第十講蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)中心法則(thecentraldogma)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)

蛋白質(zhì)功能轉(zhuǎn)錄翻譯?翻譯細(xì)胞質(zhì)核糖體氨基酸折疊密碼（foldingcode）又稱(chēng)“第二遺傳密碼”，蛋白質(zhì)的氨基酸序列與其三維空間結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。破譯折疊密碼：從蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)得到立體結(jié)構(gòu)，即可直接從基因推測(cè)其編碼蛋白質(zhì)所對(duì)應(yīng)的生物學(xué)功能。破解折疊密碼被列為“21世紀(jì)的生物學(xué)”的重要課題。在生物學(xué)研究中，分子的結(jié)構(gòu)是最重要的數(shù)據(jù)它提供很多信息，包括生物分子的功能、作用機(jī)制、進(jìn)化歷史等如何獲得蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)….-Gly-Ala-Glu-Phe-….?解決方法一

：實(shí)驗(yàn)測(cè)定….-Gly-Ala-Glu-Phe-….X-射線晶體衍射核磁共振電鏡技術(shù)？20世紀(jì)60年代解析一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)可以獲得諾貝爾獎(jiǎng)；20世紀(jì)70年代解析一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)則可成為轟動(dòng)世界的新聞；20世紀(jì)80年代解析一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)則可申請(qǐng)到教授的職位；20世紀(jì)90年代解析一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)通?？梢垣@得博士學(xué)位；蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析的發(fā)展YearLaureatePrizeRationale1914MaxvonLauePhysics"ForhisdiscoveryofthediffractionofX-raysbycrystals",[118]animportantstepinthedevelopmentofX-rayspectroscopy.1915WilliamHenryBraggWilliamLawrenceBraggPhysics"FortheirservicesintheanalysisofcrystalstructurebymeansofX-rays",[119]1962MaxF.PerutzJohnC.KendrewChemistry"fortheirstudiesofthestructuresofglobularproteins"[120]1962JamesDeweyWatsonFrancisHarryComptonCrickMauriceHughFrederickWilkinsMedicine"Fortheirdiscoveriesconcerningthemolecularstructureofnucleicacidsanditssignificanceforinformationtransferinlivingmaterial"[121]1964DorothyHodgkinChemistry"ForherdeterminationsbyX-raytechniquesofthestructuresofimportantbiochemicalsubstances"[122]1972StanfordMooreWilliamH.SteinChemistry"Fortheircontributiontotheunderstandingoftheconnectionbetweenchemicalstructureandcatalyticactivityoftheactivecentreoftheribonucleasemolecule"[123]1976WilliamN.LipscombChemistry"Forhisstudiesonthestructureofboranesilluminatingproblemsofchemicalbonding"[124]1985JeromeKarleHerbertA.HauptmanChemistry"Fortheiroutstandingachievementsindevelopingdirectmethodsforthedeterminationofcrystalstructures"[125]1988JohannDeisenhoferHartmutMichelRobertHuberChemistry"Fortheirdeterminationofthethree-dimensionalstructureofaphotosyntheticreactioncentre"[126]1997JohnE.WalkerChemistry"Fortheirelucidationoftheenzymaticmechanismunderlyingthesynthesisofadenosinetriphosphate(ATP)"[127]2003RoderickMacKinnonPeterAgreChemistry"Fordiscoveriesconcerningchannelsincellmembranes[...]forstructuralandmechanisticstudiesofionchannels"[128]2006RogerD.KornbergChemistry"Forhisstudiesofthemolecularbasisofeukaryotictranscription"[129]2009AdaE.YonathThomasA.SteitzVenkatramanRamakrishnanChemistry"Forstudiesofthestructureandfunctionoftheribosome"[130]2012BrianKobilkaRobertLefkowitz

Chemistry"ForstudiesofG-protein-coupledreceptors"[131]X射線晶體學(xué)全解析的第一個(gè)蛋白質(zhì)

結(jié)構(gòu)－－肌紅蛋白2005年，線粒體膜蛋白復(fù)合物2精細(xì)結(jié)構(gòu)X射線衍射測(cè)定蛋白和核酸精細(xì)結(jié)構(gòu)，為新藥設(shè)計(jì)提供了全新方向中國(guó)科學(xué)家研制抗癌新藥首獲瑞典愛(ài)明諾夫獎(jiǎng)2016.03Lastupdate:TuesdayMar01,2016at4PMPST

