第四章 蛋白质-蛋白质复合物结构的预测及分析
蛋白质空间结构的预测和分析方法研究
蛋白质空间结构的预测和分析方法研究蛋白质是生命体系中非常重要的一类生物大分子，其功能和结构密切相关。
蛋白质的结构可以被分为四级结构，即：一级结构是蛋白质的氨基酸序列，二级结构是蛋白质的α-螺旋结构和β-折叠结构，三级结构是蛋白质的空间构形，在此基础上，大分子可以形成四级结构，包括蛋白质复合物和蛋白质聚合体。
因此，蛋白质分子的三级结构是关键的，它决定了蛋白质的功能、折叠和相互作用。
然而，解析蛋白质分子的三级结构需要高分辨率的实验数据，这不仅费时、费力，而且成本高昂。
因此，计算方法成为了预测和分析蛋白质空间结构的常用方法。
1. 蛋白质结构预测目前，蛋白质结构预测主要基于分子动力学模拟方法和氨基酸联系网络方法。
分子动力学模拟方法是通过计算机模拟分子动力学，来预测分子的构形和动力学性质。
模拟过程中，通过原子之间的运动分析蛋白质分子的结构。
然而，该方法将蛋白质作为简单分子处理，需要大量的计算资源和时间，因此，实用性不高。
氨基酸联系网络方法是通过在相邻氨基酸之间建立联系，利用蛋白质二级结构信息和氨基酸之间的作用力来预测分子结构。
该方法计算量更小，可以预测大分子的结构，但其预测准确性仍有待提高。
2. 蛋白质结构分析蛋白质结构分析是对已知蛋白质结构进行研究，包括蛋白质结构比较、功能预测等方法。
蛋白质结构比较是将两个或多个蛋白质分子的结构进行比较，找到相同或相似的结构元素。
该方法可以提供有关同源序列中的结构元素的信息，从而对蛋白质的功能和结构演化研究提供重要的启示。
蛋白质功能预测是通过蛋白质结构和化学性质等信息预测蛋白质的功能，包括酶活性、配体结合能力等。
该方法广泛应用于药物设计和蛋白质工程等领域。
3. 蛋白质结构分析软件目前，有许多蛋白质结构分析软件可供科研人员使用。
其中，Cn3D是一款可以可视化结构、函数、序列和域之间关系的工具，可用于分析和比较蛋白质结构；UCSF Chimera是一款高级的、交互式的分子模型工具，可以用于大规模的系统建模、多样的分子动画和高清分子可视化等；Pymol是一款针对专业人士的分子图形设计工具，它可以模拟多种模型，并提供有关蛋白质结构信息的可视化和分析。
蛋白质结构预测与功能分析
蛋白质结构预测与功能分析作为细胞中最重要的生物大分子之一，蛋白质在生物体内发挥着关键的生物学功能。
蛋白质的结构与功能密切相关，而蛋白质结构预测和功能分析就是帮助我们更好地理解蛋白质的重要工具。
一、蛋白质的结构与功能蛋白质是由氨基酸序列组成的，不同的氨基酸序列可以组成不同的蛋白质。
蛋白质的结构可以分为四个层次：一级结构是氨基酸的线性排列方式，二级结构是由氢键、离子键等互作用形成的局部结构，例如螺旋和折叠；三级结构是由各种二级结构组合成的整体结构，即蛋白质的立体构形；四级结构是多个蛋白质分子组成的超分子结构，例如酶的四级结构能够形成酶活性中心，参与生物反应。
不同的蛋白质具有不同的生物学功能。
例如，酶是一类催化生物反应的蛋白质；激素是一类在细胞间传递信号的蛋白质；抗体是一类用于识别并抵御入侵的病原体的蛋白质等等。
二、蛋白质结构预测的方法蛋白质结构的预测是指根据给定的氨基酸序列，预测蛋白质的三级结构或四级结构。
蛋白质结构预测的方法分为两类：实验测定和计算预测。
实验测定包括X射线衍射、核磁共振、电子显微镜等方法。
这些方法需要采集和高质量纯化蛋白质，因此需要耗费大量时间和精力，并且仍存在一些难点问题，如蛋白质复合物和膜蛋白的结构预测。
计算预测是利用计算机模拟蛋白质的三维结构，包括模拟退火、分子动力学、及协同使用生物物理学、生物信息学、计算机技术等的多重方法。
