結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)課件

第六章結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)

主要內(nèi)容

引言蛋白質(zhì)組學(xué)中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的價值解析蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的技術(shù)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的比較蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分類結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)：開始和結(jié)果引言

結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)（structuralproteomics)：

又稱組成蛋白質(zhì)組學(xué)，這是一種針對有基因組或轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)庫的生物體或組織、細胞，建立其蛋白質(zhì)或亞蛋白質(zhì)組(或蛋白質(zhì)表達譜)及其蛋白質(zhì)組連鎖群的一種全景式的蛋白組學(xué)研究，從而獲得對有機體生命活動的全景式認識。

就蛋白質(zhì)組學(xué)而言，人們已經(jīng)意識到蛋白質(zhì)世界是巨大的但終歸是有限的，而且隨著合適大規(guī)模方法的出現(xiàn)，它可以被研究并能編成一個系統(tǒng)的目錄。在將來，可能在結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)比較的基礎(chǔ)上賦予假想蛋(hypotheticalprotein,功能而且未知不能通過序列比較來預(yù)測功能的蛋白質(zhì)）一些假設(shè)的功能。蛋白質(zhì)組學(xué)中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的價值具有相似結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)通常具有相似的功能。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)與序列一樣在賦予蛋白質(zhì)功能的同時也具有預(yù)測的價值。？蛋白質(zhì)組學(xué)中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的價值

序列和結(jié)構(gòu)都可以用來預(yù)測蛋白質(zhì)的功能，序列信息的來源渠道廣泛，獲得序列信息要比獲得結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)容易的多，因而序列數(shù)據(jù)比結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)多，超過三個數(shù)量級，為什么到現(xiàn)在還因為結(jié)構(gòu)而困擾呢？蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)貯存庫ProteinDateBank,PDB,

此數(shù)據(jù)庫作為一級序列數(shù)據(jù)庫囊括了超過2200萬條序列，而作為一級結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫僅收藏了20000多個結(jié)構(gòu)。肌球蛋白和β-球蛋白結(jié)構(gòu)-功能的一致性脂聯(lián)素和腫瘤壞死因子(trmornecrosisfactorTNF)

明顯不相關(guān)的序列可能具有相似的結(jié)構(gòu)這一事實說明全部蛋白質(zhì)折疊模式的數(shù)量遠遠少于全部序列的數(shù)量。據(jù)估計結(jié)構(gòu)世界中全部蛋白質(zhì)折疊模式的數(shù)量在4000~10000，而迄今我們只發(fā)現(xiàn)了其中很小的一部分。結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)的目標就是發(fā)現(xiàn)每個蛋白質(zhì)折疊模式家族中的代表成員，并解釋其結(jié)構(gòu)，為結(jié)構(gòu)比較提供模板。這種結(jié)構(gòu)比較可以用于很多假想蛋白質(zhì)的功能注釋，甚至在序列同源性降低到檢測不到的程度時也可以。其他價值1、結(jié)構(gòu)分析可以反映出具有明顯功能價值的蛋白質(zhì)所具有的特性。

2、配體、輔基或底物在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中未預(yù)料到的出現(xiàn)可以為功能假說提供一些基礎(chǔ)。3、結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)組學(xué)還應(yīng)用于藥物的合理設(shè)計（第十章）結(jié)構(gòu)-功能的非一致性

盡管蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)對于測序功能非常有幫助，但結(jié)構(gòu)與功能之間并不是一個簡單的一對一的關(guān)系。蛋白質(zhì)具有相似的結(jié)構(gòu)但經(jīng)過進化后可以執(zhí)行多種不同的功能，如：α/β-水解酶折疊模式結(jié)構(gòu)功能的非一致性

差異很大的序列能夠采用同樣的結(jié)構(gòu)，這一事實對于識別遠緣進化關(guān)系是很有用的，但是也可能識別出錯誤的進化關(guān)系，因為功能上等同的結(jié)構(gòu)可能經(jīng)歷獨立的進化。這樣的結(jié)構(gòu)可以被描述為相似而不是同源，因為它們不是通過世系聯(lián)系的。

蛋白質(zhì)也可能沒有明顯的同源性而功能卻相似。如糖基水解酶，至少有7種明顯不同的結(jié)構(gòu)。X射線晶體學(xué)（XRC）

原理：當Χ射線經(jīng)過蛋白質(zhì)晶體時，它會以一種可預(yù)測的方式被散射或衍射。衍射的特征依賴于出現(xiàn)的每個原子中電子的數(shù)量和原子在空間的排列。與其他的波一樣，衍射的Χ射線彼此之間會發(fā)生正向的或負向的干涉。因而，當?shù)鞍踪|(zhì)分子有規(guī)則地排列在一個晶體中時，由不同分子的等價原子衍射產(chǎn)生的同一方向的Χ射線會發(fā)生先后作用，這將在探測儀上生成一個斑點圖案，這種斑點圖案即為衍射。這些衍射圖案可以用于構(gòu)建分子的電子云的三維圖像，這種電子云的三維圖像被稱為電子密度圖。蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)模型就是搭建在這樣的電子密度圖中的。蛋白質(zhì)衍射花樣XRC測定精確結(jié)構(gòu)面對的問題高度有序的晶體，能夠使X射線產(chǎn)生強烈衍射。這可能是結(jié)構(gòu)測定中一個不可忽視的瓶頸，因為蛋白質(zhì)晶體生長特別困難從衍射花樣（diffractionparrern）計算一個電子密度圖從衍射花樣計算電子密度圖

