结构生物学2大分子模拟课件

第二章结构生物学的研究方法生物大分子的计算机模拟.第一节生物大分子的计算机模拟生物大分子的计算机模拟方法蛋白质三维结构的模建核酸结构的模拟.生物大分子的计算机模拟方法量子力学分子力学分子动力学概率统计＋热力学统计物理.量子力学量子力学是微观世界物质运动的普遍规律一个分子体系的状态可以用Schrodinger方程来表示，通过求解Schrodinger方程可以得到分子体系的结构和性质量子力学的计算方法：从头计算；密度泛函理论；半经验计算方法.量子力学方法的特点：计算结果精确度高，限于计算机的计算能力，能够计算的体系小从头计算方法：100个原子；半经验计算：1000-10,000个目前，生物大分子体系还不能只用量子力学方法模拟，但与分子力学和分子动力学结合后发展了一些新的方法.分子力学分子力学是一种近似处理方法忽略电子的运动，将体系的势能看作是原子核位置的函数力场：分子体系的势能函数分子的势能=键伸缩能+键角扭曲能+扭转势能+非键相互作用项.函数形式和参数力场是经验的“原子”的定义特点：针对局域能量极小，不是整个系统能够计算含有大量原子的体系简单有效，目前应用得最广泛.分子动力学分子动力学是建立在牛顿力学基础上的一种分子模拟方法将分子体系的运动看作是在势能面中质点的运动，求解运动方程可得到体系中所有原子的轨迹，从轨迹中可计算得到各种性质.特点：可以搜索很大的构象空间，模拟时间在纳秒级应用分子模型的动力学变化研究大分子体系低能构象的模建X射线晶体学和NMR中的结构优化.第一节生物大分子的计算机模拟生物大分子的计算机模拟方法比较建模(comparativemoddelingmethod);反向折叠法(inversefoldingorthreading);从头预测法(abinitiopredictionmethod)蛋白质三维结构的模建核酸结构的模拟.蛋白质三维结构的模建模建（modeling）蛋白质结构的基本概念蛋白质结构预测的从头计算同源和比较模建方法蛋白质折叠类型识别法蛋白质二级结构预测蛋白质结构预测方法准确性的评估应用实例.模建（modeling）蛋白质的三维结构模建是从氨基酸序列出发理论预测蛋白质的三维结构模建研究的意义中心法则的延伸—第二遗传密码蛋白质结构测定的速度远远落后于序列测定的速度，使理论预测的方法成为一种迫切的需要蛋白设计、药物开发.到2007年3月，已知的蛋白质序列超过60万条，而测定了三维结构的蛋白质仅为4万多个蛋白质三维结构的测定已经成为生命科学发展的“瓶颈”.蛋白质结构的基本概念蛋白质的二级结构单元

a螺旋

b折叠股（b-strand）和b折叠片（b-sheet）环（loop）

b-转角（b-turn）蛋白质的结构可以通过旋转键的扭角来确定主链扭角：f,y,w侧链扭角：c1,c2,….蛋白质分子的二级结构(SecondaryStructure).蛋白质的三维结构蛋白质的二级(Secondary)结构是指肽链的主链在空间的排列,或规则的几何走向、旋转及折叠。它只涉及肽链主链的构象及链内或链间形成的氢键。（即多肽链本身的折叠和盘绕方式）主要有-螺旋、-折叠、-转角1．蛋白质的二级结构.SecondaryStructuralElements.a-helices-sheetsTurnsRandomcoil(itsneither!).

