蛋白质结构分析及三维可视化 以镰刀型红细胞贫血症为例 正常成人血红蛋白是由两条α链和两条β链相互结合成的四聚体，α链和β链分别由141和146个氨基酸顺序连结构成。镰状细胞贫血患者因β链第6位氨基酸谷氨酸被缬氨酸所代替，形成了异常的血红蛋白S（hemoglobin S，HbS），取代了正常血红蛋白（HbA），在氧分压下降时HbS分子间相互作用，成为溶解度很低的螺旋形多聚体，使红细胞扭曲成镰状细胞（镰变）。

课程工具 PYMOL 下载地址： Bis.zju.edu.cn/Download/download/protein_structure/pymol/ 1.Linux 2.win32(扩展名man改msi) 3.win64(扩展名man改msi) 4.mac

课程内容 蛋白质结构简介 常见的蛋白质相关数据库 三维结构可视化练习(PYMOL)

Aliphatic: 脂肪链 Aromatic：芳香族 Acidic：酸性 Basic：基本 Hydroxylic：羟基 Sulfur-containing： 含硫 Amidic：酰胺

考虑氨基酸理化性质时注意的主要因素：侧链基团的大小， 和疏水性。常根据氨基酸侧链的疏水性进行分类

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蛋白质的生物功能由蛋白质的结构所决定 确定蛋白质结构方法: 实验方法 预测方法 X-射线衍射 核磁共振 冷冻电镜 同源建模 从头预测 核磁共振（NMR）做为结构分析的主要手段之一，迄今为止相关研究成果已获得5次诺贝尔奖。 第1次，美国科学家Rabi发明了研究气态原子核磁性的共振方法，获l944年诺贝尔物理学奖。 第2次，美国科学家Bloch（用感应法）和Purcell（用吸收法）各自独立地发现宏观核磁共振现象，因此而获1952年诺贝尔物理学奖。 第3次，瑞士科学家Ernst因对NMR波谱方法、傅里叶变换、二维谱技术的杰出贡献，而获1991年诺贝尔化学奖。 第4次，瑞士核磁共振波谱学家Kurt Wüthrich，由于用多维NMR技术在测定溶液中蛋白质结构的三维构象方面的开创性研究，而获2002年诺贝尔化学奖。同获此奖的还有一名美国科学家和一名日本科学家。 第5次，美国科学家Paul Lauterbur于1973年发明在静磁场中使用梯度场，能够获得磁共振信号的位置，从而可以得到物体的二维图像；英国科学家Peter Mansfield进一步发展了使用梯度场的方法，指出磁共振信号可以用数学方法精确描述，从而使磁共振成像技术成为可能，他发展的快速成像方法为医学磁共振成像临床诊断打下了基础。他俩因在磁共振成像技术方面的突破性成就，获2003年诺贝尔医学奖。 冷冻电镜 2017年诺贝尔化学奖

X射线衍射 测定蛋白质结构最精确的方法，目前80％已知的结构是通过这种技术测定的 蛋白质溶液样品必须有足够高的浓度和纯度，并在合适条件下形成晶体 X-射线的波长为0.05~0.15nm，适合测量原子间距离，蛋白晶体将X光衍射到探测装置，晶体结构可以通过衍射图推导得到

核磁共振 Nuclear magnetic resonance，NMR 将蛋白质溶液至于磁场中，通过测量溶液中蛋白质指定原子共振之间的扰动来测定核间距离，从中推测蛋白结构 测量的是原子核的相互作用，测定产生的时原子核间距离的数据集 不需要复杂的蛋白质结晶过程，但是蛋白质必须在接近于晶格中蛋白浓度的情况下可溶，适用于分子量小于50kDa的蛋白质

冷冻电镜 冷冻电镜始于玻璃化，在此过程中，蛋白质溶液迅速冷却，以至于水分子来不及结晶，从而形成对样品结构几乎没有破坏的非结晶固体（这一过程称为玻璃化）。随后，将根据颗粒浓度、分布和取向来筛选样品。接下来，将获取一系列图像，并通过计算提取二维类。最后，数据经过重构软件的处理，生成准确、详细的亚细胞和分子级复杂生物结构 3D 模型。

结构预测 同源建模 已有同源序列的结构信息 从头预测 CASP(Critical Assessment of Techniques for Protein Structure Prediction)

蛋白质结构数据库 PDB Protein DataBank MMDB （Molecular Modelling DataBase），包含了从PDB获取的实验确定的生物高聚物结构分子模型数据库 SCOP （Structural classification of proteins） 英国医学研究会（MRC）剑桥分子生物学实验室开发的蛋白质结构分类数据库。包含描述蛋白质域的家族、超家族、折叠、等级等信息。http://scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop http://databasecommons.org/browse.jsp?datatype=Structure

http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do

蛋白结构可视化

课堂练习 1. 人类肌红蛋白(3rgk)和抹香鲸肌红蛋白(1mbn)差异比较 2.从数据库中下载感兴趣的pdb文件观察其蛋白结构模型

Pymol Pymol: python + molecule 开源 产生高质量三维结构图像

Pymol GUI External GUI Internal GUI

Names panel Mouse matrix Command line Movie controls

Other tips 调整输出图片的分辨率 Ray *,* 比对两个分子，action -> align 更改背景颜色，display -> background ……

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