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.
激光拉曼光谱：拉曼光谱是研究分子振动和转动光谱的重要手段，它是没有任何遮蔽效应的不破坏样品的光谱技术之一，可提供的蛋白质结构信息很丰富，还可在生理环境或活体中做实验，能更真实地反映生命过程。激光拉曼光谱是基于拉曼散射和瑞利散射的光谱。随着数学和物理学的发展，傅立叶变换拉曼光谱(FT—Paman)和紫外一共振拉曼光谱成为当前拉曼光谱发展的主要方向。在傅立叶变换红外光谱中曲线拟和方法主要有两种：一种是Byler等采用的傅立叶去卷积谱，另一种是Surewize等采用的傅立叶原始光谱川。这两种对蛋白质二级结构的定理方法，都是以去卷积和求导数光谱的方法对蛋白质拉曼光谱酰胺I带分峰及确定各子峰峰位，并以子峰面积表征对应二级结构相对的百分含量。从而提高了信噪比和精度。紫外一共振拉曼光谱成功的利用蛋白质在紫外区具有吸收性质，使紫外共振激发蛋白质分子成为可能，在很大程度上提高了拉曼散射截面，而且紫外激发消除了荧光干扰，提高了信噪比。
红外光谱：红外光谱在研究蛋白质二级结构中的应用傅立叶变换红外光谱(FTIR)现已广泛应用于蛋白质二级结构的分析，其中大量的研究主要是在重水溶液中进行的。最近几年，采用很薄的吸收池可成功的进行水溶液中蛋白质的结构分析。对二级结构的定量，现有拟合、偏最／b -乘及因子分析法等。其中，偏最小二乘法对于蛋白质二级结构的定量在理论和实际上都是一种更加准确可靠的方法。当前，虽然众多技术为蛋白质空间结构测定提供了有效的实验手段，并正以平均每天得到几个生物大分子空间结构的速度前进。但是这些方法提供蛋白质三维结构的速度还远小于蛋白质序列信息的增长速度。另外，这些方法依然存在局限性。X射线晶体学技术需要得到适当的蛋白质晶体；NMR技术现在还不能有效地测定相对分子质量大于3万的样品；电子晶体学技术现在还正在发展。人们尚不能估计有多少人类蛋白质最终可由上述方法测定，又有多少蛋白质不能测定。
(一)摘要： 利用Discover Stuido所提供的蛋白質三級結構預測之同源模擬(Homology Modeling)的方法，可以很快速及有效率的獲得離子通道蛋白之三維結構，再深入探討分析其結構所提供的資料，進一步了解離子通道蛋白的功能，可用來指引生物實驗，例如site - directed mutagenesis、rational drug design 和protein - protein interaction 等等。模擬之後的結構再透過Discover Stuido所提供之LigandFit、LibDock 以及CDOCKER等計算方法，進行藥物與通道蛋白的對接，再經過Discover Stuido生物軟體計算預測藥物可能在通道上可能的結合位置以及可能相互作用的關鍵胺基酸。 (二)研究動機： 細胞膜上的離子通道是所有生命體的基本要件，很多疾病，例如一些神經系統疾病和心血管疾病就是由於細胞上的離子通道功能發生紊亂或蛋白結構的缺陷所造成。例如本實驗室研究項目之ㄧ的離子通道「NMDA受器」，在哺乳類動物中樞神經系統中扮演重要角色，從興奮性突觸的訊息傳遞、突觸的可塑性、到學習與記憶的整合此通道受器都參予其中，許多神經性疾病如急性腦中風或慢性的阿茲海默症、帕金森氏症、精神分裂症、癲癇等等都認為和NMDA受器有關，因此增加對它們的認識是幫助了解許多疾病狀態的重要基礎，目前許
多離子通道已成為製藥界開發新藥的目標，離子通道的研究還有非常大的潛力和應用空間。 由於生物資訊近幾年來發展迅速，尤其基因體計劃的進行更增加了資料庫中的數量，包括核酸、蛋白質及結構等資料庫。一般說來，蛋白質三維結構主要以實驗方法來決定，例如X-射線繞射法或NMR光譜法。事實上，技術上的困難使得蛋白質三維結構決定的速度相當地緩慢，因此發展出利用電腦並依據蛋白質的序列來預測其三級結構的方法。這些方法包含以物理化學原理的ab-initio methods 及以資料庫提供的序列和結構知識衍生的蛋白質摺疊認識fold- recognition methods（亦稱threading 穿針引線法），和同源模擬法（homology modeling）。 我們想透過Discover Stuido中的homology modeling方法來預測離子通道蛋白經胺基酸點突變之後可能的構型變化，以及預測相關藥物與通道蛋白之間可能的作用位置，並且可以有效率的篩選出可能作用的關鍵胺基酸，再透過電生理的方式來探測藥物對離子通道的行為模式，有助於進一步且有效率的了解離子通道可能的分子機制。(三)研究方法與步驟： 同源模擬法五個主要的步驟： (1)資料庫搜尋及選擇模版（templates）
第四章蛋白质化学 一、单项选择题 1．蛋白质分子的元素组成特点是 A．含大量的碳B．含大量的糖C．含少量的硫D．含少量的铜E．含氮量约16% 2．一血清标本的含氮量为5g/L，则该标本的蛋白质浓度是 A．15g/L B．20g/L C．31g/L D．45g/L E．55g/L 3．下列哪种氨基酸是碱性氨基酸？ A．亮氨酸B．赖氨酸C．甘氨酸D．谷氨酸E．脯氨酸 4．下列哪种氨基酸是酸性氨基酸？ A．天冬氨酸B．丙氨酸C．脯氨酸D．精氨酸E．甘氨酸 5．含有两个羧基的氨基酸是 A．丝氨酸B．苏氨酸C．酪氨酸D．谷氨酸E．赖氨酸 6．在pH6.0的缓冲液中电泳，哪种氨基酸基本不移动？ A．丙氨酸B．精氨酸C．谷氨酸D．赖氨酸E．天冬氨酸 7．在pH7.0时，哪种氨基酸带正电荷？ A．精氨酸B．亮氨酸C．谷氨酸D．赖氨酸