肽键的键长介于单键和双键之间，具有部分双键的性质，不能自由旋转。

酰胺平面.螺旋α－螺旋结构最常见、含量最丰富的二级结构

..-螺旋

-helix在-螺旋中肽平面的键长和键角一定；肽键的原子排列呈反式构型；相邻的肽平面构成两面角；.多肽链中的各个肽平面围绕同一轴旋转，形成螺旋结构，螺旋一周，沿轴上升的距离即螺距为0.54nm,含3.6个氨基酸残基；两个氨基酸之间的距离为0.15nm;肽链内形成氢键，氢键的取向几乎与轴平行，第一个氨基酸残基的酰胺基团的-CO基与第四个氨基酸残基酰胺基团的-NH基形成氢键。蛋白质分子为右手-螺旋。-螺旋.螺旋■-螺旋的末端是极性的，通常位于蛋白质分子的表面。-螺旋在蛋白质分子中的长度变化很大，可以从4个到40个不等。■在蛋白质分子结构中观察到-螺旋几乎都是右手螺旋，短的左手螺旋偶尔也会出现。■-螺旋中的氢键均指向相同的方向。总体效应是产生一个有意义的净偶极。-螺旋的氨基端可提供部分正电荷，羧基端可以提供部分负电荷。■不同的氨基酸残基对于-螺旋有着倾向性的偏好和厌恶。■-螺旋在蛋白质分子中的分布是有倾向性的。.螺旋-螺旋中的氢键均指向相同的方向，即肽单位沿螺旋轴处于相同的取向。由于肽单位有来自不同的NH和C＝O基团的偶极运动，这些偶极运动也是沿着螺旋轴的方向，总体效应是产生一个有意义的净偶极。-螺旋的氨基端可提供部分正电荷，羧基端可以提供部分负电荷，这些电荷可以攻击反电荷的配基。带负电荷的配基尤其当它们包含磷酸基团时，通常结合到-螺旋的氨基端。这样的配基相互作用在蛋白质结构中是比较常见的。.螺旋除了脯氨酸外，-螺旋中的所有氨基酸残基的侧链均处于螺旋的外侧。由于脯氨酸主链的环状结构，往往引起-螺旋的有意义的弯曲。当然，并非所有的-螺旋的弯曲都是由于脯氨酸残基的存在。不同的氨基酸残基对于-螺旋有着倾向性的偏好和厌恶：Ala,Glu,Lue,Met等对-螺旋有着倾向性的偏好，Pro,Gly,Ser等倾向于不参加-螺旋。.回折.-折叠-折叠是由两条或多条几乎完全伸展的肽链平行排列，通过链间的氢键交联而形成的。肽链的主链呈锯齿桩折叠构象在-折叠中，-碳原子总是处于折叠的角上，氨基酸的R基团处于折叠的棱角上并与棱角垂直，两个氨基酸之间的轴心距为0.35nm；

-pleatedsheet.-折叠结构的氢键主要是由两条肽链之间形成的；也可以在同一肽链的不同部分之间形成。几乎所有肽键都参与链内氢键的交联，氢键与链的长轴接近垂直。-折叠有两种类型。一种为平行式，即所有肽链的N-端都在同一边。另一种为反平行式，即相邻两条肽链的方向相反。-折叠.-sheets-sheetsfulfillthehydrogenbondingpotentialofthemain-chainatoms,exceptattheedges.Adjacentstrandsareusuallycloseinsequence.Properties:DistancebetweenCa'sis~3.6ÅinanextendedstrandDistancebetweenstrands~4.6ÅStrandsarenotflat.Theyhaveacharacteristicright-handedtwistHowaresheetsdefined?Antiparallelb-sheetParallelb-sheet.反平行回折平行回折蛋白质分子的另一种主要结构成分是回折，这种结构是蛋白质分子中若干段区域的称为-链的多肽链形成的。在回折中，-链处于伸展状态，一条链的C＝O与另一条链的NH形成氢键。-链可以有两种方式形成回折：一种是所有的-链均具有相同的方向(平行回折)，另一种是相互靠近的两条-链具有相反的方向(反平行回折)。除了位于两侧的-链外，所有肽链上的C＝O基团和NH基团均形成了氢键。回折.回折回折也可以混合的平行和反平行的形式存在。几乎所有的回折，不管是平行的、反平行的、或者是混合的，均存在着链的扭曲，这种扭曲通常大部分是右手的。E.colithioredoxinAgkistrodonacutusserineproteaseAgkistrodonacutuszinc-metalloproteinase.-转角

-turn

蛋白质分子中肽链出现180的回折，又称为β－弯曲、链回转或发夹结构。在-转角部分，由四个氨基酸残基组成;弯曲处的第一个氨基酸残基的-C=O和第四个残基的–N-H之间形成氢键，形成一个不很稳定的环状结构。这类结构主要存在于球状蛋白分子中。.

