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第一章 绪论 1

第一节 结构生物学时代的兴起 2

第二节 结构生物学的主要研究技术 3

一、X射线晶体学 3

二、电子晶体学与电镜三维重构技术 4

三、多维核磁共振方法 4

四、扫描隧道与原子力显微镜技术 5

第三节 结构生物学研究现状和展望 5

一、生物大分子三维结构的测试在高速发展 6

二、研究技术方面的新进展 7

三、结构生物学与现代药学研究 7

专论篇 13

第二章 蛋白质的结构生物学基础 13

第一节 蛋白质的初级结构 13

第二节 蛋白质的高级结构 15

一、蛋白质的二级结构 16

二、蛋白质的超二级结构和结构域 18

三、蛋白质的三级和四级结构 21

四、蛋白质初级结构与高级结构的关系 22

第三节 蛋白质结构生物学研究进程中的黄金时代 24

第三章 以蛋白酶为靶的合理药物设计 26

第一节 基于酶学机理的药物设计 26

第二节 酶晶体结构对药物设计的指导 29

第三节 以酶为靶的药物设计 30

一、丝氨酸蛋白酶抑制剂的设计 30

二、β-内酰胺水解酶抑制剂的设计 35

三、腺苷同型半胱氨酸水解酶抑制剂的设计 37

四、HIV相关酶抑制剂的设计 40

第四章 受体结构生物学与药物设计 46

第一节 受体的分类与功能 47

一、受体的分类 47

二、受体的功能与特征 48

第二节 受体与药物作用的分子机理 48

第三节 以受体为靶的药物分子设计 50

一、毒蕈碱型胆碱受体激动剂与阿尔茨海默病的研究进展 50

二、血管紧张素Ⅱ受体及拮抗剂的研究进展 53

三、血小板活化因子受体拮抗剂的研究进展 55

第五章 微管蛋白的结构与功能 60

第一节 微管的结构与分布 60

第二节 微管的分子组成 61

一、微管蛋白 61

二、微管相关蛋白质 61

三、微管组织中心 62

第三节 微管蛋白的组装动态 64

第四节 微管的功能 65

一、支持功能 65

二、细胞器的运动功能 66

三、运输功能 67

四、吞噬功能 67

五、参与信号传导 67

第五节 影响微管蛋白聚合与解聚的因素 68

第六节 微管作为抗癌药物作用靶点的研究 69

一、以微管或微管蛋白为靶点的药物及其结合位点 69

二、抗微管药物抑制微管组装动态具有动态特征 70

三、微管蛋白抑制剂的抗肿瘤机制 71

四、小结 71

第六章 核酸的结构生物学基础 73

第一节 核酸的初级结构和基本功能 73

第二节 DNA的高级结构和功能 74

第三节 RNA的高级结构与功能 76

第七章 调控性核酸——反义核酸的结构与功能 82

第一节 反义RNA和反义DNA与反基因策略 83

第二节 三螺旋DNA的形成、结构及功能 84

一、三螺旋DNA的结构及形成的分子机理 85

二、三螺旋DNA结构、构象的表征 85

三、三螺旋DNA的功能 86

四、提高三链DNA的稳定性与多肽核酸 87

第八章 酶性核酸的结构及其生物学意义 90

第一节 天然酶性核酸的类型、结构及生物功能 90

第二节 酶性核酸催化作用的分子机理 91

第三节 HH型酶性核酸的设计 92

第四节 HH型酶性核酸的化学修饰 93

第五节 非经典的化学键修饰酶性核酸研究新进展 93

一、微型酶性核酸的合成 93

二、多位点酶性核酸的研究 94

三、酶性核酸转导研究 94

第九章 G-四链体核酸的结构及其生物学功能 96

第一节 G-四链体的结构 96

一、四分体 96

二、G-四链体结构的多形性 97

第二节 G-四链体可能的生物学功能 103

一、G-四链体与端粒 104

二、G-四链体的其他生物学功能 107

三、G-四链体结合蛋白 107

第三节 G-四链体在药物设计方面的应用 108

一、以G-四链体为靶点的端粒酶抑制剂 108

