蛋白质结构解析的方法对比综述
工程硕士李瑾
摘要:到目前为止，蛋白质结构解析的方法主要是两种，x射线衍射法和NMR 法，这两种方法各有优点和不足。
关键词:x射线衍射法 NMR法
到目前为止，蛋白质结构解析的方法主要是两种，x射线衍射法和NMR法。其中X射线的方法产生的更早，也更加的成熟，解析的数量也更多，第一个解析的蛋白的结构，就是用x晶体衍射的方法解析的。而NMR方法则是在90年代才成熟并发展起来的。这两种方
[1]法各有优点和不足。
首先是X射线晶体衍射法。该方法的前提是要得到蛋白质的晶体。通常是将表达目的蛋白的基因经PCR扩增后克隆到一种表达载体中，然后转入大肠杆菌中诱导表达，目的蛋白提纯之后摸索结晶条件，等拿到晶体之后，将晶体进行x射线衍射，收集衍射图谱，通过
[2]一系列的计算，得到蛋白质的原子结构。
x射线晶体衍射法的优点是:速度快，通常只要拿到晶体，最快当天就能得出结构，另外不受肽链大小限制，无论是多大分子量的蛋白质或者RNA、DNA，甚至是结合多种小分子的复合体，只要能够结晶就能够得到其原子结构。所以x射线方法解析蛋白的关键是摸索蛋白结晶的条件。该方法得到的是蛋白质分子在晶体状态下的空间结构，这种结构与蛋白质分子在生物细胞内的本来结构有较大的差别。晶体中的蛋白质分子相互间是有规律地、紧密地排列在一起的，运动性较差;而自然界的生物细胞中的蛋白质分子则是处于一种溶液状态，周围是水分子和其他的生物分子，具有很好的运动性。而且，有些蛋白质只能稳定地存
[2]在于溶液状态，无法结晶。
核磁共振NMR(nuclear magnetic resonance)现象很早就被科研人员观察到了，但将这种方法用来解析蛋白质结构，却是近一二十年的事情。NMR法具体原理是对水溶液中的蛋白质样品测定一系列不同的二维核磁共振图谱，然后根据已确定的蛋白质分子的一级结构，通过对各种二维核磁共振图谱的比较和解析，在图谱上找到各个序列号氨基酸上的各种氢原子所对应的峰。有了这些被指认的峰，就可以根据这些峰在核磁共振谱图上所呈现的相互之
[3]间的关系得到它们所对应的氢原子之间的距离。可以想象，正是因为蛋白质分子具有空间结构，在序列上相差甚远的两个氨基酸有可能在空间距离上是很近的，它们所含的氢原子所
[4] 对应的NMR峰之间就会有相关信号出现。通常，如果两个氢原子之间距离小于0.5纳米的话，它们之间就会有相关信号出现。一个由几十个氨基酸残基组成的蛋白质分子可以得到几百个甚至几千个这样与距离有关的信号，按照信号的强弱把它们转换成对应的氢原子之间的距离，然后运用计算机程序根据所得到的距离条件模拟出该蛋白质分子的空间结构。该结构既要满足从核磁共振图谱上得到的所有距离条件，还要满足化学上有关原子与原子结合的
[4]一些基本限制条件，如原子间的化学键长、键角和原子半径等。
NMR解析蛋白结构常规步骤如下:首先通过基因工程的方法，得到提纯的目的蛋白，在蛋白质稳定的条件下，将未聚合，而且折叠良好的蛋白样品(通常是
1mM,3mM，500ul，PH6,7的PBS)装入核磁管中，放入核磁谱仪中，然后由写好的程序控制谱仪，发出一系
1313列的电磁波，激发蛋白中的H、N、C原子，等电磁波发射完毕，再收集受激发的原子所
[5] [6]放出的“能量”，通过收集数据、谱图处理、电脑计算从而得到蛋白的原子结构。
用NMR研究蛋白质结构的方法，可以在溶液状态进行研究，得到的是蛋白质分子在溶
[7]液中的结构，这更接近于蛋白质在生物细胞中的自然状态。此外，通过改变溶液的性质，还可以模拟出生物细胞内的各种生理条件，即蛋白质分子所处的各种环境，以观察这些周围环境的变化对蛋白质分子空间结构的影响。在溶液环境中，蛋白质分子具有与自然环境中类
似的运动性，可以观察到整个结构表面的一些松散链段的运动性，而蛋白质的活性部位往往是在整个结构的表面，因此NMR方法为蛋白质与蛋白质、蛋白质与底物或小分子的相互作
[8]用提供了一个有效的观察手段。到目前为止，用该方法来解析蛋白质结构已经十非常成熟。它的优点就是，蛋白在液体中得到结构，是一个动态的结构，事实上所有已发表的NMR结构都是十个或者二十个结构的ensemble(集合)，这就是因为这些结构都是进行能量优化后符合条件的结构，或者说就是溶液中的蛋白结构。因为是动态就很容易的研究蛋白与其他蛋
[9] [10]白或者配基的相互作用。缺点是，该方法受蛋白质大小的限制，到目前为止NMR解析
[11]蛋白结构的上限是50kd。
从1980年代初NMR法出现至今，核磁共振技术在生物大分子的结构研究方面有了飞速的发展，一方面是由于仪器技术本身的发展，能够产生的磁场越来越强;计算机的计算速度也越来越快，更多地是由于实验方法上的创新和发展，由二维的核磁共振实验发展成三维
[12]甚至更多维的实验。借助于基因技术可以得到同位素富集的蛋白质样品,核磁共振的实验也从原来单一的核发展到三种甚至四种核同时在一个实验中共振而产生相关信号。核磁共振方法的应用范围也从原来单一的蛋白质分子的空间结构研究发展到蛋白质动力学方面的研究，蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸以及小分子的相互作用和药物筛选中蛋白质分子与药物
[13]分子的结合等方面。在此过程中，NMR技术始终处于发展的前沿，围绕这一技术提出的许多原创性观点和方法已被广泛地接受和应用。随着人类基因组学和蛋白质组学研究的不断深入，蛋白质结构组学的研究也会随之兴起，核磁共振技术在这方面的应用会更多更广。这些应用的需求反过来也会促进核磁共振技术本身的进步和发展，使之更趋成熟和完善。
