蛋白质结构解析的主要技术概览

蛋白质的功能直接取决于其结构、与其他蛋白质的相互作用以及其在细胞、组织和器官中的位置。在蛋白质组学中大规模研究蛋白质的结构和功能，这使得能够鉴定与特定疾病状态相关的蛋白质生物标志物，并为治疗提供潜在的靶标。对蛋白质结构的理解以及蛋白质位置、表达水平和相互作用的绘图可以产生可用于推断蛋白质功能的有价值的信息。蛋白质结构解析的主要技术包括X射线晶体学、核磁共振光谱（NMR）、冷冻电镜（Cryo-EM）和原子力显微镜（AFM）等，以下是简要的介绍：

1、X射线晶体衍射（X-ray Crystallography）：

原理：蛋白质 X射线晶体学可通过结晶蛋白质的X射线衍射获得蛋白质的三维结构。通过在促进沉淀的溶液中接种高度浓缩的蛋白质来生长晶体，在适当的条件下形成有序的蛋白质晶体。X 射线瞄准蛋白质晶体，蛋白质晶体将 X 射线散射到电子探测器或胶片上。旋转晶体以捕获三维衍射，从而能够通过傅里叶变换计算结晶分子中每个原子的位置。
特点：提供原子级分辨率的结构信息；需要获得高质量的蛋白质晶体；不适用于难以晶化或在晶体状态下不能保持功能结构的蛋白质。

2、核磁共振光谱（NMR Spectroscopy）：

原理：核磁共振（NMR）光谱用于获取有关蛋白质结构和动力学的信息。在核磁共振中，原子的空间位置由它们的化学位移决定。对于蛋白质 NMR，蛋白质通常用稳定同位素（¹⁵ N、¹³ C、² H）标记，以增强灵敏度并促进结构解卷积。通常通过在蛋白质表达期间在生长培养基中提供同位素标记的营养物来引入同位素标记。
特点：能够提供动态结构信息；适用于溶液中的蛋白质；对样品量要求较低；但空间分辨率不如X射线晶体学，且对大分子系统的研究有限制。

3、冷冻电镜（Cryo-electron Microscopy, Cryo-EM）：

原理：在极低温度下对蛋白质样品进行电镜成像，通过收集大量图像并将它们结合起来构建出三维结构。
特点：适用于大分子复合物和难以晶化的蛋白质；近年来分辨率大幅提高，可以达到接近原子级；无需蛋白质晶体。

4、原子力显微镜（Atomic Force Microscopy, AFM）：

原理：通过感测探针与样品表面之间的相互作用力来获取表面的图像。探针扫描样品表面，记录表面的微小力变化，从而绘制出表面的三维图像。
特点：适用于在生理条件下对蛋白质和蛋白质复合物进行成像；能够提供单分子级别的信息；不需要特殊的样品处理，但空间分辨率较低，一般不足以获得原子级的结构细节。

5、圆二色谱（Circular Dichroism, CD）：

原理：圆二色谱基于当偏振光通过旋光性分子（如蛋白质）时，不同波长的光会被不同程度地吸收的原理。左旋和右旋圆偏振光通过样品时的吸收差异会产生一个圆二色谱信号，这个信号可以反映出蛋白质的二级结构特征，如α-螺旋、β-折叠和无规卷曲结构。
特点：特别适用于分析蛋白质的二级结构。它能够提供关于α-螺旋、β-折叠和无规卷曲等结构的相对含量的信息。可以用于实时监测蛋白质结构的变化，如折叠和变性过程。

蛋白质结构鉴定