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1、LUOYANG NORMAL UNIVERSITY2015-2016学年第一学期蛋白质工程课程论文蛋白质结构的最新进展院（系）名称生命科学学院专 业 名 称12级生物技术学生姓名高国艳学号121344029指导教师 程彦伟完 成 时 间 2016年1月13日蛋白质结构的最新进展姓名：高国艳 学号：121344029 专业：生物技术指导老师：程彦伟 讲师摘要：本文主要阐述研究蛋白质结构方法及蛋白质结构的模型和不同蛋白结构在领域中的应用。随着蛋白质使用领域的增加 ,迫切需要知道它在不同环境中的结构特征及生物活性。目前 ,测定蛋白质结构的方法很多 ,包括 X射线衍射技术、核磁共振波谱学、圆二色光谱
2、(CD)、FT-IR等。蛋白质的结构包括一级结构、二级结构、超二级结构、三级结构以及四级结构等。并为蛋白质组学和结构生物学的进一步应用提供了见解。关键词：蛋白质、结构、模型、应用1引言自然界生命现象的多样性是由蛋白质的多样性决定的,而蛋白质的功能又与其结构紧密相关。蛋白质的结构极其复杂,目前按结构水平可分为一级结构和高级结构进行研究,发现一级结构决定其高级结构(二、三、四级结构),当一级结构发生改变时,蛋白质功能迥异或完全丧失其活性。新生肤链折登的研究是解决用基因工程和蛋白质工程方法生产有生物活性蛋白质的关键,所以对于蛋白质的空间结构,肤链折叠和生物功能的研究是当今蛋白质科学研究的重大前沿领域
3、。目前, 蛋白质序列数据库的数据积累的速度非常快, 但是已知结构的蛋白质相对比较少。 20世纪60年代后期, Christian Anfinsen1首先发现去折叠蛋白或者说变性蛋白质在允许重新折叠的实验条件下可以重新折叠到原来的结构, 这种天然结构对于行使生物功能具有重要作用, 大多数蛋白质只有在折叠成它们天然结构的时候才能具有完全的生物活性。自从提出蛋白质折叠的信息隐含在蛋白质的一级结构中, 科学家们对蛋白质结构的预测进行了大量的研究, 分子生物学家将有可能直接运用适当的算法,从氨基酸序列出发, 预测蛋白质的结构。2蛋白质的结构的概念蛋白质是由20种不同的氨基酸组成的多肽链所构成,它可以描述
4、成4级层次结构。其中,一级结构是指构成多肽链的氨基酸排列顺序,它是一种一维的信息；二级结构是由相邻连续的若干氨基酸在局部空间折叠形成具有一定规则的片段子结构,如螺旋结构、折叠结构和回折结构；三级结构是指由规则的二级结构进一步折叠形成的三维空间形状；四级结构是指若干条多肽链相互作用形成稳定的空间结构。一维氨基酸序列在没有进行空间折叠前是没有功能意义的,二级结构是蛋白质空间结构的基本单元,它们之间相互作用,形成超二级结构,它是一种从二级向三级结构转化的中间结构,如。超二级结构进一步组合形成一定功能的结构域,可看成是最基本的功能实体,但其尚不具备完整的生物活性,空间自然折叠的三维形状最终决定蛋白质的
5、功能。2 蛋白质的一级结构是指蛋白质肽链中氨基酸的排列顺序。当蛋白质肽链中氨基酸排列顺序相似时,其功能基本相似,如:促甲状腺素释放激素( T R H ),按顺序是焦谷氨酸、组氨酸和脯氨酞胺组成的三肽,当 T R H中的组氨酸( H is)被基氨酸( P he),色氨酸( Trp)或酪氨酸( Tyr)取代后,虽仍有T R H活性,但有不同程度的减弱。但是特定的氨基酸残基对于它的功能是具有重要作用的,如:催产素和抗利尿激素( A D H )的一级结构很相似,都是八,其 中有两个氨基酸不同,因而两者的生理功能虽有类似,但活性差别很大,催产素主要是促进子宫收缩,同时具有微弱的A D H 活性,A D