E．苏氨酸 8．蛋氨酸是 A．支链氨基酸B．酸性氨基酸 C．碱性氨基酸D．芳香族氨酸 E．含硫氨基酸 9．构成蛋白质的标准氨基酸有多少种？ A．8种B．15种 C．20种D．25种 E．30种 10．构成天然蛋白质的氨基酸 A．除甘氨酸外，氨基酸的α碳原子均非手性碳原子 B．除甘氨酸外，均为L-构型C．只含α羧基和α氨基D．均为极性侧链E．有些没有遗传密码11．天然蛋白质中不存在的氨基酸是 A．瓜氨酸B．蛋氨酸 C．丝氨酸D．半胱氨酸 E．丙氨酸 12．在中性条件下大部分氨基酸以什么形式存在？ A．疏水分子B．非极性分子 C．负离子D．正离子 E．兼性离子 13．所有氨基酸共有的显色反应是 A．双缩脲反应B．茚三酮反应 C．酚试剂反应D．米伦反应 E．考马斯亮蓝反应 14．蛋白质分子中的肽键 A．氨基酸的各种氨基和各种羧基均可形成肽键 B．某一氨基酸的γ-羧基与另一氨基酸的α氨基脱水形成 C．一个氨基酸的α-羧基与另一氨基酸的α氨基脱水形成 D．肽键无双键性质
BIOINFORMATICS Vol.18no.92002Pages 1250–1256 ESyPred3D:Prediction of proteins 3D structures Christophe Lambert ?,Nadia L′eonard,Xavier De Bolle and Eric Depiereux Facult′es Universitaires Notre-Dame de la Paix,Unit′e de Recherche en Biologie Mol′eculaire,Rue de Bruxelles,61,B-5000Namur,Belgium Received on February 1,2002;revised on March 7,2002;accepted on March 18,2002 ABSTRACT Motivation:Homology or comparative modeling is cur-rently the most accurate method to predict the three-dimensional structure of proteins.It generally consists in four steps:(1)databanks searching to identify the struc-tural homolog,(2)target–template alignment,(3)model building and optimization,and (4)model evaluation.The target–template alignment step is generally accepted as the most critical step in homology modeling. Results:We present here ESyPred3D,a new automated homology modeling program.The method gets bene?t of the increased alignment performances of a new alignment strategy.Alignments are obtained by combining,weighting and screening the results of several multiple alignment programs.The ?nal three-dimensional structure is build using the modeling package MODELLER.ESyPred3D was tested on 13targets in the CASP4experiment (C ritical A ssessment of Techniques for Proteins S tructural P rediction).Our alignment strategy obtains better results compared to PSI-BLAST alignments and ESyPred3D alignments are among the most accurate compared to those of participants having used the same template. Availability:ESyPred3D is available through its web site at