蛋白质结构解析六十年来大事件
第二章-蛋白质结构(新)PPT课件
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蛋白质结构与功能
-折叠
常见的蛋白质二级结构 之一，它呈片状，肽链 几乎完全伸展的，而非 紧密卷曲平行式。
The beta-sheet
平行式：所有参与β-折叠的肽链的N端在同一方向。 反平行式：肽链的极性一顺一倒，N端间隔相同。 在蛋白分子内部更多出现的是平行的β-折叠片；而反平行的β-折叠片一段 暴露于溶剂中，一段埋于蛋白内部，其氨基酸序列常为亲水和疏水的氨基
由于积劳成疾，身体状况恶化，也由于第一次世界大战爆发，费歇 尔不得不中断了这一重要的研究。
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蛋白质概述-发展历史
英国生物化学家弗雷德·桑格尔（Fred(Frederick) Sanger，1918年8月13日—2013年11月19日 ）。 分别获得1958年和1980年诺贝尔化学奖。他是同一领 域内两次获奖的第二人，测序。
肽键相连形成的高分子含氮化合物。
蛋白质的生物学重要性 蛋白质是构成生物体的基本成分，占人体干重45%，细 胞70%。
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蛋白质概述-组成
组成蛋白质的元素 主要元素：碳（50%—55%）、氢（6%—8%）、 氧（19%—24%）、氮（13%—19%）； 次要元素：硫、磷、铁、锰、锌、碘。
蛋白质元素组成的特点： 各种蛋白质的含氮量很接近，平均为16% 则可通过 测N→测Pr。 即每克样品蛋白质的含量=每克样品的含氮量×6.25 测氮的方法：凯氏定氮法
染料主要是与蛋白质中的碱性氨基酸(特别是精氨酸)和 芳香族氨基酸残基相结合。
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氨基酸
1、氨基酸的通式 2、氨基酸的分类 3、氨基酸的特点 4、氨基酸的理化性质
蛋白质折叠和功能结构解析
蛋白质折叠和功能结构解析蛋白质是生命体中最重要的分子之一，扮演着许多生物学过程的关键角色。
蛋白质的功能与它们的折叠状态密切相关。
正确的折叠能够赋予蛋白质特定的空间结构，从而使其能够与其他生物分子发生特异性的相互作用。
因此，了解蛋白质的折叠和功能结构对于揭示生命的基本机理以及开发新药物具有重要意义。
蛋白质折叠是指蛋白质从线性肽链转变为三维空间结构的过程。
这个过程其实是一个自发的、并且在生物体内高度精确的过程。
蛋白质的折叠是由其氨基酸序列所决定的。
不同的氨基酸序列会导致蛋白质折叠成不同的结构。
蛋白质的三维结构可以分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构指的是蛋白质中氨基酸的线性排列顺序。
二级结构是指氨基酸链中产生的局部结构元素，常见的二级结构包括α-螺旋、β-折叠片段等。
三级结构是指蛋白质整体的三维空间结构，它由各种二级结构元素以及氨基酸侧链之间的相互作用所决定。
最后，四级结构是由多个蛋白质链之间的相互作用形成的聚合物结构。
了解蛋白质折叠的机制对于预测和设计蛋白质的结构具有重要意义。
当前，科学家使用了许多方法来研究蛋白质的折叠，其中包括实验方法和计算模拟方法。
实验方法主要包括核磁共振、X射线晶体学和电子显微镜等。
通过这些方法，科学家们可以得到蛋白质的三维结构信息。
然而，实验方法通常比较费时费力，且适用范围有限。
相比之下，计算模拟方法则能够更快速地预测蛋白质的结构。
其中，分子动力学和蒙特卡洛方法是常用的计算模拟技术。
分子动力学模拟可以通过模拟分子中原子的运动来预测蛋白质的结构；而蒙特卡洛方法则可以通过模拟随机折叠路径来研究蛋白质折叠动力学。
蛋白质的功能结构解析涉及到理解蛋白质的结构与功能之间的关系。
蛋白质的功能主要是由其结构所决定的，因为蛋白质的结构决定了它与其他生物分子之间的相互作用。
蛋白质可以通过与配体分子结合来实现其功能，这种配体结合能够触发蛋白质的构象变化，从而调控其功能。
蛋白质的结构和功能分析
蛋白质的结构和功能分析蛋白质是生命中最基本的分子之一，具有广泛的结构和功能。
从分子层面来看，蛋白质的结构和功能间紧密相联。
在本文中，我们将探讨蛋白质的结构和功能分析。
