蛋白质晶体学与药物设计

蛋白质晶体学的发展,产生了根据药物靶分子三维结构知识开展药物设计的新研究方向。本文通过一些有代表性的研究工作,介绍目前了解到的药物分子与靶分子相互作用的结构基础以及以这些结构知识为依据开展药物设计的初步尝试。     

蛋白质晶体学技术的发展与展望

从50年前英国科学家解析出第一个蛋白质晶体结构以来,蛋白质晶体学历经数个里程碑式的发展,已经成为一门成熟的高科技学科,是结构生物学的主要研究手段。近年来结构生物学发展迅速并和其他学科相互渗透交叉,特别是受到结构基因组学等热点学科的极大带动。作为结构生物学的基本手段和技术,蛋白质晶体学从解析简单的蛋白质三维结构延伸到解决各类生物大分子及复合物结构,并更加注重研究结构与功能之间的相互关系,派生出诸如基于结构的药物设计等应用性很强的分支。生物技术及计算机技术的飞速发展,尤其是高通量技术在生物学领域的应用,为蛋白质晶体学带来了全新的概念和更加广阔的前景。文章将主要介绍蛋白质晶体学技术的一些历史发展以及对未来的展望。     

蛋白质的结构转换

许多不相关的蛋白质含有相同的短肽序列却形成不同的空间构象. 结构转换广泛存在于蛋白质折叠和功能过程中, 具有重要的生物学意义. 综述了Serpin和EF-Tu的失活、血细胞凝集素的激活、蛋白酶成熟、亚基装配和蛋白质淀粉样化等过程中肽链同源肽段的结构转换模式, 并讨论了它在理解蛋白质折叠机理和“构象病”病因中的应用.     

蛋白质结构研究

生物大分子的功能主要取决于它们的三维结构、运动及相互作用。对蛋白质结构的解析可以从根本上阐明蛋白质功能的分子机制和基础,同时也是研究蛋白质功能的一个重途径。本文简述了当前蛋白质结构研究的主要手段,如X射线晶体学、核磁共振波谱学和三维电镜重构方法学等及其优缺点和适用性,总结了目前蛋白质结构研究进展并对将来的发展方向进行了一些探讨。尽管上述三种主要的研究方法已经比较成熟,而且在适用对象和实验方法上有很好的相互补充,但还是有相当多的生物学问题在结构水平上得不到解释和支持。因此,本文对目前蛋白质结构研究的热点和难点——膜蛋白和蛋白质复合物的研究现状和方法做了简要的概述,希望能够引起广大同行的关注。     

固氮酶晶体学研究进展

生物大分子的功能取决于它的空间结构。X射线衍射分析是获得生物大分子结构信息的常用方法。本文对固氮酶晶体的生长及其X射线衍射分析的主要进展简要地进行了介绍和评论。最后展望了今后的发展及问题。     

固氮酶晶体学研究进展

生物大分子的功能取决于它的空间结构.X射线衍射分析是获得生物大分子结构信息的常用方法.本文对固氮酶晶体的生长及其X射线衍射分析的主要进展简要地进行了介绍和评论.最后展望了今后的发展及问题.     

蛋白质的三维结构研究

蛋白质的三维结构研究是最近十几年来取得重大突破和迅速发展的一个领域,其影响所及,已深入到许多重要的有关蛋白质的生物学问题。     

二硫键与蛋白质的结构

二硫键是肽链上2个半胱氨酸残基的巯基基团发生氧化反应形成的共价键．具有链内二硫键和链间二硫键2种形式。与氨基酸的氨基氮原子之间形成的稳定共价键不同．二硫键容易被还原而断裂,断裂后可再次氧化重新形成二硫键,因而是可以动态变化的化学键。二硫键是参与一级结构也是形成高级结构的重要化学键,对蛋白质折叠和高级结构的形成与维持十分重要。讨论了二硫键的形成和特征及其与蛋白质结构和功能之间的关系,并讨论了生物学教学中关于二硫键的一些疑问．     

