu)分析舉例  15.5  晶體結(jié)構(gòu)的表達  小結(jié)  思考題第16章  核磁共振技術(shù)(nuclear magnetic resonance，NMR)  16.1  原子核自旋與核磁共振  16.2多維核磁共振  16.3  核磁共振測定生物大分子的三維結(jié)構(gòu)  小結(jié)  思考題第17章  電鏡三維重構(gòu)(electron microscopy three-dimensional structure rebuilding)  17.1  電鏡載網(wǎng)  17.2  負染  17.3  葡萄糖包埋  17.4  單寧酸包埋  17.5  冷凍含水方法  17.6  低劑量電鏡術(shù)  17.7  三維結(jié)構(gòu)重建的梗概  小結(jié)  思考題第18章  質(zhì)譜技術(shù)(mass spectrometry)  18.1  生物質(zhì)譜技術(shù)  18.2  生物質(zhì)譜技術(shù)應用示例  小結(jié)  思考題第19章  微量熱技術(shù)(microcalorimetry)  19.1  等溫滴定量熱法(isothermal titration calorimetry，ITC)  19.2  ITC應用示例  19.3  差示掃描量熱法  小結(jié)  思考題第20章  熒光光譜技術(shù)(fluorescence spectrometry)  20.1  熒光的產(chǎn)生  20.2  從熒光光譜獲得的主要譜參量  20.3  熒光方法的應用  小結(jié)  思考題第21章  圓二色技術(shù)(circular dichroism)  21.1  基本原理  21.2  圓二色儀  21.3  圓二色譜在結(jié)構(gòu)生物學研究中的應用  小結(jié)  思考題第22章  掃描隧道顯微技術(shù)(scanning tunneling microscopy)  22.1  掃描隧道顯微鏡  22.2  STM應用于研究結(jié)構(gòu)生物學的優(yōu)點  22.3  STM在結(jié)構(gòu)生物學研究中的應用  22.4  原子力顯微技術(shù)  小結(jié)  思考題第23章  表面等離子體共振技術(shù)(surface plasmon resonance)  23.1  SPR原理  23.2  基于SPR的BIAcore技術(shù)  23.3  SPR生物傳感器技術(shù)的應用  23.4  SPR生物傳感器技術(shù)中存在的一些問題  23.5  SPR生物傳感器的改進  小結(jié)  思考題主要參考文獻結(jié)構(gòu)生物學相關(guān)領域Nobel獎歷年獲獎情況統(tǒng)計名詞索引彩圖

章節(jié)摘錄

　　結(jié)構(gòu)生物學一直是分子生物學的重要組成部分，只是近年來才飛速發(fā)展成為分子生物學的前沿和主流，并且從當前發(fā)展趨勢來看，很可能成為整個生命科學的前沿和帶頭學科之一?！　∩窠?jīng)生物學和細胞生物學之所以出現(xiàn)今天這樣蓬勃的局面，完全是因為注入了結(jié)構(gòu)生物學這一新鮮血液。生物膜與細胞內(nèi)跨膜信息傳遞，基因結(jié)構(gòu)與基因調(diào)控，生物能的產(chǎn)生、傳遞和作用，神經(jīng)網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)功能，直至感情、學習、記憶這種最高級的生命運動形式都需要、也只有結(jié)構(gòu)生物學水平上的研究才可能最終闡明它們的本質(zhì)。離子通道和神經(jīng)遞質(zhì)受體結(jié)構(gòu)研究已給神經(jīng)生物學帶來了全新的面貌，作為現(xiàn)代生物學熱點的神經(jīng)生物學已經(jīng)不是傳統(tǒng)的神經(jīng)生物學，而是建立在分子生物學，特別是結(jié)構(gòu)生物學基礎上的神經(jīng)生物學了?！　∫磺猩顒?，如生長、運動、呼吸、免疫、消化、光合作用，以及對外界環(huán)境變化的感覺并作出必要的反應等，都必須依靠蛋白質(zhì)來實現(xiàn)。每一種蛋白質(zhì)都有它自己特定的氨基酸序列和特定的三維結(jié)構(gòu)。20世紀50年代中期，胰島素分子的氨基酸序列及二硫鍵連接方式的闡明，是蛋白質(zhì)一級結(jié)構(gòu)測定的開始。半個多世紀來氨基酸序列被測定的蛋白質(zhì)已超過40萬個。　　即使肽鏈的氨基酸序列不變，只要三維結(jié)構(gòu)被破壞，就會導致蛋白質(zhì)功能的喪失。蛋白質(zhì)在肽鏈保持完整條件下三維結(jié)構(gòu)的破壞稱為蛋白質(zhì)的變性。這一概念是我國科學家吳憲教授在20世紀30年代初根據(jù)他在國內(nèi)的工作首先提出來的，長期以來被國際上廣泛接受?！　射線晶體衍射目前仍然是蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)測定的主要方法（圖1-1）。美國蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫存人的晶體結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在已超過50000個，晶體結(jié)構(gòu)測定的速度目前已達到平均每天10個結(jié)構(gòu)的水平?！　缀趺恳粋€重要蛋白質(zhì)高分辨率結(jié)構(gòu)的測定，都從分子水平上闡明了一項基本生命現(xiàn)象；但是這些結(jié)構(gòu)已被測定的蛋白質(zhì)，只不過是自然界數(shù)以百萬計的蛋白質(zhì)中的微不足道的部分?！　≡诮Y(jié)構(gòu)生物學領域內(nèi)，近20年來發(fā)展起來的二維和三維核磁共振方法（圖1-1）已經(jīng)顯示了它對蛋白質(zhì)在溶液中的三維結(jié)構(gòu)和運動狀態(tài)方面研究的優(yōu)勢，現(xiàn)已解出了7000多個較小蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，也許在不遠的將來它會為生物大分子三維結(jié)構(gòu)測定帶來又一次突破?！　〗Y(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的研究，一直是蛋白質(zhì)研究的核心問題之一?，F(xiàn)在，體外基因突變技術(shù)，特別是定點突變的發(fā)明，可以任意改變蛋白質(zhì)分子中的氨基酸殘基，以觀察其對生物學功能的影響。

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