蛋白質結構解析的主要技術概覽

蛋白質的功能直接取決於其結構、與其他蛋白質的相互作用以及其在細胞、組織和器官中的位置。在蛋白質組學中大規模研究蛋白質的結構和功能，這使得能夠鑑定與特定疾病狀態相關的蛋白質生物標誌物，併爲治療提供潛在的靶標。對蛋白質結構的理解以及蛋白質位置、表達水平和相互作用的繪圖可以產生可用於推斷蛋白質功能的有價值的資訊。蛋白質結構解析的主要技術包括X射線晶體學、核磁共振光譜（NMR）、冷凍電鏡（Cryo-EM）和原子力顯微鏡（AFM）等，以下是簡要的介紹：

1、X射線晶體衍射（X-ray Crystallography）：

原理：蛋白質 X射線晶體學可透過結晶蛋白質的X射線衍射獲得蛋白質的三維結構。透過在促進沉澱的溶液中接種高度濃縮的蛋白質來生長晶體，在適當的條件下形成有序的蛋白質晶體。X 射線瞄準蛋白質晶體，蛋白質晶體將 X 射線散射到電子探測器或膠片上。旋轉晶體以捕獲三維衍射，從而能夠透過傅立葉變換計算結晶分子中每個原子的位置。
特點：提供原子級解析度的結構資訊；需要獲得高質量的蛋白質晶體；不適用於難以晶化或在晶體狀態下不能保持功能結構的蛋白質。

2、核磁共振光譜（NMR Spectroscopy）：

原理：核磁共振（NMR）光譜用於獲取有關蛋白質結構和動力學的資訊。在覈磁共振中，原子的空間位置由它們的化學位移決定。對於蛋白質 NMR，蛋白質通常用穩定同位素（¹⁵ N、¹³ C、² H）標記，以增強靈敏度並促進結構解摺積。通常透過在蛋白質表達期間在生長培養基中提供同位素標記的營養物來引入同位素標記。
特點：能夠提供動態結構資訊；適用於溶液中的蛋白質；對樣品量要求較低；但空間解析度不如X射線晶體學，且對大分子系統的研究有限制。

3、冷凍電鏡（Cryo-electron Microscopy, Cryo-EM）：

原理：在極低溫度下對蛋白質樣品進行電鏡成像，透過收集大量影象並將它們結合起來構建出三維結構。
特點：適用於大分子複合物和難以晶化的蛋白質；近年來解析度大幅提高，可以達到接近原子級；無需蛋白質晶體。

4、原子力顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）：

原理：透過感測探針與樣品表面之間的相互作用力來獲取表面的影象。探針掃描樣品表面，記錄表面的微小力變化，從而繪製出表面的三維影象。
特點：適用於在生理條件下對蛋白質和蛋白質複合物進行成像；能夠提供單分子級別的資訊；不需要特殊的樣品處理，但空間解析度較低，一般不足以獲得原子級的結構細節。

5、圓二色譜（Circular Dichroism, CD）：

原理：圓二色譜基於當偏振光透過旋光性分子（如蛋白質）時，不同波長的光會被不同程度地吸收的原理。左旋和右旋圓偏振光透過樣品時的吸收差異會產生一個圓二色譜訊號，這個訊號可以反映出蛋白質的二級結構特徵，如α-螺旋、β-摺疊和無規捲曲結構。
特點：特別適用於分析蛋白質的二級結構。它能夠提供關於α-螺旋、β-摺疊和無規捲曲等結構的相對含量的資訊。可以用於實時監測蛋白質結構的變化，如摺疊和變性過程。

蛋白質結構鑑定