6、H的主要作用是抗利尿和增血压,但亦具有微弱的催产活性。 蛋白质的二级结构是指蛋白质主链上原子的局部空间排列,它不涉及与其它肽链片段间的相互关系或侧链构象(主要表现链内氢键的稳定的肤链本身旋转折叠方式),共有三种基本类型Q一螺旋,件折叠,卜转角及无规卷曲等。 超二级结构是由若干相邻的二级结构单元组合在一起,彼此相互作用,形成有规则,在空间上能辨认的二级结构组合体,充当三级结构 的构件,但没有完整的结构域 (d。-m al)n。 蛋白质的三级结构是指主链和侧链构象的相互作用,使肤链在二级结构的基础上进一步在空间自由卷曲折迭,包括(1)全Q一螺旋(2) 全卜折叠(3)a一螺旋和件折叠交替(4)a一螺
7、旋和各折叠分别聚集存在,其结构单元是a一螺旋和件折叠两种。蛋白质的四级结构是由二条或更多条肤链组成,各具有一、二、三级结构,各亚基之间,是以非共价键互相连接契合而成的蛋白质大分子,如血红蛋白是由四个亚基组成一个功能单位的简单四聚体,由两条相同的a链和两条 p链组成,是肌红蛋白的四倍,肌红蛋白的结构相当于血红蛋白的一个亚基,血红蛋白的Q链、p链和肌红蛋白都有相似量的右平a一螺旋区以及相似的长度、弯折的角度和方向,所以它们的功能相似,不全相同。33蛋白质结构的研究方法研究蛋白质结构的方法分为2种,即实验测定和理论预测。实验测定蛋白质三维结构的方法主要采用X射线晶体衍射法(X-ray diffrac
8、tion method)和核磁共振波谱法(nuclearmagnetic resonance spec-troscopy,NMR)。X射线衍射法4是目前最有效的结构测定方法,但包括蛋白质晶体的形成和培养没有普遍适用的规律、晶体结构测定的周期较长、有些蛋白质很难形成结晶(例如膜蛋白一般不溶于水,在水溶液中容易聚集为不溶性物质)等缺点,使X射线衍射法在测定蛋白质结构中的应用受到限制。多维核磁共振波谱法可以直接测定蛋白质在溶液中的构象,一般只能测相对分子质量小于2104u的蛋白质结构,并且要求蛋白质中不含有大量重复结构,该方法不但对样品纯度的要求较高,而且样品的需要量也大。 蛋白质序列数据库(Swi
9、ss-Prot)的序列数据增长极快,2006年2月报道蛋白质序列条目超过20万5,相比之下,已测定结构的蛋白质数目却较少(3万多个)。缩小已知序列的蛋白质数量和已测定结构的蛋白质数量二者之间的差距,除了改善实验测定方法之外,急需建立和完善理论分析方法,这也是结构生物学的重要目标之一。此外,对于分析和处理这些海量的蛋白质序列和三维结构数据,理论预测方法的高通量和自动化使其成为最理想的选择。6 3.1 X射线晶体衍射法(X-ray diffraction method) 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-ray方法解析的。目前PD
10、B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。试验的24个蛋白在经过这样的检测和操作后有6 个成功结晶并解出结构。7X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8。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。3.2核磁共振波谱学(nuclear magnetic resonance
11、,NMR) 核磁共振波谱学是对 X- 射线晶体学的有力补充。1971 年，比利时科学家J Jeener 提出二维核磁共振的概念，1985 年，Kurt Wthrich 在此基础上发明了一种新的方法，他选择生物大分子中的质子(氢原子核)作为测量对象，连续测定所有相邻的两个质子之间的距离和方位，这些数据经计算机处理后就可形成生物大分子的三维结构图。KurtWthrich 用该方法测定了一个蛋白质的三维结构，从而奠定了NMR 作为确定生物大分子的主要手段之一，他也因此获得了 2002 年诺贝尔化学奖。时至今日，N M R 已经成为确定生物大分子溶液三维空间结构的主要手段9。NMR 技术的缺点是只能测