β－转角靠第一个氨基酸残基的C=O和第四个氨基酸残基的NH形成氢键维持稳定，多数存在于球状蛋白质分子的表面。

.无规则卷曲也称自由回转或无规则线团.蛋白质分子表面的环区域.蛋白质分子表面的环区域（LOOP）大多数蛋白质分子是由-螺旋和/或回折构成的。这些-螺旋和/或回折通常由不同长度和不规则形状的环区域相连接。螺旋与回折的组合形成了分子的稳定的疏水内核，环区域位于分子的表面。主链上的这环区域的C＝O和NH基团一般不相互形成氢键，而是与溶剂中的水分子形成氢键。暴露于溶剂中的环区域的残基通常是一些带电的和亲水的残基，据此进行的环区域的预测可信度往往比对-螺旋和回折的预测还要高。.不同种属的蛋白质氨基酸残基序列同源比较表明，某些残基的插入/缺失往往发生在环区域。在分子进化的过程中，蛋白质分子的内核要比环区域更稳定。由于环区域具有连接螺旋、回折的功能，故环区域通常参与形成蛋白质的“结合部位”或酶的“活性中心”。抗体的抗原结合部位的“发夹环”锌金属蛋白酶的“Met-turn”蛋白质分子表面的环区域.蛋白质的结构可以通过旋转键的扭角来确定.多肽链折叠的主链构象角.描述蛋白质结构的扭角NHONHfywc1c2.蛋白质结构预测的从头计算从头计算法（abinitio）搜索分子的构象空间，找到最合适的构象基本假设：天然构象=能量最低构象搜索构象空间的方法蛋白质的简化模型特点：不依赖于已知的结构模式，是一种普适的解决方法，目前尚处于探索阶段.同源和比较模建方法根据蛋白质结构的相似性，以已知蛋白质的结构为模板构建未知蛋白质的三维结构在进化过程中蛋白质三维结构的保守性远大于序列的保守性，当两个蛋白质的序列同源性/相似性高于35%时，一般情况下它们的三维结构基本相同同源模建方法是目前最常被采用的也是最成功的结构预测方法.主要步骤确定模板确定未知蛋白质与已知结构蛋白质的序列比对确定结构保守性的主链结构片断构建结构变化的区域侧链模建用能量计算的方法进行结构优化.同源和比较模建方法影响同源模建质量的因素序列相似性大小（插入和删除片断）>30%序列比对的准确性序列比对（sequencealignment）将两个或多个序列之间的相似区域和保守性位点对齐以分析它们的相似程度在同源模建中非常重要，影响结构预测的准确性程序：BLAST/Fasta.生物信息学的基本策略1、从相似性推断同源性相似性（similarity）

Similar：havingcharacteristicsincommon

--Merriam-WebsterDictionary同源性（homology）:Asimilarityoftenattributabletocommonorigin

