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1、第八章第八章 晶体结构分析的应用和发展方向晶体结构分析的应用和发展方向 晶体结构的测定对学科的发展、物体性能的晶体结构的测定对学科的发展、物体性能的解释、新产品的生产和研究等方面都有很大的作解释、新产品的生产和研究等方面都有很大的作用用, 其应用面很宽其应用面很宽, 不能尽述不能尽述, 略谈几点如下，略谈几点如下，抛砖引玉抛砖引玉: 8.1 晶体结构分析的应用晶体结构分析的应用 晶体结构的成功测定晶体结构的成功测定, ,在晶体学学科的发展上起了决定在晶体学学科的发展上起了决定的作用。的作用。 因为因为它它证实了晶体具有周期性结构这一推测证实了晶体具有周期性结构这一推测, , 使晶体的使晶体的许
2、多特性得到了解释许多特性得到了解释: : 如晶体能自发长成多面体外形如晶体能自发长成多面体外形 ( (自范自范性性), ), 如立方体的食盐、六角形的水晶等如立方体的食盐、六角形的水晶等, , 又如晶体各种物又如晶体各种物理性质理性质 ( (光性光性, ,导热性等导热性等) ) 的各向异性和对称性等等。的各向异性和对称性等等。使使晶晶体学的发展有了坚实的基础。体学的发展有了坚实的基础。 8.1.1 晶体结构和晶体学学科晶体结构和晶体学学科 矿物学中曾有不少矿物的元素构成很接近矿物学中曾有不少矿物的元素构成很接近, ,但他们的性质但他们的性质相差很远相差很远 ( (如石墨和金刚石都是碳如石墨和金
3、刚石都是碳, , 还如一些硅酸盐还如一些硅酸盐), ), 而有而有的矿物其物理或化学性质相近的矿物其物理或化学性质相近, ,但其元素组成又很不相同但其元素组成又很不相同 ( (如如云母类矿物等云母类矿物等) )，使人困惑。晶体结构的测定使性能的异同从，使人困惑。晶体结构的测定使性能的异同从结构上得到了合理的解释。如石墨因是层状结构，层间结合结构上得到了合理的解释。如石墨因是层状结构，层间结合力差，故较软，而金刚石为共价键形成的骨架结构，故结合力差，故较软，而金刚石为共价键形成的骨架结构，故结合力强，无薄弱环节力强，无薄弱环节, , 成为最硬的材料。成为最硬的材料。8.1.2 晶体结构和晶体性质
4、晶体结构和晶体性质 人类和疾病作斗争人类和疾病作斗争, , 总离不开药物。原始的药物是天总离不开药物。原始的药物是天然产物然产物, , 动植物或矿物。以后随着科学的发展动植物或矿物。以后随着科学的发展, ,开展了从天开展了从天然产物中提取有效成分的方法然产物中提取有效成分的方法, , 而有效成分晶体结构的测而有效成分晶体结构的测定进一步将从天然产物中提取的活性物质改变为人工合成，定进一步将从天然产物中提取的活性物质改变为人工合成，使有可能大量制造，提高了产量、降低了成本、造福于人使有可能大量制造，提高了产量、降低了成本、造福于人类。这种基于结构类。这种基于结构, , 设计出合成路线，工业制造的
5、方法在设计出合成路线，工业制造的方法在药物，药物，染料，香料等许多工业部门都是广泛使用的。染料，香料等许多工业部门都是广泛使用的。8.1.3 晶体结构关联天然产物和人工合成晶体结构关联天然产物和人工合成 近年，基于病毒结构、人体内各种大分子结构的测定及人近年，基于病毒结构、人体内各种大分子结构的测定及人体感染疾病途径的了解，搞清了某些疾病感染及发展的结构匹体感染疾病途径的了解，搞清了某些疾病感染及发展的结构匹配需要。人类已经根据这些结构知识设计结构上匹配的、合适配需要。人类已经根据这些结构知识设计结构上匹配的、合适的药物，来事先保护病毒和人体的结合点，或阻断病毒的自身的药物，来事先保护病毒和人
