生物大分子結(jié)構(gòu)模擬

生物大分子結(jié)構(gòu)模擬

IntroductiontoMolecularModeling王適群醫(yī)學(xué)生物結(jié)構(gòu)中心2010.11.22有機(jī)小分子：?jiǎn)翁牵恢舅?；氨基酸；核苷酸。生物大分子：多糖；脂類；蛋白質(zhì)；核酸。生物分子概述

單糖六碳糖：如葡萄糖，是細(xì)胞內(nèi)能源物質(zhì)。五碳糖：核糖脫氧核糖是核酸的組成成分寡糖

多糖糖類分子式：(CH2O)n碳水化合物：含3~十幾個(gè)糖分子，是構(gòu)成細(xì)胞膜的成分糖原淀粉

脂類功能：

脂類包括：脂肪酸、類固醇、磷脂、糖脂等。特點(diǎn)：難溶于水，而易溶于有機(jī)溶劑。

①脂肪酸：以甘油三酯或脂肪形式儲(chǔ)存，貯存能量；②磷脂：是構(gòu)成生物膜的基本成分。細(xì)胞膜的主要成分能量?jī)?chǔ)存形式信號(hào)分子分子模擬定義

Molecularmodelingistheapplicationofcomputationalstructuralbiologytothechallengeofbiomolecularstructureprediction.Itsaimistodeterminethethree-dimensionalstructurefromtheirsequences.主要內(nèi)容第一部分蛋白分子結(jié)構(gòu)模擬第二部分核酸分子結(jié)構(gòu)模擬蛋白分子結(jié)構(gòu)模擬

第一部分蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)空間結(jié)構(gòu)一級(jí)結(jié)構(gòu)二級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)四級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)(primarystructure)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondarystructure)

定義蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)指蛋白質(zhì)分子中某一段肽鏈的局部空間結(jié)構(gòu)，即該段肽鏈主鏈骨架原子的相對(duì)空間位置，并不涉及氨基酸殘基側(cè)鏈的構(gòu)象。主鏈與側(cè)鏈

由肽鍵和α-碳原子構(gòu)成的多肽鏈骨架稱為主鏈，伸展在外的R基團(tuán)稱為側(cè)鏈。主要形式α-螺旋β-折疊β-轉(zhuǎn)角無規(guī)則卷曲主要化學(xué)鍵：氫鍵

參與肽鍵的6個(gè)原子C

1、C、O、N、H、C

2位于同一平面，C

1和C

2在平面上所處的位置為反式(trans)構(gòu)型，此同一平面上的6個(gè)原子構(gòu)成了所謂的肽單元(peptideunit)

。（一）肽單元

（二）蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)的主要形式

-螺旋(

-helix)

-折疊(

-pleatedsheet)

-轉(zhuǎn)角(

-turn)

無規(guī)卷曲(randomcoil)

-螺旋（

-helix)α-螺旋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：右手螺旋每3.6個(gè)氨基酸殘基螺旋上升一圈，螺距為0.54nm氫鍵維系（形成于每個(gè)肽鍵的N-H和第四個(gè)肽鍵的羰基氧之間）。氨基酸側(cè)鏈伸向螺旋外側(cè)。α-螺旋中的全部肽鍵都可形成氫鍵，氫鍵的方向與螺旋長(zhǎng)軸基本平行。

-折疊（β–pleatedsheet）

β-折疊的特點(diǎn)：與α-螺旋結(jié)構(gòu)完全不同，呈折紙狀。β-折疊多肽鏈充分伸展，每個(gè)肽單元以C

為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，依次折疊為鋸齒狀結(jié)構(gòu)，氨基酸側(cè)鏈交替地位于鋸齒狀結(jié)構(gòu)上下方在兩條相鄰的肽鏈之間形成氫鏈。

β-折疊有平行和反平行的兩種形式:

-轉(zhuǎn)角（β-turn）和無規(guī)卷曲

-轉(zhuǎn)角:

是多肽鏈180°回折部分所形成的一種二級(jí)結(jié)構(gòu)，通常有4個(gè)氨基酸殘基組成,其第1個(gè)殘基的羰基氧(O)與第4個(gè)殘基的氨基(H)可形成氫鍵。.無規(guī)則卷曲是用來闡述沒有確定規(guī)律性的那部分肽鏈結(jié)構(gòu)，但許多蛋白質(zhì)的功能部位常常埋伏在這里。（三）模體（motif）模體或超二級(jí)結(jié)構(gòu)是1973年Rossmann提出的，它是指二級(jí)結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)單位（α-螺旋，β-折疊等）相互聚集，形成有規(guī)律的二級(jí)結(jié)構(gòu)的聚集體。主要有αα、βαβ、βββ等。細(xì)胞色素C的αα結(jié)構(gòu)

