蛋白質結構預測實驗指南

前言

　　蛋白質是一切生物借以表現(xiàn)生命的最重要的基本單元，是自然界存在的小型的自動機器。任何一個生命體的繁衍、新陳代謝、運動等，都需要數(shù)十億個蛋白質分子的協(xié)調行動才能得以順利進行。隨著人類功能基因組研究的展開，科學家對于基因的研究焦點，已由基因測序轉移到基因表達產物——蛋白質上。為了執(zhí)行特定的生物功能，每一個蛋白質分子都有一個獨特的三維結構。研究蛋白質的結構，有助于了解蛋白質的功能，了解蛋白質的作用機制以及了解蛋白質與其他分子之間的相互作用。對于全新或功能未知的蛋白質分子，通過結構分析，可以進行功能詮釋，指導設計生物學實驗來進行功能研究。通過分析蛋白質的結構，確認功能位點，為設計新的蛋白質或改造蛋白質提供可靠的依據(jù)。到目前為止，確定蛋白質三維結構的方法主要分為兩大類，其一是利用實驗的方法來測定；其二則是利用計算機技術，根據(jù)現(xiàn)有理論和已知的序列等信息進行蛋白質的結構預測。測定蛋白質三維結構的方法分為三大類：（1）X射線晶體衍射圖譜法，（2）核磁共振方法，（3）電鏡方法?！　〗陙矸肿由飳W的快速發(fā)展使蛋白質序列數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)量得到快速增長。而利用實驗方法測定蛋白質三維結構則由于耗時長、成本高以及方法在技術上的困難，而使解析的蛋白質結構比已知的蛋白質序列要少得多。另一方面，隨著DNA測序技術的發(fā)展，人類基因組及更多的模式生物基因組將被完全測序，DNA序列數(shù)量將會急增，由于DNA序列分析技術和基因識別方法的進步，從DNA可以很方便地推導出大量的蛋白質序列。這意味著已知序列的蛋白質數(shù)量和已測定結構的蛋白質數(shù)量的差距將會越來越大。因此通過實驗方法獲得蛋白質三維結構越來越無法滿足人們對蛋白質結構和功能關系研究的要求，迫切需要一種不依賴實驗而又有一定準確性的獲取蛋白質三維結構信息的手段，蛋白質結構預測在后基因組時代就顯得格外重要?！　∧壳皣鴥韧怅P于蛋白質結構預測的專著已有不少，但是大都偏重于理論方面。對于從事生命科學與生物技術研究的廣大科研工作者來說，需要的是實用性強、具有可操作性的技術類著作，而這方面的資料幾乎是空白。為了使在生物醫(yī)學領域的科技人員及研究生能夠循序漸進地掌握蛋白質結構預測的方法，我們組織了一批在一線從事相關工作的年輕博士出版了這本小冊子。主要向廣大讀者詳細介紹蛋白質結構模建、蛋白質的分子對接、蛋白質-蛋白質相互作用的模擬、蛋白質結構的分子動力學模擬等操作。每一種分析技術都選擇兩種軟件，一是在業(yè)界聲譽最好的商用軟件，二是應用最普遍的免費軟件。計算分析的對象都是各位編者個人在實踐工作中的具體的分析對象。期望通過閱讀本手冊，可以使從事生命科學與生物技術研究的廣大科研工作者能夠掌握相關的技術要領，學會掌握這些方法，為他們的科研工作服務?！　”緯牡谝徽掠稍揽〗茏珜懀诙?、第四章由岳俊杰、梁龍、李北平撰寫，第三章由岳俊杰、馮華、徐濤撰寫，第五章由馮華、劉明、田然、呂煒撰寫，第六章由馮華、劉明、徐濤、呂煒撰寫，第七章由馮華、田然、劉明、郝格非、劉健撰寫。　　編寫過程得到了軍事醫(yī)學科學院生物工程研究所和創(chuàng)騰科技有限公司的大力協(xié)助，在此表示感謝。