6、体的结合点，或阻断病毒的自身繁衍，从而避免感染或控制其繁衍，而不使疾病发展繁衍，从而避免感染或控制其繁衍，而不使疾病发展, , 这就是这就是所谓的基于结构的、合理的药物设计。所谓的基于结构的、合理的药物设计。 例如艾滋病毒复制过程中不可缺的蛋白酶及人类设计的对称例如艾滋病毒复制过程中不可缺的蛋白酶及人类设计的对称性抑制剂性抑制剂 A-74704 A-74704 之间的氢键结合模式。由于抑制剂的结合阻之间的氢键结合模式。由于抑制剂的结合阻断了病毒的结合，使其无法复制。改变了过去神农尝百草型的断了病毒的结合，使其无法复制。改变了过去神农尝百草型的经验寻找药物的方法。经验寻找药物的方法。 8.1.3
7、 晶体结构与药物设计晶体结构与药物设计从前述的应用已经看出，晶体结构的测定及结构与性能关从前述的应用已经看出，晶体结构的测定及结构与性能关系的研究系的研究,是今后走上人类按需设计新材料的基础。今日虽已是今后走上人类按需设计新材料的基础。今日虽已测了许多晶体的结构测了许多晶体的结构,但还有许多未能测定但还有许多未能测定,而且还不断有新化而且还不断有新化合物，新晶体出现合物，新晶体出现,因此不断的测定他们的结构因此不断的测定他们的结构,加以总结分析加以总结分析是十分必要的。是十分必要的。8.2 可能的发展方向可能的发展方向 8.2.1 数据的积累数据的积累当今已有多个晶体结构数据库，如：当今已有多
8、个晶体结构数据库，如：（1）剑桥结构数据库（）剑桥结构数据库（CSD）。包括各种有机，有机）。包括各种有机，有机金属化合物及配合物的晶体学数据。金属化合物及配合物的晶体学数据。（2）无机晶体结构数据库（）无机晶体结构数据库（ICSD）。）。（3）金属结晶学数据库（）金属结晶学数据库（CRXSTMET）。）。(4）蛋白质数据库（）蛋白质数据库（PDB）。）。（5）晶体学数据（）晶体学数据（CD）。）。（6）粉末衍射卡片（）粉末衍射卡片（PDF）。）。(7）有序无序结构数据库（）有序无序结构数据库（OD）等。）等。 20012001年年2 2月月1212日，人类基因组框架图发表。接下来的任务日，人
9、类基因组框架图发表。接下来的任务是要把各基因的结构和功能搞清楚，有大量的基因结构需要是要把各基因的结构和功能搞清楚，有大量的基因结构需要测定。世界上已经成立了结构基因组的国际合作组织，分配测定。世界上已经成立了结构基因组的国际合作组织，分配人类基因结构的测定任务。除了人类基因以外，还有水稻基人类基因结构的测定任务。除了人类基因以外，还有水稻基因组，各种病毒等范围更广的生物大分子结构需测定。生物因组，各种病毒等范围更广的生物大分子结构需测定。生物大分子的数量将会远远超过各种无机物，有机物分子的总量。大分子的数量将会远远超过各种无机物，有机物分子的总量。生物大分子结构测定将是今后晶体结构测定的主要
10、任务生物大分子结构测定将是今后晶体结构测定的主要任务。 8.2.2 各种生物大分子结构的测定各种生物大分子结构的测定 按照已知的结构和性能的关系设计制造需要的新按照已知的结构和性能的关系设计制造需要的新材料是进行大量结构测定的目的。如何总结大量已材料是进行大量结构测定的目的。如何总结大量已测结构的规律并与其性能、功能相联系是今后的任测结构的规律并与其性能、功能相联系是今后的任务之一。特别是生物结构与功能的关系。进一步如务之一。特别是生物结构与功能的关系。进一步如何利用这种关系设计制造人类需要的材料，药物等何利用这种关系设计制造人类需要的材料，药物等, , 更是永不完结的任务。更是永不完结的任务
11、。 8.2.3 结构与性能关系的研究与应用结构与性能关系的研究与应用 目前虽已有各种方法用来解决相角的问题，但要目前虽已有各种方法用来解决相角的问题，但要置换许多同晶化合物还是颇费时和颇昂贵的，如果置换许多同晶化合物还是颇费时和颇昂贵的，如果能如小分子那样用直接法来解决相角问题，将会方能如小分子那样用直接法来解决相角问题，将会方便许多。我国科学家范海福院士是研究直接法的我便许多。我国科学家范海福院士是研究直接法的我国权威人物，正在进行这方面的研究。国权威人物，正在进行这方面的研究。8.2.4 解生物大分子结构方法的发展解生物大分子结构方法的发展u 晶体结构的描述。晶体结构的描述。u X 射线结