此方法不仅具有预测速度快、处理量大等优势，还能够处理大规模的蛋白质序列；此外，计算预测能够研究蛋白质分子及复合物的动态结构和功能，有助于进一步理解蛋白质的生物学功能。
三、蛋白质功能分析的方法蛋白质功能分析是指利用化学方法、遗传工程、生物技术等手段，研究蛋白质的生物学功能。
下面列举几种功能分析方法：1. 进化鉴定。
通过对多个蛋白质同源序列进行比较和分析，可以预测和验证蛋白质的结构域、功能区域、酶催化残基等。
2. 基因调控分析。
通过对蛋白质编码基因调控元件的功能分析，可以揭示转录因子与信号转导途径等相关生物学过程。
蛋白质结构的分析和预测方法
蛋白质结构的分析和预测方法蛋白质是构成生物体质量的基础，具有广泛而重要的生物功能。
研究蛋白质的结构和功能是生物学和药学等领域的重要研究课题。
而蛋白质结构的分析和预测是对蛋白质研究的基础，也是解决人类疾病等领域的重要突破口。
本文将从分析和预测两个方面介绍蛋白质结构的研究方法。
一、蛋白质结构的分析方法1. X射线晶体学蛋白晶体学是最广泛采用的蛋白质结构分析方法之一。
该方法利用X射线探测蛋白质晶体中原子的位置，并通过该信息推断蛋白质的三维结构。
通过X射线晶体学的方法已获得了数万个蛋白质结构，大大提高了蛋白质研究的深度和广度。
2. 核磁共振核磁共振是另一种常用的蛋白质结构分析方法，它利用一个强磁场对蛋白质分子进行瞬时激发，旋转确定的核磁共振信号，通过空间磁场分布的变化揭示分子的三维构造。
此外，核磁共振与分子动力学模拟等计算方法相结合，能够更细致地揭示分子的结构细节，如构象变化、动态性质、生理相关解离构象等。
3. 电镜电子显微镜是一种近期快速发展的方法，它可以在不需要结晶的情况下直接观察蛋白质体系的图像，从而解析它们的立体结构。
这种方法非常适合研究大分子复合物的结构和功能，因为它们相对比较柔软，不太容易得到光学衍射数据。
二、蛋白质结构的预测方法1. 基于结构相似性的预测基于结构相似性的预测是一种利用已知结构的蛋白质来推断其它蛋白质的结构的方法。
这种方法假设结构相似的蛋白质在空间构型上也具有相似性，因此可以通过分析相似结构间的差异性和共性来预测未知结构的蛋白质。
如蛋白质家族、同源模型等就是基于结构相似性预测蛋白质结构的重要手段。
2. 基于能量最小化的预测通过基于物理化学原理设计的力场，在预测过程中能够通过优化相互作用势能最小化的方式，预测蛋白质的结构。
这种方法在预测局部构象、构像变化、蛋白质之间的相互作用以及酶与其底物结合等方面非常重要。
3. 基于模板匹配的预测模板匹配预测是在已知蛋白质结构库中，通过匹配新蛋白质的序列与已知蛋白的结构来预测其结构的方法。
蛋白质结构预测与分析方法
蛋白质结构预测与分析方法蛋白质作为生命体中最基本的分子之一，不仅在生物体中发挥着重要的催化、运输、调节、防御、信号传递等功能，同时也受到了科学家们的广泛关注。
因为在蛋白质的分子结构中蕴藏着其生物学功能的秘密。
为了深入理解蛋白质在生物体中的作用，结构预测与分析方法成为了不可或缺的重要手段。
一、蛋白质结构预测方法蛋白质结构预测是指根据蛋白质的氨基酸序列信息，利用计算机模拟和数学建模预测出蛋白质的三维立体结构的技术。
蛋白质结构预测技术的发展历程大致可以分为以下四个阶段。
1.基于序列保守性推断的序列比对方法序列比对法是一种最早传统的结构预测方法之一，主要基于了分子生物学的序列保守性假设，即同族蛋白质序列之间的关系比异族蛋白质序列要更为接近，同时也利用了同源因子结构的技术。
该方法的缺点在于较为依赖生物物种数据库中已知的同源蛋白质序列，并且无法解决折叠状态中序列变异路径不同的问题。
