研究, 新型冠状病毒肺炎, 病毒科
05-04-2024
新型冠状病毒的结构生物学：X射线晶体学
出版日期: 07-08-2021
更新日期: 01-03-2023
主题: 新型冠状病毒肺炎
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新型冠状病毒肺炎疫情仍在全世界范围内爆发，迫使科学界致力于研究和开发各种策略来对这种前所未见的病毒感染。要识别新型抗病毒药物，唯一确定的方法是了解细胞感染和病毒复制所需病毒蛋白的 三维结构（字面意思是形状）。一旦知道了蛋白质的结构，化学家就有可能合成阻断其功能的化合物，从而阻断病毒的生命周期。
我们将在医生的帮助下以5期的篇幅深入讨论这一主题，我们的主讲人是Massimo Degano医生是圣拉斐尔科学研究医院生物晶体学组组长兼圣拉斐尔生命健康大学的讲师。
我们在之前的几期中解释道，为开发针对新型冠状病毒的药物，有必要进一步了解根据病毒生命周期的重要性选择作为目标的病毒蛋白质结构（高分辨率）。这是结构生物学的任务， 我们已经解释了低温电子显微镜的工作原理。 X射线晶体学是第一种能够可视化呈现包含原子细节的分子结构并且仍然提供极高细节的技术。
X射线晶体学的成功（和贡献者）
晶体学理论是在Wilhelm Röntgen发现X射线后不久发展起来的，这要归功于Max von Laue （1914年诺贝尔奖获得者） 以及William Henry和William Lawrence Bragg（父子关系，两人于1915年获得诺贝尔奖），多年来人们一直在不断完善和改进这一理论。在这些先驱者所处的时代，确定阿司匹林等小分子的结构是一项艰巨的挑战，但多亏了John Kendrew爵士和Max Perutz等有远见卓识的人士，才有可能首次确定蛋白质、 肌红蛋白和血红蛋白的结构。从1945年到今天，晶体学取得的成功数不胜数，为我们提供了具有生物医学意义的蛋白质图像。这些图像信息的重要性得到了瑞典皇家科学院的认可，瑞典皇家科学院对相关结构研究定期给予奖励，随之而来的研究结果使我们进一步认识了复杂的蛋白质功能，其研究价值也得到了诺贝尔奖项的认可（https://www.iucr.org/people/nobel-prize）。
使用X射线可视化呈现大型生物分子结构
要实施这项技术，需要执行哪些步骤？我们看一下方案：
1.2.首先，需要准备 几毫克的纯样品，即其中仅可含有极少量的污染物：实际上，其包含许多相同的分子。
3.接下来， 这些分子必须形成晶体，即有序的三维晶格。 这一步是基础，因为晶体中的分子根据对称模式进行放置，例如M. C. Escher研究的那些（https://mcescher.com/gallery/symmetry/）。
4.晶体中的分子顺序 导致原子周围的电子在受到X射线照射时会使辐射同相散射，就像合唱团的组成部分一样。借由这种放大效应 ，我们得以测量衍射光谱，即晶体中分子衍射X射线的位置和强度。
5.完成这项测量后，通过应用一种数学透镜 （称为“傅里叶逆变换”），便可获得电子密度图，该图显示了原子在晶体中的排列方式。可以在计算机上查看电子密度，并且在一个可能类似于某些视频游戏的联锁过程中，必须将我们正在研究的生物分子的组成部分（蛋白质的氨基酸、DNA和RNA的核糖和氮碱基……）插入其中。
6.完成了对电子密度的阐释，我们最终获得了三维结构！
晶体学中电子密度的阐释。密度由网格表示，网格内部是构成蛋白质的原子。对于蛋白质，观察密度的形状，并与构成蛋白质的二十个氨基酸的结构（其中一些在图中表示）进行比较。通过以正确的顺序插入氨基酸并遵循电子密度的三维缠绕，可以重建蛋白质的结构。 由Degano医生提供。
晶体学的用途
晶体学是一种非常通用且强大的工具，用于开发有希望成为药物的先导化合物。通过各种方法，可以获得目标蛋白质（与具有抑制活性的分子相连接）的结构：事实上，可以将晶体“浸泡”在溶液中，在溶液中，溶解的物质可以与目标蛋白质结合，或者在将其与化合物结合后获得蛋白质晶体。一旦知道与化合物结合的蛋白质的结构，我们就能够可视化呈现蛋白质的哪些部分（可以将其同化为手套）没有被分子（手指）正确填充。有了这些信息，我们就可以修改抑制剂分子，使其更好地补充我们的目标，并阻断其功能！
该示例为已插入晶体分子中的酶抑制剂。以绿色呈现的电子密度清楚地定义了分子在蛋白质结构（以白色表面表示）中的位置。可以看出，该分子并没有完美地占据可用的空腔，因此可以设计出一种化合物，让其更好地补充蛋白质结构并有效阻断其功能。可通过蛋白质数据库中的3MKN代码访问所使用的结构。 由Degano医生提供。