结构生物学--第7章--生物大分子结构数据库--ZH--2019
生物大分子的结构与功能
生物大分子的结构与功能第一篇生物大分子的结构与功能第一章氨基酸和蛋白质一、组成蛋白质的20种氨基酸的分类１、非极性氨基酸包括：甘氨酸、丙氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸、苯丙氨酸、脯氨酸２、极性氨基酸极性中性氨基酸：色氨酸、酪氨酸、丝氨酸、半胱氨酸、蛋氨酸、天冬酰胺、谷氨酰胺、苏氨酸酸性氨基酸：天冬氨酸、谷氨酸碱性氨基酸：赖氨酸、精氨酸、组氨酸其中：属于芳香族氨基酸的是：色氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸属于亚氨基酸的是：脯氨酸含硫氨基酸包括：半胱氨酸、蛋氨酸注意：在识记时能够只记第一个字，如碱性氨基酸包括：赖精组二、氨基酸的理化性质１、两性解离及等电点氨基酸分子中有游离的氨基和游离的羧基，能与酸或碱类物质结合成盐，故它是一种两性电解质。
在某一ＰＨ的溶液中，氨基酸解离成阳离子和阴离子的趋势及程度相等，成为兼性离子，呈电中性，现在溶液的ＰＨ称为该氨基酸的等电点。
２、氨基酸的紫外吸取性质芳香族氨基酸在280nm波长邻近有最大的紫外吸取峰，由于大多数蛋白质含有这些氨基酸残基，氨基酸残基数与蛋白质含量成正比，故通过对280nm波长的紫外吸光度的测量可对蛋白质溶液进行定量分析。
３、茚三酮反应氨基酸的氨基与茚三酮水合物反应可生成蓝紫色化合物，此化合物最大吸取峰在570nm 波长处。
由于此吸取峰值的大小与氨基酸开释出的氨量成正比，因此可作为氨基酸定量分析方法。
三、肽两分子氨基酸可借一分子所含的氨基与另一分子所带的羧基脱去１分子水缩合成最简单的二肽。
二肽中游离的氨基和羧基连续借脱水作用缩合连成多肽。
10个以内氨基酸连接而成多肽称为寡肽；39个氨基酸残基组成的促肾上腺皮质激素称为多肽；51个氨基酸残基组成的胰岛素归为蛋白质。
多肽连中的自由氨基末端称为Ｎ端，自由羧基末端称为Ｃ端，命名从Ｎ端指向Ｃ端。
人体内存在许多具有生物活性的肽，重要的有：谷胱甘肽〔GSH〕：是由谷、半胱和甘氨酸组成的三肽。
半胱氨酸的巯基是该化合物的要紧功能基团。
结构生物学
(HIV protease PDB:1a8k)
蛋白质功能与结构的主要类别－－分子开关
(Ras off and on PDB: 1pll and 121p)
蛋白质结构的稳定性
蛋白质需具有一定的结构稳定性才能行使其生物学功能
蛋白质稳定性可以定义为净自由能减少，一般为21-42 kJ/mol 三级结构由非共价和共价两类相互作用稳定，其中非共价相互作用为主
蛋白质四级结构
1. 蛋白质四级结构指的是相同或不同多肽链进一步相互 作用形成同源或异源寡聚 2. 分子间互补性对于四级结构的维持具有关键作用
3. 有时单个亚基必须在形成复合物状态时才能正确折叠
4. 不同亚基分子界面上的相互作用类型与稳定蛋白三级 结构的相互作用类型相似 5. 在分子间相互作用界面上可能会有被捕获的水分子
蛋白质功能与结构的主要类别－－结合
Myoglobin (PDB: 1a6k)
蛋白质功能与结构的主要类别－－结合
TATA binding protein (PDB: 1tgh)
蛋白质功能与结构的主要类别－－催化
(DNA polymerase PDB:3pw0)
蛋白质功能与结构的主要类别－－催化
AMP
AMP+AMPPNP/ATP
腺苷酸激酶(ADK)(PDB:2ak3,1ank)
蛋白质功能的不同层次
生化：酶催、信号、转运
遗传和细胞：表型、通路
生理和发育：综合多方面
结合 互补性 活性位点