蛋白质结构预测研究进展

蛋白质结构预测是生物信息学当前的主要挑战之一.按照蛋白质结构预测对PDB数据 库信息的依赖程度,可以将其划分成两类:模板依赖模型和从头预测方法.其中模板依赖模 型又可以分为同源模型与穿线法.本文介绍了各种预测方法主要步骤,分析了制约各种方法 的瓶颈,及其研究进展.同源模型所取得的结构精度较高,但其对模板依赖性强;用于低同 源性的穿线法是模板依赖的模型重要的研究方向;从头预测法中统计学函数与物理函数的综 合使用取得了很好的效果,但是对于超过150个残基的片段,依然是巨大的挑战.     

蛋白质结构预测进展

蛋白质的序列决定结构,结构决定功能。新一代准确的蛋白质结构预测工具为结构生物学、结构生物信息学、药物研发和生命科学等许多领域带来了全新的机遇与挑战,单链蛋白质结构预测的准确率达到与试验方法相媲美的水平。本综述概述了蛋白质结构预测领域的理论基础、发展历程与最新进展,讨论了大量预测的蛋白质结构和基于人工智能的方法如何影响实验结构生物学,最后,分析了当前蛋白质结构预测领域仍未解决的问题以及未来的研究方向。     

蛋白质二级结构指定

蛋白质二级结构是指蛋白质骨架结构中有规律重复的构象。由蛋白质原子坐标正确地指定蛋白质二级结构是分析蛋白质结构与功能的基础,二级结构的指定对于蛋白质分类、蛋白质功能模体的发现以及理解蛋白质折叠机制有着重要的作用。并且蛋白质二级结构信息广泛应用到蛋白质分子可视化、蛋白质比对以及蛋白质结构预测中。目前有超过20种蛋白质二级结构指定方法,这些方法大体可以分为两大类:基于氢键和基于几何,不同方法指定结果之间的差异较大。由于尚没有蛋白质二级结构指定方法的综述文献,因此,本文主要介绍和总结已有蛋白质二级结构指定方法。     

预测蛋白质—蛋白质复合物结构的软对接算法

提出了一种有效的软对接算法 ,用于在已知受体和配体三维结构的条件下预测蛋白质 蛋白质复合物的结构。该算法的分子模型基于Janin提出的简化蛋白质模型 ,并在此基础上有所改进。对蛋白质分子表面的柔性氨基酸残基Arg、Lys、Asp、Glu和Met进行了特殊处理 ,通过软化分子表面的方式考虑了它们的侧链柔性。采用双重过滤技术来排除不合理的对接结构 ,此过滤技术是以复合物界面几何互补性和残基成对偏好性为标准提出的。对所得到的构象进行能量优化 ,之后用打分函数对这些结构进行排序 ,挑选出与复合物天然结构接近的构象。该打分函数包括静电、疏水和范德华相互作用能。用此算法对 2 6个复合物进行了结构预测 ,均找到了近天然结构 ,其中有 2 0个复合物的近天然结构排在了前 10位。改进的分子模型可以在一定程度上描述蛋白质表面残基侧链的柔性 ;双重过滤技术使更多的近天然结构保留下来 ,从而提高了算法成功预测的可能性 ;打分函数可以较合理地评价对接结构。总之 ,此种软对接算法能够对蛋白质分子识别的研究提供有益的帮助。     

遗传信息传递的晶体学解密

生物大分子(如蛋白质等)在生物体内行使功能必须要保证其立体结构的正确性。作为研究大分子高级结构的主要手段,结晶技术结合X-射线衍射技术、核磁共振技术以及电镜技术被普遍应用于高级结构的数据分析。随着这些技术的进一步完善,目前已经能完成蛋白质与配体的共结晶。遗传信息从最原始的DNA或RNA传递到以蛋白质的形式呈现功能的过程是由众多酶或蛋白质复合体催化的多步骤进程,解析其中重要元件的空间结构推动了对这些酶反应机理的深入研究。主要阐述结晶技术在遗传信息传递过程中关键酶或蛋白质复合体的研究中的应用。     