二、作为HIV整合酶抑制剂 117

第十章 核酸与蛋白质的相互作用 122

第一节 核酸与蛋白质间的作用力 122

一、静电作用 122

二、氢键 122

三、疏水作用 123

四、色散力 123

第二节 核酸与蛋白质相互作用的分子基础 124

一、核酸与蛋白质的识别 124

二、水在核酸蛋白质相互作用中的作用 124

三、二聚化和协同性 125

第三节 蛋白质中的核酸结合基序 125

一、螺旋-转角-螺旋 125

二、锌指结构 126

三、亮氨酸拉链 128

四、SPXX序列 128

五、螺旋-环-螺旋结构 129

六、带-螺旋-螺旋基序 129

七、核糖核蛋白结构域 129

第四节 研究蛋白质核酸相互作用的技术 129

一、鉴定与蛋白质结合的核酸序列的技术 129

二、核酸结合蛋白的纯化方法 131

第五节 非特异性相互作用 131

一、真核生物的核小体 131

二、非序列特异性核酸酶 132

三、DNA聚合酶Ⅰ 133

第六节 特异性相互作用 134

一、阻遏蛋白 134

二、分解代谢物激活蛋白（CAP） 134

第七节 蛋白质工程与药物分子设计 135

一、蛋白质的改性与分子设计 135

二、基于生物大分子结构的药物设计 136

三、蛋白质结构预测与药物分子设计 137

四、利用体外核酸筛选方法进行药物设计 137

第十一章 基于HIV结构生物学的药物研究之一 139

第一节 HIV的基本结构和生命周期 139

一、HIV基本结构 139

二、HIV的生命周期 141

第二节 Tat蛋白和TARRNA相互作用作为抗HIV药物的结构基础 142

第三节 以Tat-TAR RNA相互作用为基础的HIV-1抑制剂 144

一、以TAR RNA的三核苷酸突起区为靶 144

二、同时以三核苷酸突起区和环区为靶 146

三、仅以TAR RNA的环区为靶 148

四、以Tat蛋白为靶 148

五、反义核酸类及拟肽类抑制剂 148

第十二章 基于HIV结构生物学的药物研究之二 152

第一节 HIV-1衣壳蛋白的结构、组装机理及抑制剂 152

第二节 TRIM5α在HIV-1生命周期中的作用 155

一、TRIM5α结构及功能 155

二、TRIM5α抗逆转录病毒的作用机理 156

第三节 人工合成的HIV衣壳蛋白抑制剂 158

第四节 人亲环蛋白A结构、生物学功能及其抑制剂 161

一、人亲环蛋白A多肽类天然产物抑制剂 162

二、人亲环蛋白A小肽类及拟肽类抑制剂 163

三、人亲环蛋白A非肽类小分子抑制剂 164

第十三章 小分子药物对核酸三维结构的识别 170

第一节 小分子药物与DNA的识别与作用方式 171

一、共价结合 171

二、非共价结合 173

第二节 小分子药物与DNA作用的特异性研究 183

一、小分子药物与DNA作用的碱基特异性 183

二、小分子药物与DNA作用的序列特异性 184

三、提高药物与DNA作用的序列特异性的方法——药物-寡核苷酸偶合物的设计 184

第十四章 模拟DNA结构与复制的分子自组装 187

第一节 分子自组装与DNA复制 187

第二节 DNA碱基间作用力的模拟 187

第三节 DNA复制模板的结构因素 189

第四节 DNA模板的模拟设计 191

第五节 分子自组装与DNA复制机理探究 195

第十五章 生物膜的结构生物学 199

第一节 生物膜的概念和结构 199

一、生物膜的定义 199

二、细胞膜的化学组成 200

三、膜脂和膜蛋白的相互作用 205

四、疏水效应 205

第二节 细胞膜的模型 206

一、流动镶嵌模型 206

二、晶格镶嵌模型和板块镶嵌模型 207

三、脂的构象和多形性 207

第三节 细胞膜的功能 209

一、细胞膜的屏障作用 209

