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1、word学院毕业论文论文题目:蛋白质结构研究现状与展望学生雪院(系)名称化学与化工学院专业名称生物制药技术年级班级2009级2班指导教师磊山指导教师职称副教授目 录容摘要1关 键 词1Abstract1Key words1前言22蛋白质的作用222.1研究方法简介32.2蛋白质结构研究的方法45蛋白质几何的表示方法6与势能搜索方法66与比拟74.2蛋白质结构确定788899与蛋白质折叠的研究概况96.2蛋白质折叠的热力学和动力学106.3蛋白质折叠与分子伴侣11前景展望11参考文献13致14 / 容摘要：蛋白质是一种生物大分子，多是由20种氨基酸以肽键连接成肽链。肽链再进一步空间卷曲折叠成为特
2、定的空间结构，包括二级结构和三级结构。有的蛋白质由多条肽链组成，每条肽链称为亚基，亚基之间又有特定的空间关系，称为蛋白质的四级结构。因此蛋白质分子往往具有特定的复杂的空间结构。对蛋白质结构的解析可以从根本上说明蛋白质功能的分子机制和根底，同时也是研究蛋白质功能的一个重途径。本文将对蛋白质结构的研究概况以与意义进展综述，并在此根底之上对今后蛋白质结构的研究提出了一些自己的看法。关 键 词：蛋白质 结构研究 相互作用 折叠Abstract:Proteins are biological macromolecules,mostly from 20 kinds of amino acids conne
3、cted by peptide bonds into the peptide chain. Further space in the peptide chain folds into a specific space curled structure, including secondary and tertiary structure. Some of the protein by the number of peptide chains, called subunits of each peptide chain, subunits have specific spatial relati
4、onships between the known quaternary structure of proteins. So often with a specific protein plex spatial structure.For protein structure analysis can clarify the fundamental mechanism of protein function and molecular basis of protein function is also an important way.This paper will overview the s
5、tudy of protein structure and meaning are reviewed,and on this basis for future studies of protein structure presented some of his views.Key words:Protein structure interaction fold前言人类进入21世纪之际，生命科学也迎来了一个崭新的时代。2001年2月12日参与人类基因组计划的六国科学家共同向世人正式公布了人类基因组图谱与初步分析结果，这是生命科学史，也是人类科学史上的又一次飞跃，同时标志着后基因组时代的降临，但是
6、随着大量生物体全基因组序列的获得，人们发现仅从基因组序列的角度根本无法完整、系统地说明生物体的功能。蛋白质作为生命体的主要组成成分和生命活动的主要执行者，正在成为新的研究热点；而蛋白质结构如此是蛋白质研究领域中的一个重要环节。以蛋白质为主体的生物大分子的功能主要取决于它们的三维结构、运动与相互作用。只有全面了解相关蛋白质与其复合物、组装体的精细三维结构、运动和相互作用网络，与其在亚细胞、细胞层次上表现出来的生命活动的功能关系，才能最终阐释人类个体发育、生长、衰老和凋亡机理，才能在分子和原子水平上理解神经活动、认知等脑功能表现机理，细胞增殖、分化和凋亡机理，信息传递和作用机理，疾病发生、开展机理
7、等一切生命科学问题。1.蛋白质简介蛋白质的作用蛋白质Protein是细胞组分中含量最为丰富、功能最多的高分子物质，在生命活动过程中起着各种生命功能执行者的作用，几乎没有一种生命活动能离开蛋白质，所以没有蛋白质就没有生命。在人体中，蛋白质的主要生理作用表现在六个方面：(1)构成和修复身体各种组织细胞的材料；(2)构成酶、激素和抗体；(3)维持正常的血浆渗透压，使血浆和组织之间的物质交换保持平衡；(4)供给肌体能量；(5)维持肌体的酸碱平衡；(6)运输氧气与营养物质。1.2蛋白质的元素组成与分子组成蛋白质是化学结构复杂的一类有机化合物，是人体的必须营养素。其主要是由碳、氢、氧、氮、硫、磷、碘、铁、
8、锌等元素组成。蛋白质分子的根本单位是氨基酸，它是由多种不同的氨基酸通过肽键相互连接而成。蛋白质在受到酸、碱或酶的作用下最终水解成氨基酸。组成自然界蛋白质的氨基酸主要有20种，其化学结构具有共同的特点，即在连接羧基的-碳原子上，还有一个氨基，故称-氨基酸。可用下式表示：不同的氨基酸其侧链(R)各异。除甘氨酸外，其余氨基酸的-碳原子均为不对称碳原子，故有L型或D型之分。组成天然蛋白质的氨基酸，除甘氨酸外，都是L-氨基酸。2.蛋白质的研究研究方法简介目前蛋白质结构预测方法按照其对模板的依赖与否主要分为两类:模板依赖模型以与从头预测方法自由模型。模板依赖模型又可以分为两种模型:同源模型(比拟模型) 和
