蛋白折叠及折叠中间体的研究.ppt

浙江大学化学系 生物大分子的计算机模拟与三维结构预测 王 琦 吴 韬 分子设计与分子热力学研究所 浙江大学化学系 杭州 2003.9.13 提 纲 开展本项研究的意义 当前相关研究综述 几种常用的预测方法 我们的研究兴趣与思路 虚拟实验室 1 研究概述 蛋白质是生命的重要分子，几乎在所有的生物学过程中都扮演着重要的角色。 因此，关于其结构与功能方面的研究一直是人们关注的焦点。 蛋白质生物功能的关键在于其空间构象，一个伸展开来或随机排布的肽链是没有生物活性的。 虽然 X 射线晶体学和 NMR 技术是蛋白质结构测定的有效手段，但却远远跟不上飞速发展的 DNA 测序，它使得蛋白质氨基酸序列的信息以爆炸的方式增长，由此迫切需要直接由蛋白质的氨基酸序列出发进行高级结构的预测。 目前，对一定氨基酸序列的多肽链折叠形成特定空间结构蛋白质的机制了解甚少。 虽然已经发展了多种经验和理论的计算方法预测蛋白质结构，并取得了某些成功，但总体来说仍是一个尚未解决的难题。 ... Scientifically, the folding of a protein in all-atom detail is a holy grail of modern computational biology ... - Vijay Pande, Stanford University 蛋白质的 4 级结构 一级结构（Primary） - 氨基酸序列 二级结构（Secondary） - ? 螺旋（alpha helix） - ? 片层（beta sheet） - 盘绕（旋转） 三级结构（Tertiary） - 3D 构象 四级结构（Quaternary） - 多肽链组合 了解 3D 结构的重要意义 帮助我们了解蛋白质序列和结构之间的关系 帮助我们了解蛋白质结构和功能之间的关系 帮助我们发现新药物和改进药物的设计 影响 3D 结构的几个要素 氨基酸的物理化学性质 氨基酸的相对位置 二面角的限制性 氨基酸的亲水、疏水性 局部二级结构倾向 内部稳定化因子 氢键, 二硫键, 盐桥 蛋白质结构的实验测定 X-ray 晶体衍射 需要生长蛋白质晶体（这对一部分蛋白质几乎是不可能的，总之，不容易） 衍射图样能进行反傅立叶变换来表征电子密度（这有“相”的问题） 核磁共振谱（NMR） 能提供距离约束，但很难发现对应的结构 只适用于相对较小的蛋白质 蛋白质结构的理论预测 晶体衍射（X-ray）和核磁共振（NMR）实验所获得的结构数据远远满足不了需要 在人体蛋白中，只有 3571 个可在 PDB 数据库中找到 30-50% 的读码框（Open Reading Frames）无法找到已知同源相似物 理论预测可以用于结构相似性研究，进而有助于蛋白质功能分析 溶液中的蛋白质是一个受到各种力作用的原子系统：化学键力、氢键力、库仑力、范德华力等。 在适当的条件下，这些作用力将促使几乎任意初始构形的蛋白质折叠成为稳定的、良好定义的 3D 结构（native state）（在毫秒到秒的时间量级）。 这是蛋白质 3D 结构 ab initio（de novo）预测的基础。 另一方面，经过百万年的演变，蛋白质形成了一族类，具有相似的序列、相似的结构、以及相关的功能。 这是蛋白质结构预测的另一类方法－同源性比较方法的基础。 蛋白质结构的理论预测 结构预测的基本要求 2 相关研究综述（分子动力学，MD） 蛋白质结构预测 蛋白质的折叠－解折叠 蛋白质－配体识别 酶 核酸（DNA, RNA） 水化（溶剂化） 生物膜 双分子脂质层 离子通道 蛋白质的结构预测 溶液中，蛋白质是一个受到各种力作用的原子系统：化学键力、氢键力、库仑力、范德华力等。 在这个综合力场中，运用分子动力学（MD）模拟，得到蛋白质分子的各种可能构象（轨迹）。 通过对各种可能构象进行全局自由能最小搜索，预测蛋白质的 3D 结构。 特点： 建立在物理原理（定律）的基础上。 仅从蛋白质的氨基酸序列出发。 不依赖模型化序列与任何已知结构在折叠水平上的相似性。 1－40 A ?多肽，水溶液，沿着优化的过渡路径的结构变化，从折叠的线圈（coil）结构到 ?-螺旋结构 1－40 A ?多肽，水溶液，沿着优化的过渡路径的结构变化，从折叠的线圈状态到折叠的 ?-片层目标构型 蛋白质的折叠－解折叠 关于蛋白质热变性的解折叠过程的 MD 模拟研究表明： 解折叠的总体路径与温度无关。温度升高，只不过过程加速。 折叠的过程与解折叠过程有直接的关系。 这两点与以往的认识截然不同。 理由：模拟观测到的再折叠（refolding）过程正好与在高温解折叠模拟中所观察到的相反。 一些蛋白质的本性结构（N）和过渡态结构（TS）的 MD 模拟结果 溶