题目二
结构生物学 xxx
（2011级生物科学基地班 学号：xxxxxxxxx）
摘要：本文主要从结构生物学的本质、研究领域、发展历程、面临困境以及突破的办法、个人认识等方面简要介绍笔者对于结构生物学的看法。
关键词：结构生物学 困难 发展趋势 未来展望 努力方向 引言：“21世纪是生命科学的时代”，诚然，上世纪末生物学欣欣向荣、发展迅猛，基因工程、蛋白质工程等给农业、医药和化工等领域带来革命，经济、社会效益不可预测。著名的克隆技术、基因组计划更是为解开人类生老病死的密码投来一线曙光。以尖端物理学发展为龙头的20世纪过去后，生物学在21世纪能否继续“笑傲江湖”？作为生命科学重要的研究领域，结构生物学又将面临什么样的困境和机遇呢？
本质：结构生物学是以研究生物大分子的特定空间结构及大分子结构的特定运动与其生物学功能的关系为基础，阐明生命现象的学科。结构决定功能，不但对于化学上的原子、小分子如此，在生命现象中，一些生物大分子的功能也是由其特定的结构所决定的。我们现在所研究的生命现象，都应该归结于特定的生物分子结构。结构生物学虽然也研究核酸，但其核心是研究特殊分子的性质以及分子间的相互作用，尤其是膜蛋白的拓扑学、蛋白质的二级结构中残基的接近和移动以及蛋白质的三级折叠，以及与它们与正常生物学功能和异常病理现象的关系。
诞生的科学背景：
19世纪后半叶至20世纪出生物学的发展
——孟德尔遗传定律的建立
——发现DNA是遗传物质
——酶学的发现
生物学研究的进展迫切需要揭示核酸和蛋白质的结构和功能
19世纪末20世纪初物质结构理论和技术的发展
——量子力学、量子化学、化学键理论、分子轨道理论
——X射线结构分析，原子光谱，分子光谱，磁共振谱，光电子能谱
——理论和技术的进展已经可以测定无机和有机小分子化合物的结构，生物大分子结构与功能研究提上日程。
发展历程：
一路走来，历经无数科学家的努力，结构生物学研究逐渐走向成熟，结构生物学的发展大致经过以下几个阶段：
结构生物学的诞生（-1957），结构生物学起源于上世纪五十年代，众所周知的
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Watson 、Crick 发现了 DNA双螺旋结构，建立DNA的双螺旋模型。这为结构生物学的萌芽奠定了基础和必要条件。
早期发展（1957-1967），60年代开文迪许实验室的M.Perutz 用X-射线晶体衍射技术获得了球蛋白的结构。由于X射线晶体衍射技术的应用，使我们可以在晶体水平研究大分子的结构，在分子原子基础上解释了大分子.从那时起，技术的发展就成为结构生物学发展最重要的决定因素。
全面发展时期（1967-1987），60到70 年代，在同一实验室的他们又发展了电子晶体学技术 ，当时的研究对象主要是有序的，对称性高的生物体系，如二维的晶体和对称性很高的三维晶体。70-80年代 ，多维核磁共振波谱学的发明使得在水溶液中研究生物大分子成为可能，水溶液中的生物大分子更接近于生理状态。
加速发展时期（1987-2000），80年代到本世纪初，冷冻电子显微镜的发明，这种技术的发明使我们不仅能够研究生物大分子在晶体状态和溶液状态的结构，而且能够研究研究复杂的大分子体系或者超分子体系，这就是细胞器和细胞.可见结构生物学的发展过程经历了从结晶到溶液再到大分子体系，超分子体系，如核糖体，病毒，线粒体等。
后基因组时期（2000-至今），结构生物学与基因组学的交叉促成了一个新的学科领域：结构基因组学。
NMR
突破领域及面临困难：