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蛋白质结构解析的方法对比综述 工程硕士李瑾 摘要：到目前为止，蛋白质结构解析的方法主要是两种，x射线衍射法和NMR法，这两种方法各有优点和不足。 关键词：x射线衍射法 NMR法 到目前为止，蛋白质结构解析的方法主要是两种，x射线衍射法和NMR法。其中X射线的方法产生的更早，也更加的成熟，解析的数量也更多，第一个解析的蛋白的结构，就是用x晶体衍射的方法解析的。而NMR方法则是在90年代才成熟并发展起来的。这两种方法各有优点和不足[1]。 首先是X射线晶体衍射法。该方法的前提是要得到蛋白质的晶体。通常是将表达目的蛋白的基因经PCR扩增后克隆到一种表达载体中，然后转入大肠杆菌中诱导表达，目的蛋白提纯之后摸索结晶条件，等拿到晶体之后，将晶体进行x射线衍射，收集衍射图谱，通过一系列的计算，得到蛋白质的原子结构[2]。 x射线晶体衍射法的优点是：速度快，通常只要拿到晶体，最快当天就能得出结构，另外不受肽链大小限制，无论是多大分子量的蛋白质或者RNA、DNA，甚至是结合多种小分子的复合体，只要能够结晶就能够得到其原子结构。所以x射线方法解析蛋白的关键是摸索蛋白结晶的条件。该方法得到的是蛋白质分子在晶体状态下的空间结构，这种结构与蛋白质分子在生物细胞内的本来结构有较大的差别。晶体中的蛋白质分子相互间是有规律地、紧密地排列在一起的，运动性较差；而自然界的生物细胞中的蛋白质分子则是处于一种溶液状态，周围是水分子和其他的生物分子，具有很好的运动性。而且，有些蛋白质只能稳定地存在于溶液状态，无法结晶[2]。 核磁共振NMR（nuclear magnetic resonance）现象很早就被科研人员观察到了，但将这种方法用来解析蛋白质结构，却是近一二十年的事情。NMR法具体原理是对水溶液中的蛋白质样品测定一系列不同的二维核磁共振图谱，然后根据已确定的蛋白质分子的一级结构，通过对各种二维核磁共振图谱的比较和解析，在图谱上找到各个序列号氨基酸上的各种氢原子所对应的峰。有了这些被指认的峰，就可以根据这些峰在核磁共振谱图上所呈现的相互之间的关系得到它们所对应的氢原子之间的距离。[3]可以想象，正是因为蛋白质分子具有空间结构，在序列上相差甚远的两个氨基酸有可能在空间距离上是很近的，它们所含的氢原子所对应的NMR峰之间就会有相关信号出现[4] 。通常，如果两个氢原子之间距离小于0.5纳米的话，它们之间就会有相关信号出现。一个由几十个氨基酸残基组成的蛋白质分子可以得到几百个甚至几千个这样与距离有关的信号，按照信号的强弱把它们转换成对应的氢原子之间的距离，然后运用计算机程序根据所得到的距离条件模拟出该蛋白质分子的空间结构。该结构既要满足从核磁共振图谱上得到的所有距离条件，还要满足化学上有关原子与原子结合的一些基本限制条件，如原子间的化学键长、键角和原子半径等[4]。 NMR解析蛋白结构常规步骤如下：首先通过基因工程的方法，得到提纯的目的蛋白，在蛋白质稳定的条件下，将未聚合，而且折叠良好的蛋白样品（通常是1mM－3mM，500ul，PH6－7的PBS）装入核磁管中，放入核磁谱仪中，然后由写好的程序控制谱仪，发出一系列的电磁波，激发蛋白中的H、13N、13C原子，等电磁波发射完毕，再收集受激发的原子所放出的“能量”，通过收集数据、谱图处理、电脑计算从而得到蛋白的原子结构[5] [6]。 用NMR研究蛋白质结构的方法，可以在溶液状态进行研究，得到的是蛋白质分子在溶液中的结构，这更接近于蛋白质在生物细胞中的自然状态[7]。此外，通过改变溶液的性质，还可以模拟出生物细胞内的各种生理条件，即蛋白质分子所处的各种环境，以观察这些周围环境的变化对蛋白质分子空间结构的影响。在溶液环境中，蛋白质分子具有与自然环境中类
三种分析蛋白结构域(Domains)的方法 1，SMART入门，蛋白结构和功能分析 SMART介绍 SMART (a Simple Modular Architecture Research Tool) allows the identification and annotation of genetically mobile domains and the analysis of domain architectures. More than 500 domain families found in signalling, extracellular and chromatin-associated proteins are detectable. These domains are extensively annotated with respect to phyletic distributions, functional class, tertiary structures and functionally important residues. Each domain found in a non-redundant protein database as well as search parameters and taxonomic information are stored in a relational database system. User interfaces to this database allow searches for proteins containing specific combinations of domains in defined taxa. For all the details, please refer to the publications on SMART. SMART(，可以说是蛋白结构预测和功能分析的工具集合。