數(shù)量大技術(shù)難度高瓶頸實(shí)驗(yàn)測(cè)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)與一維序列數(shù)據(jù)在量上增長(zhǎng)速度嚴(yán)重不協(xié)調(diào)解決方法二：結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)….-Gly-Ala-Glu-Phe-….蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)：指從蛋白質(zhì)的氨基酸序列預(yù)測(cè)出其三維空間結(jié)構(gòu)。Levinthal悖論（Levinthal'sParadox）一個(gè)100個(gè)氨基酸組成的肽鏈的折疊：假設(shè)：三種可能構(gòu)象/氨基酸殘基3100種不同構(gòu)象；即使：10-13秒（0.1皮秒）/可能構(gòu)想，（一皮秒：十億分之一秒的千分之一）5x1034秒,or1027年(宇宙年齡1010年)CyrusLevinthal(1996)：美國(guó)分子生物學(xué)家

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的理論基礎(chǔ)：Anfinsen理論(Anfinsen'sdogma)ChristianBoehmerAnfinsen,Jr.(1916–1995)美國(guó)生物化學(xué)家，1972諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者蛋白質(zhì)序列含有蛋白質(zhì)折疊的全部信息！凡人改變世界？Folding@home：（始于2000年10月）分布式蛋白質(zhì)折疊計(jì)算，它是眾多分布式計(jì)算項(xiàng)目之一，也是最出名、普及最廣泛的之一。它所凝聚的志愿者計(jì)算能力，比肩世界最快的超級(jí)計(jì)算機(jī)“天河二號(hào)”。Intel、Google、NVIDIA、AMD(前ATI)、索尼、蘋(píng)果、戴爾等廠商形成了一個(gè)支持Folding@home項(xiàng)目發(fā)展的同盟。

蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的層次與結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)初級(jí)結(jié)構(gòu)(primarystructure)-螺旋(-helix)

-折疊(-pleatedsheet)二級(jí)結(jié)構(gòu)(secondarystructure)四級(jí)結(jié)構(gòu)(quaternarystructure)三級(jí)結(jié)構(gòu)(tertiarystructure)SCOP(StructuralClassificationofProteins)CATH(Class,Architecture,Topology,Homology)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)判斷每一段中心的殘基是否處于-螺旋、-折疊（或其它狀態(tài)）的二級(jí)結(jié)構(gòu)態(tài)。1.經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法（Chou-Fasman方法）由Chou和Fasman在70年代提出來(lái)。通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，獲得的每個(gè)殘基出現(xiàn)于特定二級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)象的傾向性因子（P(ɑ-helix)、P(β-sheet)），進(jìn)而利用這些傾向性因子預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。理論依據(jù)：每種氨基酸出現(xiàn)在各種二級(jí)結(jié)構(gòu)中傾向或者頻率是不同的。例如：谷氨酸(Glu,E)：-螺旋(√)纈氨酸(Val,V)：-折疊(√)脯氨酸(Pro,P)：-螺旋(X)氨基酸殘基的構(gòu)象傾向性因子定義：

Pi=Ai/Ti (i=,β,c,t) i表示構(gòu)象態(tài)：如螺旋、β折疊、轉(zhuǎn)角、無(wú)規(guī)卷曲等；Ti是所有被統(tǒng)計(jì)殘基處于構(gòu)象態(tài)i的比例；Ai是第A種殘基處于構(gòu)象態(tài)i的比例；Pi大于1.0表示該殘基傾向于形成二級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)象i，小于1.0則表示傾向于形成其它構(gòu)象。四個(gè)轉(zhuǎn)角參數(shù)，f(i)、f(i+1)、f(i+2)和f(i+3)。這四個(gè)參數(shù)分別對(duì)應(yīng)于每種殘基出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角第一、第二、第三和第四位的頻率（例如，脯氨酸約有30%出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角的第二位，然而出現(xiàn)在第三位的幾率不足4%）。Chou-Fasman參數(shù)基本思想是在序列中尋找規(guī)則二級(jí)結(jié)構(gòu)的成核位點(diǎn)和終止位點(diǎn)。掃描輸入的氨基酸序列，發(fā)現(xiàn)可能成為特定二級(jí)結(jié)構(gòu)成核區(qū)域的短序列，然后對(duì)于成核區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)展，不斷擴(kuò)大成核區(qū)域，直到傾向性因子小于某個(gè)閾值（1.0）為止。成核區(qū)延伸延伸ɑ-螺旋Chou-Fasman參數(shù)法預(yù)測(cè)二級(jí)結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則氨基酸殘基（i）α螺旋規(guī)則（ii）β折疊規(guī)則（iii）轉(zhuǎn)角規(guī)則

