關于結構生物學大分子模擬第一節生物大分子的計算機模擬生物大分子的計算機模擬方法蛋白質三維結構的模建核酸結構的模擬第2頁,共69頁，2024年2月25日，星期天生物大分子的計算機模擬方法量子力學分子力學分子動力學概率統計＋熱力學統計物理第3頁,共69頁，2024年2月25日，星期天量子力學量子力學是微觀世界物質運動的普遍規律一個分子體系的狀態可以用Schrodinger方程來表示，通過求解Schrodinger方程可以得到分子體系的結構和性質量子力學的計算方法：從頭計算；密度泛函理論；半經驗計算方法第4頁,共69頁，2024年2月25日，星期天量子力學方法的特點：計算結果精確度高，限于計算機的計算能力，能夠計算的體系小從頭計算方法：100個原子；半經驗計算：1000-10,000個目前，生物大分子體系還不能只用量子力學方法模擬，但與分子力學和分子動力學結合后發展了一些新的方法第5頁,共69頁，2024年2月25日，星期天分子力學分子力學是一種近似處理方法忽略電子的運動，將體系的勢能看作是原子核位置的函數力場：分子體系的勢能函數分子的勢能=鍵伸縮能+鍵角扭曲能+扭轉勢能+非鍵相互作用項第6頁,共69頁，2024年2月25日，星期天函數形式和參數力場是經驗的“原子”的定義特點：針對局域能量極小，不是整個系統能夠計算含有大量原子的體系簡單有效，目前應用得最廣泛第7頁,共69頁，2024年2月25日，星期天分子動力學分子動力學是建立在牛頓力學基礎上的一種分子模擬方法將分子體系的運動看作是在勢能面中質點的運動，求解運動方程可得到體系中所有原子的軌跡，從軌跡中可計算得到各種性質第8頁,共69頁，2024年2月25日，星期天特點：可以搜索很大的構象空間，模擬時間在納秒級應用分子模型的動力學變化研究大分子體系低能構象的模建X射線晶體學和NMR中的結構優化第9頁,共69頁，2024年2月25日，星期天第一節生物大分子的計算機模擬生物大分子的計算機模擬方法比較建模(comparativemoddelingmethod);反向折疊法(inversefoldingorthreading);從頭預測法(abinitiopredictionmethod)蛋白質三維結構的模建核酸結構的模擬第10頁,共69頁，2024年2月25日，星期天蛋白質三維結構的模建模建（modeling）蛋白質結構的基本概念蛋白質結構預測的從頭計算同源和比較模建方法蛋白質折疊類型識別法蛋白質二級結構預測蛋白質結構預測方法準確性的評估應用實例第11頁,共69頁，2024年2月25日，星期天模建（modeling）蛋白質的三維結構模建是從氨基酸序列出發理論預測蛋白質的三維結構模建研究的意義中心法則的延伸—第二遺傳密碼蛋白質結構測定的速度遠遠落后于序列測定的速度，使理論預測的方法成為一種迫切的需要蛋白設計、藥物開發第12頁,共69頁，2024年2月25日，星期天到2007年3月，已知的蛋白質序列超過60萬條，而測定了三維結構的蛋白質僅為4萬多個蛋白質三維結構的測定已經成為生命科學發展的“瓶頸”第13頁,共69頁，2024年2月25日，星期天蛋白質結構的基本概念蛋白質的二級結構單元

a螺旋

b折疊股（b-strand）和b折疊片（b-sheet）環（loop）

b-轉角（b-turn）蛋白質的結構可以通過旋轉鍵的扭角來確定主鏈扭角：f,y,w側鏈扭角：c1,c2,…第14頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

蛋白質分子的二級結構(SecondaryStructure)第15頁,共69頁，2024年2月25日，星期天蛋白質的三維結構蛋白質的二級(Secondary)結構是指肽鏈的主鏈在空間的排列,或規則的幾何走向、旋轉及折疊。它只涉及肽鏈主鏈的構象及鏈內或鏈間形成的氫鍵。（即多肽鏈本身的折疊和盤繞方式）主要有

-螺旋、-折疊、-轉角1．蛋白質的二級結構第16頁,共69頁，2024年2月25日，星期天SecondaryStructuralElements第17頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

a-helices

-sheetsTurnsRandomcoil(itsneither!)第18頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

肽鍵的鍵長介于單鍵和雙鍵之間，具有部分雙鍵的性質，不能自由旋轉。

酰胺平面第19頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

螺旋α－螺旋結構最常見、含量最豐富的二級結構

第20頁,共69頁，2024年2月25日，星期天第21頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