http://www.fundp.ac.be/urbm/bioinfo/esypred/. Contact:https://www.doczj.com/doc/9817549245.html,mbert@fundp.ac.be;http://www.fundp.ac.be/～lambertc INTRODUCTION Three-dimensional (3D)protein structure is an important source of information to better understand the function of a protein,its interactions with other compounds (ligands,proteins,DNA,...)and to understand phenotypical effects of mutations (Tramontano,1998).The 3D protein struc-ture can be predicted according to three main categories of methods (Rost and O’Donoghue,1997):(1)homology or comparative modeling (described below);(2)fold recogni-tion (predicting the global fold of a protein);(3)ab initio techniques (trying to model the 3D structure of proteins using only the sequence and a force ?eld). ?To whom correspondence should be addressed. Homology modeling is historically the ?rst (Browne et al.,1969)and the most accurate method (Sanchez and Sali,1997).It was shown during the last CASP experiment (Venclovas et al.,1999)(C ritical A ssessment of Techniques for Proteins S tructural P rediction)that the critical steps are:(1)template selection,(2)target–template alignment step,(3)modeling of regions not present or signi?cantly different from those in template and (4)modeling of side chains.Among these critical steps,it is commonly accepted that the target–template alignment step is the most critical (Mosimann et al.,1995;Martin et al.,1997). It is known that above 50%of identity rate between target and template,pairwise alignments provide accurate models.Between 30%and 50%of identity,multiple align-ments between target,template and similar proteins must be used and the pairwise alignments between target and template must be extracted from this multiple alignment.Below 30%of identity rate,only heuristic combinations of multiple alignments,experimental data and know-how of an expert are able to generate an accurate model. A large number of techniques have been developed to predict 3D structures of proteins by homology modeling.For the target–template alignment step,most of them use PSI-BLAST (Altschul et al.,1997),PileUp (Wisconsin Package Version 9.1,Genetics Computer Group (GCG),Madison,Wisc.),ClustalW (Thompson et al.,1994),3D-PSSM (Fischer et al.,1999),SAMT99(Karplus