1.4 生物大分子晶体结构的发展

将X射线衍射法用于测定生物大分子晶体，开始于20世纪30年代。第一张蛋白质晶体的X射线衍射图是1934年拍摄的胃蛋白酶晶体衍射图^［35］。胰岛素也是最早用X射线衍射法进行研究的蛋白质晶体之一。胰岛素在不同条件下可生长出多种晶型的晶体，三方晶系的二锌猪胰岛素的单晶衍射图在1935年就由D. Crowfoot拍得^［36］，但他们直到34年之后才用多对同晶置换法定出晶体结构^［37］。我国胰岛素结构研究组也于70年代初独立地定出它的结构^［38］。

第一个氨基酸晶体的结构是1939年定出，它是甘氨酸^［39］。接着，又测定出若干种氨基酸的晶体结构。氨基酸缩合而成多肽，多肽在生物体中具有多种功能，蛋白质也是多肽大分子。许多氨基酸和多肽的结构都有一个共同的特点：分子中C—N键的N原子的孤对电子和相邻的CO键中的π电子共同组成多中心键

即称为肽键。晶体结构显示：酰胺基团所连接的6个原子为平面构型，C—N键带有双键成分。一般C—N单键键长为149pm，CN双键键长为127pm，而实验测定的肽键中C—N间的键长为133pm，明显地具有双键成分。1948年，Pauling等在排列多肽链构象时，着眼于酰胺基共平面构象与形成的N—H…OC氢键的合理构型，将链型多肽分子采用螺旋构型或其他满足这两个条件的构型^［40］。在众多的构型中提出了α-螺旋和β-折叠层的具体结构模型，在以后的蛋白质结构中得到了证实，对蛋白质结构的认识起了很大的作用。图1.10和图1.11分别示出α-螺旋和β-折叠层的结构。

图1.10α-螺旋的结构：（a） 侧面观；(b) 顶面观

图1.11β-折叠层的结构

（a） 平行β-折叠层；(b) 反平行β-折叠层。为了简明，图中略去了R基团和H原子，虚线表示O—H…N氢键

α-螺旋中组成螺旋周期的氨基酸残基数目不是整数，而是3.6个，因为只有这样才能充分地满足酰胺基的共面性与氢键构型的合理性。每一氨基酸残基沿螺旋轴延伸147pm，这样螺距为544pm，与纤维蛋白所得的X射线衍射数据相当。

第一个在2Å分辨率数据基础上进行三维Fourier合成，正确地测定出蛋白质晶体结构的是J. C. Kendrew等对鲸肌红蛋白晶体的研究^［41］以及M. F. Perutz对马血红蛋白晶体结构的测定工作^［42］。在这些晶体结构中，已定出蛋白质分子中一个个原子的空间排列模型。根据这种蛋白质分子结构，可以阐明蛋白质功能的生物活动过程的结构基础，创立分子生物学。图1.12示出鲸肌红蛋白的三级结构模型。

图1.12鲸肌红蛋白的三级结构模型

脱氧核糖核酸(DNA)双螺旋结构是20世纪自然科学最重要的发现之一，它于1953年由J. D. Watson和F. H. C. Crick提出^［43］。他们当时除受到L. Pauling的α-螺旋结构的启发外，主要的实验根据是由R.Franklin所拍的B型DNA纤维的X射线衍射图(图1.13)，该图明显地呈现出DNA结构具有3.4nm的重复周期。DNA双螺旋结构的提出及以后通过单晶衍射实验的确定，开辟了生物化学、分子生物学和基因工程等新领域。在DNA双螺旋中，主链由脱氧核糖与磷酸聚合而成，磷酸酯连在糖的3′与5′位上，在糖的1′位连接有机碱。有机碱可为腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)或胞嘧啶(C)。碱基A和T或G和C可分别通过氢键结合成对：A∷∷T和GC，其中氢键形成的条件是一种特殊的锁和钥匙的配对关系，因为只有它们才能成对，而其他组合都无法满足形成合理氢键的要求。在DNA中两条分子链间通过A∷∷T和GC间的氢键互补配对作用形成螺旋梯，按右手螺旋排列，每一碱基对旋转36°，上升340pm，每个周期为10个碱基对，周期为3.4nm，图1.14示出DNA的结构。

图1.13第一张DNA X射线衍射图

图1.14DNA的结构

α-螺旋和DNA双螺旋模型的提出，是X射线衍射法测定了许多有机物的结构，积累了大量结构数据，归纳出结构规律，成功地用之于生物大分子的结果。

第一个测定出晶体结构的酶是溶菌酶^［44］。从溶菌酶的晶体结构数据，已能详细地阐述酶的作用机理。不久又测定了羧肽酶的结构并阐明了其催化作用机理^［45］。第一个给出三维结构X射线分析结果的核酸是转移核糖核酸(tRNA)^［46］。第一个测定三维结构的膜蛋白是绿色红假单胞菌光合作用反应中心膜蛋白的晶体^［47］。许多基础的生物大分子的晶体结构测定工作，使晶体的X射线衍射与生物化学、分子生物学和基因工程等许多学科紧密联系起来。

生命科学是当今自然科学研究的前沿和热点，在生物大分子晶体结构的研究工作中，许多人正从事提取分离、培养单晶体，以供X射线衍射使用。因为应用传统的X射线衍射法测定结构，只有得到尺寸足够大的晶粒，才能收集到较好的衍射数据，测定出高分辨率的空间结构。