一、蛋白质的结构蛋白质是由氨基酸序列组成的线性链。
在这一线性链形状中，蛋白质需要取得特定的三维形状来完成其特定的生物功能。
蛋白质的结构分为四种层次，包括原始结构、次级结构、三级结构和四级结构。
1.原始结构蛋白质的原始结构是在其合成时形成的。
在这个阶段，氨基酸线性排列在一起，由肽键连接成了长链。
2.次级结构蛋白质的次级结构是由氢键形成的。
氢键是一种弱的相互作用，但是通过氢键相互作用，具有相似结构的氨基酸序列会形成特定的结构，比如螺旋、折叠和转角。
3.三级结构蛋白质的三级结构是由相互作用力确定的。
这些力包括静电力、疏水力、氢键和占据空间的限制等。
这些相互作用力会形成酮基和羧基之间的互作用力，进而组成特定的结构。
4.四级结构蛋白质的四级结构是多个线性链的相互作用。
这些线性链相互作用，形成了完整的蛋白质。
例如铁蛋白就由4个相同的亚基（线性链）组成一个巨大的四级结构。
二、蛋白质的功能蛋白质的结构和功能之间有密切的联系。
蛋白质的结构和特定的组合方式赋予了它们相应的生物学功能。
1.酶酶类是蛋白质的一种类型，可以催化生物化学反应，加快化学反应速度。
酶的功能基于蛋白质的特殊结构和氨基酸残基的位置。
当酶与其底物相遇时，底物会与酶的活性位点相结合，形成复合酶。
这种物质会引发底物分子的反应，让其产生受到控制的变化。
2.构成细胞结构和生长蛋白质是细胞结构和生长不可或缺的成分。
某些蛋白质，如肌肉组织中的肌动蛋白和微管蛋白，可以作为细胞组织的主要支撑架构，促进细胞的生长和形态维护。
3.传递信息蛋白质不仅可以在细胞内进行反应，还能在细胞之间传递信息。
在神经系统中，肽类和小分子蛋白质可以紧密绑定神经递质受体，从而传递信号。
三、结论在结论上，蛋白质是生命中最基本的分子之一，其结构和功能紧密相连。
蛋白质的四层结构
蛋白质的四层结构蛋白质是生命中最重要的分子之一，它们在细胞中扮演着重要的角色。
蛋白质的结构可以分为四个层次：原始结构、二级结构、三级结构和四级结构。
这四个层次相互作用，使蛋白质能够具备其功能和特性。
原始结构是蛋白质的最基本组成部分。
它由氨基酸组成，氨基酸通过肽键连接在一起形成蛋白质链。
蛋白质的原始结构决定了其它层次结构的形成。
不同的氨基酸序列产生不同的原始结构，从而决定了蛋白质的形态和功能。
二级结构是蛋白质中的局部空间结构。
常见的二级结构有α-螺旋和β-折叠。
α-螺旋是由蛋白质链的一部分以螺旋形式排列而成，而β-折叠是由蛋白质链的不同部分以折叠形式排列而成。
二级结构的形成主要是通过氢键的相互作用来保持稳定。
三级结构是蛋白质整体的立体结构。
它是由原始结构以及二级结构之间的相互作用所决定的。
这些相互作用包括氢键、离子键、疏水作用和范德华力等。
这些相互作用使得蛋白质链在三维空间中形成特定的结构，从而决定了蛋白质的功能和特性。
四级结构是由两个或更多的蛋白质链相互作用而形成的。
在四级结构中，蛋白质链可以通过离子键、氢键、疏水作用和范德华力等相互作用来相互结合。
这些相互作用使得蛋白质能够形成复杂的结构和功能，例如酶和抗体等。
蛋白质的四层结构在维持生命过程中起着重要的作用。
它们决定了蛋白质的功能和特性，以及与其他分子的相互作用。
蛋白质的结构可以通过多种方法来研究，包括X射线晶体学、核磁共振和电子显微镜等。
通过研究蛋白质的结构，我们可以更好地理解生命的本质，并为疾病治疗和药物开发提供新的思路。
蛋白质的四层结构是生命中重要的组成部分。
它们决定了蛋白质的形态和功能，以及与其他分子的相互作用。
通过研究蛋白质的结构，我们可以更好地理解生命的奥秘，并为人类的健康和疾病治疗提供新的突破。
蛋白质分子的结构解析PPT课件
蛋白质的四级结构涉及亚基的组成、 形状、大小以及亚基之间的相互关系 。四级结构的变化会影响蛋白质的整 体功能。
结构域
总结词
蛋白质的结构域是指在较大的蛋白质分子中，可以独立折叠为较为稳定的三级 结构的区域。
详细描述
结构域通常由200-400个氨基酸残基组成，具有特定的空间构象和功能。不同 的结构域可以组成不同的蛋白质，也可以存在于同一蛋白质的不同部位。
疾病诊断与治疗
疾病标志物发现
通过蛋白质结构解析，可以发现 与疾病相关的标志物，用于疾病
的早期诊断。
个性化治疗
基于蛋白质结构的差异，可以为患 者提供更加个性化的治疗方案，提 高治疗效果。
药物疗效评估
通过比较治疗前后蛋白质结构的变 化，可以评估药物治疗的效果。