天花粉凝集素的晶体学研究

天花粉凝集素是从中药天花粉瓜蒌块根中分离出的一种能专一结合糖类的新蛋白质。用悬滴汽相扩散法培养出了该蛋白质的晶体,最大线度尺寸达１．１ｍｍ。该晶体属正交晶系,空间群为Ｐ２１２１２１,晶胞参数ａ＝４４．７,ｂ＝６９．５,ｃ＝１８０．９,晶胞内每个不对称单位含１个天花粉凝集素分子。收集了３．０分辨率的衍射数据,并以具有某些相似性能的已知蛋白质结构为模型,做了分子置换研究。本文报导天花粉凝集素的晶体培养及Ｘ射线晶体学研究的初步结果。     

劳埃晶体学时代的到来

近年来,人们对古老的劳埃衍射技术重产生了浓厚的兴趣,这主要是因为世界各地新的同步辐射光源的建成;各种先进的插入件,诸如波形器（wiggler）、波荡器（undulator)的飞速发展;以及利用这类光源通过时间分辨晶体学来研究分子研究动态变化的前景,在过去的十年中,理论研究已经阐明了多波长衍射几何学的特征,在很大幅度上加深了我们对劳埃法的认识。劳埃数据处理方法及其软件开发也因此有所创新。曾在相当长的时间内限制这项技术应用的劳埃数据处理中的大部分问题存在已经得到解决;同步辐射光源,束线光学器件及X射线探测器等方面也都取得了显著的进步。表态劳埃实验得到的结构因子振幅在质量上已同单波长数据相当。晶体中反应易于启动的时间分辨劳埃实验已经开始在一系列生物分子体系中得到成功的实践,由此得到的关于结构动力学的信息是任何其它传统的衍射方法所无能为力的。这些静态的及时间分辨的实验说明了劳埃已经开始走向成熟,并指明了今后发展的方向, 即对晶体的镶嵌度和劳埃衍射点的相应能量宽度的正确处理、扩散散射的考虑,时间分辨实验中低浓度瞬态中间物结构的测定等等。     

蛋白质结构层次中的超二级结构

近年来关于蛋白质超二级结构(supersecondary motifs,Motifs)的研究已成为国际上一个热点课题,国内也开始出现有关的研究论文,蛋白质超二级结构是两个或几个规则二级结构单元的进一步组合,或看成是二级结构的局域折叠.文章就蛋白质Motifs结构的定义,特点,及对这一结构层次开展研究的意义作了综述,并对蛋白质Motifs研究的进展作了简要的介绍．     

劳埃晶体学时代的到来

(连载第十七卷第三期 )６．２．４胰蛋白酶（Ｔｒｙｐｓｉｎ） :扩散激发的 ｐＨ跳跃测定有序的催化溶剂结构Ｓｉｎｇｅｒ等人（１９９３）的研究表明通过仔细选择一个特异的底物有可能改变一个多步反应的动力学轨迹 ;ｐＨ跳跃能提供一个有效的 ,依赖于扩散的方法在整个晶体范围内触发一个慢催化事件。在这个例子中 ,丝氨酸蛋白酶胰蛋白酶在亲核反应残基Ｓｅｒ１９５处被 ｐ-胍基苯甲酸（ＧＢ）酰化。这个底物很容易形成一个酰基化酶中间物 ,但进行水解和再生游离酶却很慢。ＧＢ结合的胰蛋白酶单晶在 ｐＨ５．５下装在流槽中 ,在５秒钟内 ,…     

基于知识的蛋白质结构预测

介绍了近几年基于知识的蛋白质三维结构预测方法及其进展．目前,基于知识的结构预测方法主要有两类,一类是同源蛋白模建,这种技术比较成熟,模建的结果可靠性比较高,但只适用于同源性比较高的目标序列的模建;另一类方法即蛋白质逆折叠技术,主要包括3D profile方法和基于势函数的方法,给出的是目标蛋白质的空间走向,它主要可用于序列同源性比较低的蛋白质的结构预测．