-螺旋

-helix在

-螺旋中肽平面的鍵長和鍵角一定；肽鍵的原子排列呈反式構型；相鄰的肽平面構成兩面角；第22頁,共69頁，2024年2月25日，星期天多肽鏈中的各個肽平面圍繞同一軸旋轉，形成螺旋結構，螺旋一周，沿軸上升的距離即螺距為0.54nm,含3.6個氨基酸殘基；兩個氨基酸之間的距離為0.15nm;肽鏈內形成氫鍵，氫鍵的取向幾乎與軸平行，第一個氨基酸殘基的酰胺基團的-CO基與第四個氨基酸殘基酰胺基團的-NH基形成氫鍵。蛋白質分子為右手

-螺旋。

-螺旋第23頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

螺旋■-螺旋的末端是極性的，通常位于蛋白質分子的表面。

-螺旋在蛋白質分子中的長度變化很大，可以從4個到40個不等。■在蛋白質分子結構中觀察到

-螺旋幾乎都是右手螺旋，短的左手螺旋偶爾也會出現。■

-螺旋中的氫鍵均指向相同的方向。總體效應是產生一個有意義的凈偶極。

-螺旋的氨基端可提供部分正電荷，羧基端可以提供部分負電荷。■不同的氨基酸殘基對于

-螺旋有著傾向性的偏好和厭惡。■

-螺旋在蛋白質分子中的分布是有傾向性的。第24頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

螺旋-螺旋中的氫鍵均指向相同的方向，即肽單位沿螺旋軸處于相同的取向。由于肽單位有來自不同的NH和C＝O基團的偶極運動，這些偶極運動也是沿著螺旋軸的方向，總體效應是產生一個有意義的凈偶極。

-螺旋的氨基端可提供部分正電荷，羧基端可以提供部分負電荷，這些電荷可以攻擊反電荷的配基。帶負電荷的配基尤其當它們包含磷酸基團時，通常結合到

-螺旋的氨基端。這樣的配基相互作用在蛋白質結構中是比較常見的。第25頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

螺旋

除了脯氨酸外，

-螺旋中的所有氨基酸殘基的側鏈均處于螺旋的外側。由于脯氨酸主鏈的環狀結構，往往引起

-螺旋的有意義的彎曲。當然，并非所有的

-螺旋的彎曲都是由于脯氨酸殘基的存在。不同的氨基酸殘基對于

-螺旋有著傾向性的偏好和厭惡：

Ala,Glu,Lue,Met等對

-螺旋有著傾向性的偏好，Pro,Gly,Ser等傾向于不參加

-螺旋。第26頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

回折第27頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

-折疊

-折疊是由兩條或多條幾乎完全伸展的肽鏈平行排列，通過鏈間的氫鍵交聯而形成的。肽鏈的主鏈呈鋸齒樁折疊構象在

-折疊中，

-碳原子總是處于折疊的角上，氨基酸的R基團處于折疊的棱角上并與棱角垂直，兩個氨基酸之間的軸心距為0.35nm；

-pleatedsheet第28頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

-折疊結構的氫鍵主要是由兩條肽鏈之間形成的；也可以在同一肽鏈的不同部分之間形成。幾乎所有肽鍵都參與鏈內氫鍵的交聯，氫鍵與鏈的長軸接近垂直。

-折疊有兩種類型。一種為平行式，即所有肽鏈的N-端都在同一邊。另一種為反平行式，即相鄰兩條肽鏈的方向相反。

-折疊第29頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

-sheets

-sheetsfulfillthehydrogenbondingpotentialofthemain-chainatoms,exceptattheedges.Adjacentstrandsareusuallycloseinsequence.Properties:DistancebetweenCa'sis~3.6?inanextendedstrandDistancebetweenstrands~4.6?Strandsarenotflat.Theyhaveacharacteristicright-handedtwistHowaresheetsdefined?Antiparallelb-sheetParallelb-sheet第30頁,共69頁，2024年2月25日，星期天反平行

回折平行

回折

蛋白質分子的另一種主要結構成分是

回折，這種結構是蛋白質分子中若干段區域的稱為

-鏈的多肽鏈形成的。在

回折中，

-鏈處于伸展狀態，一條鏈的C＝O與另一條鏈的NH形成氫鍵。

-鏈可以有兩種方式形成

回折：一種是所有的

-鏈均具有相同的方向(平行

回折)，另一種是相互靠近的兩條

-鏈具有相反的方向(反平行

回折)。除了位于兩側的

-鏈外，所有肽鏈上的C＝O基團和NH基團均形成了氫鍵。

回折第31頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

回折

回折也可以混合的平行和反平行的形式存在。幾乎所有的

回折，不管是平行的、反平行的、或者是混合的，均存在著鏈的扭曲，這種扭曲通常大部分是右手的。E.colithioredoxinAgkistrodonacutusserineproteaseAgkistrodonacutuszinc-metalloproteinase第32頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