二、细胞膜的物质运输作用 209

三、细胞膜的受体作用 213

四、细胞膜的融合作用 214

五、细胞膜的信息传递作用 215

第四节 细胞内膜系统的结构与功能 217

一、线粒体膜 217

二、内质网膜 217

三、高尔基复合体 218

四、溶酶体 218

五、核膜 219

第五节 细胞膜的组装 220

一、膜脂插入膜的组装 220

二、膜蛋白插入膜的组装 220

第六节 药物与细胞膜 222

第十六章 糖的结构、功能与糖及其模拟物的组合合成 225

第一节 糖的结构 225

一、糖复合物中单糖的结构 225

二、寡糖链的结构 225

三、寡糖链结构测定的一些新进展 228

第二节 糖的生物学功能简介 229

第三节 糖的组合合成 231

一、糖的液相组合合成 232

二、糖的固相组合合成 234

三、程序化的“一釜合成法”组装寡糖库 237

第四节 糖模拟物的组合合成 239

一、糖模拟物的液相组合合成 239

二、糖模拟物的固相组合合成 241

第五节 糖或糖模拟物库的分析和筛选 244

一、分析方法简介 244

二、活性筛选方法简介 245

方法与技术篇 251

第十七章 核磁三共振技术在研究蛋白质结构中的应用 251

第一节 三共振实验 251

一、三共振实验的命名 252

二、三共振实验分类 252

三、三共振实验图谱的解析 253

四、实用的三共振实验对 254

五、三维三共振实验的脉冲序列 254

六、四维三共振实验 267

七、维数减少的三共振实验 270

第二节 NMR技术的发展和应用前景 271

第十八章 NMR测定溶液中蛋白质结构的计算方法 274

第一节 计算蛋白质结构所需的NMR实验数据 275

第二节 蛋白质三维结构计算的一般方法 279

一、计算蛋白质结构NOESY法的理论基础 280

二、二面角约束的计算 283

三、估算NOESY距离约束的各种方法 284

四、二级结构的约束 285

五、其他类型实验数据的约束 285

第三节 蛋白质结构的计算 285

第四节 蛋白质分子NOESY谱归属及结构的自动化确认和计算 292

第五节 蛋白质NMR测定结果质量分析 294

第十九章 多维核磁共振技术在研究核酸分子结构中的应用 298

第一节 DNA和RNA样品的合成 298

第二节 核酸分子的结构单元和参数 299

一、核酸分子的结构单元 299

二、核酸分子中质子之间距离的定义 300

三、核酸分子中质子之间的距离 300

第三节 NMR样品的制备 301

第四节 核酸分子中核磁共振化学位移的归属 302

一、非标定核酸核磁共振化学位移的归属 302

二、标定核酸核磁共振化学位移的归属 306

第二十章 晶体学方法之一 321

第一节 晶体及晶体X射线衍射的基础理论 321

一、晶体的结构特点 321

二、晶体的X射线衍射及晶体的衍射方向 322

第二节 生物大分子的晶体培养 323

一、蛋白质晶体的形成 323

二、影响蛋白质晶体生长的因素 323

三、蛋白质晶体的生长方法 324

四、蛋白质晶体的初步鉴定和挑选 328

第三节 蛋白质晶体的X射线衍射结构分析 328

一、相角和帕特森函数 328

二、蛋白质晶体结构中解相角的方法 329

三、电子密度 330

四、精修 331

第四节 晶体结构的表达 332

一、键长的计算 332

二、键角的计算 333

第五节 晶体的中子衍射 334

第二十一章 晶体学方法之二 336

第一节 “科学之眼”的诞生 336

第二节 电镜三维重构的理论基础 337

第三节 蛋白质电子晶体学研究技术 339

一、二维晶体的特征 339

二、二维晶体的获得 340

三、电子显微镜（电镜）样品的制备 340

四、衍射信息的收集和数据的处理 341

第四节 低温电镜技术在生物大分子结构研究中的应用 342

