蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析研究進(jìn)展作業(yè)(共5頁)

1、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)(jigu)解析研究進(jìn)展一、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)(jigu)分類人類(rnli)對(duì)于進(jìn)化的認(rèn)識(shí)及蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相似性比較的研究使蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類成為可能，而且近年來取得的研究進(jìn)展表明，大部分蛋白質(zhì)可以成功的分入到適當(dāng)數(shù)目的家族中。目前國際上流行的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫基本上采取兩種不同的思路，一種是數(shù)據(jù)庫中儲(chǔ)存所有結(jié)構(gòu)兩兩比較的結(jié)果；第二種思路是致力于構(gòu)建非常正式的分類體系。由于所有分類方法反映了各研究小組在探究這個(gè)重要領(lǐng)域的不同角度，所以這些方法是同等有效的。目前，被廣泛應(yīng)用的四種分類標(biāo)準(zhǔn)是：手工構(gòu)造的層次分類數(shù)據(jù)庫SCOP，全自動(dòng)分類的MMDB和FSSP，和半手工半自動(dòng)的CATH。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)自動(dòng)分

2、類問題可以被納入機(jī)器學(xué)習(xí)的范疇，通過提取分析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵特征，構(gòu)造算法來學(xué)習(xí)蘊(yùn)含于大量已知結(jié)構(gòu)和分類的數(shù)據(jù)中的專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，來實(shí)現(xiàn)對(duì)未知蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分類預(yù)測(cè)。目前，對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的不同層次分類，結(jié)果比較好的機(jī)器學(xué)習(xí)方法是：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多層感知器、支持向量機(jī)和隱馬爾可夫模型。支持向量機(jī)應(yīng)用于分類問題最終歸結(jié)于求解一個(gè)最優(yōu)化問題。上世紀(jì)90年代中期，隱馬爾可夫模型與其他機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)結(jié)合，高效地用于多重比對(duì)、數(shù)據(jù)挖掘和分類、結(jié)構(gòu)分析和模式發(fā)現(xiàn)。多層感知器即誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是在各種人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，在機(jī)器學(xué)習(xí)中應(yīng)用最多且最成功的采用BP學(xué)習(xí)算法的分類器。二、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的確定蛋白質(zhì)三維空間結(jié)構(gòu)測(cè)

3、定方法主要包括X射線晶體學(xué)分析、核磁共振波譜學(xué)技術(shù)和三維電鏡重構(gòu)，這三種方法都可以完整獨(dú)立地在原子分辨水平上測(cè)定出蛋白質(zhì)的三維空間結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫PDB中80%的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是由X射線衍射分析得到的，約15%的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)是由核磁共振波譜學(xué)這種新的結(jié)構(gòu)測(cè)定方法得到。1、X射線晶體學(xué)X-射線晶體學(xué)是最早也是最主要的測(cè)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)(jigu)的方法，第一個(gè)蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)(jigu)血紅蛋白的結(jié)構(gòu)就是(jish)通過X-射線晶體學(xué)方法解析的。目前PDB中收錄的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)85%左右是利用X射線晶體學(xué)方法解析的。X射線衍射法的分辨率可達(dá)到原子的水平，使它可以測(cè)定亞基的空間結(jié)構(gòu)、各亞基間的相對(duì)拓?fù)洳季郑?/p>

4、還可清楚的描述配體存在與否對(duì)蛋白質(zhì)的影響。蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)的X射線衍射分析包含樣品制備、蛋白質(zhì)結(jié)晶、衍射數(shù)據(jù)收集和處理、相位求解、模型建立和修正等五個(gè)主要步驟。五個(gè)步驟彼此密切相關(guān)，每一個(gè)部分取得進(jìn)展可以加快下一步的研究，同樣任何一個(gè)部分的瓶頸也可以成為下一步的限速步驟。其中樣品制備和蛋白質(zhì)結(jié)晶階段是要獲得足夠量的蛋白樣品以及可以用于衍射數(shù)據(jù)收集的高質(zhì)量單晶，前者可以通過針對(duì)所選目的基因的特性構(gòu)建和改造高效表達(dá)質(zhì)粒，而后利用多種表達(dá)系統(tǒng)，高質(zhì)量單晶的獲得是蛋白質(zhì)晶體結(jié)構(gòu)研究的主要瓶頸之一，由于不同蛋白質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)差別以及各種修飾和相互作用更增加了蛋白質(zhì)的復(fù)雜性，所以不是所有的蛋白質(zhì)都可以獲得