12、构分析和晶体学在无机、有机、天然有射线结构分析和晶体学在无机、有机、天然有 机、金属有机、催化、生物、药物、蛋白质、机、金属有机、催化、生物、药物、蛋白质、 矿物、材料、金属等学科中的应用。矿物、材料、金属等学科中的应用。u 电子衍射、中子衍射、粉末衍射的晶体学应用。电子衍射、中子衍射、粉末衍射的晶体学应用。8.2.5 晶体结构分析在其他学科中的应用晶体结构分析在其他学科中的应用 目前的实验室单晶体结构分析方法对于测定小分子的单目前的实验室单晶体结构分析方法对于测定小分子的单晶体结构已经是相当完美了晶体结构已经是相当完美了,但对于巨大的生物大分子就显但对于巨大的生物大分子就显得软弱无力，主要是
13、光源强度不够，光的平行性不良，波长得软弱无力，主要是光源强度不够，光的平行性不良，波长又不好调。目前主要要依靠同步辐射作为又不好调。目前主要要依靠同步辐射作为X射线源。射线源。同步辐射同步辐射 X光源光源(synchrotronradiation)比常规比常规 X 射线源射线源有许多优点有许多优点, 所以用同步辐射光源测定生物大分子的结构更所以用同步辐射光源测定生物大分子的结构更有无比的优越性有无比的优越性。8.2.6 单晶体结构分析实验方法的发展单晶体结构分析实验方法的发展 8.2.6.1 同步辐射同步辐射1. 同步辐射同步辐射X射线单晶衍射技术的特点射线单晶衍射技术的特点:(1)同步辐射产
14、生高强度的同步辐射产生高强度的X射线射线,在短时间内收集衍射数据。在短时间内收集衍射数据。(2)Hajdu等用实验室等用实验室X光源光源,为收集到糖原磷酸化酶为收集到糖原磷酸化酶b2.7A分率的衍射数据分率的衍射数据(约约10000个个),约一周的时间约一周的时间,而用同步辐而用同步辐射射X射线射线,只花了只花了25min收集到全部衍射数据。收集到全部衍射数据。(3)对于蛋白质晶体对于蛋白质晶体,X射线损伤的限速过程是照射产生的射线损伤的限速过程是照射产生的OH自由基的扩散自由基的扩散,常温下该扩散的时间尺度为数小时。因而常温下该扩散的时间尺度为数小时。因而,用同步辐射用同步辐射X射线测量时射
15、线测量时,在此时间范围内即可收集到全部在此时间范围内即可收集到全部数据数据,而且晶体不至于造成损伤。而且晶体不至于造成损伤。(2)利用同步辐射波长可任意改变的特性利用同步辐射波长可任意改变的特性,可以利用可以利用多波长反常散射技术多波长反常散射技术, 直接确定常规直接确定常规X 射线晶体结射线晶体结构分析中最困难的相位参数。构分析中最困难的相位参数。 特别是用硒代替甲硫氨酸中的硫特别是用硒代替甲硫氨酸中的硫, 以及应用溴化以及应用溴化脲嘧啶等标记脲嘧啶等标记, 可方便地分别用于蛋白质和核酸结可方便地分别用于蛋白质和核酸结构中相位参数的测定。构中相位参数的测定。 1995年在美国年在美国NSLS
16、的的X4A同步辐射光束线实验同步辐射光束线实验站上就发表了站上就发表了12个采用多波长反常散射法测定新的个采用多波长反常散射法测定新的生物大分子结构。生物大分子结构。(3)由于同步辐射的高强度由于同步辐射的高强度, 就有可能用微小的晶就有可能用微小的晶体进行结构的分析。蛋白质等晶体的培养体进行结构的分析。蛋白质等晶体的培养, 目前还目前还找不到内在的规律性找不到内在的规律性, 难以得到供实验室难以得到供实验室 X射线源射线源祚高分辨率测量用的大晶体。但是对于同步辐射祚高分辨率测量用的大晶体。但是对于同步辐射 X射线源射线源, 则用尺度上比常规小几个数量级的晶体。则用尺度上比常规小几个数量级的晶