2.基于从头构建法的物理模拟方法从头构建法是指利用高中生物化学、数学及计算机科学相关知识，对蛋白质分子的构成及其相互作用力的原理进行理解，以及从分子结构相空间机构的角度进行蛋白质结构模拟的技术。
该方法可以绕过序列比对路径不同的缺点，但准确率较低、计算时间较长，并且需要较高的数学和物理素养。
3.基于同源建模法的结构对比和补全方法同源建模法是一种结构对比与预测的重要手段，通过利用已知蛋白质结构作为种子结构的替代物，比较它们所共有的氨基酸序列和结构，以此预测蛋白质分子之间的空间排列。
同源建模法适用于那当前有完整的同源确定模板结构的情况，但需要较强的生物学知识支持。
4.基于机器学习的预测方法机器学习是数据挖掘、人工智能和统计学应用领域中的一种技术，并被广泛用于蛋白质的结构预测和设计。
与其他方法相比，机器学习方法具有更好的处理大量数据的能力，准确度更高，并且可以较快的体现出不同环境的影响。
二、蛋白质结构分析方法蛋白质结构分析是指对已有蛋白质结构的进一步分析研究，从而深入探讨蛋白质在生物学功能中所起的角色和机理，目前主要涉及到以下几种方法。
蛋白质结构的预测与分析
蛋白质结构的预测与分析蛋白质是生命体中的重要分子，在生物体内起着承担生命活动的重要作用。
蛋白质结构的预测和分析是生物学研究中的重要一环，旨在揭示蛋白质的三维空间结构和功能。
本文将从蛋白质结构的基本概念入手，介绍蛋白质结构预测的方法和流程，并探讨蛋白质结构与功能的关系。
一、蛋白质结构的基本概念蛋白质结构指的是确定蛋白质分子在三维空间中的构象和构型，即确定蛋白质的三级结构（即原生结构）和四级结构（即蛋白质超级结构）。
蛋白质结构的决定因素是蛋白质的氨基酸序列和环境条件。
氨基酸序列由多种氨基酸组成，每种氨基酸都有其特定的结构和性质，进而决定了蛋白质的空间构象。
环境条件包括温度、ph值、离子浓度等。
二、蛋白质结构预测的方法和流程蛋白质结构预测是指在已知蛋白质的氨基酸序列的情况下，利用计算方法推断其三维空间结构。
目前蛋白质结构预测的方法主要包括基于序列的预测方法和基于结构的预测方法。
一、基于序列的预测方法：利用多种生物信息学分析技术，根据给定的氨基酸序列进行分析和比对，预测蛋白质的二级结构（α-螺旋、β-折叠、无规卷曲），从而推断出蛋白质的三维结构。
基于序列的方法主要包括BLAST、PSI-BLAST、HMM等。
二、基于结构的预测方法：利用已经解析出的蛋白质结构库，根据已确定的结构进行预测。
基于结构的方法主要有模板比对法、蒙特卡罗模拟法、分子动力学模拟法等。
针对蛋白质结构预测中的误差，现阶段也推出了一些错误校正的方法，如：模型修正法、模型优化法等。
三、蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能紧密相关，因为蛋白质的结构和功能是相互依存的。
蛋白质分子的结构决定了所处的环境和功能，如在水相环境下，螺旋和β折叠结构是最稳定的，而在疏水环境下，蛋白质的无规卷曲结构更稳定。
蛋白质的功能又与其结构密切相关，如蛋白质A酶的空间构象才使它能专一地与A底物结合反应，从而实现其催化。
因此，对蛋白质结构进行预测和分析，可以更好地理解和预测其功能，为生物学研究提供了更深入的认识。
蛋白质复合物的结构及其功能分析
蛋白质复合物的结构及其功能分析生命体系中的蛋白质复合物是由多个蛋白质组成的大分子，其结构和功能具有复杂性、高度的互作性以及动态性。
蛋白质复合物在生命的各个方面都扮演着重要的角色，如细胞信号传递、代谢调控等。
本篇文章将探讨蛋白质复合物的结构及其功能分析。
一、蛋白质复合物的结构分析蛋白质复合物结构的分析对于深入了解蛋白质复合物的功能机制至关重要。
结构可以从不同的角度进行分析。