細(xì)胞核抗原的βαβ結(jié)構(gòu)

纖溶酶原的βββ結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)整條肽鏈中全部氨基酸殘基的相對(duì)空間位置。即肽鏈中所有原子或基團(tuán)在三維空間的排布位置。定義

主要化學(xué)鍵：疏水作用、離子鍵、氫鍵和范德華力等（一）三級(jí)結(jié)構(gòu)三級(jí)結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)：含多種二級(jí)結(jié)構(gòu)單元有明顯的折疊層次是緊密的球狀或橢球狀實(shí)體分子表面有一空穴(活性部位)疏水側(cè)鏈埋藏在分子內(nèi)部親水側(cè)鏈暴露在分子表面三級(jí)結(jié)構(gòu)形成后，蛋白質(zhì)分子才形成固有的分子形狀；才具有親水膠體的特性；功能蛋白質(zhì)的活性部位得以形成并表現(xiàn)出相應(yīng)的生物學(xué)活性。三級(jí)結(jié)構(gòu)的重要性N端C端肌紅蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)（二）結(jié)構(gòu)域(domain)

定義：大分子蛋白質(zhì)的三級(jí)結(jié)構(gòu)?？煞指畛梢粋€(gè)或數(shù)個(gè)結(jié)構(gòu)緊密的球狀或纖維狀的區(qū)域，折疊得較為緊密，各行使其功能，稱為結(jié)構(gòu)域。最常見的結(jié)構(gòu)域約含100～200個(gè)氨基酸殘基，少至40個(gè)左右，多至400個(gè)以上。

纖連蛋白分子的結(jié)構(gòu)域

結(jié)構(gòu)域(domain)在空間上相對(duì)獨(dú)立免疫球蛋白結(jié)構(gòu)域重鏈輕鏈結(jié)構(gòu)域蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)亞基之間的結(jié)合力主要是疏水作用，其次是氫鍵和離子鍵。蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)：蛋白質(zhì)分子中各亞基的空間排布及亞基接觸部位的布局和相互作用，稱為蛋白質(zhì)的四級(jí)結(jié)構(gòu)亞基(subunit)：有些蛋白質(zhì)分子含有二條或多條多肽鏈，每一條多肽鏈都有完整的三級(jí)結(jié)構(gòu)，此多肽鏈就是蛋白質(zhì)分子的亞基。一般來說亞基不具有生物活性，只有當(dāng)這些亞基聚合成一個(gè)完整的蛋白質(zhì)分子后，才具有生物活性。

（一）具有四級(jí)結(jié)構(gòu)形式的蛋白質(zhì)由多亞基組成(二)亞基通過亞基間相互作用聯(lián)系在一起

α鏈β鏈血紅素血紅蛋白從一級(jí)結(jié)構(gòu)到四級(jí)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)測(cè)定StructuredeterminationHistoryofProteinStructureDetermination1912:DiscoveryofX-raydiffraction1934:Bernal&HodgkinfoundthecrystalstructureofpepsinwhichyieldedadiscretediffractionpatternunderanX-raybeam1980:NMRisusedtosolve3DstructuresChristianB.AnfinsenRibonuclease

Anfinsen’sExperiment1961(Nobel1972)LessonlearnedfromAnfinsen:3Dstructuresarecodedinthe1Dsequence.

TwoConservedsequencessimilarstructures

TwoSimilarstructuresconservedsequences?Structure–SequenceRelationshipsTherearecasesofproteinswiththesamestructurebutnoclearsequencesimilarity.PrinciplesofProteinStructureToday'sproteinsreflectmillionsofyearsofevolution.3Dstructureisbetterconservedthansequenceduringevolution.Similaritiesamongsequencesoramongstructuresmayrevealinformationaboutsharedbiologicalfunctionsofaproteinfamily.TheLevinthalparadoxAssumeaproteiniscomprisedof100AAsandthateachAAcantakeup10differentconformations.Altogetherweget:10100

conformations.Ifeachconformationweresampledintheshortestpossibletime(timeofamolecularvibration~10-13s)itwouldtakeanastronomicalamountoftime(~1077years)tosampleallpossibleconformations,inordertofindtheNativeState.Experimentalmethods(Bestapproach):