从结构生物学的发展历史看，物理学上的进步，尤其是X射线衍射、核磁共振等技术的进步，以及近年的冷冻电镜的投入使用都为结构生物学取得突破性的发展奠定了基础。例如，要准确的研究一个生物大分子的结构，首先要把它纯化出来，纯化率的高低又是多少呢？这个也靠化学上技术的进步，特别是一些仪器的研制。所以，难怪有人说，结构生物学不是生物学了。物质在结晶时，也不是想象的那样简单，一些原理直到现在我们都不清楚，结晶大分子就只有靠运气了。所以又有人说，结构生物学不是科学了。但是，物质的结构决定了它的功能，如果我们不从结构上解释生命现象，就很难自圆其说，很难使人信服。这些结构生物学发展的瓶颈是不能靠生物学上的进步来解决的。应该说，是要物理、化学上的进步来促进生物学的发展。结构生物学本来就是一个交叉学科，它包含了物理、化学方面的很多知识。
近年来，清华大学的结构生物学中心进展很大，这与它仪器的先进是分不开的。清华大学结构生物学中心综合了其相关院系间较为松散的合作方式，带动了生命和医学相关学科的发展，它的目标是通过培养具有生物、医学、化学、物理等多学科背景的复合型人才，适应社会日益增长的对生命科学综合性人才的需求。由此看来，结构生物学的发展在于物理、化学的推动，医学上的需求。当然，最后都要归结于生命现象的本质。 技术决定了科学的进步，在结构生物学这里十分突出。
但是，结构生物学还是要扣到生物两个字上去。研究结构的最终目的是研究生命现象，而不是为了结构而结构。结构生物学在生物学里的地位一直很尴尬，很多生物学家认为结构生物学家不是真正的科学家,而顶多是实验员。这种评价虽然失之偏颇，但也不无道理。很多从物理、化学改行的搞结构的确实缺乏生物方面的系统训练，很多就是为了结构而结构。而原本搞生物的又都视结构生物学为畏途，因为很多物理，化学的东西不好懂。但是结构基因组计划改变了一切。高通量、自动化技术的发展使得很多蛋白质结构的解析不再是结构生物学的的专利。解结构也不再是一个神秘的事情，没有经过什么正规结构生物学训练的人，操作一下仪器，使用一下软件，也能解结构了。结构生
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物学似乎变成了一个纯粹的技术，而不是科学研究了。所以，结构生物学，不能说它不是科学、不是生物学，它应该是培养复合型人才的一个平台。
总的来说，现在结构生物学很热门，但也非常枯燥，常规的X衍射测定结构需要蛋白结晶，可是很多蛋白很难结晶，尤其是膜蛋白；比较有前景的复合体蛋白结构测定也面临样品制备困难的难题；另外生物学问题的解决才是生物学研究的核心，过去结构生物学是拿个蛋白测出来就是一篇好文章，甚至cell，以后越来愈倾向于一些比较有重大意义的蛋白复合体结构的测定，问题是这样的东西难得制备，随着做的人的增多，这块也面临好的研究对象越来越少的局面，毕竟结构生物学研究主要是提供进一步研究的素材或是对已有的研究可以起到较好的补充，填补空白，但是这也需要结构生物学家具备较好的生物学家素养，可以自己提出很多问题，并用结构解析来解释，问题是两方面能力都具备的太少了。总之，先进的仪器和理论方法以及有恒心和毅力的高素质人才都是结构生物学急需解决的难题
发展趋势：随着人类基因组计划大规模基因测序工作接近尾声，生命科学进入后基因组时代，研究重心从揭示生命的所有遗传信息转移到在分子整体水平对功能的研究上。结构生物学也迎来了发展的新台阶，未来结构生物学将占据生命科学研究的战略性重要地位。其目标与任务也明朗化，主要开展规模化的基因克隆与表达、表达产物 ——蛋白质的分离纯化、类型新颖的（即无序列同源性的）蛋白质的三维结构测定，在这些基础上，根据蛋白质的氨基酸序列预测其三维结构，微结晶的大规模、高通量和自动化，为蛋白质功能研究和创新药物研究奠定基础。预计结构生物学主要有以下的发展动态：
