本科院校-基础医学-生物信息学-第十章 蛋白质结构分析

本科院校-基础医学-生物信息学-第十章蛋白质结构分析

单选题A11.膜蛋白的解析主要采用的实验方法是答案：(C)A:X-射线晶体分析法B:核磁共振方法C:冷冻电子显微镜技术D:免疫共沉淀技术E:酵母双杂交系统

单选题A12.关于蛋白质结构的叙述正确的是答案：(A)A:二硫键对稳定蛋白质的构象起重要作用B:当蛋白质放入水中时，带电荷的氨基酸侧链趋向于排列在分子的外面C:蛋白质的一级结构决定高级结构D:氨基酸的疏水侧链很少埋在蛋白质分子的内部E:蛋白质的高级结构主要是指三级结构和四级结构

单选题A13.有关alpha;-螺旋的叙述错误的是答案：(C)A:分子内的氢键使alpha;-螺旋稳定，减弱R基团间不利的相互作用使alpha;-螺旋稳定B:减弱R基团间不利的相互作用使alpha;-螺旋稳定C:疏水作用使alpha;-螺旋稳定D:在某些蛋白质中，alpha;-螺旋是二级结构中的一种类型E:脯氨酸和甘氨酸残基使alpha;-螺旋中断

多选题4.关于蛋白质结构的叙述正确的是答案：(ABCD)A:一级结构是决定高级结构的重要因素B:带电荷的氨基酸侧链伸向蛋白质分子表面C:氨基酸侧链的疏水基团和辅基分布在分子内部D:一种蛋白质可以有多个不同的结构域E:不同的蛋白质具有相同的生物学功能是因为有相同的结构域

多选题5.蛋白质三维结构数据库主要有答案：(BDE)A:DSSPB:FSSPC:PROSITED:CATHE:SCOP

名词解释题6.结构域答案：(结构域(domain)是构成蛋白质亚基的紧密球状区域，在蛋白质中可以具有相对独立三级结构的部分，通常由一个基因外显子编码，并可具有特定的功能，在较大的蛋白质中结构域之间通过较短的多肽柔性区互相连接，也是蛋白质构象中二级结构与三级结构之间的一个层次，它是在较大的蛋白质分子中，由于多肽链上相邻的超二级结构紧密联系，形成在空间上可以与蛋白质亚基结构明显区别的结构形态。一般每个结构域由100～200个氨基酸残基组成，各有独特的空间构象，可承担特定的生物化学功能。)

名词解释题7.蛋白质高级结构答案：(蛋白质二级结构、超二级结构、三级结构及四级结构统称为高级结构。蛋白质高级结构(advancedstructuresofprotein)即蛋白质构象(conformation)，有其自身形成规律；活性蛋白质有最适构象但此构象有动态性(dynamicity)。)

简答题8.简述蛋白质三级结构特征及其分类。答案：((1)稳定的活性水溶性蛋白质构象有如下特征：①疏水性侧链主要集中在内部，尽可能多的亲水侧链分布在表面；在蛋白质表面通过氢键结合水分子生成水化膜以稳定蛋白质。②通过表面对应区域的形状和理化性质互补和多位点协同实现与相应分子的特异性相互作用。③球状蛋白质结构有柔韧性，且总处于亚稳定状态，不仅结构动态可变，且在结构变化到显著改变其活性之前还可逆恢复构象并恢复活性；不同结构区域可相对独立发挥作用，但依赖于整体的结构；当整体构象发生显著改变后(即变性)，局部结构将难以维持，局部功能也难以维持。这些特征是识别水溶性蛋白质活性位点、相互作用位点的重要依据。(2)膜蛋白三级结构难结晶。(3)按照蛋白质三级结构中二级结构的折叠和组装，分类如下：全alpha;-螺旋、全beta;-折叠、alpha;-螺旋/beta;-折叠，还有少量alpha;-螺旋+beta;-折叠类。)

