2025年大學《分子科學與工程》專業(yè)題庫——蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的晶體學研究考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題1.在晶體學中，描述晶體內(nèi)部原子或原子團在三維空間中周期性重復排列的基本單元是？A.晶格點B.晶胞C.空間群D.對稱操作2.根據(jù)布拉格定律(nλ=2dsinθ)，當衍射角θ增大時，對應(yīng)的衍射面間距d會如何變化？A.增大B.減小C.不變D.先增大后減小3.X射線衍射能夠用于確定晶體結(jié)構(gòu)的主要依據(jù)是？A.X射線具有波動性B.X射線能夠被物質(zhì)吸收C.晶體對X射線的衍射效應(yīng)D.X射線的能量高于物質(zhì)的結(jié)合能4.在蛋白質(zhì)晶體生長過程中，過飽和度被認為是影響晶體尺寸和形狀的關(guān)鍵因素之一。過飽和度通常指？A.溶液中溶質(zhì)的實際濃度與溶解度之比B.溶液中溶劑的實際濃度與飽和濃度之比C.晶體表面與溶液中溶質(zhì)化學勢之差D.晶體生長速率與溶質(zhì)擴散速率之比5.對于蛋白質(zhì)單晶X射線衍射實驗，通常需要使用單色X射線源，其目的是？A.增強X射線的強度B.提高X射線的穿透能力C.獲得特定波長的X射線以匹配晶體吸收D.減少實驗所需的時間6.在晶體結(jié)構(gòu)解析中，直接法主要用于解決什么關(guān)鍵問題？A.確定晶胞參數(shù)B.確定空間群C.計算衍射強度D.解決相位問題7.電子密度圖(ElectronDensityMap)的計算通常基于布拉格方程的哪種形式？A.愛因斯坦關(guān)系式B.德布羅意關(guān)系式C.傅里葉變換關(guān)系式D.能量守恒關(guān)系式8.蛋白質(zhì)晶體在X射線衍射過程中會發(fā)生輻射損傷，其主要原因是？A.X射線使晶體溫度升高B.X射線破壞了晶體的對稱性C.X射線光子將晶體中的電子電離D.X射線與晶體發(fā)生化學反應(yīng)9.在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)生物學中，同源建模(HomologyModeling)的主要前提是？A.需要獲得目標蛋白質(zhì)的高分辨率晶體結(jié)構(gòu)B.需要獲得目標蛋白質(zhì)的核磁共振波譜數(shù)據(jù)C.需要找到一個結(jié)構(gòu)上相似的已知蛋白質(zhì)作為模板D.需要通過冷凍電鏡技術(shù)解析目標蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)10.冷凍電鏡(Cryo-EM)技術(shù)相較于傳統(tǒng)的單晶X射線衍射方法，其主要優(yōu)勢在于？A.能夠解析更大尺寸的蛋白質(zhì)復合物B.對樣品的結(jié)晶條件要求更低C.能夠提供更豐富的動力學信息D.獲得的結(jié)構(gòu)分辨率通常更高二、填空題1.晶體學中，描述晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)重復性的數(shù)學描述稱為________。2.衍射強度(I)與結(jié)構(gòu)因子(F)的關(guān)系表達式為________。3.蛋白質(zhì)晶體生長通常需要經(jīng)過________和________兩個主要階段。4.用于測量晶體衍射強度并記錄數(shù)據(jù)的主要設(shè)備是________。5.在解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)時，分子置換法(MolecularReplacement)通常需要預先知道________。