生物工程与农业应用
酶工程
蛋白质结构解析有助于设计和优 化酶的活性位点，提高酶的催化
核磁共振技术
总结词
核磁共振技术是一种利用核自旋磁矩进行研究的方法，可以对蛋白质的溶液构象进行解 析。
详细描述
核磁共振技术利用核自旋磁矩的相互作用，通过外部磁场对核自旋进行操控，检测其共 振信号。对于蛋白质分子，可以利用该技术检测其氢原子、碳原子等核自旋的共振信号， 从而推断出蛋白质在溶液中的构象和动态行为。该方法具有高分辨率和高灵敏度，能够
05 蛋白质的结构解析方法
X射线晶体学
总结词
X射线晶体学是一种通过X射线分析晶体 结构的方法，广泛应用于蛋白质结构解 析。
VS
详细描述
X射线晶体学利用X射线在晶体中的衍射 效应，通过分析衍射图像，可以确定晶体 的原子排列和分子结构。对于蛋白质分子 ，可以通过结晶将其固定成晶体，然后利 用X射线分析其结构。该方法能够提供高 分辨率的结构信息，是解析大型蛋白质结 构和复杂蛋白质复合物结构的主要手段之 一。
蛋白质的一级结构解析：揭示生物分子的基本构成
蛋白质的一级结构解析：揭示生物分子的基本构成蛋白质是生物体内最为重要的生物分子之一，其构成了细胞的基本组成部分，承担着众多生命活动的关键功能。
蛋白质的一级结构即氨基酸序列，是揭示蛋白质基本构成的基石。
本文将详细讨论蛋白质的一级结构，探究其对揭示生物分子基本构成的重要性。
图1。
一、氨基酸：蛋白质的构建单元。
氨基酸是蛋白质的构建单元，蛋白质的一级结构由氨基酸的排列顺序决定。
氨基酸是一类含有氨基（NH2）和羧基（COOH）的有机化合物，它们的侧链不同导致了不同的性质和功能。
目前已经发现了20种常见的氨基酸，它们通过肽键的形成连接成了多肽链，进一步组装成完整的蛋白质分子。
氨基酸序列的不同排列组合赋予了每个蛋白质独特的结构和功能。
二、序列决定结构与功能。
蛋白质的一级结构是蛋白质结构和功能的基础。
不同的氨基酸序列将决定蛋白质的折叠方式，从而形成特定的二级、三级和四级结构。
二级结构包括α-螺旋和β-折叠等，而三级结构则是由二级结构的相互作用所决定。
蛋白质的结构决定了其功能，包括催化反应、信号传递、结构支持等多种生物学过程。
因此，通过解析蛋白质的一级结构，我们可以揭示其结构和功能之间的关系，为进一步的研究和应用奠定基础。
三、测定一级结构的方法。
确定蛋白质的一级结构是蛋白质研究的基础工作之一。
目前，有多种实验方法可用于测定蛋白质的氨基酸序列。
其中，蛋白质测序技术是最常用的方法之一，它通过将蛋白质分解成氨基酸，并通过化学或质谱技术进行测定。
另外，基因组学和转录组学的发展也为蛋白质的一级结构研究提供了新的途径。
通过分析基因组和转录组数据，我们可以预测蛋白质的一级结构，为进一步的实验研究提供指导。
四、应用于生物制药领域。
蛋白质的一级结构解析对于生物制药领域具有重要意义。
在生物药物的研发过程中，了解药物候选分子的氨基酸序列是至关重要的。
这有助于验证药物的合成准确性和纯度，并确保其结构与功能的一致性。
此外，蛋白质一级结构的解析还为药物安全性评估提供了依据，可以帮助鉴定潜在的毒性位点和不良反应。
蛋白质结构解析课件
亚基结构
某些蛋白质由多个亚基组成，每个亚 基具有独立的三级结构。
PART 02
蛋白质结构解析方法
X射线晶体学
X射线晶体学是解析蛋白质结构的主要方法之一，通过分析X射线在晶体中的衍射， 可以获得蛋白质分子的三维结构信息。
X射线晶体学适用于蛋白质大分子，尤其是膜蛋白和复合物蛋白的结构解析，能够提 供高分辨率的结构信息。
酶的结构解析
酶的结构包括一级、二级、三级和四级结构，其中一 级结构是指氨基酸的排列顺序，二级结构是指肽链的 折叠方式，三级结构是指整条肽链的三维构象，四级 结构是指多亚基酶蛋白的组合方式。
单击此处添加正文，文字是您思想的提一一二三四五 六七八九一二三四五六七八九一二三四五六七八九文， 单击此处添加正文，文字是您思想的提炼，为了最终 呈现发布的良好效果单击此4*25}
变构效应
蛋白质的变构效应是指蛋白质在与其配体或效应物结合后， 其空间构象发生改变，进而影响其功能的过程。这种效应通 常是由蛋白质中的特定氨基酸残基与配体或效应物的相互作 用所引起的。
变构效应的意义
变构效应在生物体内具有重要的意义，它可以帮助生物体快 速适应环境变化，并调节各种生理过程。例如，某些激素可 以通过变构效应调节靶蛋白的活性，从而影响细胞内的信号 转导过程。