17、体。 例如对例如对20KD左右大小的蛋白质分子左右大小的蛋白质分子,用一般实用一般实验室验室X射线源时射线源时,晶体必须大于晶体必须大于0.13mm0.13mm0.13mm。若用。若用2.5GeV同步辐射装置产生的单色同步辐射装置产生的单色X射线射线,其强度提高了其强度提高了1000倍倍,此时晶体大小为此时晶体大小为0.03mm0.03mm0.03mm。Tan用于测定用于测定(C2H8N）（）（Sb4S7）的晶体结构的晶）的晶体结构的晶粒仅为粒仅为20m30m40m。比实验室。比实验室X射线源所射线源所用晶体在线度上要小用晶体在线度上要小1个数量级个数量级,在体积上要小在体积上要小3个个数量级
18、。数量级。(4)由于同步辐射的高强度使弱衍射可以测出由于同步辐射的高强度使弱衍射可以测出,(5)这对于总结出正确的系统消光规律这对于总结出正确的系统消光规律,避免得出避免得出错误错误的空间群有决定性的作用。的空间群有决定性的作用。Schomaker等等有过专门有过专门的研究的研究,Kassner等等对弱衍射与晶体对弱衍射与晶体是否有对称中心的关系进行了研究是否有对称中心的关系进行了研究,他们认为弱他们认为弱反射在决定有无对称中心中取决定性作用。反射在决定有无对称中心中取决定性作用。(5) 同步辐射光源结合劳厄实验方法能在微秒同步辐射光源结合劳厄实验方法能在微秒 的时的时间尺度进行时间分辨的三维
19、结构研究。由此将间尺度进行时间分辨的三维结构研究。由此将 传传统的静态结构分析提高到动态结构的新高度统的静态结构分析提高到动态结构的新高度, 这是这是目前用其他方法不能达到的。目前用其他方法不能达到的。 有许多生物反应的速度是相当快的有许多生物反应的速度是相当快的, 如血红蛋白如血红蛋白与一氧化碳的结合，速度在纳秒级与一氧化碳的结合，速度在纳秒级（10-9sec），要对这种反应进行动力学研究，既要有高强度脉要对这种反应进行动力学研究，既要有高强度脉冲光源冲光源, 又要有快速切换的探测器以连续跟踪反又要有快速切换的探测器以连续跟踪反应。现在已有了强脉冲光源，但探测器的切换速应。现在已有了强脉冲光
20、源，但探测器的切换速度却慢太多，需要作长时间的更大的努力。度却慢太多，需要作长时间的更大的努力。3. 同步同步X射线衍射技术在三维结构生物学中的应用射线衍射技术在三维结构生物学中的应用(1) 细胞膜通道的研究细胞膜通道的研究 人们早就认识到水和其他物质如人们早就认识到水和其他物质如 K+、Na+、Ca2+和和Cl- 等多种离子能够经过一些孔道通过细胞壁等多种离子能够经过一些孔道通过细胞壁, 但是细胞膜是如何但是细胞膜是如何选择性转运离子的选择性转运离子的, 以及离子的运动又是如何受调控却一直不以及离子的运动又是如何受调控却一直不为人所知。为人所知。2000年年P.Agre等等应用场发射电子源的
21、电子衍射方应用场发射电子源的电子衍射方法得到分辨率为法得到分辨率为3.8A的的AQPl水通道电子密度图。就在同时水通道电子密度图。就在同时Robert等在美国等在美国LawrenceBerkeley国家实验室的国家实验室的ALS,用同用同步辐射步辐射X衍射方法得到一种和水通道具有相似结构的甘油通衍射方法得到一种和水通道具有相似结构的甘油通道道GlpF分辨率为分辨率为2.2A的电子密度图。的电子密度图。 美国科学家美国科学家R.Mackinnon等在等在1998年首次得到膜蛋白离子年首次得到膜蛋白离子通道的结构通道的结构,他们在他们在Cornel大学高能同步光源大学高能同步光源(CHESS)通过