简单点说，就是 集合了一些工具，可以预测蛋白的一些二级结构。如跨膜区（Transmembrane segments），复合螺旋区（coiled coil regions），信号肽（Signal peptides），蛋白结构域（PFAM domains）等。 SMART前该知道的 1，SMART有两种不同的模式：normal 或genomic 主要是用的数据库不一样。Normal SMART, 用的数据库 Swiss-Prot, SP-TrEMBL 和 stable Ensembl proteomes。Genomic SMART, 用全基因组序列。详细列表：，一些名词解释 进行时 可以直接用各个数据库蛋白的ID。如Uniprot/Ensembl??ID / Accession number (ACC)。或是直接蛋白序列。运行SMART也可选择signal peptides、PFAM domains等的预测，勾上就是。看下图 SMART结果 运行后的结果用图表表示。其实运行后的结果都有明确的解释。详细请看下面。
蛋白质结构分析原理及工具 （南京农业大学生命科学学院生命基地111班） 摘要：本文主要从相似性检测、一级结构、二级结构、三维结构、跨膜域等方面从原理到方法再到工具，系统地介绍了蛋白质结构分析的常用方法。文章侧重于工具的列举，并没有对原理和方法做详细的介绍。文章还列举了蛋白质分析中常用的数据库。 关键词：蛋白质；结构预测；跨膜域；保守结构域 1 蛋白质相似性检测 蛋白质数据库。由一个物种分化而来的不同序列倾向于有相似的结构和功能。物种分化后形成的同源序列称直系同源，它们通常具有相似的功能；由基因复制而来的序列称为旁系同源，它们通常有不同的功能[1]。因此，推测全新蛋白质功能的第一步是将它的序列与进化上相关的已知结构和功能的蛋白质序列比较。表一列出了常用的蛋白质序列数据库和它们的特点。 表一常用蛋白质数据库 网址可能有更新 氨基酸替代模型。进化过程中，一种氨基酸残基会有向另一种氨基酸残基变化的倾向。氨基酸替代模型可用来估计氨基酸替换的速率。目前常用的替代模型有Point Accepted Mutation (PAM)矩阵、BLOck SUbstitution Matrix (BLOSUM)矩阵[2]、JTT模型[3]。 序列相似性搜索工具。序列相似性搜索又分为成对序列相似性搜索和多序列相似性搜索。成对序列相似性搜索通过搜索序列数据库从而找到与查询序列相似的序列。分为局部联配和全局联配。常用的局部联配工具有BLAST和SSEARCH，它们使用了Smith-Waterman 算法。全局联配工具有FASTA和GGSEARCH，基于Needleman-Wunsch算法。多序列相似性搜索常用于构建系统发育树，这里不阐述。表二列举了常用的成对序列相似性比对搜索工具
蛋白质结构解析六十年来大事件 在1958年，英国科学家John Kendrew和Max Perutz首先发表了用X射线衍射得到的高分辨率的肌红蛋白Myoglobin的三维结构，然后是更加复杂的血红蛋白Hemoglobin。因此，这两个科学家分享了1962年的诺贝尔化学奖。事实上，这项工作在早在1937年就开始了。 然后在1960年代，蛋白质结构解析方法不断进步，获得了更高的解析精度。这个时期，蛋白质序列和DNA序列间关系也被发现，中心法则被Francis Crick提出，然后科学界见证了分子生物学的崛起。分子生物学（Molecular Biology）的名称在1962年开始被广泛接受和使用，并逐渐演变出一些支派，如结构生物学。然后在1964年，Aaron Klug提出了一种基于X射线衍射原理发展而来的全新的方法电子晶体学显微镜（crystallographic electron microscopy），可以解析更大蛋白质或者蛋白质核酸复合体结构。因为这项研究，他获得了1982诺贝尔化学奖。1969年，Benno P.Schoenborn提出可以用中子散射和原子核散射来确定大分子中固定位置的氢原子坐标。 进入1970年代，很多新的方法开始发展。存储蛋白质三维结构的Protein Data Bank（1971年）开始出现，这对于规范化和积累蛋白质数据有着重要意义。1975年新的一种仪器叫做多丝区域检测器，让X-ray的检测和数据收集更加快速高效。次年，Robert Langride 将X-ray衍射数据可视化，并在加州大学圣地亚哥分校成立了一个计算机图形实验室。同年，KeithHodgson和同事首次证明了可以使用同步加速器获得的X射线并对单个晶体进行照射，并取得了很好的实验效果。然后在1978年，核磁共振NMR首次被用于蛋白质结构的解析；同年首个高精度病毒（西红柿丛矮病毒）衣壳蛋白结构被解析。
