主题：【史料】结构分子生物的发展（梁栋材）

结构分子生物的发展
梁栋材
(中科院生物物理所，生物大分子国家实验室，北京，100101)


 
    伦琴发现X射线后的一百年间，X射线在物质结构研究上立下了永不磨灭的伟大功绩。1912年劳埃发现晶体的X射线衍射，开创了晶态物质结构的新纪元。仅隔了22年Bernal和Crowfoot在1934年就成功地拍摄到第一张蛋白质 (胃蛋白酶) 单晶体的X射线衍射照片。事隔21年后的1953年Perutz发现了同晶置换法可以解决生物大分子晶体结构测定中的相位问题，从而蛋白质晶体学开始踏上自己发展的伟大历程。在1957年和1959年Kendrew和Perutz分别获得了肌红蛋白和血红蛋白的低分辨率 (6?和5?) 结构，在此期间Watson和Criek共同建立了DNA双螺旋的结构模型。他们的伟大成就为分子生物学奠定了基础。从1957年到1967年的十年里，随着溶菌酶结构之后，胰凝乳蛋白酶A、核糖核酸酶、核糖核酸酶S和羧肽酶也分别获得了高分辨率的结果，表明蛋白质晶体学已经成为一门成熟的学科。从六十年代末进入七十年代，蛋白质晶体学从对生物大分子三维结构测定迈入生物大分子三维结构与其生物学功能之间的关系研究，从而它既是分子生物学研究的有力的重要手段，同时也开始为结构分子生物学的建立和发展历程创造着条件。生物大分子发挥其生物学功能必需具备：(1) 稳定的特征的三维结构，(2) 其三维结构在各个水平上的运动。
    随着学科的交叉渗透和迅速发展，一个极其重要的分支学科--结构分子生物学正在高速发展，并已成为当前生物学中的一个重要前沿学科。结构分子生物学是结构生物学中的一个最重要、最活跃的研究层次，它是在分子层次上从结构角度特别是从三维结构的角度研究和阐明当前生物学中各个前沿领域的重要学科问题。结构分子生物学是一个包括生物、物理、化学和计算数学等多学科交叉的前沿，其中心任务就是生物大分子的结构与其生物功能关系的研究。
    结构分子生物学对生物大分子 (包括多亚基、多分子的复合物及复杂的复合体) 三维结构及其运动的研究手段主要有：X射线晶体衍射--蛋白质晶体学，二维及多维核磁共振谱，电子晶体学及电镜三维重组，中子衍射，其他包括应用傅里叶变换技术的各种谱学方法。他们都各有自身特有的优越性和不足。然而，无论从已测定生物大分子三维结构的数量上、精确度上或其发展潜力上，X射线单晶衍射方法--蛋白质晶体学--至今及可见的将来仍将占统治地位，都是其他手段不可相比的和不可代替的生物大分子三维结构研究手段。八十年代迅速崛起的蛋白质工程及药物设计已充分显示蛋白质晶体学方法是处于不可取代的重要地位，也表明结构分子生物学是生物高技术应用研究的重要前提和保证。
    在结构分子生物学领域中由于学科上的重大突破和杰出成变而荣获诺贝尔奖金的科学家，前后有：F. H. C. Crick和J. D. Watson (1962年生理与医学奖)，M. F. Perutz和J. C. Kendrew (1962年化学奖)，D. C. Hodgkin (1964年化学奖)，A. Klug (1982年化学奖)和R. Huber (1988年化学奖) 等，他们都是蛋白质晶体学家。
    当前结构分子生物学在国际上的发展趋势有如下几个方面的特点：
·    以蛋白质为主要手段的生物大分子三维结构测定在高速度发展。
·    结构分子生物学的迅速兴起和发展，它在近些年来的生物物理学研究中已经毫无疑问地占据了主流的位。
·    结构分子生物学的研究成果越来越受到生命科学各个领域的重视和引用。
·    国际上很多难度高、意义重大的三维结构均是以蛋白质晶体学手段在近几年突破的。
·    结构研究已由单一分子进入研究分子之间相互作用的复合物和分子体系的结构。
·    蛋白质晶体学研究从生物大分子静态 (时间统计) 的结构分析开始进入了动态 (时间分辨) 的结构研究及力学分析。
·    技术和方法高速发展。
·    基础研究不断深入与扩展的同时，应用研究在迅速发展。
·    激烈的竞争机制已打破了传统的学院工的研究体制和格局。