简答题9.简述解析蛋白质高级结构的意义。答案：(主要从直接预测蛋白质功能、预测蛋白质互作和蛋白质复合物在生命过程中的作用、解释特定结构对复杂疾病影响等方面进行回答即可。)

简答题10.基于结构如何对蛋白质进行分类?如何预测蛋白质的功能?答案：((1)基于结构蛋白质的分类参考如下：①通常按二级结构组装模式对蛋白质进行分类。蛋白质二级结构组装模式主要是全alpha;-螺旋、全beta;-折叠、alpha;-螺旋/beta;-折叠，还有少量alpha;-螺旋+beta;-折叠类。全alpha;-螺旋蛋白质几乎不含beta;-折叠，主要由alpha;-螺旋加上连接结构组成，典型代表如人血清白蛋白和细菌视紫红质；全beta;-折叠蛋白质几乎不含alpha;-螺旋，由beta;-折叠和连接结构组成，代表如人晶状体蛋白和某些离子通道；alpha;-螺旋/beta;-折叠蛋白质指中心为beta;-折叠外围为alpha;-螺旋的蛋白质，如细胞表面标志蛋白CD98及糖酵解的绝大多数酶蛋白；alpha;-螺旋+beta;-折叠类蛋白质指含有alpha;-螺旋和beta;-折叠，且中间有beta;-转角等其他结构进行分隔，其规律性较弱且较少见，典型代表如TATA-盒结合蛋白。②另外，目前两大蛋白质分类数据库SCOP和CATH也给出了相应的分类标准，参考如下：在SCOP数据库中，按照从简单到复杂的顺序对蛋白质进行分类，分类基于四个层次，位于分类层次顶部的是类(class)，之后依次为家族(family)，超家族(supperfamily)、折叠子(fold)、蛋白质结构域(proteindomain)、单个PDB蛋白质结构记录。SCOP数据库可以通过其分级结构导航进行浏览，用关键字、PDB标志码查询，或通过一个蛋白质序列进行同源搜索。在各个分类层次中，家族用来描述相近的蛋白质进化关系；超家族用来描述远源的进化关系；折叠子用来描述空间的几何关系。在SCOP数据库中结构域又被分为以下几类：全alpha;-螺旋，全beta;-折叠，alpha;-螺旋和beta;-折叠，alpha;-螺旋加beta;-折叠以及复合结构域。CATH分别是数据库中四种分类类别的首字母，即蛋白质的种类(class，C)，蛋白质中二级结构的构架(architecture，A)、蛋白的拓扑结构(topology，T)和蛋白质同源超家族(Homologoussuperfamily，H)。与SCOP不同的是，CATH把蛋白质分为4类，即全alpha;、全beta;，alpha;-beta;(alpha;/beta;型和alpha;+beta;型)和低二级结构类。低二级结构类是指二级结构成分含量很低的蛋白质分子。CATH数据库的第二个层次为由alpha;-螺旋和beta;-折叠形成的超二级结构排列方式，而不考虑它们之间的连接关系。形象地说来，就是蛋白质分子的构架，如同建筑物的立柱和横梁等主要部件，这一层次的分类主要依靠人工方法。第三个层次为拓扑结构，即二级结构的形状和二级结构间的联系。第四个层次为结构的同源性，它是先通过序列比较然后再用结构比较来确定的。除了以上提到的四种分类外，CATH数据库还有另外一种分类层次为序列层次，在这一层次上，只要结构域中的序列同源性大于35%，就被认为具有高度的结构和功能的相似性，从而被划分为在同一序列家族(sequencefamily)中。(2)利用蛋白质的高级结构信息预测蛋白质功能包括：基于基序的方法、基于表面的方法和基于学习的方法等。①基于基序的方法(motif-basedapproaches)通过识别功能相关的蛋白质中保守的三维基序，并建立这些保守的基序和保守的蛋白质功能间的映射关系用于预测目标蛋白质的某些生物化学功能。这种基于结构比对的保守性分析策略是预测未知功能酶蛋白的有效手段。相应的软件有SITE、TESS、模糊功能形态(FFF)、SPASM等。②基于表面的方法(surface-basedapproaches)对给定蛋白质进行表面模型化，利用与结构相关联的蛋白质表面模型，识别蛋白质表面上的结构(如空间特性或穴等)特征，进而利用这些特征来推断蛋白质功能。与基序分析相似，蛋白质结构模型可以通过蛋白质分子表面的互补性来展示在氨基酸或原子水平下由分子内相互作用所体现的特定的生化功能。例如，疏水性表面经常作为相互作用分子之间的接口，静电分子表面也常被用来解释蛋白质功能。这些方法必须基于两个蛋白质表面之间的匹配模型，常用图论技术解决结构匹配问题。SURFACE数据库提供对输入蛋白质进行局部表面特征模式(localsurfacepatterns，clefts)识别进而进行蛋白质功能注释的系统。③基于学习的方法(learning-basedapproaches)是利用有效的分类方法，从最相关的结构特征中识别最合适的功能类别，如SVM和KNN等分类方法。基于学习的方法以蛋白质结构特征作为分类依据，功能分类作为样本标签，通过数据对象之间的相似性矩阵对训练蛋白质进行结构与功能关系的评估。)