结构基因组学将积极展开与国际协作；
实现快速、自动、批量结构测定，复杂结构和动态过程研究将成为热点；
查明“构象病”的结构机理，开辟防治相关疑难病症的新途径；
批量发现药物靶标，基于结构的理性药物设计渐成创新药物主流。
众所周知，结构生物学是一门交叉学科，涉及到生物化学，物理学，计算生物学等多个领域，其发展也将促进许多新兴学科的发展，比如功能基因组学，比较基因组学，蛋白质组学，结构基因组学，医学基因组学，生物信息学等。特别是结构基因组学更是具有划时代的意义，它是一轮大规模的国际合作计划——规模化的测定蛋白质、RNA及其他生物分子的三维结构。这是围绕生命科学、新药物研究的基础性、前瞻性、战略性的工作。三维结构的合理药物设计与组合化学以及高通量筛选结合引起了医药工业新的革命，基于蛋白质和酶空间结构的药物设计是新药开发的重要手段，这必将给医药工业带来跨越式的进步。
个人认识与努力方向：现在比较流行的一种观点是，学生物的孩子“没前途”，“没钱途”，很多生物专业都已位居就业红牌榜首。尤其是结构生物学的基础理论比较难学，需要长时间的学习才能真正掌握。等你花了几年年时间学成了，突然发现什么都自动化了，就像一个核磁共振仪，你在这边摁一下按钮，那边结构就出来了，学的那些还有什么用？博士真的就成了一个实验员了。膜蛋白主要的问题是分离纯化，以及样品制备，和结构生物学本身其实关系不大。搞结构生物学的方法，其实就是搞物理，什么量子力学，马尔可夫，贝塞尔，蒙特卡诺，群论，看着就让人头疼。
挑战总是与机遇并存，一切科学发展都是为了人类的健康生活，为了与自然和谐共存。科学家预测，生命科学到2015年会取得革命性进展。这些进展可以帮助人类解决很多目前无法医治的疾病的治疗问题，彻底消除营养不良，改善食品的生产方式，消除各种污染，延长人类寿命，提高生命质量，为社会安全和刑侦提供新的手段。有些成果还可以帮助人类加速植物和动物的人工进化以及改善生态环境对人类的影响等。产生新
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的有机生命的研究也会取得进展。由于结构生物学的是一个涉及到大分子X射线晶体学、多为核磁共振波普学、大分子计算机模拟技术、电子晶体学和电镜三维重构等多个领域的交叉学科，结构生物学的进步，必将带动很多物理、化学技术的进步，甚至是理论的进步。结构生物学家也不应该是技术人员，而是有很厚科学素养的复合型人才。
作为一名生科的学生，在了解生物专业面临的挑战之后，也应了解它带来的机遇。从投资回报看，生物学有客观的长期收益，从业越久，收获就越丰富。特别是作为生物学领军学科的结构生物学更是具有潜在的发展空间。准备在结构生物学领域发展的同学应积极主动地学习一些生物化学、物理学、计算生物学等与生物学研究密切相关的学科知识，多看文献，博览群书是好，但更应选择性阅读。利用图书馆和网站资源，时刻关注生物学科的前沿动态。同时应培养良好的实验室操作能力，切忌集成不规范的习惯，勤于动手，提高撰写实验报告的能力，严禁篡改实验数据，新成果总是来自不经意和偶然，为了与前人的实验数据吻合很有可能扼杀了一次重大的发现„„
敢问路在何方？路——在脚下！面对外界的众多质疑，我们应坚定自己的立场，任何一个领域都需要潜心经营。是金子，在哪里都会发光！天下没有免费的午餐，任何一项科研成果，都是历经数以千万次的探究，甚至有时候研究了也不一定有结果，这更需要我们摆正心态，积极面对！当然，如果你没有兴趣和信心，趁早找到适合自己的领域也是好的„„
参考文献：
【结构生物学 】 梁毅 科学出版社
【结构生物学概论】 杨铭 北京医科大学出版社
【结构分子生物学】 刘次权 白春礼等 高等教育船板社