蛋白质分子是由氨基酸首尾相连而成的共价多肽链，天然蛋白质分子有自己特有的空间结构，称为蛋白质构象。 蛋白质结构的不同组织层次：一级结构指多肽链的氨基酸序列。二级结构是指多肽链借助氢键排列成特有的α螺旋和β折叠片段。三级结构是指多肽链借助各种非共价键弯曲、折叠成具有特定走向的紧密球状构象。球状构象给出最低的表面积和体积之比，因而使蛋白质与周围环境的相互作用降到最小。四级结构是指寡居蛋白质中各亚基之间在空间上的相互关系和结合方式。二、三、四级结构为蛋白质的高级结构。蛋白质的天然折叠结构决定于3个因素：1。与溶剂分子（一般是水）的相互作用。2。溶剂的PH值和离子组成。3。蛋白质的氨基酸序列。后一个是最重要的因素。 （一）蛋白质折叠的热力学假说 蛋白质的高级结构由其一级结构决定的学说最初由Christian B. Anfinsen于1954年提出。在1950年之前，Anfinsen一直从事蛋白质结构方面的研究。在进入美国国立卫生研究所（NIH）以后，继续从事这方面的研究。Anfinsen和两个博士后Michael Sela、 Fred White在研究中发现，使用高浓度的巯基试剂——β- 巯基乙醇（β- mercaptoethanol）可将二硫键还原成自由的巯基，如果再加入尿素，进一步破坏已被还原的核糖核酸酶分子内部的次级键，则该酶将去折叠转变成无任何活性的无规卷曲。对还原的核糖核酸酶的物理性质进行分析的结果清楚地表明了它的确采取的是无规卷曲的形状。 在成功得到一种去折叠的核糖核酸酶以后，Anfinsen 着手开始研究它的重折叠过程。考虑到被还原的核糖核酸酶要在已被还原的8个Cys残基上重建4对二硫键共有105 种不同的组合，但只有一种是正确的形式，如果决定蛋白质构象的信息一直存在于氨基酸序列之中，那么，最后重折叠得到的总是那种正确的形式。否则，重折叠将是随机的，最后只能得到少量的正确形式。Anfinsen 的重折叠实验还是比较顺利的，他通过透析的方法除去了导致酶去折叠的尿素和巯基乙醇，再将没有活性的酶转移到其生理缓冲溶液之中，在有氧气的情况下于室温放置，以使巯基能重新氧化成二硫键。经过一段时间以后，发现核糖核酸酶活性得以恢复，这意味着它原来的构象恢复了。由于上述过程没有细胞内任何其他成分的参与，完全是一种自发的过程，因此，有理由相信此蛋白质正确折叠所需要的所有信息全部存在于它的一级结构之中。在此基础上，Anfinsen提出了蛋白质折叠的热力学假说（thermodynamic hypothesis）。根据此假说，一个蛋白质的天然三维构象对应于在生理条件下其所处的热力学最稳定的状态。热力学稳定性由组成的氨基酸残基之间的相互作用决定，于是蛋白质的三维构象直接由它的一级结构决定。 （二）蛋白质高级结构对高级结构形成的影响 1．二级结构 蛋白质的二级结构由氢键维持。包括α螺旋、β折叠、β转角和无规卷等。α螺旋是一种重复性结构，螺旋中每个α-碳的Φ和Ψ分别为-57o和-47o附近。
蛋白质一级结构的测定 1.测定蛋白质分子中多肽链的数目：N-末端和C-末端残基的摩尔数和蛋白质的相对分子质量 2.拆分蛋白质分子的多肽链 非共价相互作用缔合的寡聚蛋白：用变性剂尿素盐酸胍 共价二硫桥：氧化剂或还原剂 3.断开多肽链内的二硫桥 过甲酸氧化法常用试剂过甲酸 巯基化合物还原法：过量的巯基乙醇处理，ph8-9室温，系统中放尿素和盐酸胍，烷基化试剂保护常用试剂β巯基乙醇，巯基乙酸 4.分析每一多肽链的氨基酸组成：完全水解 酸水解：常用hcl,水解后除去 碱水解：用于测定色氨酸含量。很多氨基酸遭到破坏，色氨酸定量回收。 5.鉴定多肽链的N-末端和C-末端 N-末端分析： ①二硝基氟苯DNFB ②丹磺酰氯DNS：强烈荧光，灵敏度高 ③苯异硫氰酸酯PITC:多肽或蛋白质的末端氨基和氨基酸的α氨基一样与PITC反应生成PTC-多肽，在酸性有机溶剂中加热，N-末端的PTC-氨基酸发生环化 ④氨肽酶：肽链外切酶/外肽酶，从多肽链的N-末端逐个向里切。常用亮氨酸氨肽酶（水解以Leu为N-末端的肽链速度为最大） C-末端分析： ①肼解法：蛋白质多肽与无水肼加热发生肼解。反应中除C-末端氨基酸以游离形式存在外，其他氨基酸都转变为相应的氨基酸酰肼化物。肼解中，Gln,Asn,Cys被破坏不易测出，C末端的Arg转变成鸟氨酸 ②还原法：硼氢化锂还原成α-氨基醇 ③羧肽酶法：肽链外切酶，专一地从肽链C末端逐个降解。羧肽酶A能释放除Pro,Arg和Lys之外的所有C-末端残基的肽键，B只能释放精氨酸和赖氨酸，AB的混合物能释放除Pro 外任一C末端残基的肽键。Y可以作用于任何一个C末端残基 6.裂解多肽链成较小的片段：用几种不同的断裂方法将每条多肽样品降解成几套 ①酶裂解法：肽链内切酶。胰蛋白酶，嗜热菌蛋白酶，胃蛋白酶 胰蛋白酶只断裂赖氨酸或精氨酸残基的羧基参与形成的肽键 胰凝乳蛋白酶能断裂赖氨酸、酪氨酸、甘氨酸残基的羧基参与形成的肽键 ②化学裂解法：测定相对分子质量大的蛋白质序列。溴化氰：断裂由Met残基的羧基参加形成的肽键羟胺断裂肽段的分离纯化 7.测定各肽段的氨基酸序列 Edman化学降解法：PITC与多肽链的游离氨基作用，测定任何非封闭的多肽蛋白质序列仪酶降解法：利用外肽酶（氨肽酶和羧肽酶）逐个向里切 质谱法，气质联用法 根据核苷酸序列的推定法 8.重建完整多肽链的一级结构 9.确定半胱氨酸残基之间形成的S-S交联桥的位置 采用胃蛋白酶水解原来的含二硫桥的蛋白质，所得的肽段混合物用对角线电泳进行分离，用茚三酮反应鉴定