(iv)重疊規(guī)則經(jīng)驗(yàn)規(guī)則（i）α螺旋規(guī)則沿蛋白質(zhì)序列尋找α螺旋核相鄰的6個(gè)殘基中如果有至少4個(gè)殘基傾向于形成α螺旋，則認(rèn)為是螺旋核。從螺旋核向兩端延伸直至四肽片段的α螺旋傾向性因子的平均值{P}<1.0為止。將螺旋兩端各去掉3個(gè)殘基剩余部分若長(zhǎng)于6個(gè)殘基，而且{P}>1.03，則預(yù)測(cè)為螺旋。（ii）β折疊規(guī)則相鄰6個(gè)殘基中若有4個(gè)傾向于形成β折疊，則認(rèn)為是折疊核。折疊核向兩端延伸直至4個(gè)殘基的平均折疊傾向性因子{P}<1.0。若延伸后的片段的{P}>1.05，則預(yù)測(cè)為β折疊。在實(shí)際運(yùn)用中有50-60%的準(zhǔn)確率，雖然有文章宣稱(chēng)能達(dá)到更高的準(zhǔn)確率（數(shù)據(jù)集受限）（iii）β-轉(zhuǎn)角規(guī)則轉(zhuǎn)角的模型為四肽組合模型，要考慮每個(gè)位置上殘基的組合概率，即特定殘基在四肽模型中各個(gè)位置的概率。在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)于從第i個(gè)殘基開(kāi)始的連續(xù)4個(gè)殘基的片段，將上述概率相乘，根據(jù)計(jì)算結(jié)果判斷是否是轉(zhuǎn)角。如果f(i)×f(i+1)×f(i+2)×f(i+3)大于7.5×10-5，四肽片段Pt的平均值大于100，并且Pt的均值同時(shí)大于P

的均值以及P

的均值，則可以預(yù)測(cè)這樣連續(xù)的4個(gè)殘基形成轉(zhuǎn)角。

2.基于氨基酸疏水性的預(yù)測(cè)方法α螺旋的兩親特特征：螺旋的一側(cè)通常處于蛋白質(zhì)的疏水核心，另一側(cè)則常處于親水表面，因此，α-螺旋中親疏水氨基酸殘基的出現(xiàn)位置也就有一定的規(guī)律性，親水殘基多出現(xiàn)在親水側(cè)面，而疏水殘基則多出現(xiàn)在疏水側(cè)面，反映在序列上就是一些特征的親疏水殘基間隔模式。脂肪族疏水性氨基酸極性或帶負(fù)電氨基酸帶正電氨基酸432151432α-螺旋的兩親特特征與結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)基于氨基酸疏水性的預(yù)測(cè)α螺旋的形成規(guī)律：在一段序列中發(fā)現(xiàn)第i、i+3、i+4位（如1、4、5）是疏水殘基時(shí)，這一片段就被預(yù)測(cè)為α螺旋；當(dāng)發(fā)現(xiàn)第i、i+1、i+4位（如7，8，11）為疏水殘基時(shí)，這一片段也被預(yù)測(cè)為α螺旋。基于氨基酸疏水性的預(yù)測(cè)β折疊的形成規(guī)律：對(duì)于β折疊，也存在著一些特征的親疏水殘基間隔模式，埋藏的β折疊通常由連續(xù)的疏水殘基組成，一側(cè)暴露的β折疊則通常具有親水-疏水的兩殘基重復(fù)模式。原則上，通過(guò)在序列中搜尋特殊的親疏水殘基間隔模式，就可以預(yù)測(cè)α螺旋和β折疊。將待預(yù)測(cè)的片段與數(shù)據(jù)庫(kù)中已知二級(jí)結(jié)構(gòu)的片段進(jìn)行相似性比較，根據(jù)相似性得分以及數(shù)據(jù)庫(kù)中的構(gòu)象態(tài)，構(gòu)建出待預(yù)測(cè)片段的二級(jí)結(jié)構(gòu)。該方法對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中同源序列的存在非常敏感，若數(shù)據(jù)庫(kù)中有相似性大于30%的序列，則預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率可大大上升。3.基于多重序列比對(duì)的方法（同源法）

序列比對(duì)：

T=TNGIY

U=TSGVF

將T的構(gòu)象態(tài)賦予U相似序列→相似結(jié)構(gòu)4.綜合方法多個(gè)程序同時(shí)預(yù)測(cè)