分子识别和催化均依赖于互补性
分子识别依赖于蛋白质三级结构形成的特定微环境，而催化 反应则依赖于结合位点的特定微环境
蛋白质晶体示例
衍射
数据采集策略
1. 一般母体数据可选取1.0埃的X光波长采集（家用机在1.54 埃，同步辐射在1.0埃光质量较好） 2. 根据对称性、冗余度和信噪比确定所需扫描角度
第7章细胞质基质和内膜系统
(一) 内质网的形态结构与类型
• 内质网：膜厚5~6nm；由一层单位膜围成的管状、泡 状、扁囊状连接成网状；
• 内质网形态结构、分布状态、数量与细胞类型、生理 状态及分化程度极为相关；
• 内质网占膜系统的一半，占细胞总体积的10%以上。
扁囊状
小管 细胞膜 内质网 小泡
核膜
内质网的类型
(一)粗面内质网（RER):膜表面附着核糖体；形态多为板 层状排列的扁囊；网腔内含低电子或中等电子密度的物 质；多分布在分泌活动旺盛或分化较完善的细胞内。 (二)滑面内质网(SER):膜表面无核糖体附着；形态多为分 枝小管或小泡；多分布在一些特化的细胞中。
粗面内质网 核糖体 滑面内质网
(二) 内质网的化学组成
• 内质网膜含有的蛋白质比细胞膜的多(种类达30多 种)如粗面内质网膜上有SRP(信号识别颗粒)受体蛋 白；脂类较细胞膜的少，鞘磷脂少，卵磷脂多。
• 葡萄糖-6-磷酸酶(G-6-P酶)被视为内质网膜的标志 酶
(三) 内质网与细胞内其它细胞器的关系
细胞内房室化
6.蛋白质的修饰
1.辅基或辅酶与酶的共价结合 2.磷酸化与去磷酸化，用以调节很多蛋白质的生物活性。 3.糖基化。多数为O-连接的糖基化。 在哺乳动物细胞中把N-乙酰葡萄糖胺分子加到蛋白质的 丝氨酸的羟基上 。 4.蛋白质N端的甲基化修饰，使蛋白质维持较长的寿命。
例如：组蛋白 中间纤维 5.酰基化。 蛋白质与脂肪酸形成脂蛋白。 跨膜蛋白在内质网、高尔基体的转运过程中，暴露在细 胞质基质中的结构域被酰基化。
糖 蛋白
糖基转移酶 寡糖转移酶
寡糖链 与磷酸多萜醇相接 糖蛋白 与新生肽上的天冬酰胺相连
蛋白质边合成边糖基化
蛋白质糖基化的作用
生物大分子的结构与功能
生物大分子的结构与功能生物大分子是组成生物体的基本分子，包括蛋白质、核酸、多糖和脂质等，它们构成生物体内的各种生命活动，发挥着重要的生物学功能。
1.蛋白质的结构与功能蛋白质是生物体内数量最多、功能最复杂的大分子，由氨基酸经缩合而成，具有多种复杂的三维结构和功能。
蛋白质的结构包括四级结构：1、一级结构：蛋白质的氨基酸序列。
2、二级结构：是即α-螺旋和β-折叠等，由氢键、疏水作用和疏水相互作用等稳定。
3、三级结构：由多个二级结构元件组成，由极性和非极性键、静电作用和疏水相互作用等稳定。
4、四级结构：由两个或两个以上的蛋白质亚单位缩合而成。
蛋白质的功能非常复杂，包括酶、转运蛋白、抗体、调节蛋白、结构蛋白等。
酶是催化化学反应的蛋白质，转运蛋白是负责物质转运的蛋白质，抗体是负责免疫的蛋白质，调节蛋白是负责调节基因表达的蛋白质，结构蛋白是构建细胞结构和器官的结构蛋白质。
核酸是生物体内贮存、表达和传递遗传信息的大分子，由核苷酸经缩合而成。
核酸的结构包括两种：DNA和RNA，其结构都由磷酸基团和核苷酸组成。
DNA是双螺旋结构，由四种不同的核苷酸基团经糖苷键缩合而成，以AT和GC两对互补碱基配对方式连接。
RNA结构比较单一，由单股链沿不同方向上的磷酸、核糖和氮碱基组成。
核酸的功能主要包括三种：遗传信息贮存、转写和翻译。
DNA的遗传信息贮存，通过转录转化成RNA之后，再通过翻译转化为蛋白质，实现生命活动。
多糖是由一种或多种单糖组成的大分子，广泛存在于生物体内，可分为结构多糖和功能多糖。