et al.,1997),or also the alignment producing the best model out of a collection computed from various alignment programs (Yang and Honig,1999). Our laboratory developed the MATCHBOX multiple sequence alignment software in the early 1990s (De-piereux and Feytmans,1992)and it has proved to be one of the most accurate in terms of speci?city (Depiereux et al.,1997).Much effort has been consented into im-proving alignment accuracy by adding information such as secondary structure predictions,solvent accessibility predictions,speci?c scoring matrices and combination with ClustalW.In all cases,it was only possible to slightly improve multiple alignment accuracy (unpublished re-1250 c Oxford University Press 2002
蛋白质结构与功能的关系 （The relationship between protein structure and function） 摘要蛋白质特定的功能都是由其特定的构象所决定的，各种蛋白质特定的构象又与其一级结构密切相关。天然蛋白质的构象一旦发生变化，必然会影响到它的生物活性。由于蛋白质的构象的变化引起蛋白质功能变化，可能导致蛋白质构象紊乱症，当然也能引起生物体对环境的适应性增强！现而今关于蛋白质功能研究还有待发展，一门新兴学科正在发展，血清蛋白组学，生物信息学等！本文仅就蛋白质结构与其功能关系进行粗略阐述。 关键词：蛋白质结构；折叠/功能关系；蛋白质构象紊乱症；分子伴侣 Keywords：protein structure；fold／function relationship；protein conformational disorder；molecular chaperons 虽然蛋白质结构与生物功能的关系比序列与功能的关系更加紧密，但结构与功能的这种关联亦若隐若现，并不能排除折叠差别悬殊的蛋白质执行相似的功能，折叠相似的蛋白质执行差别悬殊功能的现象的存在。无奈，该领域仍不得不将100多年前Fisher提出的“锁一钥匙”模型(“lock—key”model)和50多年前Koshand提出的诱导契合模型(induce fitmodel)作为蛋白质实现功能的理论基础。这2个略显粗糙的模型只是认为蛋白质执行功能的部位局限在结构中的一个或几个小区域内，此类区域通常是蛋白质表面上的凹洞或裂隙。这种凹洞或裂隙被称为“活性部位(active site)”或“别构部位（fallosteric site）”，凹陷部位与配体分子在空间形状和静电上互补。此外，在酶的活性部位中还存在着几个作为催化基团(catalyticgroup)的氨基酸残基。对蛋白质未来的研究应从实验基本数据的归纳和统计入手，从原始的水平上发现蛋白质的潜藏机制【1】。 蛋白质结构与功能关系的研究主要是以力求刻画蛋白质的3D结构的几何学为基础的。蛋白质结构既非规则的几何形，又非完全的无规线团(randomcoil)，而是有序(α一螺旋和β一折叠)与无序(线团或环域loop)的混合体。理解蛋白质3D结构的技巧是将结构简化，只保留某种几何特征或拓扑模式，并将其数字化。探求数字中所蕴含的规律，且根据这一规律将蛋白质进行分类，再将分类的结构与蛋白质的功能进行比较，以检验蛋白质抽象结构的合理性。如果一种对蛋白质结构的简化、比较和分类能与蛋自质的功能有较好地对应关系，那么这就是一种对蛋白质结构的有价值的理解。蛋白质结构中，多种弱力(氢键、范德华力、静电相互作用、疏水相互作用、堆积力等)和可逆的二硫键使多肽链折叠成特定的构象。从某种意义上说，共价键维系了蛋白质的一级结构；主链上的氢键维系了蛋白质的二级结构；而氨基酸侧链的相互作用和二硫桥维系着蛋白质的三级结构。亚基(subunit)内部的侧链相互作用是构象稳定的基础，蛋白质链之间的侧链的相互作用是亚基组装(四级结构)的基础，而蛋白质中侧链与配体基团问的相互作用是蛋白质行使功能的基础。 牛胰核糖核酸酶(RNase)变性和复性的实验是蛋白质结构与功能关系的很好例证。蛋白质空间结构遭到破坏；，可导致蛋白质的理比性质和生物学性质的变化，这就是蛋白质变性。变性的蛋白质，只要其一级结构仍然完好，可在一定条件下恢复其空间结构，随之理化性质和生物学性质也可重现，这被称为复性。RNase是由124个氨基酸残基组成的一条肽链，分子中8个半胱氨酸的巯基构成4对二硫键，进而形成具有一定空间构象的活性蛋白质。天然RNase遇尿素和β巯基乙醇时发生变性，其分子中的氢键和4个二硫键解开，严密的空间结构遭破坏，丧失了生物学活性，但一级结构完整无损。若去除尿素和β巯基乙醇，RNase又可恢复其原有构象和生物学活性。RNase分子中的8个巯基若随机排列成二硫键可有105种方式。有活性的RNase只是其中的一种，复性时之所以选择了自