蛋白结构分析和比较 姓名________ 学号______________ 日期________年___月___日 阅读分子月报科普短文，参阅相关文献，从蛋白质结构数据库下载以下蛋白质三维结构原子坐标文件，利用Swiss-PdbViewer显示观察，说明其结构特点。 猪胰岛素(4INS): 由几个亚基组成，每个亚基有几条多肽链，每条多肽链由哪些二级结构单元组成； 每条多肽链有几对链内二硫键，多肽链之间由几对二硫键连接； 每个亚基如何与锌原子结合。 抹香鲸肌红蛋白(1MBO): 由几股alpha螺旋组成； 与血色素卟啉环中央铁原子以配位健结合的是哪个组氨酸，该组氨酸位于第几股alpha 螺旋； 与血色素携带的氧分子通过氢键连接的是哪个组氨酸，该组氨酸位于第几股alpha螺旋。 小鼠免疫球蛋白(1IGT): 由几个亚基组成，每个亚基各有几个结构域； 两条重链之间由几对二硫键连接，重链和轻链之间由几对二硫键连接； 每个结构域内部的二硫键和色氨酸如何形成疏水内核； 多糖链对稳定分子结构的作用。 水母（Jellyfish）绿色荧光蛋白(1GFL): 选择PDB原始文件中二聚体A链，保存为单个亚基1GFLa.pdb; 打开1GFLa.pdb，并用不同颜色显示二级结构beta折叠; 找出分子内部发光基团Ser65-Tyr66-Gly67并说明其发光机理。 核小体(1AOI): 用不同颜色显示组蛋白8个亚基； 观察DNA分子碱基配对特点； 显示组蛋白表面与DNA相互作用的碱性氨基酸。 斑头雁和灰雁血红蛋白比较实例 从UniProt数据库中提取斑头雁和灰雁血红蛋白alpha亚基序列，进行序列比对，找出差异位点。 用SwissPDB-Viwer软件中选择并保存灰雁氧合血红蛋白1FAW中四个亚基中的A链B 链两个亚基。 用结构叠合方法分析比较灰雁氧合血红蛋白A链B链两个亚基与斑头雁血红蛋白1A4F 两个亚基的结构，计算基于alpha碳叠合后的均方根误差（RMSD）。 找出斑头雁血红蛋白A链第119位丙氨酸侧链beta碳原子CB和B链55位亮氨酸侧链末端两个碳原子CD1和CD2，分别测量A119CB和B55CD1、B55CD2之间的距离。 找出灰雁血红蛋白A链第119位脯氨酸侧链gamma碳原子CG和B链55位亮氨酸侧链末端两个碳原子CD1和CD2，分别测量A119CG和B55CD1、B55CD2之间的距离。 根据上述分析结果，参阅相关文献，说明斑头雁和灰雁血红蛋白A119侧链大小和柔性不同，如何影响其构象变化，从而进一步引起氧气结合能力的变化。 利用模拟突变的方法，将灰雁血红蛋白A链第119位脯氨酸突变成丙氨酸，测量突变后的A119CB和B55CD1、B55CD2之间的距离。 课题相关蛋白质结构分析
晶体结构解析过程1 1：分子置换法 使用condition：目标蛋白A有同源1蛋白结构B，同源性30%以上。 用到的软件及程序：HKL2000，CCP4，COOT，Phenix，CNS。 解析过程：收集数据（X-RAY）--> hkl2000 处理数据--> 置换前数据处理分子置换（ccp4Molecular Replacement--MR）-->COOT手工修正，氨基酸序列调换-->phenix refine--coot 手工修正phenix refine。。。__拉氏构象图上outlier为0为之，且R-free，R-work达到足够低的值。-->phenix 加水refine（溶剂平滑）。。。（若修正过程中有bias 最好也用CNS修正一下） 2：同晶置换法--硒代蛋白 使用condition：目标蛋白没有同源结构。 用到的软件及程序：HKL2000，CCP4，COOT，Phenix，CNS。 解析过程：收集数据（X-ray 硒代蛋白及母体蛋白）--> hkl2000处理数据-->ccp4 程序包搜索搜索硒信号（gap），相位确定-->搭模--->以硒代数据得到的pdb为模型和母体高分辨数据得到的mtz进行分子置换--> 后面修正过程与分子置换相似。 各步骤介绍： （1）hkl2000：将x-ray 收集的图像编译转化为数字信息，得到的关键文件有.sca和.log ，log文件会给出hkl2000 处理的过程记录，sca文件是最终处理的输出文件。sca文件包含晶体的空间群等信息。带有可以被转化为电子密度图的信息。评价hkl2000处理是否成功的参数有数据完整度，最高分辨率等，一般希望处理出在完整度允许的情况下最高分辨率的数据。 分子置换前处理：ccp4 软件包 a. data reduction，即将sca文件转换为mtz文件。用imported integrated data。 b. cell content analysis 这个是晶体中蛋白聚集体数的分析，通过分析晶体含水量得到一个晶胞内的蛋白分子数。用mtz文件进行。含水量在40%-60%之间时对应得n即为正确值。这个聚集体数会在mr中使用。