22、通过X射线衍射解出一种称为射线衍射解出一种称为KcsA的的K+通道的原子结构通道的原子结构,分辨分辨率为率为3.2A。近年来他们一直致力于。近年来他们一直致力于K+通道的结构、特性、通道的结构、特性、功能等方面的研究。功能等方面的研究。R.Mackinnon和和P.Agre因为对膜蛋白分子和离子通道开因为对膜蛋白分子和离子通道开创性的研究创性的研究,而共同分享而共同分享2003年的诺贝尔化学奖。年的诺贝尔化学奖。(2)光合作用机制的研究光合作用机制的研究植物光合作用机制的阐明一向是人们梦寐以求的植物光合作用机制的阐明一向是人们梦寐以求的,长期以长期以来进展不大来进展不大。1985年德国年德国D
23、eisenhofer和他的同事测定了紫和他的同事测定了紫色光合细菌光合膜中光合反应中心复合体的晶体结构。他们色光合细菌光合膜中光合反应中心复合体的晶体结构。他们的研究成果引起很大的轰动的研究成果引起很大的轰动,因为这是第一个真正原子水平因为这是第一个真正原子水平上的膜蛋白结构上的膜蛋白结构,该结构的分辨率为该结构的分辨率为2.3A,光合反应中心由光合反应中心由4个蛋白质亚基和个蛋白质亚基和14个非蛋白质辅基构成个非蛋白质辅基构成,复合体的复合体的分子量为分子量为145kD。为此他们荣获为此他们荣获1988年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。 中国科学院生物物理所的中国科学院生物物理所的Zhengf
24、engLiu等在中国科学等在中国科学院高能物理所同步辐射国家实验室的同步院高能物理所同步辐射国家实验室的同步X衍射生物大分衍射生物大分子实验站子实验站,用同步辐射用同步辐射X射线衍射完成了菠菜主要捕光复合射线衍射完成了菠菜主要捕光复合体体(LHC-II)2.72A分辨率的晶体结构测定。并论述光合作分辨率的晶体结构测定。并论述光合作用系统的主要捕光复合体用系统的主要捕光复合体LHC-II在绿色植物的光合作用中在绿色植物的光合作用中主要是太阳能的收集器主要是太阳能的收集器,在强光条件下还能起到光保护物的在强光条件下还能起到光保护物的功能。功能。Zhenfeng Liu , et al., Crys
25、tal structure of spinach major light - harvesting complex at 2.72 ? Resolution. Nature2004 ,428(6980) :287292(3)能量转换的研究能量转换的研究能量转换的一个关键是跨膜质子电化学梯度的建立能量转换的一个关键是跨膜质子电化学梯度的建立,这都是这都是由膜蛋白介导完成的由膜蛋白介导完成的,由于膜蛋白结晶的困难由于膜蛋白结晶的困难,长期以来对此长期以来对此过程的分子机制了解甚少。过程的分子机制了解甚少。20世纪末日本学者世纪末日本学者Tsukihara等等成功地结晶牛心细胞色素成功地结晶牛心细胞
26、色素C氧化酶氧化酶,得到分辨率为得到分辨率为2.8A的结的结构模型。他们从酶的几种状态的晶体结构比较构模型。他们从酶的几种状态的晶体结构比较,提出质子泵的提出质子泵的机理。随后他们又进一步用光子工厂同步辐射得到机理。随后他们又进一步用光子工厂同步辐射得到2.30A分分辨率的该晶体结构辨率的该晶体结构,并提出质子泵过程中的间接偶联机制。并提出质子泵过程中的间接偶联机制。(4)信号转导的研究信号转导的研究外界信号大多是通过细胞质膜上的特殊蛋白及其它多种蛋外界信号大多是通过细胞质膜上的特殊蛋白及其它多种蛋白质的接联反应最终传至细胞内的细胞核等靶区。如细胞质膜白质的接联反应最终传至细胞内的细胞核等靶区
27、。如细胞质膜内表面的一种内表面的一种G蛋白蛋白,它在信号受体蛋白和效应器它在信号受体蛋白和效应器(酶、离子通酶、离子通道等道等)之间起中介体作用。之间起中介体作用。Tesmer等在美国等在美国Cornel大学高能同大学高能同步辐射源上测定了腺苷酸化酶复合物的步辐射源上测定了腺苷酸化酶复合物的2.3A分辨率的晶体结构。分辨率的晶体结构。该结果是第一个有关两个信号蛋白分子在质膜上相互该结果是第一个有关两个信号蛋白分子在质膜上相互“交谈交谈”的三维图像的三维图像,并提出该并提出该G蛋白蛋白亚基激活腺苷酸环化酶的分子机亚基激活腺苷酸环化酶的分子机制。制。(5) 基因转录的研究基因转录的研究生物基因转录