這個過程需要三方面的信息：

Ⅰ.入射Χ射線的波長可知

Ⅱ.散射的Χ射線的振幅

未知Ⅲ.衍射的相位衍射相位的測定方法多重同晶置換（multipleisomorphousreplacement,MIR）

就是在相同總體結(jié)構(gòu)的晶體中結(jié)合上較重的原子，這樣可以產(chǎn)生一種不同的衍射圖案。經(jīng)過浸泡，重金屬原子能夠擴散到原先由溶劑分子占據(jù)的空間，并與蛋白質(zhì)分子中某些確定的位置結(jié)合。重金屬因為含有更多的電子，所以比那些蛋白質(zhì)中正常出現(xiàn)的原子更強烈地使X射線發(fā)生衍射。通過比較多種不同的同型晶體產(chǎn)生的反射，就可以確定這些重原子的位置，這樣就可以推倒出未置換晶體中衍射的相位。

衍射相位的測定方法多波長異常散射（multiplewavelengthanomalousdispersion,MAD）

當?shù)鞍踪|(zhì)分子中的重原子在遇到波長接近其天然吸收邊限的Χ射線照射時，就會導(dǎo)致這些重原子會以附加Χ射線的形式重新發(fā)射出其中的部分能量，這就是發(fā)生了反常散射。反常散射的幅度隨著入射Χ射線的波長而變化，因此一種含有重金屬的晶體可以被幾種不同波長的Χ射線照射，而產(chǎn)生幾種不同的衍射花樣，從這些花樣中散射的相位就可以計算出來。核磁共振（NMR）譜原理：核磁共振（NMR）是因為某些原子核具有磁的性質(zhì)而發(fā)生的一種現(xiàn)象。在NMR譜中，這些性質(zhì)可以用來獲得化學(xué)信息?？梢哉J為亞原子的微粒都在繞著它們的軸旋轉(zhuǎn)，并在很多原子中，這些旋轉(zhuǎn)彼此平衡抵消，所以原子核本身沒有總旋轉(zhuǎn)。在1H和某些天然存在的13C、15N中，這些旋轉(zhuǎn)不能抵銷，這類原子核會擁有一個所謂的磁矩。條件NMR譜可用于測定溶液中的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，這就需要蛋白質(zhì)是高度可溶而且是穩(wěn)定的。需要溶液濃度1mmol/L,體積1~5ml外加磁場的強度必須提高到能夠克服電子產(chǎn)生的磁場的對抗或屏蔽。一維核磁共振譜

可以檢測到化學(xué)位移以及其他的類似屏蔽的效應(yīng)，但對描述蛋白質(zhì)這樣復(fù)雜的分子是不夠的。二維核磁共振譜

當采用一些由不同時間間隔區(qū)分的系列脈沖代替單個脈沖，可以得到一個二維NMR譜，這種譜攜帶了額外的峰，這種譜峰可以顯示具有相互作用的原子核對。采用不通脈沖序列可以測量3種不同的相互作用。（1）相關(guān)能譜（COSY）探測的是通過鍵相互作用的質(zhì)子，可使人描繪出連接在成鍵原子上的氫原子的網(wǎng)絡(luò)輪廓。（2）總相關(guān)能譜（TOCSY）

探測的是通過偶聯(lián)網(wǎng)絡(luò)相互作用的質(zhì)子群，可以鑒定出與一個特定的氨基酸相關(guān)聯(lián)的所有質(zhì)子，但不能擴展到相鄰的殘基。

（3）NOE光譜（NOESY）

利用空間上靠近而不是通過鍵連接的原子核之間的磁相互作用產(chǎn)生的信號，可以鑒定出那些由于蛋白質(zhì)折疊的模式導(dǎo)致的空間上靠近、但沿多肽主鏈離很遠的氫原子之間的相互作用。

當把這些效應(yīng)都考慮進去之后，NMR分析的結(jié)構(gòu)就是一系列距離制約的組合，可以用來推算某些特定的原子對之間的距離。因此，NMR分析產(chǎn)生的是10~50個模型的組合體，而不是單一的結(jié)構(gòu)。高質(zhì)量的NMR譜依賴于蛋白質(zhì)分子在溶劑中的快速翻轉(zhuǎn)，這限制了可以分析的蛋白質(zhì)的大小，目前可以分析的蛋白質(zhì)都少于300個氨基酸殘基。NMR譜可以用于測定溶液中的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，在高濃度下蛋白質(zhì)必須是可溶而且穩(wěn)定的，且在這樣的條件下不能聚集或變性。

NMR法優(yōu)點：

1、NMR法可以在水溶液或有機相中研究生物大分子結(jié)構(gòu)。2、可研究溶液條件的改變對生物大分子三維結(jié)構(gòu)的影響。其他方法1、圓二色譜（CDS）

這是一個很有用的測定蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)的方法。圓二色是一種光學(xué)現(xiàn)象，在溶液中分子暴露在圓偏振光下時就會發(fā)生這種現(xiàn)象。不對稱的分子在左旋圓偏振光和右旋圓偏振光中會有不同的吸收譜，這可以使蛋白質(zhì)的二級結(jié)構(gòu)的特點得以表現(xiàn)出來。圓二色采用的是波長160~240nm的光，這個波段能夠分別對富含α螺旋和β折疊的蛋白質(zhì)產(chǎn)生明顯不同而具有特征的譜。2、中子衍射

可以用來測定重要的氫原子的位置，比如那些關(guān)