內容概要

蛋白質結構預測是一種不依賴晶體培養(yǎng)、迅速、簡便的獲得蛋白質結構的方法，對于分子生物學、蛋白質工程、藥物設計等領域研究工作具有重要的意義。     本書涵蓋了蛋白質結構預測的主流手段與方法，包括同源建模、折疊模式識別、分子對接、蛋白質—蛋白質復合物的結構模擬、分子結構模擬等，以蛋白質結構研究的具體操作和經(jīng)典實例為素材，使得蛋白質結構預測不僅僅停留在理論階段，讓讀者能夠輕松地掌握蛋白質結構預測的應用技術。     本書可供從事蛋白質科學研究的研究生、高年級本科生及其他研究人員參考閱讀。

書籍目錄

第一章 蛋白質結構概述  　第一節(jié) 蛋白質的結構層次  　　一、一級結構  　　二、二級結構  　　三、三級結構（折疊模式）  　　四、四級結構  　第二節(jié) 蛋白質結構的測定方法  　　一、X射線晶體學  　　二、核磁共振  　　三、結構分析的其他方法  　第三節(jié) 蛋白質結構預測的意義  第二章 蛋白質二級結構預測  　第一節(jié) 蛋白質二級結構預測概述  　第二節(jié) 蛋白質二級結構預測實例  第三章 利用同源模建法預測蛋白質結構  　第一節(jié) 同源模建的基本原理及基礎  　第二節(jié) 同源模建預測蛋白質結構的基本步驟  　　一、參考蛋白搜索  　　二、確定結構保守區(qū)  　　三、蛋白主鏈的模建  　　四、側鏈安裝  　　五、優(yōu)化處理  　　六、合理性檢測  　第三節(jié) 利用SWISS-MODEL服務器進行蛋白質結構同源模建操作實例  　　一、登錄服務器，輸入目標序列  　　二、模建結果與分析  　第四節(jié) 利用Discovery Studio結構模擬系統(tǒng)進行同源模建操作實例  　　一、識別模板，比對模板  　　二、將模板進行比對  　　三、將目標序列與模板比對  　　四、使用MODELER構建目標序列的D模型  　　五、模型評估  第四章 利用折疊模式識別法預測蛋白質結構  　第一節(jié) 折疊模式識別法的基本原理  　第二節(jié) 折疊模式識別法預測蛋白質結構的操作實例  　　一、程序的安裝  　　二、Threader程序的運行  　　三、結果分析  　　四、過濾假陽性結果  第五章 蛋白質分子對接技術  　第一節(jié) 蛋白質分子對接概述  　第二節(jié) 利用LibDock進行分子對接的基本操作方法及實例  　　一、準備分子對接體系，執(zhí)行分子對接計算  　　二、分析對接結果  　第三節(jié) 利用Flexible Docking進行受體和配體柔性的分子對接實例  　　一、準備對接的分子體系，完成分子對接計算  　　二、分析配體對接結果  　第四節(jié) 利用AutoDock程序進行分子對接的操作及研究實例  　　一、AutoDock的安裝  　　二、AutoDock的基本應用  　　三、實例分析  第六章 蛋白質-蛋白質復合物的結構模擬  　第一節(jié) 蛋白質與蛋白質對接的意義  　第二節(jié) 利用ZDOCK來研究蛋白質-蛋白質的對接  　　一、設定一次ZDOCK計算  　　二、分析ZDOCK結果  　　三、利用RDOCK優(yōu)化對接構型  　　四、使用RMSD分析結合界面的氨基酸  　第三節(jié) 利用Hex研究大分子與大分子之間的相互作用  　　一、Hex的安裝  　　二、Hex的基本應用  　　三、對接實例  第七章 蛋白質結構的分子動力學模擬  　第一節(jié) 蛋白質分子動力學模擬概述  　第二節(jié) Discovery Studio平臺中分子動力學操作實例  　　一、準備分子動力學體系，執(zhí)行分子動力學計算  　　二、分析分子動力學計算結果  　第三節(jié) 利用NAMD進行分子動力學計算的操作及研究實例  　　一、NAMD簡介  　　二、NAMD程序的安裝與使用  　　三、構建模型  　　四、分子動力學模擬  　　五、可視化與數(shù)據(jù)處理  　第四節(jié) 利用GROMACS進行分子動力學模擬操作  　　一、GROMACS介紹  　　二、GROMACS的下載及安裝  　　三、GROMACS的基本操作  本書主要參考文獻  附錄 部分蛋白質結構預測相關的網(wǎng)上資源