--Merriam-WebsterDictionary同源进化上有共同的起源.哪些共同特征?（1）分子生物学的中心法则DNARNA蛋白质转录翻译遗传信息：贮存在DNA的核苷酸序列中进化中被复制以及发生变异的是基因的核苷酸序列（以及相应的蛋白质序列）因此，按照分子生物学的基本原理，我们应该根据核苷酸序列或者氨基酸序列上的共同特征来判断序列的是否同源最简单:序列一致性(sequenceidentity).同源蛋白应该具有相对保守的功能（催化同类化学反应、结合同类型的其他分子等）蛋白质功能依赖于三维结构按照上述原理，我们同样应该能够根据三维结构上的共同特征来判断蛋白质分子是否同源。最简单:主链原子位置的均方根偏差(RMSD)哪些共同特征?（2）.生物信息学的基本策略（2）2、发现和利用不同特征间的关联关系（Guiltybyassociation）序列整体特征序列同源性结构整体特征序列局部特征（如motif）结构局部特征功能模式例如：.关联关系的发现：数据搜集、特征提取与数据建模、参数估计的过程。知识发现。关联关系的利用：数据检索、统计检验、实验验证的过程。知识利用。例：根据序列预测蛋白质在核内的定位序列motif蛋白在细胞核内定位（核定位信号，NLS，nuclearlocalizationsignal)/predictNLS/.数据搜集实验数据分析实验观察到的NLS有没有共同点？这些共同点是否足以区分核蛋白和非核蛋白？能否根据序列间的进化关系对实验数据进行扩展？.根据进化特征对结构功能进行预测保守性绝对保守相对保守(变异速率相对较慢,变异类型受到约束)非保守协变性或关联性ConservationanalysisPhylogeneticprofilingEvolutionarytracing…基本策略（3）.可以在不同层次分析进化过程中的保守性与协变性给定位点上的氨基酸/核苷酸同源蛋白质分子间的保守性给定序列模式或结构模式在蛋白质家族内或家族间的保守性给定二级结构单元（蛋白质、RNA）在蛋白质家族或超家族间的保守性给定蛋白质分子在物种间的保守性。。。.从相似性--〉同源性序列相似，或者结构相似发现和利用不同特征间的关联NLS模式与核定位利用同源序列对序列模式进行扩展Swissprot数据库（uniProt知识库）覆盖率、正确率是两个重要指标利用进化特征保守性／协变性ConSurf对蛋白质序列各个位点的保守性进行分析，并投影到三维结构上，可能与功能相关联.BLAST序列比对的实例Score=233bits(593),Expect=4e-61Identities=118/251(47%),Positives=162/251(64%),Gaps=9/251(3%)Query:29IGIYKWHYSGLNRWHGAGSTADFQKIIQERCDTYTQTIRPGSRSRNCQAIRQAFMSAFIS88+G+WS+G+TI+RCTYT++PR+++C+IFSAF+SSbjct:40VGVLTWRQSSM------GATDHVSAIVLGRCLTYTRNMHPELRNQDCKKILNTFTSAFVS93

Query:89KDPCKATKEDYNSLINLAPPTVPCGQQVFWSKTKELAHEYAK-RRRLMTLEDTLLGYLAD147KDPCTKEDYLI+LTVPC++FWS++KELAH+Y++++TLEDTLLGY+ADSbjct:94KDPCNITKEDYQPLIDLVTQTVPCNKTLFWSRSKELAHQYSGIQKEMFTLEDTLLGYIAD153.同源和比较模建方法互联网上的同源模建服务器SWISS-MODELhttp://www.expasy.ch/swissmod/SWISS-MODEL.html

EMBL

www.embl-heidelberg.de/predictprotein/predictprotein.html.蛋白质折叠类型识别法蛋白质的折叠模式是有限的自然界中蛋白质家族的数目大约为23100个，现有的蛋白质结构分属600个家族，其中折叠模式只有约300种估计蛋白质的折叠模式的总数在几百到一千种蛋白质折叠类型识别法：又名反向折叠法（threading）.针对那些没有明显的同源性但又采取类似结构的蛋白质将一个序列与蛋白质折叠库中的所有结构类型进行匹配，找出最接近的一种需要构建非重复的蛋白质折叠模式库常用的程序THREADER:http://insulin.brunel.ac.uk/~jones/

蛋白质折叠类型识别网站：/Home.蛋白质逆折叠模建

(1).反向折叠法Inversefolding;orThreading主要原理：将未知空间结构的蛋白质的氨基酸序列，和已知的蛋白质结构进行匹配，找出一种或几种匹配最好的结构，作为未知结构蛋白质的预测结构。

实现过程：总结出已知的独立的蛋白质结构模式，作为未知结构进行匹配的模板，然后用对现有数据库的学习，总结出可以区分正误结构的平均势函数，作为判别标准，来确定最好的匹配方式。

.(2).蛋白质序列镶嵌1).基于经验势函数的方法希望通过对已知结构的蛋白质进行结构分析，建立形式各异的势函数，用折叠构象的能量最低标准来指导目标蛋白质的序列镶嵌，看它能与哪个已知的结构模板相匹配。2).基于剖面分析的方法3DProfile建立一个3D剖面库，应用动态规划，把新序列与剖面库中的剖面进行比较，寻找最优匹配，对模建序列的空间结构进行预测。(3).Threading方法的发展

.蛋白质三维结构的模建模建（modeling）蛋白质结构的基本概念蛋白质结构预测的从头计算同源和比较模建方法蛋白质折叠类型识别法蛋白质二级结构预测蛋白质结构预测方法准确性的评估应用实例.蛋白质二级结构预测概况二级结构预测的方法统计方法：Chou-Fa