核磁共振原理及其在
生物学中的应用
核磁共振在
生物学中的应用
NMR在生物大分子上的应用
? 蛋白质三维结构测定,原子分
辨率下的结构与功能研究
? 分子柔性与运动性
? 复合物结构测定,分子识别
? 膜蛋白
? 溶液,不需要结晶
核磁共振在生物科学
中的主要应用
?测定生物大分子空间结构
?研究生物大分子与配基的相互作用
?测定生物大分子的动力学性质
?跟踪蛋白质的折叠过程,捕获折叠过程中瞬态中
间物
?测定可滴定基团的解离常数
?测量溶液中分子的扩散系数
?研究酶反应机理
?跟踪活细胞的代谢过程
?用于医学成像以及神经科学中的脑功能成像
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
蛋白质三维结构测定,原子分辨
率下的结构与功能研究
复合物结构测定,分子识别
TROSY-based
NMR study of
the interface of
the 64 kDa
complex formed
by the B domain
of protein A (FB)
and an Fc
fragment of
immunoglobulin
G (Fc).Current Opinion
in Structural
Biology 2003,
13:570–580
www.current-
opinion.com
NMR analysis of a 900K
GroEL GroES complex.
? Nature,2002 Jul 11;418(6894):207-11
? Fiaux J,Bertelsen EB,Horwich AL,
Wuthrich K.
two-dimensional [15N,1H]-
CRIPT-TROSY2
膜蛋白
? 受体，离子通道 药物作用靶点
? PDB 数据库中 < 30个膜蛋白,
? ~16000水溶性蛋白
? 人 ~36000个基因
? ~10万个蛋白质
? 真核细胞中 ~30% 膜蛋白
? < 0.2%膜蛋白结构已知
膜蛋白结构
? 蛋白质晶体学,电镜三维重构
? NMR 小肽 <50 残基,蛋白质
? 在去垢剂形成的微胶囊 (micelles)中,液体
NMR
? 在去垢剂或脂形成的双层微胶囊 (bicelles)
中,液体 NMR
? 在脂形成的脂双层 (bilayers),
? 固体 NMR
2H,13C,1
5N-
labeled
integral
membran
e protein
OmpX in
DHPC
micelles,
a 60 kDa
complex
that is
shown
schemati
cally in
the inset
in
蛋白质动力学
? 蛋白质运动性和功能有密切关系
? 酶的柔性运动性与酶反应机理
?
? NMR弛豫时间
? 1H/2D 交换速率
药物设计和筛选
? 高通量筛选
Chemical-shift mapping,a | Conventionalchemical-shift
mapping of part of the [13C,1H]-correlation spectrum of the
enzyme dihydrodipicolinate reductase (DHPR),which is a
120-kDa homotetrameric protein,On binding of the(NOESY)6
represents the substrate analogue pyridine-2,6-dicarboxylate
(PDC),
药物设计和筛选
?设计，筛选结合
?SAR－ By-NMR
药物筛选
NATURE REVIEWS | DRUG DISCOVERY
VOLUME 1 | MARCH 2002 | 211
SHAPES
蛋白质折叠 –去折叠研究
? Schematic diagram summarizing the roles of unfolded,partially
folded proteins,and misfolded proteins in biology.
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
捕获折叠过程中瞬态中间物
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
用 NMR连续监测蛋白质复性过程
? Stopped-flow 19F NMR spectra of the refolding of 6-19F-tryptophan
labeled Escherichia coli dihydrofolate reductase following dilution from
5.5 to 2.75 M urea at 5 ?C in the presence of 3.8 mM NADP+
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
平衡常数测量
A B ABk k? ? ?? ?