作用具有重要意义。
核磁共振技术解析蛋白质结构的难点在 于信号解析和数据处理，需要专业的技
术和经验。
电子显微镜技术
电子显微镜技术是解析蛋白质结构的重要手段之一，通过观察蛋白质颗 粒的形貌和排列，可以获得蛋白质大分子和复合物的结构信息。
电子显微镜技术适用于观察蛋白质颗粒和病毒等大分子结构，能够提供 高分辨率的形貌信息，对于研究蛋白质的功能和相互作用具有重要意义。
细胞生物学研究中的蛋白质结构解析
细胞生物学研究中的蛋白质结构解析蛋白质是细胞中最重要的分子之一，不仅参与多种生物学过程，还扮演细胞内外传递信息的信使角色。
为了深入理解蛋白质在细胞中的功能和机制，科学家们一直在致力于破解蛋白质的结构。
在细胞生物学研究中蛋白质结构解析方面，有哪些进展和挑战呢？一、蛋白质结构解析的方法为了解析蛋白质的结构，科学家们通常使用X射线晶体衍射、核磁共振、电子显微镜等技术。
其中，X射线晶体衍射是蛋白质结构解析的主要方法之一，因为其能够提供高分辨率的结构信息。
具体而言，科学家们将蛋白质样品制成晶体，在X射线照射下获得样品的衍射图像，通过计算和模拟，得到蛋白质分子的结构信息。
此外，核磁共振技术也广泛应用于蛋白质结构解析中。
核磁共振技术可以测量分子中核自旋的振动状态，并借此推断出分子的结构信息。
由于核磁共振技术不需要产生晶体，因此它可以解析没有形成晶体的蛋白质分子结构，如大分子、复合物等。
二、近年来的进展近年来，细胞生物学领域中蛋白质结构的究竟有哪些进展呢？让我们来看看几个例子：1. 细胞膜受体细胞膜受体是一种重要的蛋白质，有着广泛的生理功能。
科学家们最近成功破译了促进素受体的高分辨率结构，这是一个转化性的发现，有助于了解细胞信号传递的原理。
这项研究揭示了受体的一个重要结构域，在未来设计治疗药物方面将会起到关键作用。
2. RNA合成酶RNA合成酶是细胞中能够合成RNA的蛋白质。
它与RNA聚合作用并最终促使RNA链延伸。
科学家们最近成功破解了人类Dep1b型RNA聚合酶的结构，这是一种核酸酶过渡态的世界上第一个晶体结构。
这项研究发现Dep1b特定的蛋白质交互面，该结构域直接参与RNA链的聚合。
3. 蛋白质降解途径蛋白质降解途径是细胞代谢过程中一种重要的机制。
这种作用可通过特定的酶被高度调节和控制。
最近，科学家破解了Spt16以及Gcn5亚休德异构酶蛋白质的高分辨率结构，这是与降解有关的两个酶结构中的重要组成部分。
三、解析蛋白质结构的挑战虽然X射线晶体衍射和核磁共振等技术可以解析蛋白质结构，但是依旧还存在许多挑战。
第四讲蛋白质结构解析技术一ppt文档
③ 气相蛋白序列分析仪
➢ 弹筒型玻璃反应室
➢ 反应室容积0.05 ml，代替液相序列仪中的旋转玻璃杯， ➢ 用一种惰性聚合物“polybrene”固定样品。 ➢ 多肽链与气态试剂反应，完成Edamn降解。
ATZ-氨基酸 乙内酰苯硫脲氨基酸(PTH－氨基酸)。
偶联：自由α-氨基与异硫氰
酸苯酯(PITC)试剂偶联，与 其紧挨的第二个残基的键合 力大大减弱，很容易断裂。
裂解：在无水条件下酸
（F3CCOOH）裂解，形 成苯氨基噻唑啉酮衍生 物（ATZ -氨基酸）和失 去末端氨基酸残基的多 肽，又可与PITC进行偶 联反应，下一轮降解。
② DABITC—PITC两种方法耦合，更加灵敏可靠。
– 适用于：液相还是固相，手工还是自动方法，效果良好。
③ 异硫氰酸酯进行35S标记：使分析样品更向微量化方向发展。
④ 二甲氨基萘磺酰氯法（DNS-Cl法）
• 荧光剂—DNS-Cl，与肽链N端氨基反应生成DNS-肽 • 经酸水解，N-末端残基形成DNS-氨基酸，检测灵敏度提高310倍。 • 乙酸乙酯抽提，层析鉴定，DNS-氨基酸于360nm或280nm处产生强
列的测定的方法。
1、Edman降解法——异硫氰酸苯酯（PITC）法 特点： 可以测定氨基酸的排列顺序（包括N端分析）。 适用于手工操作，也可设计自动化测定仪器 （1）原理： 四点：
① 异硫氰酸苯酯(PITC)偶联 →② ATZ -氨基酸裂解→ ③ PTH-氨基酸转化→④ PTH-氨基酸的鉴定
PITC试剂
第四讲蛋白质结构解析技术一
一、蛋白质测序的研究历史
生物学中的蛋白质结构与功能解析
生物学中的蛋白质结构与功能解析蛋白质是生物体内最基本的分子，它们不仅能够作为细胞的结构材料，还可作为酶、激素、抗体等多种功能性分子。