28、它涉及生物基因转录它涉及DNA与蛋白质的相互作与蛋白质的相互作用用,同时往往数同时往往数种乃至十几种蛋白质起作用种乃至十几种蛋白质起作用,这样就这样就必须测定超分子复合体的晶必须测定超分子复合体的晶体结构。体结构。Geiger等得到等得到TFIIA/TBP/TATAbox复合体、复合体、TFIIA/TFIIB/TBP/TATAbox复合体的晶体结构。复合体的晶体结构。晶体结构晶体结构表明表明,TFIIA和和TFIIB这两个转录因子分别位于这两个转录因子分别位于DNA两侧两侧,因而它们无直接的相互作用。并且因而它们无直接的相互作用。并且TFIIB和和TATAbox的上游及下游区都有作用的上游及下
29、游区都有作用,而而TFIIA只位于只位于TBP/TATA复复合体的上游区。合体的上游区。（6） 病毒生物大分子结构的研究病毒生物大分子结构的研究 小小RNA病毒是一种正链病毒是一种正链RNA动物病毒动物病毒,其中的鼻病毒能引其中的鼻病毒能引起人们常见的感冒。这种病毒的分子量约为起人们常见的感冒。这种病毒的分子量约为250104Da,蛋蛋白壳体为白壳体为20面体对称结构面体对称结构,由由60个原体组成。每个原体则由个原体组成。每个原体则由VP1、VP2、VP3三个表面蛋白质亚基及一个和三个表面蛋白质亚基及一个和RNA核心紧密核心紧密结合的结合的VP4F蛋白质亚基构成。蛋白质亚基构成。1985年用
30、同步辐射年用同步辐射X射线、成功地测定称为鼻病毒的超分子射线、成功地测定称为鼻病毒的超分子复合体的三维结构复合体的三维结构,这是第一个在这是第一个在2.8A分辨率水平上被阐明结分辨率水平上被阐明结构的动物病毒构的动物病毒。 美国科学家和新加坡科学家合作美国科学家和新加坡科学家合作,利用美国利用美国DOEs国家实国家实验室的验室的AdvancedPhotonSource(APS)的同步辐射的同步辐射X射线衍射线衍射技术射技术,测定测定SARS冠状病毒蛋白酶冠状病毒蛋白酶,得到得到1.86A分辨率的晶分辨率的晶体结构模型体结构模型。这为治疗。这为治疗SARS新药的设计、研制和开发新药的设计、研制和
31、开发,提提供最有力的依据。供最有力的依据。 同步辐射是一种大科学装置，设备大投资高，不是一同步辐射是一种大科学装置，设备大投资高，不是一般实验室所能具备的，需要申请立项才能使用。因此，般实验室所能具备的，需要申请立项才能使用。因此，如果能发展出高强度的实验室光源和极高灵敏度的探测如果能发展出高强度的实验室光源和极高灵敏度的探测器，使在一般实验室中也能测定生物大分子结构，则绝器，使在一般实验室中也能测定生物大分子结构，则绝对是有益的。对是有益的。 8.2.6.2 高强度的实验室光源和高强度的实验室光源和 极高灵敏度的探测器极高灵敏度的探测器 时间分辨时间分辨X射线衍射射线衍射(Time-reso
32、lvedX-rayDiffraction)又称超快又称超快X射线衍射射线衍射(UltrafastX-rayDiffraction)；在生物化学领域，被称为时间分辨在生物化学领域，被称为时间分辨X射线结晶学射线结晶学（Time-resolvedX-rayCrystallography）。）。 超快时间分辨超快时间分辨X射线衍射仪，波长在硬射线衍射仪，波长在硬X射线区，能利用射线区，能利用这个系统从事材料和生物、生化等各种超快过程的研究。时这个系统从事材料和生物、生化等各种超快过程的研究。时间分辨率达到间分辨率达到ps量级，晶格间距变化的分辨率达到量级，晶格间距变化的分辨率达到m尺尺度。度。 8.