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结构生物学 xxx
（2011级生物科学基地班 学号：xxxxxxxxx）
摘要：本文主要从结构生物学的本质、研究领域、发展历程、面临困境以及突破的办法、个人认识等方面简要介绍笔者对于结构生物学的看法。
关键词：结构生物学 困难 发展趋势 未来展望 努力方向 引言：“21世纪是生命科学的时代”，诚然，上世纪末生物学欣欣向荣、发展迅猛，基因工程、蛋白质工程等给农业、医药和化工等领域带来革命，经济、社会效益不可预测。著名的克隆技术、基因组计划更是为解开人类生老病死的密码投来一线曙光。以尖端物理学发展为龙头的20世纪过去后，生物学在21世纪能否继续“笑傲江湖”？作为生命科学重要的研究领域，结构生物学又将面临什么样的困境和机遇呢？
本质：结构生物学是以研究生物大分子的特定空间结构及大分子结构的特定运动与其生物学功能的关系为基础，阐明生命现象的学科。结构决定功能，不但对于化学上的原子、小分子如此，在生命现象中，一些生物大分子的功能也是由其特定的结构所决定的。我们现在所研究的生命现象，都应该归结于特定的生物分子结构。结构生物学虽然也研究核酸，但其核心是研究特殊分子的性质以及分子间的相互作用，尤其是膜蛋白的拓扑学、蛋白质的二级结构中残基的接近和移动以及蛋白质的三级折叠，以及与它们与正常生物学功能和异常病理现象的关系。
诞生的科学背景：
19世纪后半叶至20世纪出生物学的发展
——孟德尔遗传定律的建立
——发现DNA是遗传物质
——酶学的发现
生物学研究的进展迫切需要揭示核酸和蛋白质的结构和功能
19世纪末20世纪初物质结构理论和技术的发展
——量子力学、量子化学、化学键理论、分子轨道理论
——X射线结构分析，原子光谱，分子光谱，磁共振谱，光电子能谱
——理论和技术的进展已经可以测定无机和有机小分子化合物的结构，生物大分子结构与功能研究提上日程。
发展历程：
一路走来，历经无数科学家的努力，结构生物学研究逐渐走向成熟，结构生物学的发展大致经过以下几个阶段：
结构生物学的诞生（-1957），结构生物学起源于上世纪五十年代，众所周知的
2012-12-25 - 1 -
Watson 、Crick 发现了 DNA双螺旋结构，建立DNA的双螺旋模型。这为结构生物学的萌芽奠定了基础和必要条件。
早期发展（1957-1967），60年代开文迪许实验室的M.Perutz 用X-射线晶体衍射技术获得了球蛋白的结构。由于X射线晶体衍射技术的应用，使我们可以在晶体水平研究大分子的结构，在分子原子基础上解释了大分子.从那时起，技术的发展就成为结构生物学发展最重要的决定因素。
全面发展时期（1967-1987），60到70 年代，在同一实验室的他们又发展了电子晶体学技术 ，当时的研究对象主要是有序的，对称性高的生物体系，如二维的晶体和对称性很高的三维晶体。70-80年代 ，多维核磁共振波谱学的发明使得在水溶液中研究生物大分子成为可能，水溶液中的生物大分子更接近于生理状态。
加速发展时期（1987-2000），80年代到本世纪初，冷冻电子显微镜的发明，这种技术的发明使我们不仅能够研究生物大分子在晶体状态和溶液状态的结构，而且能够研究研究复杂的大分子体系或者超分子体系，这就是细胞器和细胞.可见结构生物学的发展过程经历了从结晶到溶液再到大分子体系，超分子体系，如核糖体，病毒，线粒体等。
后基因组时期（2000-至今），结构生物学与基因组学的交叉促成了一个新的学科领域：结构基因组学。
NMR
突破领域及面临困难：