其折叠和组装方式决定了其所具有的功能和特性。
因此，对于蛋白质的结构与功能进行深入探究，对于人们认识生命活动的机理和生物学基础，以及药物研发、食品安全等领域都有着非常重要的意义。
蛋白质结构蛋白质的结构可以分为四个层次：第一级为氨基酸序列，第二级为α-螺旋和β-折叠，第三级为超级相邻位点间的非共价键力作用，第四级为多肽、多聚体的组装形态。
其中，氨基酸序列是决定蛋白质折叠和功能的基础，蛋白质的许多特性只有通过三级结构和四级结构才能得以体现。
蛋白质的三级结构是由α-螺旋和β-折叠通过氢键、疏水作用、静电力等相互作用而形成的。
α-螺旋是由氢键连接相邻的多肽链氨基酸，使其在螺旋形状中稳定折叠；β-折叠则是由相邻的链间氢键、疏水作用等力量形成的，使其形成β-片层结构。
这些不同的基础结构通过多肽链共价键以及非共价键的互作用，形成蛋白质的三级结构，从而实现其特定的功能。
蛋白质功能蛋白质的功能与这些分子的结构密不可分。
蛋白质通常可以分为酶、抗体、激素、构成结构的蛋白质四大类。
酶是一类重要的蛋白质，它在生命过程中发挥了极为重要的作用。
酶通过调整化学反应的反应能级，促进分解分子，抑制分子合成，实现了代谢的调控。
酶的分类也十分复杂，包括了氧化还原酶、酯酶、酰化酶等多种类型。
另一种重要的功能蛋白是抗体，它作为一种人体天然的免疫防御工具，在实现免疫功能上具有不可替代的作用。
抗体由四个不同的多肽链，包括两条重链和两条轻链，共同形成Y型的结构。
它可以识别和结合特定的抗原，从而实现免疫反应，比如针对细菌、病毒、癌细胞等。
激素则是一类对于生命活动极为重要的调节因子，它们能够通过超微量的物质来控制生理过程，比如促进或抑制细胞分裂、调节新陈代谢等。
激素结构也是十分多样的，比如蛋白质激素、甾体激素、甲状腺激素等多种类型，它们通过结构的多样性来完成它们的生理功能。
蛋白质的结构与功能
1.非极性脂肪族氨基酸●甘氨酸：（Gly）无L、D型之分●缬氨酸：（Ala）、亮氨酸：（Leu）、异亮氨酸：（Ile）同属支链氨基酸，具有代谢共性。
●脯氨酸：（Pro）唯一亚氨基氨基酸，唯一环状氨基酸；喜β-转角，不喜α-螺旋，亚氨基不易形成氢键。
●丙氨酸：（Ala）2.极性中性氨基酸（有极性但不带电）●丝氨酸：（Ser）、苏氨酸：（Thr）含-OH,电子对偏向O。
蛋白质修饰位点；磷酸化的修饰。
（芳香族的酪氨酸Try）。
●半胱氨酸：（Cys）含-SH,较之-OH，H更易挣脱，形成二硫键，生成胱氨酸。
●蛋氨酸：（Met）含-S-甲基，去甲基。
蛋aa循环中再生。
●天冬酰胺：（Asn）、谷氨酰胺：（Gln）含酰胺。
3.芳香族氨基酸（共轭双键，280nm）4.苯丙氨酸：（Phe）→脱氨基→苯丙酮酸↑→苯酮酸尿症（PKU）→毛发、皮肤色浅；智力低下。
治疗：食用无苯丙氨酸的食物，早期发现，早期治疗。
Phe→苯丙氨酸羟化酶→酪氨酸：（Tyr）→（黑色素）多巴胺↓→帕金森5.色氨酸：（Trp）臭，含吲哚环。
6.酸性氨基酸（天谷酸）天冬氨酸：（Asp）谷氨酸：（Glu）7.碱性氨基酸：（赖精组）赖氨酸：（Lys）含氨基，易得氢离子。
精氨酸：（Arg）含胍基、咪基。
组氨酸：（His）含咪唑基。
8.氨基酸理化性质：无色晶体，溶于水；两性电解质，含共轭双键具有紫外吸收性质（分析溶液中蛋白质含量的快速简便方法），与茚三酮反应生成蓝紫色物质（氨基酸定量分析）。
9.Primary Structure 肽键(二硫键、共价键)●定义：在Pr分子中，从N端到C端氨基酸排列顺序。
●研究对象：多肽链。
N-C氨基酸的排列顺序（氨基酸的排列顺序决定蛋白质的一级结构）●决定因素：mRNA（DNA）基因信息10.Secondary Structure 氢键定义：在Pr分在中，某一段肽链的局部空间结构，也就是该段肽链主链骨架原子的相对空间位置，并不涉及氨基酸残基侧链的构象。
蛋白质结构预测简史1
蛋白质结构预测简史中科院生物物理所戴文韬摘要：本文主要从蛋白质组学的发展引入，然后从蛋白质数据库构建、分子力场发展和搜索预测算法的发展四个方面，已具有革命性意义的事件为线索，介绍了蛋白质结构预测这门学科的发展。
蛋白质结构预测有着重要意义，同时也是一门年轻的交叉学科，最早的思想可以追溯至上世纪六十年代，但真正开始快速发展是在20世纪90年代，所以它还有许多可以改进的地方。