其中比较重要的有：（1）. 蛋白质复合物的结构形态蛋白质复合物的结构形态可以分为线性和非线性两种。
线性结构较为简单，可以看作是序列上相邻的蛋白质单体组成的复合物。
而非线性结构则复杂多样，包括球形、螺旋形、锥形等。
非线性结构的各个单元之间相互作用复杂，机制不同，这直接影响到复合物的功能。
（2）. 蛋白质复合物的二级结构蛋白质复合物的二级结构包括α螺旋、β折叠、无规卷曲等。
α螺旋是一种由蛋白质链中一个单元上的氨基酸残基与其他单元上的氨基酸残基间的氢键连接而成的螺旋结构。
β折叠是由蛋白质链中一个单元上的氨基酸残基与其他单元上的氨基酸残基间的氢键连接而成的折叠结构。
无规卷曲则是没有任何规则的结构。
（3）. 蛋白质复合物的三级结构蛋白质复合物的三级结构是指蛋白质单体之间的空间排列。
主要是由氢键、电荷、疏水相互作用所决定。
三级结构的稳定直接影响复合物的功能活性。
（4）. 蛋白质复合物的四级结构蛋白质复合物的四级结构是指在一些由多个蛋白质单体组成的复合物中，每个单体之间相互作用所形成的整体结构。
其中比较典型的是由四个亚基组成的四聚体结构，如糖原合成酶。
二、蛋白质复合物的功能分析（1）. 酶活性蛋白质复合物作为酶活性的载体在代谢过程、免疫应答、细胞周期以及细胞死亡过程等中都发挥着重要的作用。
其中最有代表性的是由12个亚基组成的蛋白酶体。
它扮演着细胞内垃圾处理的角色，调解了蛋白质的降解。
（2）. 细胞信号转导蛋白质复合物在细胞中许多信号转导通路中起到了重要作用，如MAPK、PI3K等，它们具有复杂的调节机制和动态的分子互作。
蛋白质复合物结构预测的
溶剂
化能力愈低，则识别效果愈佳，
形
成的复合物愈稳定。
分子对接中的重要问题
分子对接的目的：配体-受体的最佳结合位置 问题：如何找到最佳结合位置及如何评价对接分
子之间的结合强度？
如何找到最佳结合位置：广泛采用遗传算法、
模拟退火、人工神经网络、傅里叶变换等。
实例
集成分子对接方法
图二：集成分子对接方法 HoDock 的流程图
结合位点预测
结合位点特性：
同时满足以下特征的可能是结合位点区域: 1）残基所形成的单体内部主链氢键暴露在水溶液中; 2）残基在蛋白质的功能慢运动模式中起铰链连接作用;
3） 残基所在块内密集程度高。
结合位点预测
单体结合位点预测方法：
BHSsite(Backbone Hbond Solvation site) 蛋白质体中能够同时形成蛋白质分子内主 链氢键又能与水分子相互作用的氨基酸残基。
-
G
B solv
G
A-B solv
H gas TS GsAolv GsBolv GsAolvB
从热力学观点来看：
生物分子的稳定构象是自由能最低的构象。
两个重要的原则
互补性：空间结构和电学性质的互补性
预组性：受体与配体在识别前，将受体中容
纳配体的环境组织得愈好，其
分子对接中过滤方法和柔性处理方法
图三 基于主链氢键包埋的过滤方法
打分和成簇
• 根据Boltzman分布规律，簇中相似结构的 数目越大，这个簇所处的状态自由能越低。 所以，一般从结构数目大的簇中挑选近天 然结构。
蛋白质-蛋白质复合物结构预测中 有待解决的问题
1）难以准确预测单体结合位点并实现两个蛋 白质中相应结合位点间的唯一配对；
蛋白质结构预测及分析技术研究
蛋白质结构预测及分析技术研究随着生物学、医学等科学领域的发展，对蛋白质的研究越来越深入。
在研究蛋白质的过程中，预测和分析蛋白质结构是非常关键的一步。
因为蛋白质结构的三维构象和功能密切相关，不同的结构可能会影响蛋白质的功能和相应的生物学过程。
本文将介绍蛋白质结构预测及分析技术的研究现状和新进展。