一、DNA分子结构的研究 342

二、蛋白质三维结构的解析 342

第二十二章 显微学方法之一 345

第一节 激光扫描共聚焦显微镜的工作原理、基本结构及基本功能 345

第二节 激光扫描共聚焦显微术在生物医学及药学研究中的应用 349

一、原位鉴定细胞或组织内生物大分子，观察细胞及亚细胞形态结构 349

二、活细胞或组织功能的实时动态监测 356

三、药物的作用机理研究 358

第二十三章 显微学方法之二 361

第一节 原子力显微镜的工作原理和基本结构 361

第二节 原子力显微镜的工作模式 363

第三节 原子力显微镜的优点和实验有关的问题 364

第四节 原子力显微镜在结构生物学中的应用 364

一、原子力显微镜用于DNA细微结构成像 365

二、二价金属离子对DNA凝聚态的影响 366

三、血纤维蛋白质聚合过程的研究 367

四、铁调节蛋白质Fur和气杆菌DNA碎片相互作用的原子力显微镜研究 368

五、原子力显微镜研究稀土离子Gd3＋对细胞膜的表面形态的影响 370

第二十四章 波谱学在结构生物学中的应用 372

第一节 圆二色光谱 372

一、基本概念 372

二、活性物质 374

三、圆二色波谱的计算 374

四、圆二色性应用于生物大分子的构象研究 378

五、CD谱用于生物大分子构象的测定实例 378

第二节 红外和拉曼波谱技术 380

一、红外波谱的分类 380

二、傅里叶变换红外光谱技术 381

三、拉曼光谱技术 382

四、红外与拉曼光谱技术的比较 384

五、应用举例 385

第三节 电子顺磁共振波谱技术 389

一、电子顺磁共振波谱技术的基本原理 389

二、自旋标记电子顺磁共振 393

三、自旋标记ESR技术的应用举例 397

第二十五章 生物传感技术——表面等离子共振技术 402

第一节 表面等离子共振原理 402

一、基本物理光学原理 402

二、表面等离子共振仪的光学原理 403

第二节 表面等离子共振仪的组成及工作原理 404

一、Biacore3000的工作单元 405

二、温度控制 407

三、表面等离子共振仪的传感芯片 407

第三节 表面等离子共振技术在研究药物与核酸相互作用方面的应用及方法 411

一、实验介绍 413

二、实时测量药物与核酸分子之间相互作用动力学参数的原理 413

第二十六章 双向电泳在蛋白质研究中的应用 416

第一节 双向电泳的原理 416

第二节 双向电泳的方法 417

一、样品制备 417

二、等电聚焦 417

三、SDS-PAGE电泳 417

四、结果分析与处理 418

第三节 双向电泳技术的应用 418

第二十七章 高内涵筛选与高内涵分析技术 421

第一节 高内涵筛选的概念和优势 421

第二节 高内涵筛选系统的组成 422

第三节 用于HCS筛选与分析中的荧光染料与探针 425

第四节 HCS的应用 426

一、药物对细胞毒性作用的检测 426

二、药物对细胞增殖的影响 428

三、信号转导通路的研究 429

四、HCS对药物的神经生长活性评价 431

五、G蛋白偶联受体与钙离子通道检测 431

六、肿瘤细胞多药耐药逆转剂的检测 432

七、HCS与RNA干扰 432

第二十八章 计算机辅助技术在生物大分子结构模拟与功能研究中的应用 435

第一节 计算机技术在蛋白质结构与功能研究中的应用 435

一、蛋白质结构预测 435

二、蛋白质分子对接 438

三、蛋白质的分子动力学模拟 439

第二节 核酸结构的计算机分子动力学模拟与功能研究 442

一、正常反义寡核苷酸双链的分子动力学研究 443

二、化学修饰的反义寡核苷酸双链的分子动力学研究 446

第三节 基于生物网络的药物设计 448

一、系统生物学与药物设计 449

二、基于网络的药物设计 451