结合我自己所做的工作，在展望中提出了我对于蛋白质结构预测领域发展的一些想法，探讨这门学科的未来走向。
关键词：蛋白质蛋白质结构预测分子力场一、引言随着2003年人类基因组测序宣告全部完成，生物学研究进入“后基因组时代”。
在这个时代里，蛋白质组学的地位逐步显现。
蛋白质组学本质上指的是在大规模水平上研究蛋白质的特征，包括蛋白质的表达水平，翻译后的修饰，蛋白与蛋白相互作用等，由此获得蛋白质水平上的关于疾病发生，细胞代谢等过程的整体而全面的认识。
蛋白质组学的目的是研究蛋白质的功能并进一步达到对它的控制，进而实现蛋白质设计等设想，而蛋白质的功能决定于它的空间结构。
由于蛋白质结构的重要作用，我们在这方面投入了大量精力，现在对于蛋白质一级结构的测序方法已经足够成熟[1、2]，但是对三维结构的研究较为困难，其进展速度远远落后于一级序列测定的速度，由于传统的生物物理方法和生物化学方法的不足，通过计算生物学的方法，根据蛋白一维序列预测三级结构就成为一个重要研究方向。
蛋白质结构预测最早的工作始于1961年，White和Anfinsen 利用牛胰核糖核酸酶进行变性和复性实验，研究了蛋白质的动力学理论【3】，这就为从蛋白质的一级序列预测三维结构奠定了实验和理论基础。
随后，α螺旋的发现者诺贝尔奖得主Pauling和另一位科学家Zuckerkandl提出了分子进化理论【4】，即某一蛋白在不同物种间的取代数与所研究物种间的分歧时间接近正线性关系，进而将这种分子水平的恒速变异成为“分子进化钟”。
第三节蛋白质结构-文档资料89页
(2) 测定步骤
B.多肽链的拆分。
蛋 几条多肽链借助非共价键连接在一起，
白 质
称为寡聚蛋白质，如，血红蛋白为四聚
一 体，烯醇化酶为二聚体；可用8mol/L尿
级 结 构
素或6mol/L盐酸胍处理，即可分开多肽 链(亚基).
的
测
定
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College of Life Sciences
(2) 测定步骤
C.二硫键的断裂
蛋
还原法:-巯基乙醇(还原法)处理，使二硫
白 质
键还原为巯基.
一
级 结
SH-CH2-CH2-OH
构
的
测
定
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College of Life Sciences
(2) 测定步骤
氧化法:应用过甲酸氧化法拆分多肽链间的二 蛋 硫键。 白 质 一 级 结 构 的 测 定
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College of Life Sciences
• 化学性质
（1） 酸碱性质：
主要取决于游离末端的-NH2和-COOH及R基上可解离 基团。
13
College of Life Sciences
（2）化学反应 • 茚三酮反应
• 双缩脲反应
O=C O=C
NH2 NH
O=C
Cu2+
OH- O=C
NH2 NH
NH2
NH2
Cu2+
H2N
C= O
HN
C=O
O2N
RO F +H2N CH C
O2N
RO HN CH C
NO2 DNFB
H+ H2O
O2N
N-端 氨 基 酸 RO
HN CH C OH
蛋白质结构解析
图片出处/gxxyd/sjet/jingdian/nobel/medal01.htm
精品课件
X射线本质
X射线是一种短波长(0.005～ 10nm)、高能量(2.5×105 ～1.2×102eV) 的电磁波。它是原子内层电子在高速运 动电子流冲击下，产生跃迁而发射的电 磁辐射。
血红蛋白的四级结构 模型
图片出处
/structure/proteinstructure10.asp
血红蛋白分子就是由二个由141个氨基酸残基组成的α亚基和二个由146个氨基酸 残基组成的β亚基按特定的接触和排列组成的一个球状蛋白质分子，每个亚基中 各有一个含亚铁离子的血红素辅基。四个亚基间靠氢键和八个盐键维系着血红蛋 白分子严密的空间构象。
精品课件
5、模型建立和修正
晶体学R因子一般要求达到0.2以下 键长偏差大约为0.015Å 键角偏差约为3° 二面角构象分布要求除了甘氨酸的二面角
构象是随机的外，其他残基的二面角构象 分布受到立体化学的限制
精品课件
X-Ray晶体衍射目前仍然是蛋白质三维结构测定的 主要方法