一、蛋白质结构的重要性蛋白质是生命体内最基本的单位，它们负责细胞代谢、储存、转运和感应信号等生物学过程。
一些重要的药物和生物催化剂也是蛋白质。
为了深入了解这些生物学过程和合成新的药物、生物催化剂，研究蛋白质的结构非常重要。
二、蛋白质结构预测技术目前，蛋白质结构预测技术大致可以分为两类：实验方法和计算方法。
前者包括X射线晶体学、NMR、电子显微镜等方法。
由于实验方法需要大量的样品和专业仪器设备，不同的蛋白质结构的分析方法也不同，因此在推广和使用上受到了一定的限制。
而计算方法则可以在计算机上预测和分析蛋白质结构，而且具有成本低、预测速度快等优点。
当前，计算方法是预测蛋白质结构的主要方法。
通过计算机模拟，可以加快预测的速度，同时准确性也在不断提高。
目前，计算方法可以分为三类：序列剖析方法、模板建模方法和支援向量机方法。
序列剖析方法主要是利用氨基酸序列中的保守结构信息来预测蛋白质的结构，例如PSIPRED、Jpred、PHD等。
模板建模方法则是利用已知结构相似的蛋白质作为模板，将目标蛋白质结构中未知的部分预测出来。
在这个过程中，利用已知的蛋白质结构与目标蛋白质进行比较，找到相似部分。
这种方法的主要算法包括HHPred、Phyre等。
支援向量机方法则是利用机器学习来预测蛋白质结构，通过创造分类功能和预测功能来进行分析。
SVM、AD-MP等都是该方法的代表。
三、蛋白质结构分析技术除了预测蛋白质结构，分析蛋白质结构是同样重要的一步。
通过分析蛋白质结构，可以更深入地了解蛋白质的生物学功能以及相关的生物学过程。
以下，我们将介绍常见的蛋白质结构分析方法，包括分子动力学模拟、结构对齐、可视化等。
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第四章蛋白质-蛋白质复合物结构的预测及分析(一)
一、分子对接原理
二、蛋白质复合物结构预测的意义
三、蛋白质复合物结构预测的方法
四、ZDOCK的使用
五、蝎毒素-钾通道的对接
六、正在发展的蛋白质对接技术
分子对接的原理
1、分子对接的理论基础
2、分子对接方法的分类
3、分子对接方法中的重要问题
4、小分子-蛋白质对接
1、分子对接的理论基础
最初思想---“锁和钥匙”的关系：一把钥匙开一把锁
空间形状上要互相匹配
分子对接的要求
形状的匹配
能量的匹配
两个重要的原则
互补性：空间结构和电学性质的互补性预组织：受体与配体在识别前，将受体
中容纳配体的环境组织得愈好，
其溶剂化能力愈低，则识别效
果愈佳，形成的复合物愈稳定。
分子对接的原理
1、分子对接的理论基础
2、分子对接方法的分类
3、分子对接方法中的重要问题
4、小分子-蛋白质对接
分子对接方法的分类
刚性对接(蛋白质-蛋白质)半柔性对接(小分子柔性)柔性对接(计算时间昂贵)
刚性对接
研究体系的构象不发生变化，常用于较大的研究体系(蛋白质-蛋白质、蛋白质-核酸)
半柔性对接
在对接过程中，研究体系尤其是小分子配体的构象允许在一定范围内变化(小分子柔性，大分子刚性。
在药物设计及数据库搜索中常用)
柔性对接
在对接过程中，研究体系的构象是可以自由变化的(一般用于精确考察分子之间的识别情况。
由于在计算过程中体系的构象是可自由变化的，因此柔性对接过程需要耗费较长的计算时间)。
分子对接的原理
1、分子对接的理论基础
2、分子对接方法的分类
3、分子对接方法中的重要问题
4、小分子-蛋白质对接
分子对接方法中的重要问题
分子对接的目的：配体-受体的最佳结合位置
问题：如何找到最佳的结合位置及如何评价对接分子之间的结
合强度？
问题1：如何找到最佳的结合位置广泛采用优化算法：遗传算法、模拟退火、人工神经网络、付里叶变换等。
问题2：如何评价对接分子之间的结合强度？