4.2 针对蛋白质的预测方法 传统的生物学认为，蛋白质的序列决定了它的三维结构，也就决定了它的功能。由于用X光晶体衍射和NMR核磁共振技术测定蛋白质的三维结构，以及用生化方法研究蛋白质的功能效率不高，无法适应蛋白质序列数量飞速增长的需要，因此近几十年来许多科学家致力于研究用理论计算的方法预测蛋白质的三维结构和功能，经过多年努力取得了一定的成果。 1. 从氨基酸组成辨识蛋白质 根据组成蛋白质的20种氨基酸的物理和化学性质可以分析电泳等实验中的未知蛋白质，也可以分析已知蛋白质的物化性质。ExPASy工具包中提供了一系列相应程序： AACompIdent：根据氨基酸组成辨识蛋白质。这个程序需要的信息包括：氨基酸组成、蛋白质的名称(在结果中有用)、pI和Mw(如果已知)以及它们的估算误差、所属物种或物种种类或“全部(ALL)”、标准蛋白的氨基酸组成、标准蛋白的SWISS-PROT编号、用户的Email地址等，其中一些信息可以没有。这个程序在SWISS-PROT和(或)TrEMBL数据库中搜索组成相似蛋白。 AACompSim：与前者类似，但比较在SWISS-PROT条目之间进行。这个程序可以用于发现蛋白质之间较弱的相似关系。 除了ExPASy中的工具外，PROPSEARCH也提供基于氨基酸组成的蛋白质辨识功能。程序作者用144种不同的物化性质来分析蛋白质，包括分子量、巨大残基的含量、平均疏水性、平均电荷等，把查询序列的这些属性构成的“查询向量”与SWISS-PROT和PIR中预先计算好的各个已知蛋白质的属性向量进行比较。这个工具能有效的发现同一蛋白质家族的成员。可以通过Web使用这个工具，用户只需输入查询序列本身。 ExPASy的网址是：http://www.expasy.ch/tools/。 PROSEARCH的网址是：http://www.embl-heidelberg.de/prs.html。 2. 预测蛋白质的物理性质 从蛋白质序列出发，可以预测出蛋白质的许多物理性质，包括等电点、分子量、酶切特性、疏水性、电荷分布等。相关工具有： Compute pI/MW：是ExPASy工具包中的程序，计算蛋白质的等电点和分子量。对于碱性蛋白质，计算出的等电点可能不准确。 PeptideMass：是ExPASy工具包中的程序，分析蛋白质在各种蛋白酶和化学试剂处理后的内切产物。蛋白酶和化学试剂包括胰蛋白酶、糜蛋白酶、LysC、溴化氰、ArgC、AspN 和GluC等。
蛋白质结构分析方法：X射线晶体衍射分析和核磁共振 x 射线衍射法的分辨率可达到原子的水平，使它可以测定亚基的空间结构、各亚基间的相对拓扑布局，还可清楚的描述配体存在与否对蛋白质的影响。多维核磁共振波谱技术已成为确定蛋白质和核酸等生物分子溶液三维结构的唯一有效手段。NM R技术最大的优点不在于它的分辨率，而在于它能对溶液中和非晶态的蛋白质进行测量。 蛋白质的序列结构测定: 1.到目前为止，最经典的蛋白质的氨基酸序列分析方法是，sarI等人基于Edman降解原理研制的液相蛋白质序列仪，及后来发展的固相和气相的蛋白质序列分析仪。 2.质谱：早期的质谱电离的方式主要是电子轰击电离(EI)，它要求样品的挥发性好，一般与气相色谱联用。但使用G C／M S分析，肽的长度受到限制，只能分析小的肽段。近年来，在离子化的技术及仪器方面取得了突破性进展，使得质谱所能测定的分子量的范围大大超出了10k u。因此，软离子化技术、基质辅助的激光解吸／离子化(MALDI)和电喷雾离子化(E SI)显得尤为有前途。通过串联质谱技术(MS／MS)和源后衰减基质辅助的激光解吸／离子化(PSD—MAIDI—MS)，人们就可以从质谱分析中获得肽及蛋白质的结构信息。 蛋白质三维结构的研究： 1.X射线单晶衍射分析 2.核磁共振分析 3.蛋白质的二维晶体与三级重构： 蛋白质二维结晶及其电子晶体学的结构分析是目前结构生物学最活跃的领域之一。此法既适用于水溶性蛋白质，也适用于脂溶性膜蛋白的研究。电子晶体学的结构分析源于早期的电子衍射分析。与X射线衍射方法类似，电子衍射数据的实验分析得到的只是结构因子的振幅部分，丢掉了相位信息。但从剑桥MRC分子生物学实验室的Klug和DeRo sier建立了三维重构的方法开始，电子晶体学才真正发展成为一种独立的空间结构的分析方法，并从传统的X射线晶体学中脱胎出来。所谓电镜图像的三维重构是指由样品的一个或多个投影图得到样品中各成分之间的三维关系。这一方法的基本思路是电子显微图像含有振幅和相位的信息，二者可通过数字图像处理的傅立叶变换方法提取出来。蛋白质溶液构想的光谱技术： 紫外-可见差光谱：紫外一可见差光谱也是电子光谱，由电子跃迁产生。而蛋白质在紫外区的光吸收是由于芳香族氨基酸侧链吸收光引起的。可见区的研究则限于蛋白质一蛋白质、酶一辅酶、酶一底物的相互作用等，有时还需引人生色团才能进行。差光谱的产生是基于生色团经受一定的环境变化时，吸收峰发生位移，吸光度和谱带半宽度也有改变。生色团经受的这种环境变化称为微扰作用，变化后和变化前的光谱差称为差光谱。根据差光谱的光谱参数，可以推断这些生色团在大分子中是隐藏的半暴露的还是暴露的。 荧光探针法：荧光光谱法是研究蛋白质分子构象的一种有效方法，它能提供包括激发光谱、发射光谱、斯托克斯位移，荧光强度、总荧光量、量子产率、荧光偏振和荧光寿命等参数，这些参数从各个角度反映了分子的成键和结构情况。通过这些参数的测定，不但可以做一般的定量分析，而且还可以推断蛋白质分子在各种环境下的构象变化，从而阐明蛋白质分子在各种环境下的构象变化，进而阐明蛋白质结构与功能之间的关系。 圆二色谱：圆二色性和旋光色散都可用于测定分子的立体结构。旋光色散利用不对称分子对左、右圆偏振光折射的不同进行结构分析，而圆二色性则利用不对称分子对左、右圆偏振光吸收的不同进行结构分析。在蛋白质分子中，每个氨基酸残基的a碳是不对称碳，再加上主链构象也是不对称结构，因而蛋白质分子具有光学活性。通过圆二色的测定和计算可以了解蛋白质分子在溶液状态下的二级结构。圆二色对构象变化敏感，故它可灵敏的检测一些反应引起的构象变化，特别是用于观测蛋白质的变性是最方便的.