?1 1,
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
围棋高级认知功能的 fMRI研究
1.围棋 -高级智能 中华文化瑰宝 2.专业棋手 -高级智能学习
3.围棋 -象棋比较, 为人工智能提供启示
国际象棋：计 算 机 -战胜 -世界冠军
围 棋：业余棋手 -战胜 -计 算 机
反射
镜
BLANK 30sec RANDOM 30sec GAME 30sec
A,(上 )围棋 B.（ 下）国际象棋的 fMRI 结果
围棋与国际象棋的区别：较强的激活 围棋 -右侧，国际象棋 -左侧。
有证据表明, 右半球参与整体水平加工, 本结果提示：
围棋 --更依赖于 -整体水平加工,国际象棋 --更注重于 -局部计算。
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
-4
-2
0
2
4
6
B O L D s i g n a l t i m e c o u r s e i n l e f t a n d r i g h t B A 7
B
O
L
D
s
ig
n
a
l
c
h
a
n
g
e
(
%
)
T i m e ( s )
Le ft
R ight
Genome,Proteome,
Metabolomics,Systems Biology
构建数学模型
METAFoR (metabolic flux
ratio)
analysisthe active central carbon pathways
and the ratios of their fluxes
can be directly determined from
two-dimensional (2D) nuclear magnetic
resonance (NMR) analysis of hydrolyzed
cell protein
各种片断的相对丰度
生物学中的应用
核磁共振在
生物学中的应用
NMR在生物大分子上的应用
? 蛋白质三维结构测定,原子分
辨率下的结构与功能研究
? 分子柔性与运动性
? 复合物结构测定,分子识别
? 膜蛋白
? 溶液,不需要结晶
核磁共振在生物科学
中的主要应用
?测定生物大分子空间结构
?研究生物大分子与配基的相互作用
?测定生物大分子的动力学性质
?跟踪蛋白质的折叠过程,捕获折叠过程中瞬态中
间物
?测定可滴定基团的解离常数
?测量溶液中分子的扩散系数
?研究酶反应机理
?跟踪活细胞的代谢过程
?用于医学成像以及神经科学中的脑功能成像
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
蛋白质三维结构测定,原子分辨
率下的结构与功能研究
复合物结构测定,分子识别
TROSY-based
NMR study of
the interface of
the 64 kDa
complex formed
by the B domain
of protein A (FB)
and an Fc
fragment of
immunoglobulin
G (Fc).Current Opinion
in Structural
Biology 2003,
13:570–580
www.current-
opinion.com
NMR analysis of a 900K
GroEL GroES complex.
? Nature,2002 Jul 11;418(6894):207-11
? Fiaux J,Bertelsen EB,Horwich AL,
Wuthrich K.
two-dimensional [15N,1H]-
CRIPT-TROSY2
膜蛋白
? 受体，离子通道 药物作用靶点
? PDB 数据库中 < 30个膜蛋白,
? ~16000水溶性蛋白
? 人 ~36000个基因
? ~10万个蛋白质
? 真核细胞中 ~30% 膜蛋白
? < 0.2%膜蛋白结构已知
膜蛋白结构
? 蛋白质晶体学,电镜三维重构
? NMR 小肽 <50 残基,蛋白质
? 在去垢剂形成的微胶囊 (micelles)中,液体
NMR
? 在去垢剂或脂形成的双层微胶囊 (bicelles)
中,液体 NMR
? 在脂形成的脂双层 (bilayers),
? 固体 NMR
2H,13C,1
5N-
labeled
integral
membran
e protein
OmpX in
DHPC
micelles,
a 60 kDa
complex
that is
shown
schemati
cally in
the inset
in
蛋白质动力学
? 蛋白质运动性和功能有密切关系
? 酶的柔性运动性与酶反应机理
?
? NMR弛豫时间
? 1H/2D 交换速率
药物设计和筛选
? 高通量筛选
Chemical-shift mapping,a | Conventionalchemical-shift
mapping of part of the [13C,1H]-correlation spectrum of the
enzyme dihydrodipicolinate reductase (DHPR),which is a
120-kDa homotetrameric protein,On binding of the(NOESY)6
represents the substrate analogue pyridine-2,6-dicarboxylate
(PDC),
药物设计和筛选
?设计，筛选结合
?SAR－ By-NMR
药物筛选
NATURE REVIEWS | DRUG DISCOVERY
VOLUME 1 | MARCH 2002 | 211
SHAPES
蛋白质折叠 –去折叠研究
? Schematic diagram summarizing the roles of unfolded,partially
folded proteins,and misfolded proteins in biology.
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
捕获折叠过程中瞬态中间物
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
用 NMR连续监测蛋白质复性过程
? Stopped-flow 19F NMR spectra of the refolding of 6-19F-tryptophan
labeled Escherichia coli dihydrofolate reductase following dilution from
5.5 to 2.75 M urea at 5 ?C in the presence of 3.8 mM NADP+
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
平衡常数测量
A B ABk k? ? ?? ?
?1 1,
核磁共振基本原理 -引言
吴季辉
围棋高级认知功能的 fMRI研究
1.围棋 -高级智能 中华文化瑰宝 2.专业棋手 -高级智能学习
3.围棋 -象棋比较, 为人工智能提供启示
国际象棋：计 算 机 -战胜 -世界冠军
围 棋：业余棋手 -战胜 -计 算 机
反射
镜
BLANK 30sec RANDOM 30sec GAME 30sec
A,(上 )围棋 B.（ 下）国际象棋的 fMRI 结果
围棋与国际象棋的区别：较强的激活 围棋 -右侧，国际象棋 -左侧。
有证据表明, 右半球参与整体水平加工, 本结果提示：
围棋 --更依赖于 -整体水平加工,国际象棋 --更注重于 -局部计算。
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360
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Genome,Proteome,
Metabolomics,Systems Biology
构建数学模型
METAFoR (metabolic flux
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analysisthe active central carbon pathways
and the ratios of their fluxes
can be directly determined from
two-dimensional (2D) nuclear magnetic
resonance (NMR) analysis of hydrolyzed
cell protein
各种片断的相对丰度