-轉角

-turn

蛋白質分子中肽鏈出現180

的回折，又稱為β－彎曲、鏈回轉或發夾結構。在

-轉角部分，由四個氨基酸殘基組成;彎曲處的第一個氨基酸殘基的-C=O和第四個殘基的–N-H之間形成氫鍵，形成一個不很穩定的環狀結構。這類結構主要存在于球狀蛋白分子中。第33頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

β－轉角靠第一個氨基酸殘基的C=O和第四個氨基酸殘基的NH形成氫鍵維持穩定，多數存在于球狀蛋白質分子的表面。

第34頁,共69頁，2024年2月25日，星期天無規則卷曲也稱自由回轉或無規則線團第35頁,共69頁，2024年2月25日，星期天蛋白質分子表面的環區域第36頁,共69頁，2024年2月25日，星期天蛋白質分子表面的環區域（LOOP）

大多數蛋白質分子是由

-螺旋和/或

回折構成的。這些

-螺旋和/或

回折通常由不同長度和不規則形狀的環區域相連接。螺旋與回折的組合形成了分子的穩定的疏水內核，環區域位于分子的表面。主鏈上的這環區域的C＝O和NH基團一般不相互形成氫鍵，而是與溶劑中的水分子形成氫鍵。暴露于溶劑中的環區域的殘基通常是一些帶電的和親水的殘基，據此進行的環區域的預測可信度往往比對

-螺旋和

回折的預測還要高。第37頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

不同種屬的蛋白質氨基酸殘基序列同源比較表明，某些殘基的插入/缺失往往發生在環區域。在分子進化的過程中，蛋白質分子的內核要比環區域更穩定。由于環區域具有連接螺旋、回折的功能，故環區域通常參與形成蛋白質的“結合部位”或酶的“活性中心”。抗體的抗原結合部位的“發夾環”鋅金屬蛋白酶的“Met-turn”蛋白質分子表面的環區域第38頁,共69頁，2024年2月25日，星期天蛋白質的結構可以通過旋轉鍵的扭角來確定第39頁,共69頁，2024年2月25日，星期天

多肽鏈折疊的主鏈構象角第40頁,共69頁，2024年2月25日，星期天描述蛋白質結構的扭角NHONHfywc1c2第41頁,共69頁，2024年2月25日，星期天蛋白質結構預測的從頭計算從頭計算法（abinitio）搜索分子的構象空間，找到最合適的構象基本假設：天然構象=能量最低構象搜索構象空間的方法蛋白質的簡化模型特點：不依賴于已知的結構模式，是一種普適的解決方法，目前尚處于探索階段第42頁,共69頁，2024年2月25日，星期天同源和比較模建方法根據蛋白質結構的相似性，以已知蛋白質的結構為模板構建未知蛋白質的三維結構在進化過程中蛋白質三維結構的保守性遠大于序列的保守性，當兩個蛋白質的序列同源性/相似性高于35%時，一般情況下它們的三維結構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結構預測方法第43頁,共69頁，2024年2月25日，星期天主要步驟確定模板確定未知蛋白質與已知結構蛋白質的序列比對確定結構保守性的主鏈結構片斷構建結構變化的區域側鏈模建用能量計算的方法進行結構優化第44頁,共69頁，2024年2月25日，星期天同源和比較模建方法影響同源模建質量的因素序列相似性大小（插入和刪除片斷）>30%序列比對的準確性序列比對（sequencealignment）將兩個或多個序列之間的相似區域和保守性位點對齊以分析它們的相似程度在同源模建中非常重要，影響結構預測的準確性程序：BLAST/Fasta第45頁,共69頁，2024年2月25日，星期天生物信息學的基本策略1、從相似性推斷同源性相似性（similarity）

Similar：havingcharacteristicsincommon

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

--Merriam-WebsterDictionary同源進化上有共同的起源第46頁,共69頁，2024年2月25日，星期天哪些共同特征?（1）分子生物學的中心法則DNARNA蛋白質轉錄翻譯遺傳信息：貯存在DNA的核苷酸序列中進化中被復制以及發生變異的是基因的核苷酸序列（以及相應的蛋白質序列）因此，按照分子生物學的基本原理，我們應該根據核苷酸序列或者氨基酸序列上的共同特征來判斷序列的是否同源最簡單:

序列一致性(sequenceidentity)第47頁,共69頁，2024年2月25日，星期天同源蛋白應該具有相對保守的功能（催化同類化學反應、結合同類型的其他分子等）蛋白質功能依賴于三維結構按照上述原理，我們同樣應該能夠根據三維結構上的共同特征來判斷蛋白質分子是否同源。最簡單:主鏈原子位置的均方根偏差(RMSD)哪些共同特征?（2）第48頁,共69頁，2024年2月25日，星期天生物信息學的基本策略（2）2、發現和利用不同特征間的關聯關系（Guiltybyassociation）序列整體特征序列同源性結構整體特征序列局部特征（如motif）結構局部特征功能模式例如：第49頁,共69頁，2024年2月25日，星期天關聯關系的發現：數據搜集、特征提取與數據建模、參數估計的過程。知識發現。關聯關系的利用：數據檢索、統計檢驗、實驗驗證的過程。知識利用。例：根據序列預測蛋白質在核內的定位序列motif蛋白在細胞核內定位（核定位信號，NLS，nuclearlocalizationsignal)/predictNLS/第50頁,共69頁，2024年2月25日，星期天數據搜集實驗數據分析實驗觀察到的NLS有沒有共同點？這些共同點是否足以區分核蛋白和非核蛋白？能否根據序列間的進化關系對實驗數據進行擴展？第51頁,共69頁，2024年2月25日，星期天根據進化特征對結構功能進行預測保守性絕對保守相對保守(變異速率相對較慢,變異類型受到約束)非保守協變性或關聯性ConservationanalysisPhylogeneticprofilingEvolutionarytracing…基本策略（3）第52頁,共69頁，2024年2月25日，星期天可以在不同層次分析進化過程中的保守性與協變性給定位點上的氨基酸/核苷酸同源蛋白質分子間的保守性給定序列模式或結構模式在蛋白質家族內或家族間的保守性給定二級結構單元（蛋白質、RNA）在蛋白質家族或超家族間的保守性給定蛋白質分子在物種間的保守性。。。第53頁,共69頁，2024年2月25日，星期天從相似性--〉同源性序列相似，或者結構相似發現和利用不同特征間的關聯NLS模式與核定位利用同源序列對序列模式進行擴展Swissprot數據庫（uniProt知識庫）覆蓋率、正確率是兩個重要指標利用進化特征保守性／協變性ConSurf對蛋白質序列各個位點的保守性進行分析，并投影到三維結構上，可能與功能相關聯第54頁,共69頁，2024年2月25日，星期天BLAST序列比對的實例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

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EMBL

www.embl-heidelberg.de/predictprotein/predictprotein.html第56頁,共69頁，2024年2月25日，星期天蛋白質折疊類型識別法蛋白質的折疊模式是有限的自然界中蛋白質家族的數目大約為23100個，現有的蛋白質結構分屬600個家族，其中折疊模式只有約300種估計蛋白質的折疊模式的總數在幾百到一千種蛋白質折疊類型識別法：又名反向折疊法（threading）第57頁,共69頁，2024年2月25日，星期天針對那些沒有明顯的同源性但又采取類似結構的蛋白質將一個序列與蛋白質折疊庫中的所有結構類型進行匹配，找出最接近的一種需要構建非重復的蛋白質折疊模式庫常用的程序THREADER:http://insulin.brunel.ac.uk/~jones/

蛋白質折疊類型識別網站：/Home第58頁,共69頁，2024年2月25日，星期天蛋白質逆折疊模建

(1).反向折疊法

Inversefolding;orThreading

主要原理：將未知空間結構的蛋白質的氨基酸序列，和已知的蛋白質結構進行匹配，找出一種或幾種匹配最好的結構，作為未知結構蛋白質的預測結構。

實現過程：總結出已知的獨立的蛋白質結構模式，作為未知結構進行匹配的模板，然后用對現有數據庫的學習，總結出可以區分正誤結構的平均勢函數，作為判別標準，來確定最好的匹配方式。

第59頁,共69頁，2024年2月25日，星期天(2).蛋白質序列鑲嵌

1).基于經驗勢函數的方法希望通過對已知結構的蛋白質進行結構分析，建立形式各異的勢函數，用折疊構象的能量最低標準來指導目標蛋白質的序列鑲嵌，看它能與哪個已知的結構模板相匹配。

2).基于剖面分析的方法3DProfile

建立一個3D剖面庫，應用動態規劃，把新序列與剖面庫中的剖面進行比較，尋找最優匹配，對模建序列的空間結構進行預測。(3).Threading方法的發展

第60頁,共69頁，2024年2月25日，星期天蛋白質三維結構的模建模建（modeling）蛋白質結構的基本概念蛋白質結構預測的從頭計算同源和比較模建方法蛋白質折疊類型識別法蛋白質二級結構預測蛋白質結構預測方法準確性