蛋白质的组成及特点 蛋白质是由C(碳)、H(氢)、O(氧)、N(氮)组成，一般蛋白质可能还会含有P(磷)、S(硫)、Fe(铁)、Zn(锌)、Cu(铜)、B(硼)、Mn(锰)、I(碘)、Mo(钼)等。 这些元素在蛋白质中的组成百分比约为：碳50% 氢7% 氧23% 氮16% 硫0~3% 其他微量。 (1)一切蛋白质都含N元素，且各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16%; (2)蛋白质系数：任何生物样品中每1g元N的存在，就表示大约有100/16=6.25g蛋白质的存在，6.25常称为蛋白质常数 整体结构 蛋白质是以氨基酸为基本单位构成的生物高分子。蛋白质分子上氨基酸的序列和由此形成的立体结构构成了蛋白质结 构的多样性。蛋白质具有一级、二级、三级、四级结构，蛋白质分子的结构决定了它的功能。 一级结构(primary structure)：氨基酸残基在蛋白质肽链中的排列顺序称为蛋白质的一级结构，每种蛋白质都有唯一而确切的氨基酸序列。 二级结构(secondary structure)：蛋白质分子中肽链并非直链状，而是按一定的规律卷曲(如α-螺旋结构)或折叠(如β-折叠结构)形成特定的空间结构，这是蛋白质的二级结
构。蛋白质的二级结构主要依靠肽链中氨基酸残基亚氨基(—NH—)上的氢原子和羰基上的氧原子之间形成的氢键而 实现的。 三级结构(tertiary structure)：在二级结构的基础上，肽链还按照一定的空间结构进一步形成更复杂的三级结构。肌红蛋白，血红蛋白等正是通过这种结构使其表面的空穴恰好容纳一个血红素分子。 四级结构(quaternary structure)：具有三级结构的多肽链按一定空间排列方式结合在一起形成的聚集体结构称为蛋白质 的四级结构。如血红蛋白由4个具有三级结构的多肽链构成，其中两个是α-链，另两个是β-链，其四级结构近似椭球形状。 连接方法 用约20种氨基酸作原料，在细胞质中的核糖体上，将氨基酸分子互相连接成肽链。一个氨基酸分子的氨基和另一个氨基酸分子的羧基，脱去一分子水而连接起来，这种结合方式叫做脱水缩合。通过缩合反应，在羧基和氨基之间形成的连接两个氨基酸分子的那个键叫做肽键。由肽键连接形成的化合物称为肽。 检测方法 分别向甲乙两支试管加入3毫升蛋清稀释液和清水，再依次向两支试管中加入双缩脲试剂A液和B液。观察甲乙两试管
结构解析和修正流程 以下是我总结的晶体结构解析方法： I 分子置换法 使用condition：目标蛋白A有同源蛋白结构B，同源性30%以上。 用到的软件及程序： HKL2000, CCP4, COOT, Phenix, CNS, 解析过程：收集数据（X-RAY）--> hkl2000 处理数据--> 置换前数据处理分子置换（ccp4 Molecular Replacement--MR） -->COOT手工修正，氨基酸序列调换 -->phenix refine--coot 手工修正 phenix refine。。。__拉氏构象图上outlier为0为之，且R-free，R-work达到足够低的值。 -->phenix 加水refine （溶剂平滑）。。。（若修正过程中有bias 最好也用CNS修正一下）II 同晶置换法--硒代蛋白 使用condition：目标蛋白没有同源结构。 用到的软件及程序：HKL2000, CCP4, COOT, Phenix, CNS, 解析过程：收集数据（X-ray 硒代蛋白及母体蛋白）--> hkl2000处理数据-->ccp4 程序包搜索搜索硒信号（gap），相位确定 -->搭模 --->以硒代数据得到的pdb为模型和母体高分辨数据得到的mtz进行分子置换--> 后面修正过程与分子置换相似。 各步骤介绍： I .hkl2000：将x-ray 收集的图像编译转化为数字信息，得到的关键文件有.sca和.log ，log文件会给出hkl2000 处理的过程记录，sca文件是最终处理的输出文件。sca文件包含晶体的空间群等信息。带有可以被转化为电子密度图的信息。评价hkl2000处理是否成功的参数有数据完整度，最高分辨率等，一般希望处理出在完整度允许的情况下最高分辨率的数据。 分子置换前处理：ccp4 软件包 a. data reduction，即将sca文件转换为mtz文件。用imported integrated data。 b. cell content analysis 这个是晶体中蛋白聚集体数的分析，通过分析晶体含水量得到一个晶胞内的蛋白分子数。用mtz文件进行。含水量在40%-60%之间时对应得n即为正确值。这个聚集体数会在mr中使用。 II. model 选取：进行分子置换的model为已知的同源蛋白结构或硒代得到的pdb，对model的要求是越接近球形越好。一般用单体。从pdb库中下载了pdb后可以用vim编辑，选取自己想要的那一段做model。 III. 分子置换：ccp4 软件包 MR 以选取好的model.pdb为模板，对mtz文件进行分子置换，这时要修改的程序参数为在晶体中寻找的model的个数，及分子量，model的个数通过
https://www.doczj.com/doc/5411535862.html,/html/201009/2396082.html 蛋白质结构预测一般流程见下图： 内容目录： ?相关实验数据 ?序列数据和初步分析 ?搜索序列数据库 ?识别结构域 ?多序列比对 ?比较或同源建模
?二级结构预测 ?折叠的识别 ?折叠分析与二级结构比对 ?序列与结构的比对 举报删除此信息广告 cnlics(站内联系TA) 实验数据 许多实验数据可以辅助结构预测过程，包括： ?二硫键，固定了半胱氨酸的空间位置 ?光谱数据，可以提供蛋白的二级结构内容 ?定位突变研究，可以发现活性或结合位点的残基 ?蛋白酶切割位点，翻译后修饰如磷酸化或糖基化提示了残基必须是暴露的 ?其他 预测时，必须清楚所有的数据。必须时刻考虑：预测与实验结果是否一致？如果不是，就有 必要修改做法。 cnlics(站内联系TA) 蛋白序列数据 对蛋白序列的初步分析有一定价值。例如，如果蛋白是直接来自基因预测，就可能包含多个结构域。更严重的是，可能会包含不太可能是球形或可溶性的区域。此流程图假设你的蛋白是可溶的，可能是一个结构域并不包含非球形结构域。 需要考虑以下方面： ?是跨膜蛋白或者包含跨膜片段吗？有许多方法预测这些片段，包括： o TMAP (EMBL) o PredictProtein (EMBL/Columbia) o TMHMM (CBS, Denmark) o TMpred (Baylor College) o DAS (Stockholm) ?如果包含卷曲(coiled-coils)可以在COILS server 预测coiled coils 或者下载COILS 程序