綜合評(píng)判，一致結(jié)果雙重預(yù)測(cè)：首先預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，然后再預(yù)測(cè)二級(jí)結(jié)構(gòu)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法基于氨基酸疏水性的預(yù)測(cè)方法同源分析法蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的意義由蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析得到的規(guī)則可用于全新蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)或蛋白質(zhì)突變體的設(shè)計(jì)。當(dāng)序列同源性較低時(shí)，二級(jí)結(jié)構(gòu)的指認(rèn)有助于確定蛋白質(zhì)間結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系。在基于二級(jí)結(jié)構(gòu)片段堆積的三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)中正確的二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)是第一步。二級(jí)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)有助于多維核磁共振中二級(jí)結(jié)構(gòu)的指認(rèn)，同時(shí)也有助于晶體結(jié)構(gòu)的解析。蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)在線預(yù)測(cè)PHDsecneuralnetworkforsecondarystructureprediction,accesibility,andtrans-membranehelix.Usesmultiplealignments.Reliability~70%.Jpred

uses2neuralnetworksandincludesevolutiveinformation(PSI-BLAST).Theversion2evaluatestheresultsof4networks(JNet,NSSP,Predator,PHD)toimprovereliability.pbio.dundee.ac.uk/jpred/PROFBasedonmultiplealignmentsandotherresiduepropertiesobtainedfromdatabases.Relaibility~70%.PSIpred

Basedonfilteredpsi-blastprofilesandneuralnetworks(combinesreultsfromdifferentmethods).relaibilityis>76%.

PredictProtein

(PHDsec)

PsiPred

JPred

蛋白質(zhì)折疊病同源建模法(Homologymodelling)線索化法/折疊識(shí)別法/串線法(Threading/Foldrecognition)從頭預(yù)測(cè)法(Abinitio/Denovomethods)蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

1.同源蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)依據(jù)：任何一對(duì)蛋白質(zhì)，如果兩者的序列等同部分超過(guò)30%（序列比對(duì)長(zhǎng)度大于80），則它們具有相似的三維結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)蛋白質(zhì)的基本折疊相同，只是在非螺旋和非折疊區(qū)域的一些細(xì)節(jié)部分有所不同。主要思想：對(duì)于一個(gè)未知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，找到一個(gè)已知結(jié)構(gòu)的同源蛋白質(zhì)，以該蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)為模板，為未知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)建立結(jié)構(gòu)模型。搜索結(jié)構(gòu)模型的模板序列比對(duì)建立骨架構(gòu)建目標(biāo)蛋白質(zhì)的側(cè)鏈、環(huán)區(qū)、加入氫原子優(yōu)化模型同源建模的過(guò)程將模板結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)拷貝到目標(biāo)U，僅拷貝匹配殘基的坐標(biāo)

分子力學(xué)分子動(dòng)力學(xué)模擬退火

PDB數(shù)據(jù)庫(kù)SWISS-MODEL:

//SWISS-MODEL.html同源建模方法特點(diǎn)繞過(guò)了二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)目前蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法中最成功、最準(zhǔn)確、使用最多局限是：僅僅是一種技術(shù)手段，而非理論應(yīng)用范圍收已有同源結(jié)構(gòu)的限制Loop區(qū)域準(zhǔn)確率差又稱(chēng)蛋白質(zhì)折疊類(lèi)型識(shí)別依據(jù)：蛋白質(zhì)折疊模式的有限性：一些序列（小于25%，遠(yuǎn)程同源）／功能不同的蛋白質(zhì)采用類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，蛋白質(zhì)折疊模式的種類(lèi)是有限的。序列中的殘基的結(jié)構(gòu)信息比殘基本身更加保守。蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

2.線索化方法蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類(lèi)數(shù)據(jù)庫(kù)SCOP(StructuralClassificationofProteins)CATH(Class,Architecture,Topology,Homology)CATH的結(jié)構(gòu)層次主要思想：利用氨基酸的結(jié)構(gòu)傾向（如形成二級(jí)結(jié)構(gòu)的傾向、疏水性、極性等），評(píng)價(jià)一個(gè)序列所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)是否能夠適配到一個(gè)給定的結(jié)構(gòu)環(huán)境中。建立序列到結(jié)構(gòu)的線索的過(guò)程稱(chēng)為線索化，線索技術(shù)又稱(chēng)折疊識(shí)別技術(shù)。具體做法是即將結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為含有這三個(gè)結(jié)構(gòu)的字符串,然后對(duì)這些字符串進(jìn)行比較。線索技術(shù)的首要任務(wù)是建立核心折疊數(shù)據(jù)庫(kù)在預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)時(shí)將一個(gè)待預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)序列與數(shù)據(jù)庫(kù)中核心折疊進(jìn)行比對(duì)，