蛋白质结构与功能的关系 蛋白质的结构包括一级结构、二级结构、三级结构、四级结构。 一级结构是蛋白质的一级结构指在蛋白质分子从N-端至C-端的氨基酸排列顺序。一级结构是蛋白质空间构象和特异生物学功能的基础，但不是决定蛋白质空间构象的唯一因素。 蛋白质的二级结构是指多肽链的主链骨架本身在空间上有规律的折叠和盘绕，它是由氨基酸残基非侧链基团之间的氢键决定的。常见的二级结构有α螺旋、三股螺旋、β折叠、β转角、β凸起和无规卷曲。α螺旋中肽链骨架围绕一个轴以螺旋的方式伸展，它可能是极性的、疏水的或两亲的。β折叠是肽链的一种相当伸展的结构，有平行和反平行两种。如果β股交替出现极性残基和非极性残基，那么就可以形成两亲的β折叠。β转角指伸展的肽链形成180°的U形回折结构而改变了肽链的方向。β凸起是由于β折叠股中额外插入一个氨基酸残基而形成的，它也能改变多肽链的走向。无规卷曲是在蛋白质分子中的一些极不规则的二级结构的总称。无规卷曲无固定走向，有时以环的形式存在，但不是任意变动的。从结构的稳定性上看，右手α螺旋＞β折叠＞ U型回折＞无规卷曲，但在功能上，酶与蛋白质的活性中心通常由无规卷曲充当，α右手螺旋和β折叠一般只起支持作用。 蛋白质的三级结构是指多肽链在二级结构的基础上，进一步盘绕、卷曲和折叠，形成主要通过氨基酸侧链以次级键以及二硫键维系的完整的三维结构。三级结构通常由模体和结构域组成。稳定三级结构的化学键包括氢键、疏水键、离子键、范德华力、金属配位键和二硫键。模体可用在一级结构上，特指具有特殊生化功能的序列模体，也可被用于功能模体或结构模体，相当于超二级结构。结构模体是结构域的组分，基本形式有αα、βαβ和βββ等。常见的模体包括：左手超螺旋、右手超螺旋、卷曲螺旋、螺旋束、α螺旋-环-α螺旋、Rossmann卷曲和希腊钥匙模体。结构域是在一个蛋白质分子内的相对独立的球状结构和/或功能模块，由若干个结构模体组成的相对独立的球形结构单位，它们通常是独自折叠形成的，与蛋白质的功能直接相关。一个结构域通常由一段连续的氨基酸序列组成。根据其占优势的二级结构元件的类型，结构域可分为五大类：α结构域、β结构域、α/β结构域、α+β 结构域、交联结构域。以上每一类结构域的二级结构元件可能有不同的组织方式，每一种组织就是一种结构模体。这些结构域都有疏水的核心，疏水核心是结构域稳定所必需的。 具有两条和两条以上多肽链的寡聚蛋白质或多聚蛋白质才会有四级结构。组成寡聚蛋白质或多聚蛋白质的每一个亚基都有自己的三级结构。蛋白质的四级结构内容包括亚基的种类、数目、空间排布以及亚基之间的相互作用。驱动四级结构形成或稳定四级结构的作用力包括
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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 实验六：生物信息学试验学习总结 1使用SWISS-MODEL 进行蛋白质三维结构预测，PyMOL 查看分子结构1.1蛋白质三维结构预测－SWISS-MODEL 1.1.1全自动建模 以MAP kinase Pmk1 [Schizosaccharomyces pombe] （NP_595289.1）为target 序列，首先收缩模板序列，选择四个模板序列进行同源建模，并对得到的模型进行评估 1.1.2比对模式建模 模型评估： GMQE(全局模型质量评估)是一种质量评估，它结合了目标-模板对齐和模板搜索方法的属性。由此产生的GMQE分数表示为0到1之间的数字，反映了用该校准和模板构建的模型的预期精度。较高的数字表明更高的可靠性。一旦建立了模型，在这个特定的情况下，GMQE(1)就会得到更新，同时考虑到获得的模型的q 平均值，从而提高质量评估的可靠性。 QMEAN QMEAN平均数(Benkert等)是基于不同几何属性的复合得分函数，并提供了全局的(即:对于整个结构)和局部(即每个残余物)绝对质量的估计是基于一个单 一模型的。 z分数(2)提供了对模型中观察到的结构特征的“本土程度”的估计，并指出该模型是否具有与实验结构相似的质量。较高的q均值z分数表明模型结构与相似尺寸的实验结构之间的一致性较好。得分在0-4.0或以下的是一个质量很低的模型，这一点也可以通过在分数旁边的“拇指向下”符号的变化来突出显示。 QMEAN由四个单独的术语组成。全球q平均值质量分数的四个单独术语也列在上面。在巴图的白色区域(数值接近于零)表明这一特性与实验结构中所观察到的相似。实证值表明，该模型平均得分高于实验结构，负数表明该模型平均得分低于实验结构。q均值z分数本身显示在顶部。单独的z分数比较了Cbeta原子之间的相互作用势，所有的原子，溶解势和扭转角度的潜力。 “局部质量”图显示了模型的每一个剩余部分(在x轴上报告)，期望与本机结构(y轴)的相似性。通常情况下，分数低于0.6的残留物被认为是低质量的。不同的模型链以不同的颜色显示。如果下载了模型，则在PDB文件的b-factor 列中报告了本地的分数。通过选择色彩方案“q吝啬”，可以直观地看到当地的质量。 在比较图中，模型的质量分数被表示为“z分数”，与高分辨率晶体结构获得的分数相比。x轴表示蛋白质的长度(氨基酸)。y轴是标准化的q均值分数。每一个点代表一个蛋白质结构。最暗的点是所有具有全局q均值z分数(上图中2和3)的结构，在1到1之间，z分数在1到2之间的结构是灰色的，如果z分数大于2，它们是浅灰色的。红色的星星代表这个模型。 举例说明蛋白质结构和功能的关系 答： 1.蛋白质的一级结构与功能的关系 蛋白质的一级机构指：肽链中氨基酸残基（包括二硫键的位置）的排列顺序。一级结构是蛋白质空间机构的基础，包含分子所有的信息，且决定蛋白质高级结构与功能。 ①一级结构的变异与分子病 蛋白质一级结构是空间结构的基础，与蛋白质的功能密切相关，一级机构的改变，往往引起蛋白质功能的改变。 例如：镰刀形细胞贫血病 镰刀形细胞贫血病的血红蛋白（HbS）与正常人的血红蛋白（HbA）相比，发现，两种血红蛋白的差异仅仅来源于一个肽段的位置发生了变化，这个差异肽段是位于β链N端的一个八肽。在这个八肽中，β链N端第6位氨基酸发生了置换，HbA中的带电荷的谷氨酸残基在HbS中被置换成了非极性缬氨酸残基，即蛋白质的一级机构发生了变化。 ②序列的同源性 不同生物中执行相同或相似功能的蛋白质称为同源蛋白质，同源蛋白质的一级机构具有相似性，称为序列的同源性。最为典型的例子， 例如：细胞色素C（Cyt c） Cyt c是古老的蛋白质，是线粒体电子传递链中的组分，存在于从细菌到人的所有需氧生物中。通过比较Cyt c的序列可以反映不同种属生物的进化关系。亲缘越近的物种，Cyt c中氨基酸残基的差异越小。如人与黑猩猩的Cyt c完全一致，人与绵羊的Cyt c有10个残基不同，与植物之间相差更多。蛋白质的进化反映了生物的进化。 2.蛋白质空间结构与功能的关系 天然状态下，蛋白质的多肽链紧密折叠形成蛋白质特定的空间结构，称为蛋白质的天然构象或三维构象。三维构象与蛋白质的功能密切相关。 ①一级结构与高级结构的关系： 一级结构决定高级机构，当特定构象存在时，蛋白质表现出生物功能；当特定构象被破坏时，即使一级构象没有发生改变，蛋白质的生物学活性丧失。例如：牛胰核糖核苷酸酶A（RNase A）的变性与复性 当RNase A处于天然构象是，具有催化活性； 当RNase A处于去折叠状态时，二硫键被还原不具有催化活性；当RNase A恢复天然构象时，二硫键重新形成，活性恢复。 ②变构效应 变构效应：是寡聚蛋白质分子中亚基之间存在相互作用，这种相互作用通过亚基构象的改变来实现。蛋白质在执行功能是时，构象发生一定变化。 例如：肌红蛋白、血红蛋白与氧的结合 两种蛋白质有很多相同之处，结构相似表现出相似功能。这两钟蛋白质都含有血红素 辅基，都能与氧进行可逆结合，因此存在着氧合与脱氧的两种结构形式。但是肌红蛋白几乎在任何氧分压情况下都保持对氧分子的高亲和性。血红蛋白则不同，在氧分压较高时，血红蛋白几乎被氧完全饱和；而在氧分压较低时，血红蛋白与氧的亲和力降低，释放出携带的氧并转移给肌红蛋白。 蛋白质的空间结构和功能 1．构象(conformation)指的是，一个由多个碳原子组成的分子，因单键的旋转而形成的不同碳原子上各取代基或原子的空间排列，只需单键的旋转即可造成新的构象。多肽链主链在形式上都是单键。因此，可以设想一条多肽主链可能有无限多种构象。然而，一种蛋白质的多肽链在生物体正常的温度和pH下只有一种或很少几种构象，并为生物功能所必需。这种天然的构象是什么样的因素促成的? 答：①由于肽键因共振结构而使C—N键具有部分双键的性质，不能自由旋转，因而使得一条多肽主链构象的数目受到了极大限制。②与位于相邻刚性平面交线上的Cα相连接的侧链基团的结构、大小和性质对于主链构象的形成及稳定有很大的影响，使多肽链主链构象数目又受到很大的限制。因为Cα与两个刚性平面连接的单键的旋转度不同程度受到侧链的限制。③各种侧链基团相互作用所形成的各种力使蛋白质在热力学上达到了一种最稳定的构象 2．假若一条多肽链完全由丙氨酸构成，什么样的环境促使它很可能形成α–螺旋，是疏水环境还是亲水环境? 答；一条多肽链呈α-螺旋构象的推动力是所有肽键上的酰胺氢和羰基氧之间形成的链内氢键。在水环境中，肽键上的酰胺氢和羰基氧既能形成内部(α-螺旋内)的氢键，也能与水分子形成氢键。如果后者发生，多肽链呈现类似变性蛋白质那样的伸展构象。疏水环境对于氢键的形成不能提供任何竞争，因此，更可能促进α-螺旋结构的形成。 3．以nm为单位计算α-角蛋白卷曲螺旋（coiled coil）的长度。假定肽链是由100个残基构成。 答：α-角蛋白的每条肽链呈α-螺旋构象，而每个α-螺旋含 3.6个残基。在α-角蛋白中，每轮螺旋的长度为0.51nm。因此, α-角蛋白卷曲螺旋（coiled coil）的长度是： （100残基÷3.6个残基/轮）×0.51/轮＝14.2nm 4．