结构多糖为主导构建细胞和组织的结构分子，如纤维素、蛋白多糖和聚糖等，可提供强大的机械强度支撑；功能多糖包括能量储备物质、生物信号分子和免疫分子等，如淀粉、糖原和壳聚糖等。
多糖的生物功能与其结构密切相关，不同的多糖丰富多彩的生物活动。
脂质是由脂肪酸和酒精等分子组成的大分子，主要存在于细胞膜中，起着维持细胞膜完整性、保护细胞和构建细胞信仰的作用。
第一专题生物大分子的结构与功能-文档资料157页
（三）核苷
核苷 戊糖+碱基 糖与碱基之间的C-N键，称为C-N糖苷键
5’
4’
1’
3’ 2’
(OH)
5’
4’
1’
3’ 2’
(OH)
核酸中的各种核苷
NH2
OH
N
NN
N
NH2 N
OH N
NN HOCH2 O
HH
H2N N N
HO N
HO N
HOCH2 O
HOCH2 O
HOCH2 O
HH
HH
HH
H
H
原核生物 5S rRNA 23S rRNA 16S rRNA
结构特征：单链，螺旋化程度较tRNA低 与蛋白质组成核糖体后方能发挥其功能
5S RNA的二级结构
（四）mRNA的分子结构
* mRNA成熟过程
内含子 (intron)
外显 子 (exon)
13
1
23 8
16
L=23,T=25,W=–2
负超螺旋
DNA超螺旋结构形成的意义
DNA超螺旋结构整体或局 部的拓扑学变化及其调控对 于DNA复制和RNA转录过 程具有关键作用。
2. DNA在真核生物细胞核内的 组装
真核生物染色体由DNA和蛋白质构
成，其基本单位是 核小体
(n核ucl小eo体som的e组)。成
松弛环形
公式1： L=T+W
10 15
L——连环数，DNA双螺旋中一条链以右手螺旋绕另
一条链缠绕的次数。
T——DNA分子中的螺旋数
W——超螺旋周数或扭曲数
公式2： λ =（L-L0）/L0 λ ——超螺旋度 L0——松驰态DNA连环数
生物大分子的结构和作用机制分析
生物大分子的结构和作用机制分析生物大分子是由生物学常见的蛋白质、核酸、多糖和脂质等组成的，这些大分子都具有不同的序列、结构和功能。
在生物体内，它们的相互作用影响着细胞的生命活动。
本文将从分子结构和作用机理两方面，对生物大分子进行深入分析。
一、蛋白质的结构蛋白质是生命体内最复杂、最重要的大分子之一，它们存在于细胞内质和细胞外环境中，担任着构成细胞结构、调节代谢环节等多种重要的生理功能。
蛋白质的结构一般可分为四级：1.一级结构一级结构是描述蛋白质最基础的结构，是指蛋白质分子中氨基酸按照一定顺序线性排列而成的序列结构。
其中每个氨基酸残基都具有一个氨基和一个羧基，以及特有的侧链。
蛋白质中氨基酸的序列决定了蛋白质的生物特性和功能。
2.二级结构二级结构是指蛋白质分子中两个氨基酸残基之间的化学键的排布和方向规律。
β折叠和α螺旋是最常见的二级结构类型，β折叠是由两个氨基酸残基之间的氢键相连拼成的平面结构，而α螺旋是由一条顺畅的氨基酸链在空间中拜环而成的结构。
3.三级结构三级结构是指蛋白质在二级结构基础上，立体构型的折叠形态。
蛋白质的折叠是通过氢键、静电作用、疏水效应和范德华力等相互作用相继发生的，使蛋白质的氨基酸序列在空间中呈现出特定的3D结构。
4.四级结构四级结构是指蛋白质由两个或更多的多肽链（亚基）共同组成的立体构型。
许多蛋白质在四级结构中通过非共价键，相互作用以及协同作用来起到生物学功能。
如血红蛋白就是通过多肽链之间的非共价交联而形成的。
二、蛋白质的作用机制蛋白质在细胞中涉及到许多生物学功能，在大分子识别、催化酶反应、细胞信号传递、膜蛋白转运等生物过程中发挥着重要的作用。
1.蛋白质识别分子机制蛋白质的分子识别机制是依靠“钥匙-锁”原理实现的。
一些蛋白质本身具有特定的配体结构，当特定的小分子结构与配体相匹配时，使得蛋白质与分子结合，形成相应的生物学功能。