= △H gas-T△S-△G A solv-△G B solv+ △G AB solv △G
bind
△H
:分子力学的方法
gas
△G solv: 准确计算还存在一定的问题
T△S：最难的问题(normal-mode analysis---正交模式分析,1955---费时)
分子对接的原理
一、分子对接的理论基础
二、分子对接方法的分类
三、分子对接方法中的重要问题
四、小分子-蛋白质对接
小分子-蛋白质对接
Docking Softwares
DOCK: (Kuntz et al. 1982)-----Widely used
DOCK 4.0 (Ewing & Kuntz 1997)------Widely used AutoDOCK(Goodsell& Olson 1990)
AutoDOCK3.0 (Morris et al. 1998)
FlexX: (Rarey et al. 1996)
GLIDE: (Friesner et al. 2004)
CDOCKER (Wu et al. 2003)
CombiDOCK(Sun et al. 1998)
DIVALI (Clark & Ajay 1995)
GEMDOCK (Yang & Chen 2004)
约10种程序已商业化
优点
先导药物的高通量虚拟筛选
先导药物的计算机辅助设计与改造药物与靶标相互作用分子机制的阐明
一、分子对接原理
二、蛋白质复合物结构预测的意义
三、蛋白质复合物结构预测的方法
四、蛋白质复合物对接研究进展
五、ZDOCK的原理与使用
六、案例：蝎毒素-钾通道的对接
蛋白质组学研究目标
人类蛋白质-蛋白质相互作用网络
(Cell, 2005)
Motivation
•Biological activity depends on the specific recognition of proteins.
•Understand protein interaction networks in a cell •Yield insight to thermodynamics of molecular recognition
•The experimental determination of protein-protein complex structures remains difficult.
蛋白质-蛋白质
复合物空间结构预测
四大优点
预测活性区域解释实验现象
加速蛋白质
结构与功能
关系研究
阐明分子机制合理实验设计
一、分子对接原理
二、蛋白质复合物结构预测的意义
三、蛋白质复合物结构预测的方法
四、蛋白质复合物对接研究进展
五、ZDOCK的原理与使用
六、案例：蝎毒素-钾通道的对接
般流程
一、分子对接原理
二、蛋白质复合物结构预测的意义
三、蛋白质复合物结构预测的方法
四、蛋白质复合物对接研究进展
五、ZDOCK的原理与使用
六、案例：蝎毒素-钾通道的对接
重点:蛋白质的柔性
希望更多的人从事
蛋白质对接方法的应用研究!
一、分子对接原理
二、蛋白质复合物结构预测的意义
三、蛋白质复合物结构预测的方法
四、蛋白质复合物对接研究进展
五、ZDOCK的原理与使用
六、案例：蝎毒素-钾通道的对接
Main references
Y C o r r e l a t i o n X
1.准备两个蛋白质的空间结构(PDB文件)
2.人工删除PDB文件中所有氢原子的坐标
（能否编个小程序自动删除？）
3. 分别对两个蛋白PDB文件进行处理
命令格式：./mark_sur PDB new_PDB
电荷半径面积
ACE
类型ACE: atomic contact energy。