章節(jié)摘錄

　　第三節(jié)　蛋白質結構預測的意義　　盡管解析蛋白質結構的技術已經(jīng)取得了非常重大的進展，獲得了大量的蛋白質結構，但解析蛋白質結構依然是一個勞動密集型和花費昂貴的過程，而且目前各種實驗方法都存在缺陷或限制。x射線單晶衍射最大的缺點是要測定的蛋白質必須能夠形成晶體，而許多蛋白質不能結晶，這就限制了測定的范圍。核磁共振方法雖然不需培養(yǎng)蛋白質晶體，但需要蛋白質能夠在較高濃度下可溶、穩(wěn)定、不聚集或變性，更重要的是，核磁共振技術對于較大的蛋白質分子的結構還無能為力。電鏡三維重構需要培養(yǎng)二維晶體，而且目前測定的結構的分辨率還不夠高，還沒有成為測定蛋白質結構的常規(guī)方法。　　蛋白質空間結構的測定速度還遠遠趕不上蛋白質序列增長的速度，并且隨著基因組測序的進行，二者差距有越來越大的趨勢。截止2009年10月，已知序列的蛋白質已超過100萬，而已知結構的蛋白質僅有6萬多。因此蛋白質結構預測成了目前了解蛋白質結構信息的一個非常有效的實際手段。隨著基因組和蛋白質組計劃的研究進展，大量的具有特殊功能的蛋白質將被發(fā)現(xiàn)，對蛋白質空間結構預測的要求也越來越迫切。　　除了獲得蛋白質結構信息之外，蛋白質結構預測還有重大的理論意義。生命遺傳信息存儲傳遞及表達的認識是20世紀生物學所取得的最重要的突破，其中的關鍵問題是由3個相連的核苷酸順序決定蛋白質分子肽鏈中的1個氨基酸，即“三聯(lián)遺傳密碼”(“第一遺傳密碼”)的破譯。蛋白質必須有特定的三維空間結構，才能表現(xiàn)其特定的生物學功能。20世紀60年代Anfinsen就提出蛋白質分子的一級序列決定其空間結構的論斷，這一論斷得到多次實驗證實并被人們廣泛接收，大量實驗充分說明蛋白質的氨基酸順序與其空間結構之間存在著確定的關系。國際上將蛋白質的氨基酸序列與其空間結構的對應關系稱之為“第二遺傳密碼”。但是直到現(xiàn)在，“第二遺傳密碼”依然沒有得到破譯，這個問題是蛋白質研究最后幾個尚未揭示的奧秘之一。蛋白質結構預測實際上是去從理論上最直接地解決蛋白質的折疊問題，即破譯“第二遺傳密碼”。　　近年來隨著結構生物學的發(fā)展，解析的蛋白質結構越來越多，這就為研究和總結蛋白質結構的規(guī)律打下了很好的基礎，也為蛋白質的結構預測提供了參考。另外計算機科學與技術的快速進步也大大地促進了蛋白質結構預測的發(fā)展。蛋白質結構預測問題雖然還沒有最終解決，但是已經(jīng)取得了一些令人欣喜的成就。目前，蛋白質空間結構預測的方法有3種。

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