2025年大學(xué)《生物科學(xué)》專業(yè)題庫——科學(xué)家發(fā)現(xiàn)新的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、1.科學(xué)家在研究某個新發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)時，通過X射線晶體學(xué)解析得到其結(jié)構(gòu)，測得衍射斑點清晰，但最終得到的模型R因子較高，且存在一些模糊的電子密度區(qū)域。請分析這可能由哪些原因?qū)е拢⒑喪銎渲袃煞N情況下的可能解決方案。2.假設(shè)該新發(fā)現(xiàn)蛋白質(zhì)屬于一個已知的結(jié)構(gòu)超家族，但其結(jié)構(gòu)中包含一個顯著異常的長α-螺旋，且該螺旋的走向與其他家族成員中的同源螺旋不同。請推測這種結(jié)構(gòu)變異可能對其功能產(chǎn)生哪些影響，并說明可能的機制。二、3.某研究團隊利用冷凍電鏡技術(shù)解析了一種在特定細(xì)胞應(yīng)激條件下形成的蛋白質(zhì)復(fù)合物結(jié)構(gòu)。該復(fù)合物由三個亞基組成，亞基A和亞基B之間形成了緊密的相互作用界面，而亞基C則部分暴露在溶液中。請描述冷凍電鏡技術(shù)在該結(jié)構(gòu)解析中的主要優(yōu)勢，并分析亞基C的暴露狀態(tài)可能與其在復(fù)合物功能中扮演的角色有何關(guān)聯(lián)。三、4.在新發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中，研究者識別了一個獨特的結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域包含多個不規(guī)則的β-轉(zhuǎn)角和短的α-螺旋，且在已知的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中難以找到完全匹配的同源結(jié)構(gòu)。請?zhí)接戇@種新穎的結(jié)構(gòu)域可能具有的功能類型，并說明研究者在驗證其功能時可能采用的方法。四、5.如果新發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)是一個酶，其結(jié)構(gòu)顯示活性位點附近存在一個特定的金屬離子結(jié)合位點。請分析這個金屬離子可能在該酶的催化機制中扮演的角色（例如，作為輔因子、穩(wěn)定過渡態(tài)、參與酸堿催化等），并給出至少兩種實驗證據(jù)支持你的推測。五、6.假設(shè)該新蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是通過計算方法（如AlphaFold）預(yù)測的，但隨后通過實驗驗證發(fā)現(xiàn)預(yù)測結(jié)構(gòu)在某些關(guān)鍵區(qū)域（如結(jié)合位點）存在較大偏差。請分析可能導(dǎo)致計算預(yù)測誤差的主要原因，并比較X射線晶體學(xué)、冷凍電鏡和NMR波譜學(xué)這三種實驗技術(shù)在驗證蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢和局限性。六、7.描述蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域的概念及其在蛋白質(zhì)功能中的作用。以新發(fā)現(xiàn)的蛋白質(zhì)為例，如果其包含多個結(jié)構(gòu)域，請解釋這些結(jié)構(gòu)域如何通過不同的空間排布方式（如串珠狀、梳狀、桶狀等）協(xié)同完成其生物學(xué)功能。試卷答案一、1.可能原因：(1)蛋白質(zhì)在結(jié)晶過程中發(fā)生構(gòu)象變化或形成了晶體學(xué)異構(gòu)體；(2)存在多態(tài)性（polymorphism），即晶體中存在不同構(gòu)象的蛋白質(zhì)分子；(3)樣品純度不高，含有雜質(zhì)（如配體、其他蛋白）干擾；(4)重原子衍射數(shù)據(jù)收集不佳或缺乏；（5）模型構(gòu)建錯誤，如錯誤的殘基連接或擺動鍵設(shè)置。解決方案：(1)優(yōu)化結(jié)晶條件（如pH、鹽濃度、溫度）；(2)收集更多數(shù)據(jù)或嘗試不同晶型；(3)提高樣品純度；(4)使用重原子衍射技術(shù)或單晶電子密度測定；(5)使用密度圖校正、分子動力學(xué)模擬等方法修正模型。2.