X-rayscrystallography.NMR.Others(e.g.,neutrondiffraction).（一）X射線衍射法

首先將蛋白質(zhì)制成晶體。但是由于糖蛋白質(zhì)分子中糖基化位點(diǎn)和某些位點(diǎn)的糖鏈結(jié)構(gòu)存在不均一性，則很難獲得糖蛋白晶體。X射線射到蛋白質(zhì)晶體上，可產(chǎn)生不同方向的衍射。X光片則接受衍射光束，形成衍射圖。這種衍射圖也即X射線穿過晶體的一系列平行剖面所表示的電子密度圖。然后借助計(jì)算機(jī)繪制出三維空間的電子密度圖。X-raycrystallographyObtainanorderedproteincrystal.Checkx-raydiffraction.ThecrystalisbombardedwithX-raybeams.Thecollisionofthebeamswiththeelectronscreatesadiffractionpattern.X-raycrystallography3.Analyzediffractionpatternandproduceanelectrondensitymap.4.Threadtheknownproteinsequenceintothedensitymap.X-raycrystallographyThemoleculesmustbeverypureinordertoproduceperfectandstablecrystals.Themethodistime-consuminganddifficult.（二）核磁共振（nuclearmagneticresonance,NMR）NMR-NuclearMagneticResonanceAsampleisimmersedinamagneticfieldandbombardedwithradiowaves.Themolecule’snucleusresonate(spin).Thismotionisdeterminedandisspecificforeachmoleculetype.PrinciplesofNMRNMR-NuclearMagnetic

ResonanceTheNMRtechniqueisverytimeconsumingandexpensive,andthesamplehastobeinaconcentratedsolution,andislimitedtosmallandsolublemolecules.

PDB:ProteinDataBankHolds3Dmodelsofbiologicalmacromolecules(protein,RNA,DNA).Alldataareavailabletothepublic.ObtainedbyX-Raycrystallography(84%)orNMRspectroscopy(16%).Submittedbybiologistsandbiochemistsfromaroundtheworld.PDB–ProteinDataBank/pdb/MolecularModelingDataBaseComparativedatabase NCBIMolecularModelingDataBase(MMDB)subsetofPDB,excludestheoreticalstructures,withnative.asnformat.asn=single-coordinateper-atommolecules,explicitbondingandSSremarkssuitedforcomputation,suchashomologymodelingandstructurecomparison蛋白結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法同源模建HomologyModeling

通過同源序列分析或者模式匹配預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)或者結(jié)構(gòu)單元（如鋅指結(jié)構(gòu)、螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)、DNA結(jié)合區(qū)域等）。同源模型方法：最可靠的方法

每一個(gè)自然蛋白質(zhì)具有一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)，但許多不同的序列會(huì)采用同一個(gè)基本的折疊，也就是說，具有相似序列的蛋白質(zhì)傾向于折疊成相似的空間結(jié)構(gòu)。一對(duì)自然進(jìn)化的蛋白質(zhì)，如果它們的序列具有25

30%的等同部分或者更多，則可以假設(shè)這兩個(gè)蛋白質(zhì)折疊成相似的空間結(jié)構(gòu)。如果一個(gè)未知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)與一個(gè)已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)具有足夠的序列相似性，那么可以根據(jù)相似性原理給未知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)構(gòu)造一個(gè)近似的三維模型。注意同源模建

同源模建是利用已知的蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)為參照，分析氨基酸序列相近的新蛋白的三級(jí)結(jié)構(gòu)。利用蛋白質(zhì)分析軟件來預(yù)測(cè)，例如SWISS-MODEL是一項(xiàng)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)的服務(wù)，它利用同源建模的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)一段未知序列的三級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)。很多軟件中都提供了相應(yīng)的功能，做的最好的商業(yè)軟件是INSIGHTii和modeller，免費(fèi)的有spdbvierwer和一些在線服務(wù)器。步驟

以生物信息學(xué)方法做同源模建法預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)一般由四步完成：

1.從待測(cè)蛋白質(zhì)序列出發(fā)，搜索蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫（如PDB,SWISS-PROT等），得到許多相似序列（同源序列），選定其中一個(gè)（或幾個(gè)）作為待測(cè)蛋白質(zhì)序列的模板；

2.待測(cè)蛋白質(zhì)序列與選定的模板進(jìn)行再次比對(duì)，插入各種可能的空位使兩者的保守位置盡量對(duì)齊；

3.建模：調(diào)整待測(cè)蛋白序列中主鏈各個(gè)原子的位置，產(chǎn)生與模板相同或相似的空間結(jié)構(gòu)——待測(cè)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)模型；