从结构生物学的发展历史看，物理学上的进步，尤其是X射线衍射、核磁共振等技术的进步，以及近年的冷冻电镜的投入使用都为结构生物学取得突破性的发展奠定了基础。例如，要准确的研究一个生物大分子的结构，首先要把它纯化出来，纯化率的高低又是多少呢？这个也靠化学上技术的进步，特别是一些仪器的研制。所以，难怪有人说，结构生物学不是生物学了。物质在结晶时，也不是想象的那样简单，一些原理直到现在我们都不清楚，结晶大分子就只有靠运气了。所以又有人说，结构生物学不是科学了。但是，物质的结构决定了它的功能，如果我们不从结构上解释生命现象，就很难自圆其说，很难使人信服。这些结构生物学发展的瓶颈是不能靠生物学上的进步来解决的。应该说，是要物理、化学上的进步来促进生物学的发展。结构生物学本来就是一个交叉学科，它包含了物理、化学方面的很多知识。
近年来，清华大学的结构生物学中心进展很大，这与它仪器的先进是分不开的。清华大学结构生物学中心综合了其相关院系间较为松散的合作方式，带动了生命和医学相关学科的发展，它的目标是通过培养具有生物、医学、化学、物理等多学科背景的复合型人才，适应社会日益增长的对生命科学综合性人才的需求。由此看来，结构生物学的发展在于物理、化学的推动，医学上的需求。当然，最后都要归结于生命现象的本质。 技术决定了科学的进步，在结构生物学这里十分突出。
但是，结构生物学还是要扣到生物两个字上去。研究结构的最终目的是研究生命现象，而不是为了结构而结构。结构生物学在生物学里的地位一直很尴尬，很多生物学家认为结构生物学家不是真正的科学家,而顶多是实验员。这种评价虽然失之偏颇，但也不无道理。很多从物理、化学改行的搞结构的确实缺乏生物方面的系统训练，很多就是为了结构而结构。而原本搞生物的又都视结构生物学为畏途，因为很多物理，化学的东西不好懂。但是结构基因组计划改变了一切。高通量、自动化技术的发展使得很多蛋白质结构的解析不再是结构生物学的的专利。解结构也不再是一个神秘的事情，没有经过什么正规结构生物学训练的人，操作一下仪器，使用一下软件，也能解结构了。结构生
2012-12-25 - 2 -
物学似乎变成了一个纯粹的技术，而不是科学研究了。所以，结构生物学，不能说它不是科学、不是生物学，它应该是培养复合型人才的一个平台。
总的来说，现在结构生物学很热门，但也非常枯燥，常规的X衍射测定结构需要蛋白结晶，可是很多蛋白很难结晶，尤其是膜蛋白；比较有前景的复合体蛋白结构测定也面临样品制备困难的难题；另外生物学问题的解决才是生物学研究的核心，过去结构生物学是拿个蛋白测出来就是一篇好文章，甚至cell，以后越来愈倾向于一些比较有重大意义的蛋白复合体结构的测定，问题是这样的东西难得制备，随着做的人的增多，这块也面临好的研究对象越来越少的局面，毕竟结构生物学研究主要是提供进一步研究的素材或是对已有的研究可以起到较好的补充，填补空白，但是这也需要结构生物学家具备较好的生物学家素养，可以自己提出很多问题，并用结构解析来解释，问题是两方面能力都具备的太少了。总之，先进的仪器和理论方法以及有恒心和毅力的高素质人才都是结构生物学急需解决的难题
发展趋势：随着人类基因组计划大规模基因测序工作接近尾声，生命科学进入后基因组时代，研究重心从揭示生命的所有遗传信息转移到在分子整体水平对功能的研究上。结构生物学也迎来了发展的新台阶，未来结构生物学将占据生命科学研究的战略性重要地位。其目标与任务也明朗化，主要开展规模化的基因克隆与表达、表达产物 ——蛋白质的分离纯化、类型新颖的（即无序列同源性的）蛋白质的三维结构测定，在这些基础上，根据蛋白质的氨基酸序列预测其三维结构，微结晶的大规模、高通量和自动化，为蛋白质功能研究和创新药物研究奠定基础。预计结构生物学主要有以下的发展动态：
结构基因组学将积极展开与国际协作；