一种叫做Schistosoma mansoni 寄生虫的幼虫能感染侵入人的皮肤。这种幼虫分泌出能裂解的-Gly-Pro-X-Y-（X和Y可能是几种氨基酸中的任何一种）顺序中的X和Y之间肽键的酶。为什么该酶活性对这种寄生虫侵入是重要的。 答：-Gly-Pro-X-Y-顺序频繁出现在胶原蛋白分子中，在身体的各部位都存在，包括皮肤。由于该幼虫酶能催化胶原蛋白多肽链裂解，故该寄生虫能进入宿主皮肤而生存。 5．①是T rp还是Gln更有可能出现在蛋白质分子表面？②是Ser还是Val更有可能出现在蛋白质分子的内部？③是Leu还是Ile更少可能出现在α-螺旋的中间？④是Cys还是Ser更有可能出现在β-折叠中？ 答：蛋白质氨基酸残基在蛋白质结构中出现的位置与这些氨基酸残基的亲水性或疏水性 蛋白质三维结构预测和结果分析 姓名________ 学号______________ 组号_____日期________年___月___日 1.结构预测基本概念 1)参阅王吉龙2007文章，简述蛋白质三维空间结构同源模建的基本原理和步骤。 2)参阅文献(Kelley et al., 2015)，说明利用Phyre2进行蛋白质结构预测的原理、方法和 结果分析。 2.癌胚抗原CEAM5_HUMAN结构预测和分析实例 1)搜索网络信息资源，简述癌胚抗原（Carcinoembryonic antigen, CEA）的研究和应 用背景。查看UniProt/Swiss-Prot数据库中人癌胚抗原CEAM5_HUMAN序列注释 信息和相关链接，说明该蛋白质分子的序列特征、功能、组织特异表达。 2)从PDB数据库中下载癌胚抗原CEAM5_HUMAN分子N端结构域二聚体晶体结构 2QSQ，选取A链并保存为2QSQ_A；从PDB数据库中下载免疫球蛋白抗体分子 高可变结构域1REI，选取A链并保存为1REI_A；比较1REI_A和2QSQ_A折叠 方式和二级结构，比较它们疏水内核的相同和差异。 3)根据文献（Bates et al, 1992）图1序列比对，找出2QSQ中与1REI_A中2个半胱 氨酸和1个色氨酸对应的3个残基，以此为基础进行结构叠合，计算均方根误差。 4)查看2QSQ_A分子表面与抗体结合区域三个回环，说明如何利用结构模拟信息为 下一步实验提供参考信息。 3.癌胚抗原CEA21_HUMAN结构预测和分析实例 1)检索UniProt/Swiss-Prot数据库，找出不同亚型CEA序列条目，根据注释信息，参阅 CEA专门网站（http://www.carcinoembryonic-antigen.de/），比较不同亚型CEA结构 域分布特征。 2)浏览UniProt数据库中收录的CEA21_HUMAN注释信息，找出其中恒定结构域。 3)利用Phyre2蛋白质结构预测网站，预测CEA21_HUMAN恒定结构域三维结构。 4)利用Investigator工具，对预测结果进行深入分析，比较不同位点的保守性和突变敏 感性，并与蛋白质预测网站PredictProtein所得结果进行比较。 4.课题相关蛋白质结构预测 1)以本人研究课题相关蛋白质或该蛋白质在其它物种中的同源蛋白为例，利用 Swiss-PDBViewer进行分析。 2)选取本人研究课题相关蛋白质或其中的某个结构域，以Phyre2网站进行结构预测， 并利用Investigator工具，对预测结果进行深入分析，比较不同位点的保守性和突变 敏感性。 参考文献 1.王吉龙，《癌胚抗原CEA三维空间结构同源模建》，2007， (hyttp://https://www.doczj.com/doc/9817549245.html,/reference/wang-jilong-cea.pdf). 2.Bates PA, Luo J, Sternberg MJ. A predicted three-dimensional structure for the 第 1 页 共 3 页 细胞的化学成分(二) Ⅰ。教学目标： 一． 知识目标： 1． 了解蛋白质的含量和元素组成； 2． 掌握蛋白质的基本结构组成单位的结构通式和共同特点； 3． 掌握蛋白质的形成过程------缩合反应及图解； 4． 理解二肽、三肽及多肽，肽键和肽链的定义； 5． 理解和掌握蛋白质分子的功能； 二．能力目标： 1． 通过蛋白质的有关知识的学习，培养学生对生物和化学知识的综合能力； 2． 通过蛋白质分子结构多样性和功能关系学习，培养分析问题和推理的思维能力； 三．情感目标： 通过生物和化学知识、蛋白质和核酸知识的综合学习，培养学生认识到事物之间都具有联系的观点。 Ⅱ。重点和难点： 1． 氨基酸的结构通式及共同特点； 2． 缩合反应图解； 3． 蛋白质的结构和功能的多样性； 难点： 1． 蛋白质的结构和功能； 2． 有关氨基酸缩合反应的计算。 Ⅲ。教学环节： 复 习： 评讲<课时练习一> 讲授新课： 五．蛋白质： 自学提纲： 1． 含量： 鲜重：7—10% (第二) 干重：50%以上(第一) 2． 元素组成： 第 2 页 共 3 页 都有：C 、H 、O 、N 四种元素，有的还有： S （胰岛素）、F e （血红蛋白）、I （甲状腺激素）、C u （血蓝蛋白）等等。 3． 