2.催化酶反应机制许多生物过程中，催化酶可加速其反应速度和特异性。
生物大分子的结构和功能研究
生物大分子的结构和功能研究生物大分子是生命存在的基础，这些巨大的分子包括蛋白质、核酸和多糖，在生物体内发挥着重要的功能。
在寻求对生物大分子的深入了解的同时，人们不断研究和探索着它们的结构和功能。
一、蛋白质的结构和功能蛋白质是生物大分子中最为广泛的一类，其结构和功能十分复杂多样。
研究表明，蛋白质的功能与其三维结构密切相关，而蛋白质的结构又分为四级：一级结构是蛋白质的氨基酸序列，二级结构是蛋白质的α-螺旋和β-折叠，三级结构是蛋白质的空间结构，四级结构是由两个或更多的蛋白质单元形成的复合体。
更具体而言，蛋白质通过与其他生物大分子相互作用，发挥着催化、运输、传递和支持等生命活动中至关重要的作用。
二、核酸的结构和功能核酸是指DNA和RNA两种巨大的双链分子，是存储和传递遗传信息的主要媒介。
核酸的结构也是复杂多样的，其中DNA呈双螺旋结构，由四种碱基组成，这四种碱基分别为腺嘌呤、鸟嘌呤、胸腺嘧啶和鳥嘧啶。
RNA则是单链分子，由核苷酸基本单元组成，核苷酸又由一个五碳糖、一个磷酸基团和一个硝基组成。
一旦遇到信号，核酸会自我复制和修复，同时与其他分子相互作用，控制蛋白质合成等生物学过程。
三、多糖的结构和功能多糖是一类由许多单体糖分子绑定在一起形成的极长链状分子，具有广泛的生物学功能。
多糖被分为三类：结构多糖、能量储存多糖和生命活动调节多糖。
其中，结构多糖作为组成细胞壁、结缔组织和骨骼等的重要成分，对维持生物体形态、机能和强度都有着重要贡献。
储存多糖如淀粉贮存于植物细胞中，是植物获得能量的重要途径。
生命活动调节多糖如胰岛素则与调节体内葡萄糖水平相关，发挥着调节葡萄糖代谢的作用。
总之，研究生物大分子的结构和功能对了解生物体内的许多生命活动将具有极大的帮助。
未来，人们将继续钻研这些生物分子的工作，以更好地理解它们的结构、功能和生理学过程。
生物大分子结构与功能关系分析
生物大分子结构与功能关系分析生命活动离不开生物分子的作用，其中大分子在生命体内扮演着至关重要的角色。
生物大分子既有多样性，也有一定程度的相似性。
从细胞核酸、细胞质蛋白质、膜上脂类和多糖等角度出发，本文将探讨生物大分子结构与功能之间的关系。
一、细胞核酸细胞核酸是构成生命体的基础，其中DNA是基因的主要组成部分，RNA则负责传递和转换遗传信息。
DNA和RNA的分子结构基本相同，都是由氮碱基、磷酸基团和五碳糖核苷酸组成的。
其中氮碱基的排列顺序决定了不同的生物大分子所携带的遗传信息。
DNA中的碱基配对规则为A-T和G-C，RNA中的碱基配对规则为A-U和G-C。
DNA的碱基配对规则在双螺旋结构中起到了至关重要的作用。
双螺旋结构是由两条相互笼合的链股组成，两条链股通过氢键相连并形成了一个稳定的螺旋。
DNA双螺旋结构的稳定性取决于两条链股之间的A-T和G-C碱基配对数目及其位置。
在DNA复制和转录过程中，新生链股的合成都需要遵守碱基配对规则并匹配原有的模板链股。
RNA的分子结构比DNA简单，形态多样，但是同样也具有稳定的二级结构和三级结构。
例如，mRNA是以线性分子形式传递信息的，而tRNA则具有折叠成三叶草状的二级结构。
RNA的稳定性取决于核苷酸链的序列和空间构型。
二、细胞质蛋白质细胞质蛋白质是生命体中最为重要的分子之一，它们不仅构成了细胞结构，还是生命体的起动机。
细胞质蛋白质的结构可以分为四级结构，其中一级结构是由氨基酸链股组成的线性分子，二级结构是由氢键和其他作用力组成的空间构形，三级结构是由氢键、离子键和半胱氨酸二硫键等强作用力产生的空间构形，四级结构是由多个蛋白质亚基组装而成的复合体。