实现快速、自动、批量结构测定，复杂结构和动态过程研究将成为热点；
查明“构象病”的结构机理，开辟防治相关疑难病症的新途径；
批量发现药物靶标，基于结构的理性药物设计渐成创新药物主流。
众所周知，结构生物学是一门交叉学科，涉及到生物化学，物理学，计算生物学等多个领域，其发展也将促进许多新兴学科的发展，比如功能基因组学，比较基因组学，蛋白质组学，结构基因组学，医学基因组学，生物信息学等。特别是结构基因组学更是具有划时代的意义，它是一轮大规模的国际合作计划——规模化的测定蛋白质、RNA及其他生物分子的三维结构。这是围绕生命科学、新药物研究的基础性、前瞻性、战略性的工作。三维结构的合理药物设计与组合化学以及高通量筛选结合引起了医药工业新的革命，基于蛋白质和酶空间结构的药物设计是新药开发的重要手段，这必将给医药工业带来跨越式的进步。
个人认识与努力方向：现在比较流行的一种观点是，学生物的孩子“没前途”，“没钱途”，很多生物专业都已位居就业红牌榜首。尤其是结构生物学的基础理论比较难学，需要长时间的学习才能真正掌握。等你花了几年年时间学成了，突然发现什么都自动化了，就像一个核磁共振仪，你在这边摁一下按钮，那边结构就出来了，学的那些还有什么用？博士真的就成了一个实验员了。膜蛋白主要的问题是分离纯化，以及样品制备，和结构生物学本身其实关系不大。搞结构生物学的方法，其实就是搞物理，什么量子力学，马尔可夫，贝塞尔，蒙特卡诺，群论，看着就让人头疼。
挑战总是与机遇并存，一切科学发展都是为了人类的健康生活，为了与自然和谐共存。科学家预测，生命科学到2015年会取得革命性进展。这些进展可以帮助人类解决很多目前无法医治的疾病的治疗问题，彻底消除营养不良，改善食品的生产方式，消除各种污染，延长人类寿命，提高生命质量，为社会安全和刑侦提供新的手段。有些成果还可以帮助人类加速植物和动物的人工进化以及改善生态环境对人类的影响等。产生新
2012-12-25 - 3 -
的有机生命的研究也会取得进展。由于结构生物学的是一个涉及到大分子X射线晶体学、多为核磁共振波普学、大分子计算机模拟技术、电子晶体学和电镜三维重构等多个领域的交叉学科，结构生物学的进步，必将带动很多物理、化学技术的进步，甚至是理论的进步。结构生物学家也不应该是技术人员，而是有很厚科学素养的复合型人才。
作为一名生科的学生，在了解生物专业面临的挑战之后，也应了解它带来的机遇。从投资回报看，生物学有客观的长期收益，从业越久，收获就越丰富。特别是作为生物学领军学科的结构生物学更是具有潜在的发展空间。准备在结构生物学领域发展的同学应积极主动地学习一些生物化学、物理学、计算生物学等与生物学研究密切相关的学科知识，多看文献，博览群书是好，但更应选择性阅读。利用图书馆和网站资源，时刻关注生物学科的前沿动态。同时应培养良好的实验室操作能力，切忌集成不规范的习惯，勤于动手，提高撰写实验报告的能力，严禁篡改实验数据，新成果总是来自不经意和偶然，为了与前人的实验数据吻合很有可能扼杀了一次重大的发现„„
敢问路在何方？路——在脚下！面对外界的众多质疑，我们应坚定自己的立场，任何一个领域都需要潜心经营。是金子，在哪里都会发光！天下没有免费的午餐，任何一项科研成果，都是历经数以千万次的探究，甚至有时候研究了也不一定有结果，这更需要我们摆正心态，积极面对！当然，如果你没有兴趣和信心，趁早找到适合自己的领域也是好的„„
参考文献：
【结构生物学 】 梁毅 科学出版社
【结构生物学概论】 杨铭 北京医科大学出版社
【结构分子生物学】 刘次权 白春礼等 高等教育船板社
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