9、折叠识别模型(穿线法) 。两种方法的差异在于模板的同源度。同源模型所使用的模板拥有较高的同源度,序列相似度一般大于30 %；折叠识别模型所使用的模板为远程同源关系。两种方法所采用的预测步骤根本一致: (1) 搜索结构模型的模板:即为待预测的蛋白质序列寻找具有同源性的结构蛋白质作为模板。(2) 序列比对:将目标蛋白质的序列与模板蛋白质序列进展比对,使目标序列的氨基酸残基与模板蛋白质的残基匹配。(3) 建立骨架:将模板结构的坐标拷贝到目标序列,仅拷贝匹配残基的坐标。通过这一步建立目标蛋白质的骨架。(4)构建目标蛋白质的侧链与环区:可将模板一样残基的坐标直接作为目标蛋白质的残基坐标,对于不完全匹配的
10、残基,其侧链构象是不同的,需要进一步预测。其中前两步是预测方法的关键。当目标序列没有同源结构时,进展蛋白质三维结构预测就必须使用从头预测方法。从头预测方法预测蛋白质三级结构一般由如下3个局部组成: (1) 一种蛋白质几何的表示方法:由于表示和处理所有原子和溶剂环境的计算开销非常大,因此需要对蛋白质和溶剂的表示形式作近似处理,例如,使用一个或少数几个原子代表一个氨基酸残基; (2) 一种势能函数与其参数:或者一个合理的构象得分函数,以便计算各种构象的能量; (3)一种构象空间搜索技术:必须选择一个优化方法,以便对构象空间进展快速搜索,迅速找到与某一全局最小能量相对应的构象。其中,构象空间搜索和能
11、量函数的建立是从头预测方法的关键。2.2蛋白质结构研究的方法蛋白质结构测定方法主要包括X射线晶体学、核磁共振波谱学技术和三维电镜重构。这三种方法都可以完整独立地在原子分辨水平上测定出蛋白质的三维空间结构。2.2.1X-射线晶体学X-射线晶体学是最早也是最主要的测定蛋白质结构的方法，第一个蛋白质的三维结构血红蛋白的结构就是通过X-射线晶体学方法解析的。目前PDB中收录的蛋白质的结构85左右是利用X射线晶体学方法解析的。蛋白质晶体结构的X射线衍射分析包含样品制备、蛋白质结晶、衍射数据收集和处理、相位求解、模型建立和修正等五个主要步骤。五个步骤彼此密切相关，每一个局部取得进展可以加快下一步的研究，同
12、样任何一个局部的瓶颈也可以成为下一步的限速步骤。其中样品制备和蛋白质结晶阶段是要获得足够量的蛋白样品以与可以用于衍射数据收集的高质量单晶，前者可以通过针对所选目的基因的特性构建和改造高效表达质粒，而后利用多种表达系统，高质量单晶的获得是蛋白质晶体结构研究的主要瓶颈之一，由于不同蛋白质的物理化学性质差异以与各种修饰和相互作用更增加了蛋白质的复杂性，所以不是所有的蛋白质都可以获得单晶的。1990 年以后，利用X-射线晶体学解析蛋白质结构取得了突飞猛进的开展，目前平均每天有15个蛋白质通过该方法获得结构。X-射线晶体学的缺点是分子在晶体中往往是被锁定于某一状态，所得到的晶体往往是分子处于基态或不同构
13、象的平均，而分子行使功能时多发生在激发态、过渡态、X-射线晶体技术很难捕捉到分子的动态信息1。但是无论怎样，X-射线晶体学方法无论过去、现在或将来都会是蛋白质结构研究的主要方法。2.2.2核磁共振波谱学核磁共振波谱学是对X-射线晶体学的有力补充。目前，该技术已经成为确定生物大分子溶液三维空间结构的主要手段2。核磁共振波谱学技术在蛋白质- 蛋白质、蛋白质-DNA等分子间的相互作用方面，具有高分辨率的特点，仅次于X-射线晶体学技术，可以在溶液中操作，在近似蛋白质生理环境下测定其结构，甚至可以对活细胞中的蛋白质进展分析，获得“活的蛋白质结构。核磁共振波谱学技术在分析蛋白质折叠稳定性、运动性和蛋白质复
14、合体中各亚基的相互作用方面具有优势。核磁共振波谱学技术的缺点是只能测定小蛋白和中等大小的蛋白质分子(相对分子质量一般在30000以下)，并且图谱分析工作极为费时，往往需要数月到一年的时间，导致实验周期延长，速度缓慢；另外核磁共振衍射技术的反响是在溶液中进展的，研究对象必须是可溶的蛋白，对不溶蛋白的研究就比拟困难；而且样品需要同位素标记等，这些在一定程度上制约了核磁共振波谱学技术的应用。随着一些新技术的发现，如G矩阵傅立叶变换式核磁共振波谱学技术等，使得核磁共振波谱学的开展速度也很快，目前PDB中收录的蛋白质的结构15左右是利用核磁共振波谱学方法解析的，其快速开展主要归功于以下几个方面：仪器技术
15、的不断开展，计算速度的飞速提升和实验方法上的不断创新和开展3。1990 年以前平均每年只能解10个结构，现在平均每天可以解2个结构，相信随着核磁共振波谱学技术不断的改良和开展，核磁共振波谱学技术在未来结构生物学上的贡献将会越来越大。2.2.3三维电镜重构电子显微镜在结构生物学中的应用近年来变得越来越重要，成为解析大型蛋白质复合体、病毒乃至细胞器的三维纳米分辨率结构的有力手段，同时电子显微镜二维晶体学在膜蛋白的三维精细结构解析上也有特殊的优势。冷冻电镜三维重构的根本技术路线为：利用快速冷冻技术对样品进展冷冻固定，然后利用冷冻电镜和低剂量成像技术对样品进展电子成像，利用高灵敏底片进展成像记录，利用高分辨率扫描仪对底片进展数字化，对数字化的图像进展二维图像分析选点、分类、校正和平均，最后完成样品的三维重构计算。自从1968年DeRosier和Klug第一次用电子显微镜对T4噬菌体的尾部进展了结构解析至今，已有140余种蛋白质通过该方法获得了结构，尤其是最近5年随着计算机图像处理技术和显微镜设备的不断开展，使得三维电镜重构技术成为继X-射线晶体学和核磁共振波谱学技术后，蛋白质结构研究的另一种重要方法。三维重构技术的优势在于：(1)可以直接获得分子的形貌信息，即使在较低分辨率下，电子显微学也可给出有意义的结构信息；(2)适于解析那些