细胞质蛋白质的一级结构是由氨基酸链股组成的，其中20种不同的氨基酸以不同的顺序排列而成。
在氨基酸中，侧链部分的不同对蛋白质的空间构型和功能影响巨大。
因此，蛋白质的组成和稳定性都受到一级结构的调控。
氢键对细胞质蛋白质的二级结构形成起到了重要作用。
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/pdb/
wwPDB In 2003
✓RCSB PDB (USA) ✓PDBe (UK) ✓PDBj (Japan) ✓BMRB (USA) ：Biological Magnetic
作业1和2
• 1. 在pdb数据库中查找单克隆抗体的结构(PDB号:1igt )。找 出结晶条件、分辨率、Rfactor、Rfree、空间群。
• 2. 在PDB数据库中下载该结构，用PyMOL软件做一张该单 克隆抗体的图片。要求cartoon形式展示（show(S)-cartoon ），去除水分子(hide(H)-water)，分别用紫黄两色色表示抗 体的重链和轻链(做这个大家可以尝试，我会课堂演示)，在 图片上标记抗体各区域的名称。图片背景为白色（displaybackground-white），分辨率300 dpi。
• 实验（X射线晶体衍射、核磁共振NMR、电子显 微镜）测定的生物大分子的三维结构。
• 其中主要是蛋白质的三维结构，还包括核酸、糖 类、蛋白质与核酸复合物的三维结构 。
3. PDB数据格式
PDB的数据结构：对于每一个结构，包含名称、 参考文献、序列、一级结构、二级结构和原子坐 标等信息
分子类别— PDB文本文件， 用写字板打开 转运蛋白
结构生物学 第7章 生物大分子结构数据库
及结构比对 ZH 2019-05
蛋白质结构数据库
Protein Data Bank（PDB）
一、PDB(Protein Data Bank）
1.PDB概述 最重要的蛋白质分子结构数据库 1971年代建立于美国Brookhaven国家实验室 1988年由美国结构生物信息学研究合作组织
• 与序列比对一样，蛋白质结构比对本质上也是 一个优化问题，因此，可以通过动态规划算法 进行求解。
7. PDB 101
About PDB-101 • PDB-101 helps teachers, students, and the
general public explore the 3D world of proteins and nucleic acids. Learning about their diverse shapes and functions helps to understand all aspects of biomedicine and agriculture, from protein synthesis to health and disease to biological energy. • "101", as in an entry level course
基本方法
• 假设蛋白质的结构是刚性的，因此所采用的几 何变换只涉及平移和旋转。
• 首先针对蛋白质中各个二级结构，检查它们出 现的次数、类型及相对位置是否相似；
• 再详细检查Ca原子之间的距离，分析这两个结 构能以多大的程度重叠在一起。在许多结构比 较方法中，Ca之间的距离是一个重要的参数。
• 更细致的结构比较需要考虑侧链的信息。
4.生物大分子结构数据查询
PDB中的记录有唯一的PDB-ID，包括4个字符 串，可由大写字母A-Z和数字0-9组合而成 例如：查询PDB号：4D50
/pdb/