33、2.6.3 时间分辨时间分辨X射线衍射仪射线衍射仪 时时间间分分辨辨X射射线线衍衍射射是是目目前前观观测测生生化化反反应应和和物物理理变变化化过过程程中中原原子子瞬瞬间间运运动动状状态态的的最最有有效效方方法法。在在很很多多生生物物、化化学学和和材材料料研研究究中中，人人们们希希望望观观察察在在原原子子运运动动尺尺度度上上所所发发生生过过程程的的一一些些状状态态，特特别别是是非非稳稳态态和和短短寿寿命命的的中中间间态态，从从而而了了解解更更多多物物质质世世界界的的奥奥秘秘，如如植植物物的的光光合合作作用用、蛋蛋白白质质的的运运动动、超超导导相相变变、新新药药的的药药理理作作用用等等等等，只只有
34、有当当探探测测光光的的脉脉宽宽比比这这个个时时间间更更短短时时，才才有有可可能能观观察察到到。超超快快时时间间分分辨辨X射射线线衍衍射射可可以以在在原原子子水水平平上上观观察察这这些些动动态态过过程程，因因为为X射射线线的的波波长长正正好好与与原原子子间间距距同同一一个个量量级级，而而超超快快脉脉冲冲已已达达到到飞飞秒秒甚甚至至更更短短的的水水平平，因因此此超超快快时时间间分分辨辨的的x射线衍射能够探测到晶体内部结构真实的动态信息。射线衍射能够探测到晶体内部结构真实的动态信息。 有许多生物反应的速度是相当快的有许多生物反应的速度是相当快的, , 如血红蛋白与一如血红蛋白与一氧化碳的结合，速度在
35、纳秒级（氧化碳的结合，速度在纳秒级（1010-9 -9 sec），要对这种反应），要对这种反应进行动力学研究，既要有高强度脉冲光源进行动力学研究，既要有高强度脉冲光源, , 又要有快速切又要有快速切换的探测器以连续跟踪反应。现在已有了强脉冲光源，但换的探测器以连续跟踪反应。现在已有了强脉冲光源，但探测器的切换速度却慢太多，需要作长时间的更大的努力。探测器的切换速度却慢太多，需要作长时间的更大的努力。 目前市场上都是静态目前市场上都是静态X射线衍射仪，超快时间分射线衍射仪，超快时间分辨辨X射线衍射仪在国内外市场尚属空白，显然研制射线衍射仪在国内外市场尚属空白，显然研制时间分辨时间分辨X射线衍射仪
36、刻不容缓，可以占领市场真射线衍射仪刻不容缓，可以占领市场真空，有着巨大的产业化前景。空，有着巨大的产业化前景。 1 1、内容：、内容：u 标题，作者姓名，年级，专业。标题，作者姓名，年级，专业。u 摘要摘要u 关键词关键词u 前言：研究领域的简要概述，该领域研究的意义，前言：研究领域的简要概述，该领域研究的意义， 主要内容：主要内容： 结论或结束语结论或结束语, , 今后可能研究的方向。今后可能研究的方向。u 参考文献参考文献 8.3 8.3 研究进展论文研究进展论文（自学）（自学）参考文献参考文献格式：格式：u 杂志：杂志：作者，标题，杂志名，年、卷、页，作者，标题，杂志名，年、卷、页，u
37、书刊：书刊：作者，书名，编辑者名，年、页，出版社作者，书名，编辑者名，年、页，出版社 （出版地）（出版地）2 2、要求：、要求：历史，新，难，准，评说历史，新，难，准，评说 字迹工整，标点符号正确，层次清晰。字迹工整，标点符号正确，层次清晰。 电子版和电子版和纸纸版各版各交交 1 1 份。份。 考试考试交卷日期：交卷日期：20082008年年1 1月月7 7日日, , 地点另行通知。地点另行通知。 E-mail:3 3、题目范围：、题目范围：（1）C60、C70及其络合物的发展和应用及其络合物的发展和应用（2）超导晶体结构的研究）超导晶体结构的研究（3）生物无机分子晶体结构的研究）生物无机分子