基本组成单位----（1） 种类： 约20种 （2） R （侧链基团、R 基） H 2N C COOH 氨基 羧基 H （氢原子） （3） 共同特点： Ⅰ。每种氨基酸都至少含有一个氨基和一个羧基； Ⅱ。在每一个氨基酸中都至少有一个氨基和羧基连在同一个α碳原子上； 说明： 1． 在一个氨基酸中除了在α碳原子上一定有一个氨基和一个羧基外，在R 基上也 有可能存在着氨基和羧基； 如：HOOC---CH 2---CH 2--- CH---COOH 谷氨酸，在R 基上有一个羧基 NH 2 CH 3---CH 2---CH 2---CH---COOH 赖氨酸，在R 基上有一个氨基； NH 2 NH 2 2． 在每一个氨基酸中都必须有一个氨基和一个羧基连在同一个而且必须是α碳 原子上；否则就不是构成生物体的氨基酸。 3． 在计算时一定要引导学生记住：除了在α碳原子上有一个氨基和一个羧基以 外，其它的氨基和羧基都在R 基上。 例题一：根据氨基酸的结构特点，判断下列的是否属于构成生物体的氨基酸，并说明理由： 例题二：某氨基酸有三个氨基和二个羧基，问：连在α碳原子上和R 基上的氨基和羧基各 有多少个？ 例题三：谷氨酸的R 基是 C 3H 5O 2 ，问谷氨酸中含有的碳原子和氧原子各有多少个？ A. 4, 4 B. 5, 5 C. 5, 4 D. 4, 5 例题四：构成生物体的氨基酸的R 基有多少种？ 4． 蛋白质的形成过程： 蛋白质结构与功能的关系 摘要：蛋白质特定的功能都是由其特定的构象所决定的，各种蛋白质特定的构象又与其一级结构密切相关。天然蛋白质的构象一旦发生变化，必然会影响到它的生物活性。由于蛋白质的构象的变化引起蛋白质功能变化，可能导致蛋白质构象紊乱症，当然也能引起生物体对环境的适应性增强！现而今关于蛋白质功能研究还有待发展，一门新兴学科正在发展，血清蛋白组学，生物信息学等！本文仅就蛋白质结构与其功能关系进行粗略阐述。 关键词：蛋白质分子一级结构、空间结构、折叠/功能关系、蛋白质构象紊乱症；分子伴侣正文： 1、蛋白质分子一级结构和功能的关系 蛋白质分子中关键活性部位氨基酸残基的改变，会影响其生理功能，甚至造成分子病(molecular disease)。例如镰状细胞贫血，就是由于血红蛋白分子中两个β亚基第6位正常的谷氨酸变异成了缬氨酸，从酸性氨基酸换成了中性支链氨基酸，降低了血红蛋白在红细胞中的溶解度，使它在红细胞中随血流至氧分压低的外周毛细血管时，容易凝聚并沉淀析出，从而造成红细胞破裂溶血和运氧功能的低下。 另一方面，在蛋白质结构和功能关系中，一些非关键部位氨基酸残基的改变或缺失，则不会影响蛋白质的生物活性。例如人、猪、牛、羊等哺乳动物胰岛素分子A链中8、9、10位和B链30位的氨基酸残基各不相同，有种族差异，但这并不影响它们都具有降低生物体血糖浓度的共同生理功能。 蛋白质一级结构与功能间的关系十分复杂。不同生物中具有相似生理功能的蛋白质或同一种生物体内具有相似功能的蛋白质，其一级结构往往相似，但也有时可相差很大。如催化DNA 复制的DNA聚合酶，细菌的和小鼠的就相差很大，具有明显的种族差异，可见生命现象十分复杂多样。 2、蛋白质分子空间结构和功能的关系 蛋白质分子空间结构和其性质及生理功能的关系也十分密切。不同的蛋白质，正因为具有不同的空间结构，因此具有不同的理化性质和生理功能。如指甲和毛发中的角蛋白，分子中含有大量的α-螺旋二级结构，因此性质稳定坚韧又富有弹性，这是和角蛋白的保护功能分不开的;而胶原蛋白的三股π螺旋平行再几股拧成缆绳样胶原微纤维结构，使其性质稳定而具有强大的抗张力作用 又如细胞质膜上一些蛋白质是离子通道，就是因为在其多肽链中的一些α-螺旋或β-折叠二级结构中，一侧多由亲水性氨基酸组成，而另一侧却多由疏水性氨基酸组成，因此是具有“两亲性”(amphipathic)的特点，几段α-螺旋或β-折叠的亲水侧之间就构成了离子通道，而其疏水侧，即通过疏水键将离子通道蛋白质固定在细胞质膜上。载脂蛋白也具有两亲性，既能与血浆中脂类结合，又使之溶解在血液中进行脂类的运输。 3、折叠/功能关系 体内各种蛋白质都有特殊的生理功能，这与空间构象有着密切的关系。肌红蛋门和血红蛋白是阐述空间结构与功能关系的典型例子。肌红蛋门(Mb))和血红蛋白(Hb)都是含血红素辅基的结合蛋白质。Mb有一条肽链，经盘曲折折叠形成三级结构，整条肽链由A~H8段α螺旋盘曲折叠成为球状，疏水氨基酸侧链在分子内部，亲水氨基酸侧链在分子外部，形成亲水的球状蛋白，血红素辅基位于Mb分子内部的袋状空穴中。Hb有四条肽链，两条β链也有与Mb 相似的A~H8段α螺旋，有两条α链只有7段α螺旋。Hb与Mb的折叠方式相似，也都能与氧进行可逆的结合。Hb的一个亚基与氧结合后可引起构象变化，是另一个亚基更易于与氧结合，这种带氧的亚基协助不带氧的亚基去结合氧的现象称为协同效应。氧与Hb结合后可生物信息学 实验六 蛋白质高级结构预测
以多种蛋白为例阐述蛋白质结构与功能的关系
蛋白质的空间结构和功能
蛋白质三维结构预测和结果分析
组成细胞的化学成分(蛋白质)(三)
蛋白质的结构和功能的关系
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