6.衍射數(shù)據(jù)的指標化是指確定衍射斑點所屬的________和________。7.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析中常用的“相位問題”是指已知衍射強度分布(I)，求出相應(yīng)的電子密度分布(ρ)的過程，關(guān)鍵在于獲得________。8.結(jié)構(gòu)精修(StructureRefinement)的主要目標是使計算模型更好地符合實驗數(shù)據(jù)，通常使用________函數(shù)來評估模型與數(shù)據(jù)的擬合程度。9.X射線衍射實驗中，選擇合適的晶體尺寸和形狀需要考慮的因素包括________、________和________。10.蛋白質(zhì)晶體學不僅能夠提供靜態(tài)的結(jié)構(gòu)信息，其衍射數(shù)據(jù)在冷凍條件下也能提供________信息。三、簡答題1.簡述X射線衍射能夠被用于確定晶體結(jié)構(gòu)的物理基礎(chǔ)。2.簡要比較蛋白質(zhì)單晶培養(yǎng)的飽和溶液法與緩慢降溫法的原理和特點。3.解釋什么是晶體學的空間群對稱性，并舉例說明其在結(jié)構(gòu)解析中的作用。4.簡述電子密度圖如何幫助我們理解蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。四、論述題1.論述影響蛋白質(zhì)晶體質(zhì)量的主要因素，并提出至少三種提高晶體質(zhì)量的方法。2.詳細說明蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)解析的基本流程，并指出每個階段的關(guān)鍵任務(wù)。3.結(jié)合實例，論述晶體學信息在蛋白質(zhì)藥物設(shè)計中的應(yīng)用價值。---試卷答案一、選擇題1.B2.B3.C4.A5.C6.D7.C8.C9.C10.A二、填空題1.空間群2.I=|F|23.核形成；晶體生長4.衍射儀5.目標蛋白質(zhì)的已知結(jié)構(gòu)6.晶胞參數(shù)；空間群7.相位信息8.R因子（或最小二乘法）9.衍射強度；尺寸；形狀10.動力學三、簡答題1.解析思路：首先說明X射線具有波動性，能產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。然后解釋當X射線照射到晶體周期性排列的原子（或電子）時，會因滿足布拉格定律而產(chǎn)生衍射。最后說明通過測量衍射斑點的強度和位置（衍射角），結(jié)合晶體學原理，可以反推晶體內(nèi)部的原子排布信息，從而解析出晶體結(jié)構(gòu)。核心在于波動性、周期性排列以及衍射規(guī)律的應(yīng)用。2.解析思路：飽和溶液法：強調(diào)原理是維持溶液中溶質(zhì)濃度高于其溶解度，使過飽和度存在于溶液中，溶質(zhì)在溶液和晶核表面之間達到平衡，緩慢沉積在晶核上。特點是需要精確控制溶液飽和度。緩慢降溫法：強調(diào)原理是降低溶液溫度會降低溶質(zhì)的溶解度，從而產(chǎn)生過飽和度。特點是可以較好地控制結(jié)晶條件，但降溫速率需精確掌握，過快可能導致結(jié)晶不良或產(chǎn)生多晶。3.解析思路：首先定義空間群：描述晶體內(nèi)部所有等效原子位置的對稱操作（平移、旋轉(zhuǎn)、反映、反演、滑移反映等）的集合。然后說明其作用：空間群不僅決定了晶體的宏觀外形對稱性，更重要的是它規(guī)定了晶體衍射強度分布的統(tǒng)計規(guī)律（系統(tǒng)消光）。理解空間群有助于預測哪些衍射是系統(tǒng)消光的，哪些是強烈的，從而輔助進行數(shù)據(jù)指標化、空間群確定、以及判斷解析結(jié)果的合理性。