5、單晶的。1990年以后，利用X-射線晶體學(xué)解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，目前平均每天有15個(gè)蛋白質(zhì)通過該方法獲得結(jié)構(gòu)。X-射線晶體學(xué)的缺點(diǎn)是分子在晶體中往往是被鎖定于某一狀態(tài)，所得到的晶體往往是分子處于基態(tài)或不同構(gòu)象的平均，而化學(xué)分子行使功能時(shí)多發(fā)生在激發(fā)態(tài)、過渡態(tài)、X-射線晶體技術(shù)很難捕捉到分子的動(dòng)態(tài)信息。但是無論怎樣，X-射線晶體學(xué)方法無論過去、現(xiàn)在或?qū)矶紩?huì)是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的主要方法。2、核磁共振波譜學(xué)多維核磁共振波譜學(xué)是對(duì)X-射線晶體學(xué)的有力補(bǔ)充。目前，該技術(shù)已經(jīng)成為確定蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子溶液三維空間結(jié)構(gòu)的主要手段。核磁共振波譜學(xué)技術(shù)在蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì)-DNA等分子間

6、的相互作用方面，具有高分辨率的特點(diǎn)，僅次于X-射線晶體學(xué)技術(shù)，可以在溶液中操作，在近似蛋白質(zhì)生理環(huán)境下測(cè)定其結(jié)構(gòu)，甚至可以對(duì)活細(xì)胞中的蛋白質(zhì)進(jìn)行分析，獲得“活”的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)。NMR技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)不在于它的分辨，而在于它能對(duì)溶液中和非晶態(tài)的蛋白質(zhì)進(jìn)行測(cè)量。在晶體結(jié)構(gòu)分析中給定大量結(jié)構(gòu)因子，確定電子密度分布函數(shù)的位相的問題，其實(shí)就是從圖像分析得到結(jié)構(gòu)坐標(biāo)數(shù)據(jù)過程中出現(xiàn)的數(shù)學(xué)問題。核磁共振波譜學(xué)技術(shù)在分析蛋白質(zhì)折疊穩(wěn)定性、運(yùn)動(dòng)性和蛋白質(zhì)復(fù)合體中各亞基的相互作用方面具有優(yōu)勢(shì)。核磁共振波譜學(xué)技術(shù)的缺點(diǎn)是只能測(cè)定小蛋白和中等大小的蛋白質(zhì)分子（相對(duì)分子質(zhì)量一般在30000以下），并且圖譜分析工作極為費(fèi)時(shí)，往

7、往需要數(shù)月到一年的時(shí)間，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)周期延長，速度緩慢；另外核磁共振衍射技術(shù)的反應(yīng)是在溶液中進(jìn)行的，研究對(duì)象必須是可溶的蛋白，對(duì)不溶蛋白的研究就比較困難；而且樣品需要同位素標(biāo)記等，這些在一定程度上制約了核磁共振波譜學(xué)技術(shù)的應(yīng)用。Karle和Hauptman采用的非線性最小二乘法和聯(lián)合(linh)概率分布方法成功解決了小蛋白分子的位相問題。對(duì)于巨大蛋白分子的位相問題，Bricogne結(jié)合貝葉斯統(tǒng)計(jì)和信息論方法給出了解決方案，當(dāng)給定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中部分原子的距離時(shí)，求解原子坐標(biāo)的方法是將距離空間(kngjin)的約束矩陣轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)空間的矩陣，由坐標(biāo)空間矩陣構(gòu)建蛋白質(zhì)分子的初始矩陣，運(yùn)用模擬退火等算法對(duì)初始

8、結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)分子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行能量最小化，由此得到一組收斂的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的坐標(biāo)。關(guān)于(guny)蛋白質(zhì)的氨基酸序列分析。到目前為止，經(jīng)典的蛋白質(zhì)的氨基酸序列分析方法是Sanger等人基于Edman降解原理研制的液相蛋白質(zhì)序列儀，及后來發(fā)展的固相和氣相的蛋白質(zhì)序列分析儀。人們通過串聯(lián)質(zhì)譜技術(shù)（MSPMS）和源后衰減基質(zhì)輔助的激光解析P離子化（PSD-MALDI-MS），就可以從質(zhì)譜分析中獲得多肽及蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)信息。隨著一些新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)，如G矩陣傅立葉變換式核磁共振波譜學(xué)技術(shù)等，使得核磁共振波譜學(xué)的發(fā)展速度也很快，目前PDB中收錄的蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)15左右是利用核磁共振波譜學(xué)方法解析的，其快速發(fā)展主

9、要?dú)w功于以下幾個(gè)方面：儀器技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算速度的飛速提升和實(shí)驗(yàn)方法上的不斷創(chuàng)新和發(fā)展。1990年以前平均每年只能解10個(gè)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在平均每天可以解2個(gè)結(jié)構(gòu)，相信隨著核磁共振波譜學(xué)技術(shù)不斷的改進(jìn)和發(fā)展，核磁共振波譜學(xué)技術(shù)在未來結(jié)構(gòu)生物學(xué)上的貢獻(xiàn)將會(huì)越來越大。3、三維電鏡重構(gòu)電子顯微鏡在結(jié)構(gòu)生物學(xué)中的應(yīng)用(yngyng)近年來變得越來越重要，成為解析大型蛋白質(zhì)復(fù)合體、病毒乃至細(xì)胞器的三維納米分辨率結(jié)構(gòu)的有力手段，同時(shí)電子顯微鏡二維晶體學(xué)在膜蛋白的三維精細(xì)結(jié)構(gòu)解析上也有特殊的優(yōu)勢(shì)。冷凍電鏡三維重構(gòu)的基本技術(shù)路線為：利用快速冷凍技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行冷凍固定，然后利用冷凍電鏡和低劑量成像技術(shù)對(duì)樣品進(jìn)行電子成

