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大分子

大分子指相对分子质量在5000以上,甚至超过百万的生物学物质,如蛋白质、核酸、多糖等。它与生命活动关系极为密切,由被认为单体的简单分子单位所组成。在溶液中有形成凝胶的物质。一般把相对分子质量超过一万的化合物称为大分子化合物或高分子化合物。它是由许多重复的结构单元组成,一般具有线状结构,有的具有枝状结构。许多具有重要生物作用的物质,如蛋白质和核酸等均属于这类化合物。大分子蛋白质的基本组成单位或构件分子(building-block molecule)是氨基酸(amino acid,AA)。

从衍射花样(衍射线的方向和强度)推算生物大分子的三维结构(也常称空间结构、立体结构或构象)的技术。其主要原理是:X射线、中子束或电子束通过生物大分子有序排列的晶体或纤维所产生的衍射花样与样品中原子的排布规律有可相互转换的关系(互为傅立叶变换)。

X射线衍射技术能够精确测定原子在晶体中的空间位置,是迄今研究生物大分子结构的主要技术。中子衍射电子衍射技术则用来弥补X射线衍射技术之不足生物大分子单晶体的X射线衍射技术是50年代以后,首先从蛋白质的晶体结构研究中发展起来的,并于70年代形成一门晶体学的分支学科──蛋白质晶体学。

生物大分子单晶体的中子衍射技术用于测定生物大分子中氢原子的位置,也属蛋白质晶体学。纤维状生物大分子的X射线衍射技术用来测定这类大分子的一些周期性结构,如螺旋结构等。以电子衍射为原理的电子显微镜技术能够测定生物大分子的大小、形状及亚基排列的二维图象。它与光学衍射和滤波技术结合而成的三维重构技术能够直接显示生物大分子低分辨率的三维结构。

1912年德国物理学家 M.von劳厄预言晶体是 X射线的天然衍射光栅。此后英国物理学家W.H.布格和W.L.布格开创了X射线晶体学。几十年来,这门学科不断发展和完善,测定了成千上万个无机和有机化合物的晶体和分子结构。由它提供的结构资料已经成为近代结构化学的基础。但是传统的小分子晶体结构的分析方法不适用于原子数目多,结构复杂的生物大分子。直到1954年英国晶体学家等人提出在蛋白质晶体中引入重原子的同晶置换法之后,才有可能测定生物大分子的晶体结构。1960年英国晶体学家J.C.肯德鲁等人首次解出一个由153个氨基酸组成分子量为17500的蛋白质分子──肌红蛋白的三维结构。图1 [巨头鲸肌红蛋白分子的结构模型]表示它的 2埃分辨率的结构模型。此后生物大分子晶体结构的研究工作迅速发展。至80年代初,已有近 200个、等生物大分子的三维结构被测定,从而有力地推动了分子生物学的发展。中国继60年代首次人工合成牛胰岛素之后,于70年代初测定了三方二锌猪胰岛素的三维结构。1986年中国已经完成这个结构1.2埃高分辨率的修正工作。

电磁波是直线传播的,但在某些情况下也会拐弯,这就是衍射现象。当可见光通过针孔或狭缝时,就会出现这种现象。由于针孔或狭缝的大小和可见光的波长量级相同,可以把针孔或狭缝看做是一个点光源,它向四面八方辐射出二次电磁波,或称散射波。如果有多个有序排列的针孔或狭缝,由于这些散射波的干涉,就会形成规则的明暗相间的衍射花样。这是因为来自不同部位的散射波的相位及振幅不同,它们相加的结果在有些地方加强,而在另一些地方减弱。这些花样随波长或针孔的大小及其排布方式不同而变化(图2[三种针孔的排列方式及其对应的衍射花样])。当X射线通过晶体时,晶体内原子的核外电子能够散射X射线。如果把每个原子看成是个散射源,由于X射线的波长同原子间的距离量级相同,因此也会发生衍射现象晶体结构的特征是晶体内的原子或分子周期重复地排列。如果采用一组抽象的几何点来表示这种周期重复的规律,那么这种排列可以表示为点阵。晶体的三维点阵结构使得晶体可被划分成为无数个大小和形状完全相同的平行六面体,即被称为晶胞。它是晶体结构的基本重复单位。每个晶胞内包含种类、数目和排列完全相同的原子。可以推得,衍射线(也称反射线)的强度取决于晶胞的内容,它的方向取决于波长和晶胞的大小和形状。

晶体对X射线、中子束及电子束的衍射,与规则排列的针孔对可见光的衍射遵循相同的光学变换原理,即针孔或晶体的结构(针孔或晶体中原子的排列)经傅里叶变换,可以得到它们的倒易图像──衍射波谱。反之,衍射波谱的反变换,即为正空间的图像──针孔的排列或晶体的结构。在可见光的衍射中,这种反变换可由透镜的聚焦过程实现。但是迄今为止,人们还未找到能使 X射线(或中子)散射线聚焦的办法。因此也就无法直接观察生物大分子的像。这只能借助电子计算机从数学上完成这种反变换的计算。

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