4.解析思路：首先說明電子密度圖是通過傅里葉變換，根據(jù)測得的衍射強度數(shù)據(jù)計算得到的。然后解釋圖中密度高低代表原子核密度（或電子云密度）的大小。最后說明通過分析電子密度圖，可以識別出密度較高的區(qū)域（對應(yīng)原子或原子團），進而構(gòu)建出蛋白質(zhì)分子的三維原子坐標模型，從而理解其結(jié)構(gòu)骨架、二級結(jié)構(gòu)元素（α螺旋、β折疊）、活性位點等。四、論述題1.解析思路：*影響因素：從溶液化學（過飽和度控制）、晶體本身（成核過程、生長過程、已有晶體的缺陷）、實驗條件（溫度、pH、溶劑、添加劑）、以及時間等多個維度列出關(guān)鍵因素。例如：溶液過飽和度、pH、離子強度、溫度；成核速率與生長速率的平衡；晶體大小與形狀；晶體內(nèi)部缺陷（空位、位錯）；光照、溫度波動；生長時間等。*提高方法：針對上述影響因素，提出具體改進措施。例如：優(yōu)化溶液配方（精確控制鹽濃度、添加穩(wěn)定劑或添加劑）、優(yōu)化結(jié)晶條件（精確控制溫度、pH、溶劑組成）、改進成核方法（誘導成核或控制成核速率）、減少晶體缺陷、避免或減緩輻射損傷、進行原位監(jiān)測與控制生長過程等。需要結(jié)合具體實例或原理進行說明。2.解析思路：按照標準流程展開：*1.獲取高質(zhì)量單晶：描述晶體生長過程和篩選。*2.數(shù)據(jù)收集：詳細說明在衍射儀上進行的操作，包括晶體固定、選擇合適的入射角范圍（掃描）、記錄衍射圖譜（使用探測器）、控制環(huán)境條件（溫度、冷卻）、監(jiān)測晶體狀態(tài)等。*3.數(shù)據(jù)處理：涉及數(shù)據(jù)預處理（去背景、積分、尺度化）和對稱性操作應(yīng)用。然后是數(shù)據(jù)指標化（確定晶胞參數(shù)、空間群、系統(tǒng)消光規(guī)律）和歸一化。*4.結(jié)構(gòu)解析：這是核心步驟。先討論相位問題，介紹直接法、分子替換法等解決方法。然后是模型構(gòu)建（基于傅里葉合成圖），可能涉及手工構(gòu)建或基于已知結(jié)構(gòu)進行建模。*5.結(jié)構(gòu)精修：使用軟件（如CCP4,phenix）和精修算法（如最小二乘法、分子動力學），優(yōu)化原子坐標、熱振動參數(shù)、原子間距離、角度等，使計算模型與實驗數(shù)據(jù)（衍射強度）達到最佳擬合。*6.數(shù)據(jù)分析和結(jié)果解釋：對最終精修的結(jié)構(gòu)進行評估（R因子、分辨率、幾何參數(shù)），檢查是否有異常，并與生物學功能聯(lián)系起來。*每個階段都需要強調(diào)其關(guān)鍵任務(wù)和目的。3.解析思路：*原理與方法：首先說明晶體結(jié)構(gòu)提供了蛋白質(zhì)原子級別的三維坐標，是理解其物理化學性質(zhì)和生物學功能的基礎(chǔ)。藥物設(shè)計的目標是尋找能與靶點（通常是蛋白質(zhì)）結(jié)合并發(fā)揮作用的分子（藥物分子）。通過晶體結(jié)構(gòu)，可以詳細了解靶點蛋白的活性位點（如催化位點、結(jié)合口袋）的形狀、大小、氨基酸殘基類型、電荷分布、疏水性環(huán)境等。*應(yīng)用實例：結(jié)合具體例子說明。例如：*理性藥物設(shè)計：基于靶點口袋的形狀和氨基酸殘基，設(shè)計具有互補形狀和化學性質(zhì)的藥物分子，使其能精確嵌入口袋并與關(guān)鍵殘基形成相互作用（氫鍵、鹽橋、疏水作用等）?？梢耘e例說明如何根據(jù)側(cè)鏈口袋設(shè)計特定基團。*結(jié)構(gòu)指導的篩選：將已知活性化合物的結(jié)構(gòu)與其靶點結(jié)合模式的晶體結(jié)構(gòu)進行比對，預測其他