10、像，利用高靈敏底片進(jìn)行成像記錄，利用高分辨率掃描儀對(duì)底片進(jìn)行數(shù)字化，對(duì)數(shù)字化的圖像進(jìn)行二維圖像分析選點(diǎn)、分類、校正和平均，最后完成樣品(yngpn)的三維重構(gòu)計(jì)算。自從1968年DeRosier和Klug第一次用電子顯微鏡對(duì)T4噬菌體的尾部進(jìn)行了結(jié)構(gòu)(jigu)解析至今，已有140余種蛋白質(zhì)通過該方法獲得了結(jié)構(gòu)，尤其是最近5年隨著計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和顯微鏡設(shè)備的不斷發(fā)展，使得三維電鏡重構(gòu)技術(shù)成為繼X-射線晶體學(xué)和核磁共振波譜學(xué)技術(shù)后，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的另一種重要方法。三維重構(gòu)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于：（1）可以直接獲得分子的形貌信息，即使在較低分辨率下，電子顯微學(xué)也可給出有意義的結(jié)構(gòu)信息；（2）適于解析那

11、些不適合應(yīng)用X-射線晶體學(xué)和核磁共振技術(shù)進(jìn)行分析的樣品，如難以結(jié)晶的膜蛋白、大分子復(fù)合體等；（3）適于捕捉動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)變信息；（4）易同其他技術(shù)相結(jié)合得到分子復(fù)合體的高分辨率的結(jié)構(gòu)信息；（5）電鏡圖像中包含相位信息，所以在相位確定上要比X-射線晶體學(xué)直接和方便。三、藥物研究中發(fā)揮的作用根據(jù)預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)大概有2000種不同的折疊類型，3000-5000蛋白質(zhì)超家族，當(dāng)前為止，僅發(fā)現(xiàn)1000余種不同的折疊類型和1600種蛋白質(zhì)超家族。人類基因組測(cè)序研究揭示，人體大約有3萬個(gè)編碼蛋白質(zhì)的基因，這就是說，人類生命過程中大約需要3萬種不同的基礎(chǔ)蛋白質(zhì)，它們?cè)谏顒?dòng)中發(fā)揮著重要功能，而這些功能的發(fā)揮則依賴

12、于這些蛋白質(zhì)的三維結(jié)構(gòu)。因此，獲得這些蛋白質(zhì)并闡明它們的精細(xì)三維結(jié)構(gòu)及與其生物功能的關(guān)系，成為揭示生物體活動(dòng)本質(zhì)的關(guān)鍵一步。近年來基因組工程的迅猛發(fā)展及生物信息學(xué)的新進(jìn)展，給結(jié)構(gòu)生物學(xué)分析開創(chuàng)了道路，使此目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)成為可能。隨著人類基因組計(jì)劃(jhu)的執(zhí)行，找到人類(rnli)5萬到10萬個(gè)基因的堿基序列是指日可待的事，因而確定人的上千萬個(gè)原癌基因和幾萬個(gè)與疾病有關(guān)基因表達(dá)產(chǎn)物的氨基酸順序也會(huì)逐漸實(shí)現(xiàn)。然而要了解(lioji)它們的功能還必須知道它們的三維立體結(jié)構(gòu)，且藥物設(shè)計(jì)、基因芯片均需要知道三維結(jié)構(gòu)。當(dāng)前，雖然眾多技術(shù)為蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)測(cè)定提供了有效的實(shí)驗(yàn)手段，但蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)的增長速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于蛋白質(zhì)序列的增長速度，并且這些方法仍然存在局限性。于是要求現(xiàn)代生物信息學(xué)工作者運(yùn)用數(shù)學(xué)物理思想、方法和計(jì)算手段進(jìn)一步研究分子生物機(jī)理，使人類更準(zhǔn)確地掌握蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)知識(shí)，從而促進(jìn)生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等生命科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展。對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究是蛋白質(zhì)研究中的核心內(nèi)容之一，雖然它還處于一個(gè)初級(jí)發(fā)展階段，其研究方法和系統(tǒng)還不夠完善，但隨著其不斷深入發(fā)展，相信在揭示諸如生長、發(fā)育和代謝調(diào)控等生命活動(dòng)規(guī)律上將會(huì)有所突破。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究將為從細(xì)胞和分子水平上探討人類重大疾病的機(jī)制、診斷、防治和新藥開發(fā)提供重要的理論基礎(chǔ)從而使蛋白質(zhì)科學(xué)研究達(dá)