优点：分辨率高，能精确确定生物大分子中各原子 的坐标、键长、键角,给出生物大分子的分子结构 和构型,确定活性中心的位置和结构
精品课件
由于测定出蛋白质的精细结构,两位英国科 学家M.F.佩鲁茨和J.C.肯德鲁获得1962年的诺 贝尔化学奖。
图片出处：/nobel/micro/46132.html
精品课件
1997年,核小体八组蛋白结构
精品课件
2004年,菠菜捕光复合物LHC
2005年，线粒体膜蛋白复合物2精细结构
琴将这一重大发现在维
尔兹堡物理医学会上报
告。Kolliker教授提议
临床药理学-结构与功能
特·考兹曼提出了疏水相互作用介导蛋白质折叠。 • 1955年英国生物化学家雷德里克•桑格建立测定蛋白质序列的经
典方法。 • 1959年奥地利-英国分子生物学家马克斯•佩鲁茨和和英国生物学
家约翰•肯德鲁，用X射线晶体学首先解析血红蛋白和肌红蛋白 的蛋白质结构。
• 1960年代通过X射线晶体学获得原子分辨率的蛋白质结构解析； 1980年代，NMR被应用于蛋白质结构的解析；冷冻电子显微学 也被广泛用于对于超大分子复合体的结构进行解析。电子晶体 学提供较高分辨率的结构信息。结构预测也可以为未知结构 （实验结构）的蛋白质提供结构信息。
铁氧还蛋白（一个结构域）
功能域（酵母已糖激酶2个结构域）
(二) 结构域（Structural domain,domain） (2)多肽链折叠中的手性效应
发夹
右手
右 手
左手 左 手
(二) 结构域（Structural domain,domain） (3)结构域类型
•反平行α螺旋结构域(全α结构) •平行或混合型β折叠片结构域(α ,β结构) •反平行β折叠片结构域(全β 结构) •富含金属或二硫键结构域
一、纤维状蛋白质
(四)弹性蛋白
二、球型蛋白
• 含混合二级结构，构成相对独立 的结构域。
一、超二级结构和结构域
(一) 超二级结构 由若干个相邻的二级结构 元件组合在一起，彼此相 互作用，形成种类不多的、 有规则的二级结构组合或 二级结构串，在多种蛋白 质中充当三级结构的构件， 称为超二级结构。
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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。
在1980年代，更多蛋白质结构被解析，蛋白质三维结构的描述越来越成熟，而且蛋白质结构解析也被公认成为药物研发的关键步骤。
在1983年，冷冻蚀刻的烟草花叶病毒结构在电子显微镜结构下得到描述。
两年后德国科学家John Deisenhofer等解析出了细菌光合反应中心，因此他们共享了1988年的诺贝尔化学奖。
次年，两个课题组解析了HIV与复制相关的蛋白酶结构，对针对HIV的药物研发提供了理论基础。
下一个十年，因为大量同步加速器辅助的X射线衍射的使用，数千个蛋白质结构得到解析，迎来了蛋白质结构组的曙光。
1990年多
波长反常散射方法（MAD）方法用于X射线衍射晶体成像，与同步辐射加速器一起，成为了近二十多年来的最常用的的方法。
Rod MacKinnon在199年发表了第一个高精度的钾离子通道蛋白结构，对加深神经科学的理解起了重要作用，因此他分享了2003年的诺贝尔化学奖。
Ada Yonath等领导的课题组在1999年首次解析了核糖体结构（一种巨大的RNA蛋白质复合体）。
进入新千年，更多的技术细节被加入到蛋白质解析研究领域。
2001年，Roger Kornberg和同事们描述了第一个高精度的RNA聚合酶三维结构，正因此五年后他们共享了诺贝尔化学奖。
2007年，首
个G蛋白偶联受体结构的解析更是对药物研究带了新的希望。
近些年来，越来越多的大的蛋白质结构得到解析。
Cryo-EM超低温电子显微镜成像用于超大蛋白质结构成像的研究日益成熟，并开始广泛用于蛋白质结构的解析。
蛋白质结构解析的常用实验方法
1.X-ray衍射晶体学成像
X射线衍射晶体学是最早用于结构解析的实验方法之一。
X射线是一种高能短波长的电磁波（本质上属于光子束），被德国科学家伦琴发现，故又被称为伦琴射线。
理论和实验都证明了，当X射线打击在分子晶体颗粒上的时候，X射线会发生衍射效应，通过探测器收集这些衍射信号，可以了解晶体中电子密度的分布，再据此析获得粒子的位置信息。
利用这种特点，布拉格父子研制出了X射线分光计并测定了一些盐晶体的结构和金刚石结构。