Structure 3D view on PDB
Structure 3D view：JSmol
5. PDB数据下载
• 下载后的结构在结构显示软件PyMOL中的展示、分析
PyMOL –
Molecular Graphics System
A free, open-source tool to visualize molecules
6.PDB蛋白质结构比对平台 platform of structure alignment on PDB
11 16 20 2 26
38
46
M或
原 原 残 链 残基 X
Y
HETAT
子 子 基 标 序列 坐
坐
M”
序名 名 识 号
标
标
列称
符
号
连 通 性 部 分
47- 55- 61-
54 60 66
Z
位温
坐
置度
标
因
子
77- 79-
78 80 元原 素子 符带 号的
电 荷
PDB数据格式实例
PDB数据格式实例该文件的公 来自日期该化合物 的pdb代
码
标
题
部 分
该化合物的 来源
结构测定者 名字
REMARK是此pdb文件的参 考书目、最大分辨率、注解
等
一 级 结 构 杂 原 子
二 级 结 构
连 接 注 释 坐晶 标胞 变特 换征
及
坐 标 部 分
1-6
7- 13- 18- 2 23- 31- 39-
“ATO
Resonance Data Bank
/pdb/
As of 22 May 2019 the PDB contains 152151（4629）entries
PDB Data Distribution by Molecular Weight
2. PDB数据来源
作业3
• 使用同源建模法（ SWISS-MODEL ）预测下面蛋白质序列 的三维结构。
• >KMZ72073.1 MHRLFTSPAGSCHSMEKKSLKLLTFFLLVLVLAGRSVNVEGVSYDYSVTIECLEEPLKPQYGGGMIVNPEFTGSNGGIN GWSMISGNRMIDSVEIRESKSGNRFAVSRNPPYQILQNLNLNTTMLYTFSAWVQLGGIGDEQDVPVSAVFRTNDYGYN FVAGTVMARSGCWSMMKGGITVNVTGSFDLFFEVRNISSEVEIWIDSVSLQAFTDEEWASHRRDSIENLRKKRVRFLVK DSTGNPQANSTIGIIQKRSGFPFGCAISSQILTNPGYANWYTSRGFTVTTFENEMKWYDTEKWQGHEDYGKADRMLAF AKHHGLAVRGHAVFWDDPKYQTAWVKSLSSNALRIATERRINSVMNRYKGNVIAWDVVNENLHFSFLENKLGRGVSQH FYQRAADIDRHALLFMNEFNTLAQPGDRAVTPAKYLQKINIMSRGKNLRGRLAIGLESHFNPNPSLPYVRSALDTISAHR FPVWLTEVDVSSGPSQARDLENVLREGHAHPGVHGIVIWGAWRPQGCYAMCLTDNNFRNLPTGDVVDKLIREWRHSP ISTISVKTDSHGVFETDLFHGEYSLSLPTMDGNSSFEMNFSVVPDQNSDTKVVEFVVA
structural alignment
• 蛋白质序列比对：一条序列平行地排在另外 一条序列的上方，通过插入或删除操作，使 得每一列对应的氨基酸尽可能地相同；
• 结构比对：一个蛋白质结构叠放在另外一个 结构之上，通过结构的空间变换，使得两个 结构中各个对应的原子空间位置尽可能地重 叠；
• 序列比对的目的是为了发现序列之间的相似 性，而结构比对的目的则是为了发现结构之 间的相似性。