38、晶体结构的研究（4 4）无机分子晶体结构的研究无机分子晶体结构的研究（5 5）材料科学中的晶体学材料科学中的晶体学（光学材料、电学材料、磁学材料）（光学材料、电学材料、磁学材料）（6 6）催化剂晶体结构的研究催化剂晶体结构的研究（7 7）酶、酶催化的晶体结构的研究酶、酶催化的晶体结构的研究（8 8）液晶的研究及应用液晶的研究及应用（9 9）晶体中氢键与结构的研究，晶体中氢键与结构的研究，氢键的结构化学氢键的结构化学（1010） X射射线线晶晶体体学学在在具具有有生生物物活活性性的的有有机机分分子子结结构方面的研究构方面的研究（1111）有机合成与晶体学有机合成与晶体学（1212） X射线晶体学
39、在天然产物分子射线晶体学在天然产物分子（及合成天然产物分子）结构中的应用，（及合成天然产物分子）结构中的应用，例如对构型、构象等的研究。例如对构型、构象等的研究。生物碱生物碱萜类：单萜、二萜、倍半萜、三萜等。萜类：单萜、二萜、倍半萜、三萜等。木脂素、香豆素。木脂素、香豆素。黄酮、甾醇、皂苷等。黄酮、甾醇、皂苷等。（1313）生物化学中的晶体学）生物化学中的晶体学（1414）蛋白质晶体结构的研究）蛋白质晶体结构的研究（1515）蛋白质结构的预期及设计）蛋白质结构的预期及设计（1616）药物分子的设计）药物分子的设计（1717）病毒等的研究）病毒等的研究（1818）晶体学在酶化学中的应用）晶体学在
40、酶化学中的应用（1919）药药物物分分子子（天天然然、非非天天然然）的的活活性性与与结结构构的的关系关系 （2020）准晶体研究准晶体研究（2121）矿物质晶体结构的研究矿物质晶体结构的研究（2222）粉末衍射测定分子结构的研究粉末衍射测定分子结构的研究（2323）粉末衍射的应用粉末衍射的应用（2424）单晶衍射的应用单晶衍射的应用（2525）电子衍射的应用电子衍射的应用（2626）中子衍射的应用中子衍射的应用（2727）同步辐射及其应用同步辐射及其应用（2828）其它应用方面的研究其它应用方面的研究（如石英表、其它军、民用等等）（如石英表、其它军、民用等等）给的范的范围大，可根据素材写成小大
41、，可根据素材写成小标题（缩小小综述范述范围）。例如，晶体学在）。例如，晶体学在药物（天然、非天然）分子中物（天然、非天然）分子中的的应用用4 4、以往问题：、以往问题：u 到处乱抄，简单抄袭，无评价。到处乱抄，简单抄袭，无评价。u 不会组织，素材堆积，没有条理。不会组织，素材堆积，没有条理。u 完全跑题，牛头不对马嘴完全跑题，牛头不对马嘴 例如：药物结构与活性：写成药物如何制备。例如：药物结构与活性：写成药物如何制备。 翻译一篇利用翻译一篇利用 NMR等技术研究倍半萜结构。等技术研究倍半萜结构。u 纯粹翻译。纯粹翻译。u 参考文献在文中没有标出参考文献在文中没有标出u 引引用用的的原原话话，思思想想一一定定要要有有出出处处，说说明明来来源源，即即文文中中引引用处标出相应的参考文献号。用处标出相应的参考文献号。课程到此结束，谢谢！课程到此结束，谢谢！