4.利用能量最小化原理，使待測(cè)蛋白質(zhì)側(cè)鏈基團(tuán)處于能量最小的位置。Usetheunknownsequenceasaquerytosearchforknownproteinstructures.IdentifyhomologoussequencesinPDBAlignquerysequencewithhomologuesFindStructurallyConservedRegions(SCRs)IdentifyStructurallyVariableRegions(SVRs)GeneratecoordinatesforcoreregionGeneratecoordinatesforloopsAddsidechains(Checkrotamerlibrary)RefinestructureusingenergyminimizationValidatestructureStepsStep1:IDHomologuesinPDBPRTEINSEQENCEPRTEINSEQUENCEPRTEINSEQNCEQWERYTRASDFHGTREWQIYPASDFGHKLMCNASQERWWPRETWQLKHGFDSADAMNCVCNQWERGFDHSDASFWERQWKQuerySequencePDBPRTEINSEQENCEPRTEINSEQUENCEPRTEINSEQNCEQWERYTRASDFHGTREWQIYPASDFGHKLMCNASQERWWPRETWQLKHGFDSADAMNCVCNQWERGFDHSDASFWERQWKPRTEINSEQENCEPRTEINSEQUENCEPRTEINSEQNCEQWERYTRASDFHGTREWQIYPASDFGPRTEINSEQENCEPRTEINSEQUENCEPRTEINSEQNCEQWERYTRASDFHGTREWQIYPASDFGPRTEINSEQENCEPRTEINSEQUENCEPRTEINSEQNCEQWERYTRASDFHGTREWQIYPASDFGTREWQIYPASDFGPRTEINSEQENCEPRTEINSEQUENCEPRTEINSEQNCEQWERYTRASDFHGTREWQPRTEINSEQENCEPRTEINSEQUENCEPRTEINSEQQWEWEWQWEWEQWEWEWQRYEYEWQWNCEQWERYTRASDFHGTREWQIYPASDWERWEREWRFDSFGPRTEINSEQENCEPRTEINSEQUENCEPRTEINSEQNCEQWERYTRASDFHGTREWQIYPASDFGHKLMCNASQERWWPRETWQLKHGFDSADAMNCVCNQWERGFDHSDASFWERQWKPRTEINSEQENCEPRTEINSEQUENCEPRTEINSEQNCEQWERYTRASDFHGTREWQIYPASDFGPRTEINSEQENCEPRTEINSEQUENCEPRTEINSEQNCEQWERYTRASDFHGTREWQIYPASDFGPRTEINSEQENCPRTEINSEQENCEPRTEINSEQUENCEPRTEINSEQQWEWEWQWEWEQWEWEWQRYEYEWQWNCEQWERYTRASDFHGTRHit#1Hit#2Step2:AlignSequencesGENETICSG100000000E0100100000N001000000E000100000S000000010I000001000S000000010GENETICSG60403020200100E40503030200100N30304020200100E202020302010100S202020202001010I101010101020100S000000010DynamicProgrammingSequence-SequenceAlignmentMethodsPairwiseSequencealignmentmethodsBLAST,FASTA,WU-BLAST,SSEARCH-availableonwwwcomparestargetsequencewithsequencesinDBpairwisealignmentscansthesequencesforwords(threecharacterinlength)anystatisticallysignificantalignmentwouldhaveahighscoringpairofwords-hitcountshowmanysuchhitsarepresentfindsgoodhomologs(for>30%sequenceidentities)Step2:AlignSequencesACDEFGHIKLMNPQRST--FGHQWERT-----TYREWYEGASDEYAHLRILDPQRSTVAYAYE--KSFAPPGSFKWEYEAMCDEYAHIRLMNPERSTVAGGHQWERT----GSFKEWYAAQueryHit#1Hit#2Hit#1Hit#2AlignmentKeystepinHomologyModellingGlobal(Needleman-Wunsch)alignmentisabsolutelyrequiredSmallerrorinalignmentcanleadtobigerrorinstructuralmodelMultiplealignmentsareusuallybetterthanpairwisealignmentsHowtoselecttemplatesChoosetemplatethatisclosesttothetargetintermsofsubfamilies-highoverallsequencesimilaritytemplateenvironmentlikepH,ligands,etc.,sameastargetqualityoftheexperimentaltemplatestructure-theresolution,R-factoretc.choosingatemplateforprotein-ligandmodel-templatepreferablyhassameligandmodelinganactivesite-highresolutionstructurewithligandHit#1Hit#2Step3:FindSCR’sACDEFGHIKLMNPQRST--FGHQWERT-----TYREWYEGASDEYAHLRILDPQRSTVAYAYE--KSFAPPGSFKWEYEAMCDEYAHIRLMNPERSTVAGGHQWERT----GSFKEWYAAHHHHHHHHHHHHHCCCCCCCCCCCCCCCCCCBBBBBBBBBQueryHit#1Hit#2SCR#1SCR#2StructurallyConservedRegions(SCR’s)Correspondstothemoststablestructuresorregions(usuallyinterior)ofproteinCorrespondstosequenceregionswithlo