首个DNA结构的解析便是利用X射线衍射晶体学获得的。
后来，获得X射线来源的技术得到了改进，如今更多地使用同步辐射的X射线源。
来自同步辐射的X射线源可以调节射线的波长和很高的亮度，结合多波长反常散射技术，可以获得更高精度的晶体结构数据，也成为了当今主流的X射线晶体成像学方法。
由X射线衍射晶体学解析的结构在RCSB Protein Data Bank中占到了88%。
X射线衍射成像虽然得到了长足的发展，仍然有着一定的缺点。
X射线对晶体样本有着很大的损伤，因此常用低温液氮环境来保护生物大分子晶体，但是这种情况下的晶体周围环境非常恶劣，可能会对晶体产生不良影响。
而且，X射线衍射方法不能用来解析较大的蛋白质。
上海同步辐射加速器外景
2.NMR核磁共振成像
核磁共振成像NMR全称Nuclear magnetic resonance，最早在1938被Isidor Rabi（1946年诺贝尔奖）描述，在上世纪的后半叶得到了长足发展。
其基本理论是，带有孤对电子的原子核（自选量子数为1）在外界磁场影响下，会导致原子核的能级发生塞曼分裂，吸收并释放电磁辐射，即产生共振频谱。
这种共振电磁辐射的频率与所处磁场强度成一定比例。
利用这种特性，通过分析特定原子释放的电磁辐射结合外加磁场分别，可以用于生物大分子的成像或者其他领域的成像。
有些时候，NMR也可以结合其他的实验方法，比如液相色谱或者质谱等。
RCSB Protein Data Bank数据库中存在大约11000个用NMR解析的生物大分子结构，占到总数大约10%的结构。
NMR结构解析多是在溶液状态下的蛋白质结构，一般认为比起晶体结构能够描述生物大分子在细胞内真实结构。
而且，NMR结构解析能够获得氢原子的结构位置。
然而，NMR也并非万能，有时候也会因为蛋白质在溶液中结构
不稳定能难得获取稳定的信号，因此，往往借助计算机建模或者其他方法完善结构解析流程。
使用NMR解析的血红蛋白结构建模
3.Cryo-EM超低温电子显微镜成像
电子显微镜最早出现在1931年，从设计之初就是为了试图获得高分辨率的病毒图像。
通过电子束打击样本获得电子的反射而获取样本的图像。
而图像的分辨率与电子束的速度和入射角度相关。
通过加速的电子束照射特殊处理过的样品表明，电子束反射，并被探测器接收，并成像从而获得图像信息。
具体做法是，将样品迅速至于超低温（液氮环境）下并固定在很薄的乙烷（或者水中），并置于样品池，在电子显微镜下成像。
图像获得后，通过分析图像中数量众多的同一种蛋白质在不同角度的形状，进行多次的计算机建模从而可以获得近原子级别的精度（最低可以到2.0埃）。
Cyro-EM解析TRPV1离子通道蛋白
将电子显微镜和计算机建模成像结合在一起的大量实践还是在新世纪之后开始流行的。
随着捕捉电子的探测器技术（CCD技术，以及后来的高精度电子捕捉、电子计数electron counting设备）的提升，更多的信息和更低的噪音保证了高分辨率的图像。
近些年来，Cryo-EM被用来解析很多结构非常大（无法用X-ray 解析）的蛋白质（或者蛋白质复合体），取得了非常好的结果。
同时，单电子捕捉技术取代之前的光电转换成像的CCD摄像设备，减少了图像中的噪音和信号衰减，同时并增强了信号。
计算机成像技术的成熟和进步，也赋予了Cryo-EM更多的进步空间。
然而，Cyro-EM与X-ray 不同，该方法不需要蛋白质成为晶体，相同的是都需要低温环境来减少粒子束对样品的损害。
除去介绍的这三种方法以外，计算机建模技术也越来越多地被用
在了蛋白质结构解析中。
而且新解析的结构也会提高计算机建模的精
确度。
未来，我们或许能够用计算机构建原子级别的细胞模型，构建在芯片上的细胞。
蛋白质结构对了解生命体的生化反应、有针对性的药物研发有着重要意义。
从1958到如今已经接近60年，蛋白质结构解析得到了较快的发展。
然而，在如今DNA测序如此高效廉价的时代，蛋白质和DNA结构解析并没有进入真正高速发展阶段，这也导致了在如此多的DNA序列数据非常的今天，结构数据却相对少的可怜。
大数据时代的基因组、蛋白质组、代谢组、脂类组等飞速发展的时候，蛋白质结构组也得到了更加广泛的重视。
发展高精度、高效的结构解析技术也一直都有着重要意义。
未来，蛋白质结构解析，对针对蛋白质的药物筛选，和计算机辅助的药物研究研究不应被低估。
未来说不定在蛋白质结构领域有着更多惊喜，让我们拭目以待。