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蛋白质结构模拟蛋白质结构模拟本讲稿第一页，共十页蛋白质结构模拟蛋白质结构模拟1蛋白质结构的预测蛋白质结构的预测2反相折叠方法反相折叠方法3从头折叠法从头折叠法4常用的网站常用的网站5常用软件常用软件本讲稿第二页，共十页一、蛋白质结构的预测一、蛋白质结构的预测蛋白质三维结构很大程度决定了蛋白质的功能，因此现代生物学的一个蛋白质三维结构很大程度决定了蛋白质的功能，因此现代生物学的一个大课题就是如何获取蛋白质的结构并对之进行分析。在药物设计中，大大课题就是如何获取蛋白质的结构并对之进行分析。在药物设计中，大多数药物的靶酶（受体和酶）都是蛋白质，精确的蛋白质结构对于药物多数药物的靶酶（受体和酶）都是蛋白质，精确的蛋白质结构对于药物分子和靶点之间的相互作用研究以及基于结构的药物设计都很重要分子和靶点之间的相互作用研究以及基于结构的药物设计都很重要目前，蛋白质结构的实验测定方法主要有两大类：目前，蛋白质结构的实验测定方法主要有两大类：基于基于X射线晶体衍射图谱法（射线晶体衍射图谱法（X-ray crystallography）和中子衍射法的蛋白质晶）和中子衍射法的蛋白质晶体结构的测定体结构的测定;基于核磁共振法（基于核磁共振法（NMR）、圆二色光谱法、激光拉曼光谱法、荧光光谱法、紫外）、圆二色光谱法、激光拉曼光谱法、荧光光谱法、紫外差光谱法以及氢同位素交换法等的蛋白质溶液构象的测定。差光谱法以及氢同位素交换法等的蛋白质溶液构象的测定。其中利用其中利用X射线晶体衍射法测定出的蛋白质分子构象结果比较可射线晶体衍射法测定出的蛋白质分子构象结果比较可靠。靠。本讲稿第三页，共十页但是，但是，X射线方法的缺点在于：射线方法的缺点在于：和溶液中的构象相比，由于蛋白质构象在晶体中是静态的，所和溶液中的构象相比，由于蛋白质构象在晶体中是静态的，所以蛋白质晶体不能测出不稳定的过渡态构象；以蛋白质晶体不能测出不稳定的过渡态构象；很多蛋白质很难结晶，或者很难得到足够大的单晶用于结构很多蛋白质很难结晶，或者很难得到足够大的单晶用于结构分析；分析；X射线晶体衍射的工作流程较长。射线晶体衍射的工作流程较长。本讲稿第四页，共十页目前，蛋白质分子的结构预测主要采用同源蛋白预测的目前，蛋白质分子的结构预测主要采用同源蛋白预测的方法，但这非常依赖模板蛋白的序列同源性，如果序列方法，但这非常依赖模板蛋白的序列同源性，如果序列同源性较差，那么预测结构一般较差。此外还有些蛋白同源性较差，那么预测结构一般较差。此外还有些蛋白质，比如生物膜上的蛋白质晶体结构还很少，因此这类质，比如生物膜上的蛋白质晶体结构还很少，因此这类蛋白质结构的理论预测还存在很大的困难。蛋白质结构的理论预测还存在很大的困难。但这几年出现了大量反相折叠的方法，它们对于序列同但这几年出现了大量反相折叠的方法，它们对于序列同源性较差、但是结构同源性较好的蛋白质的结构预测提源性较差、但是结构同源性较好的蛋白质的结构预测提供了希望。供了希望。蛋白质结构的理论预测方法大致上可分为三类：同源模蛋白质结构的理论预测方法大致上可分为三类：同源模建、反相折叠和从头预测。建、反相折叠和从头预测。本讲稿第五页，共十页1.同源模建同源模建同源模建（同源模建（homology modeling）的基本假设是序列的同源性决）的基本假设是序列的同源性决定了三维结构的同源性，一个未知结构的蛋白质分子（目标蛋白）定了三维结构的同源性，一个未知结构的蛋白质分子（目标蛋白）的结构是可以通过与之序列同源且结构已知的蛋白质（参考蛋白）的结构是可以通过与之序列同源且结构已知的蛋白质（参考蛋白）来进行预测的。来进行预测的。