12、定小蛋白和中等大小的蛋白质分子(相对分子质量一般在 30 000 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应是在溶液中进行的，研究对象必须是可溶的蛋白，对不溶蛋白的研究就比较困难；而且样品需要同位素标记等，这些在一定程度上制约了 NMR 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NMR(G-matrix fouriertransform NMR，GFT-NMR)技术等，使得 NMR 的发展速度也很快，目前 PDB 中收录的蛋白质的结构15左右是利用 NMR 方法解析的，其快速发展主要归功于以下几个方面：仪器技
13、术的不断发展，计算速度的飞速提升和实验方法上的不断创新和发展8。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NMR 技术不断的改进和发展，NMR 技术在未来结构生物学上的贡献将会越来越大。3.3圆二色光谱 (CD)由于光学活性分子对左、右圆偏振光的吸收不同,使得左、右圆偏振光透过后变成椭圆偏振光,这种现象就是圆二色性(,简称)。蛋白质是具有特定结构的生物大分子,由氨基酸通过肽键连接而成,它具有一级结构、二级结构、三级结构、四级结构几个主要结构层次,有的还有结构域或超二级结构。在蛋白质和多肽分子中,肽链骨架中的肽键、芳香氨基酸残基及二硫桥键是主要的光活性生色
14、基团,当平面圆偏振光通过时,这些生色基团对左右圆偏振光的吸收不同,造成偏振光矢量的振幅差,使得圆偏振光变成了椭圆偏振光,就产生了蛋白质的圆二色性10。圆二色光谱是一种差光谱,是样品在左右旋偏振光照射下的吸收光谱差值11。3.4FT-IR蛋白质结构的研究是当代生物化学领域研究的基本内容之一。 蛋白质结构的复杂多变性是形成复杂的生物组织的前提和基础;而且 ,许多生理功能的实现也与蛋白质结构密切相关。 随着生命科学的进步 ,仪器分析手段的更新 ,傅立叶变换红外光谱 ( FT-IR)附件的发展和运用 ,尤其是近年来 FT-IR在结构和功能方面应用的崛起 ,使这一领域的发展突飞猛进。FT-IR技术用于蛋
15、白质结构的研究具有如下优点：(1)所需材料少、不受分子量大小的影响;(2)适合各种状态的样品；( 3)不受光散射 ,荧光的影响；(4)适合各种不同环境 , (5)易测定蛋白质的瞬间结构特征 ,说明蛋白质在生理状态下结构与功能的关系；(6)操作简便 ,测量速度快。124蛋白质结构在领域中的应用4.1在结构基因组学中的应用 以目前的预测技术水平13,预测结果的精确度不如X射线衍射分析和NMR等实验手段,但蛋白质结构预测是大规模、低成本和快速获得三维结构的有效途径。例如当目标蛋白质和模板蛋白质的序列相似性超过30%时,以结构预测方法建立的蛋白质三维结构模型就可以用于一般性的功能分析。因而,蛋白质预测技术在结构基因组学中得到了广泛的应用。2001年Dmitrij etal建立了可对基因组序列数据进行高通量分析的软件系统PEDANT及其相应的基因组分析服务器。 PEDANT包括输入模块、处理单元、关系数据库管理系统和用户界面4个模块.应用PEDANT预测拟南芥染色体IV,共识别出3744个编码蛋白质的基因,在这些基因相应的蛋白质中,有90%在蛋白质数据库中可以搜索到显著的BLAST匹配。2002年Scottet al开展了极端嗜热菌海栖热袍菌(Thermotogamaritima)蛋白质组的结构基因组学高通量结构测定通道,利用测定通