《蛋白质的结构与功能》教学设计 南京市秦淮中学俞志茹 “蛋白质的结构和功能”是苏教版普通高中生物学课程标准教科书《分子与细胞》模块第二章第二节的内容。本节内容比较抽象，高一学生没有有机化学的知识，对于氨基酸的结构通式以及氨基酸如何脱水缩合等理解起来有一定困难。在教学中让学生主动参与,利用问题的递进设置,逐步解决学生在学习中遇到的困难。 【教学目标】 1、知识与技能：说明氨基酸的结构特点，以及氨基酸形成蛋白质的过程，概述蛋白质的结 构和功能。 2、过程与方法：通过氨基酸结构通式的推导，培养学生分析归纳的能力；通过探讨氨基酸 的缩合过程，培养学生解决问题的能力；通过获取形象的图文信息，培养 学生分析处理资料的能力。 3、情感态度与价值观：使学生理解蛋白质是生命活动的主要承担者，形成结构决定功能的 生物学基本观点。 【教学重点】氨基酸的结构特点；蛋白质的结构与功能。 【教学难点】氨基酸的脱水缩合。 【教学方法】分组合作，问题引导。 【教学过程设计】 （一）、创设情境，导入新课 师：展示一组食物图片，请生说出这些食物在组成成分上的一个明显的共同点？ 生：都富含蛋白质 师导入新课：蛋白质是构成细胞的基本有机物，是生物大分子。它在细胞内的含量只比水少，大约占细胞干重的50﹪以上，蛋白质是含量最高的有机化合物，本节课我们一起来认识生命活动的主要承担者——蛋白质。 （二）、主动参与，探求新知 1、组成元素 师：蛋白质的构成元素主要有C、H、O、N，大多数蛋白质还含有S。 2、氨基酸 师：蛋白质的相对分子质量一般都很大，例如血红蛋白（C3032H4816O872N280S8Fe4），血红蛋白的相关介绍
蛋白质分析路线、方法
物理性质预测： Compute PI/MW http://expaxy.hcuge.ch/ch2d/pi-tool.html Peptidemass http://expaxy.hcuge.ch/sprot/peptide-mass.html TGREASE ftp://https://www.doczj.com/doc/5411535862.html,/pub/fasta/ SAPS http://ulrec3.unil.ch/software/SAPS_form.html 基于组成的蛋白质识别预测 AACompIdent http://expaxy.hcuge.ch/ch2d/aacompi.html AACompSim http://expaxy.hcuge.ch/ch2d/aacsim.html PROPSEARCH http://www.embl-heidelberg.de/prs.html 二级结构和折叠类预测 nnpredict https://www.doczj.com/doc/5411535862.html,/~nomi/nnpredictPredictprotein http://www.embl-heidelberg.de/predictprotein/SOPMA http://www.ibcp.fr/predict.htmlSSPRED http://www.embl-heidelberg.de/sspred/ssprd_info.html 特殊结构或结构预测 COILS http://ulrec3.unil.ch/software/COILS_form.htmlMacStripe https://www.doczj.com/doc/5411535862.html,/matsudaira/macstripe.html 与核酸序列一样，蛋白质序列的检索往往是进行相关分析的第一步，由于数据库和网络技校术的发展，蛋白序列的检索是十分方便，将蛋白质序列数据库下载到本地检索和通过国际互联网进行检索均是可行的。 由NCBI检索蛋白质序列 可联网到：“https://www.doczj.com/doc/5411535862.html,:80/entrz/query.fcgi?db=protein”进行检索。 利用SRS系统从EMBL检索蛋白质序列 联网到：https://www.doczj.com/doc/5411535862.html,/”，可利用EMBL的SRS系统进行蛋白质序列的检索。 通过EMAIL进行序列检索 当网络不是很畅通时或并不急于得到较多数量的蛋白质序列时，可采用EMAIL 方式进行序列检索。
第一章蛋白质的结构与功能 [测试题] 一、名词解释：1．氨基酸 2．肽 3．肽键 4．肽键平面 5．蛋白质一级结构 6．α-螺旋 7．模序 8．次级键 9．结构域 10．亚基 11．协同效应 12．蛋白质等电点 13．蛋白质的变性 14．蛋白质的沉淀 15．电泳 16．透析 17．层析 18．沉降系数 19．双缩脲反应 20．谷胱甘肽 二、填空题 21．在各种蛋白质分子中，含量比较相近的元素是____，测得某蛋白质样品含氮量为15.2克，该样品白质含量应为____克。 22．组成蛋白质的基本单位是____，它们的结构均为____，它们之间靠____键彼此连接而形成的物质称为____。 23．由于氨基酸既含有碱性的氨基和酸性的羧基，可以在酸性溶液中带____电荷，在碱性溶液中带____电荷，因此，氨基酸是____电解质。当所带的正、负电荷相等时，氨基酸成为____离子，此时溶液的pH值称为该氨基酸的____。 24．决定蛋白质的空间构象和生物学功能的是蛋白质的____级结构，该结构是指多肽链中____的排列顺序。25．蛋白质的二级结构是蛋白质分子中某一段肽链的____构象，多肽链的折叠盘绕是以____为基础的，常见的二级结构形式包括____，____，____和____。 26．维持蛋白质二级结构的化学键是____，它们是在肽键平面上的____和____之间形成。 27．稳定蛋白质三级结构的次级键包括____，____，____和____等。 28．构成蛋白质的氨基酸有____种，除____外都有旋光性。其中碱性氨基酸有____，____，____。酸性氨基酸有____，____。 29．电泳法分离蛋白质主要根据在某一pH值条件下，蛋白质所带的净电荷____而达到分离的目的，还和蛋白质的____及____有一定关系。 30．蛋白质在pI时以____离子的形式存在，在pH>pI的溶液中，大部分以____离子形式存在，在pH
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