一般情况下，如果模型蛋白的序列（目标序列）与参考蛋白的序列之一般情况下，如果模型蛋白的序列（目标序列）与参考蛋白的序列之间的序列同源性在间的序列同源性在50%以上，则通过参考蛋白准确搭建出来的蛋白具以上，则通过参考蛋白准确搭建出来的蛋白具有很高的准确性；若序列同源性在有很高的准确性；若序列同源性在30%50%之间，则通过同源模建之间，则通过同源模建的方法很难得到好的结果的方法很难得到好的结果本讲稿第六页，共十页1、序列同源蛋白搜索2、选择最适蛋白模板3、蛋白同源建模4、Loop、侧链重构，能量最优5、蛋白结构评估同源模建基本操作步骤本讲稿第七页，共十页1.1同源蛋白的搜索同源蛋白的搜索在搭建模型蛋白之前，需要找到和目标序列同源且已知晶体结构的蛋在搭建模型蛋白之前，需要找到和目标序列同源且已知晶体结构的蛋白质，即需要找出构建模型的参考蛋白。这个步骤可以通过搜索蛋白白质，即需要找出构建模型的参考蛋白。这个步骤可以通过搜索蛋白质结构数据库（例如质结构数据库（例如Swiss-Prot，PDB，SCOP，CATH and DALI）来完成。）来完成。在同源蛋白的搜索中，在同源蛋白的搜索中，FASTA是第一个广泛使用的数据库搜索程序是第一个广泛使用的数据库搜索程序（Lipman1985，Pearson 1988）。在）。在FASTA的计算中，第一步找的计算中，第一步找到高得分的局部区域，然后连接这些高得分的局部区域，连接时空位到高得分的局部区域，然后连接这些高得分的局部区域，连接时空位所引起的罚分需要减去。最后给出这个目标氨基酸的整体得分来评价所引起的罚分需要减去。最后给出这个目标氨基酸的整体得分来评价它和参考蛋白质之间的序列同源性。它和参考蛋白质之间的序列同源性。本讲稿第八页，共十页模板的首要条件是其蛋白质序列与未知结构蛋白质序列之间的模板的首要条件是其蛋白质序列与未知结构蛋白质序列之间的一致性必须大于一致性必须大于30%，假如可作为模板的结构很多，则从这些，假如可作为模板的结构很多，则从这些结构中选择更适当的作为模板，来提高新结构的准确性。结构中选择更适当的作为模板，来提高新结构的准确性。选择适当模板可参考以下方式：选择适当模板可参考以下方式：经由多重序列排列或演化树的分析找出与未知结构蛋白质序列最接近的蛋白经由多重序列排列或演化树的分析找出与未知结构蛋白质序列最接近的蛋白质结构，亦即一致性比较高的蛋白质结构质结构，亦即一致性比较高的蛋白质结构这些候选结构中，考虑它们的这些候选结构中，考虑它们的Resolution3埃和埃和R-factor越低越好越低越好结构越完整越好，尤其是环状结构部分在较大的蛋白质因其残疾无法解析出来而结构越完整越好，尤其是环状结构部分在较大的蛋白质因其残疾无法解析出来而容易被省略容易被省略选择与未知结构蛋白质作用最接近的蛋白质结构，例如配体受体选择与未知结构蛋白质作用最接近的蛋白质结构，例如配体受体（ligand-bound receptor）、酶的活性部位（）、酶的活性部位（active site of an enzyme）、蛋白质状态）、蛋白质状态close-form/open form及其他及其他本讲稿第九页，共十页1.3序列比对序列比对序列定位和排列时同源蛋白质预测的关键步骤，关系着最终模型结构的准序列定位和排列时同源蛋白质预测的关键步骤，关系着最终模型结构的准确性。通过序列排列和定位可以确定序列保守区域，得到同源蛋白的结构确性。通过序列排列和定位可以确定序列保守区域，得到同源蛋白的结构排列，为下一步给排列，为下一步给SCRs赋坐标做好准备。如果一个蛋白质有多个同源蛋赋坐标做好准备。如果一个蛋白质有多个同源蛋白质，建立模型时就要考虑到多余序列之间的比对序列。相比较双序列排白质，建立模型时就要考虑到多余序列之间的比对序列。相比较双序列排列，多重序列排列可获得可信度较高的结构资讯。列，多重序列排列可获得可信度较高的结构资讯。本讲稿第十页，共十页