可能影響及機制：(1)改變局部疏水環(huán)境，影響蛋白質(zhì)折疊穩(wěn)定性或亞基間相互作用；(2)創(chuàng)造新的表面位點，影響與其他分子的結(jié)合（如配體、底物、其他蛋白）；(3)調(diào)節(jié)活性位點的構(gòu)象或可及性，影響酶的催化活性或調(diào)節(jié)蛋白的調(diào)控功能。機制：通過改變電荷分布、氫鍵網(wǎng)絡(luò)、疏水核心等，進而影響分子的物理化學(xué)性質(zhì)和生物功能。二、3.冷凍電鏡優(yōu)勢：(1)可解析不對稱分子（如該復(fù)合物）和柔性大分子（如多肽、核酸）的結(jié)構(gòu)；(2)對樣品制備要求相對寬松，無需高質(zhì)量的晶體；(3)可在接近生理條件的溶液狀態(tài)下解析結(jié)構(gòu)。關(guān)聯(lián)：亞基C暴露可能意味著它負(fù)責(zé)與細(xì)胞外的信號分子或底物結(jié)合，或者參與與其他細(xì)胞組件的相互作用，是復(fù)合物執(zhí)行其功能所必需的外部接口。三、4.可能功能類型：可能參與蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用（作為綁定結(jié)構(gòu)域）、識別特定的配體（如小分子藥物靶點）、卷曲成獨特的結(jié)合口袋、或在蛋白質(zhì)復(fù)合物中充當(dāng)連接件（scaffold）等。驗證方法：(1)酵母雙雜交系統(tǒng)或pull-down實驗，檢測其與其他蛋白的相互作用；(2)表面等離子共振（SPR）或等溫滴定微量量熱法（ITC）測定其與配體的結(jié)合親和力；(3)結(jié)構(gòu)生物學(xué)方法（如AlphaFold2預(yù)測）結(jié)合功能域分析預(yù)測其功能；(4)基因敲除/過表達實驗在細(xì)胞水平驗證其功能。四、5.可能角色：(1)作為輔因子，如血紅素中的鐵離子參與氧氣運輸，或某些酶輔酶中的金屬離子參與電子轉(zhuǎn)移；(2)穩(wěn)定活性位點底物或過渡態(tài)的結(jié)構(gòu)，通過離子-配體相互作用或水合作用；(3)參與酸堿催化，通過接受或提供質(zhì)子；(4)引入電荷，調(diào)節(jié)活性位點的局部電場。實驗證據(jù)：(1)使用螯合劑（如EDTA）去除金屬離子后酶活性下降或喪失；(2)替換金屬離子種類（如Mg2?換成Ca2?）觀察活性變化；(3)X射線吸收光譜（XAS）或穆斯堡爾譜（M?ssbauerspectroscopy）直接檢測活性位點金屬的存在和配位環(huán)境；(4)晶體結(jié)構(gòu)比較分析金屬結(jié)合位點與活性位點的空間關(guān)系。五、6.計算預(yù)測誤差原因：(1)氨基酸序列本身缺乏足夠的信息來唯一確定高級結(jié)構(gòu)，特別是對于長鏈、柔性或包含異常結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)；(2)預(yù)測模型依賴的物理化學(xué)參數(shù)或力場可能存在局限性，無法準(zhǔn)確描述所有相互作用能；(3)模型構(gòu)建過程中產(chǎn)生的噪聲或偽影；(4)對多態(tài)性、動態(tài)構(gòu)象等復(fù)雜情況的處理能力不足；(5)隱藏的殘基（disorder）處理不當(dāng)。技術(shù)優(yōu)勢與局限性：(1)X射線晶體學(xué)：提供高分辨率靜態(tài)結(jié)構(gòu)，但樣品需結(jié)晶，可能丟失動態(tài)信息，且對對稱性要求高；(2)冷凍電鏡：無需晶體，適用范圍廣，但通常分辨率較低（近年技術(shù)進步顯著），且樣品制備可能影響天然狀態(tài)；(3)NMR波譜學(xué)：提供原子分辨率動態(tài)結(jié)構(gòu)信息，適用于小-中分子量蛋白質(zhì)，但實驗時間長，對樣品純度要求高，無法解析大復(fù)合物。六、7.結(jié)構(gòu)域概念與作用：結(jié)構(gòu)域是蛋白質(zhì)分子中二級結(jié)構(gòu)（α-螺旋、β-折疊等）以特定方式折疊并具有獨立功能或具有明顯空間連接的區(qū)域。結(jié)構(gòu)域通過形成相對獨立的模塊，參與蛋白質(zhì)的特定功能（如結(jié)合、催化），并允許多個功能模塊在單個蛋白質(zhì)中組合，實現(xiàn)復(fù)雜的生物學(xué)功能。協(xié)同作用機制：(1)結(jié)構(gòu)域按特定順序連接（如串珠狀），形成一個線性或環(huán)狀排列的功能單元，各結(jié)構(gòu)域功能依次或協(xié)同