简答题11.简述实验解析蛋白质高级结构方法的特点。答案：(目前蛋白质结构分析主要有蛋白质晶体X-衍射分析、核磁共振波谱和冷冻电镜技术等。此外，高通量的酵母双杂交系统和免疫共沉淀技术可用于分析蛋白质问的相互作用，这也是结构生物信息学中分析蛋白质四级结构状态的有力工具。①蛋白质晶体结构X-衍射分析。X-射线晶体分析法(X-raydiffractioncrystallography)是解析生物大分子结构的基本方法，也是目前分辨率最高的方法，已用于解析了大量蛋白质的三维结构该法需要将待分析的蛋白质形成晶体，所用蛋白质样品量很大，故常将该蛋白质的基因克隆到表达载体在特定宿主细胞(如大肠埃希菌)中诱导表达，纯化后优化条件结晶；然后将晶体进行X射线衍射，收集并整合相应的衍射图谱，通过复杂的计算和数据解析过程得到蛋白质中的原子坐标信息。目前，X射线衍射测定蛋白质结构需要人工处理大量复杂的数据，生成本和效率方面还有待改进。②核磁共振波谱分析。NMR是研究蛋白质与蛋白质、蛋白质与小分子配体间相互作用的动力学特征和性质的有效手段。与X-衍射晶体分析技术相比较，NMR技术尽管在蛋白质结构测定中限制较大，但其无须制备晶体，故NMR法常用于解析无法获得晶体的蛋白质或膜蛋白的结构。③冷冻电子显微镜技术。冷冻电子显微镜技术是从20世纪70年代提出的，在20世纪80年代趋于成熟，已成为研究生物大分子结构与功能的强有力手段。冷冻电子显微镜技术主要用于蛋白质及其复合物的外部形貌观察，可用不同的方法对均一的(如膜蛋白的二维晶体，二十面体对称的病毒等对称结构)和不均一的(如核糖体等)样品进行三维结构重构，同时可应用的蛋白质分子大小范围很宽。冷冻电子显微镜技术观察生物大分子的空间构象需要借助生物信息学方法、模式识别(patternrecognition)、数据库分析和同源建模(homologymodeling)等技术的整合。由冷冻电镜技术所获得的蛋白质三维结构与X射线晶体技术非常相似，而且其信噪比非常低，并适合于膜蛋白的分析。此技术目前应用面并不太广，也没有形成相应的数据库。)

简答题12.简述蛋白质超二级结构分类。答案：(超二级结构主要有：①beta;-转角或Omega;环等连接连续四个alpha;-螺旋形成的四tr螺旋捆；②中部固定位置含有亮氨酸及其他疏水侧链氨基酸残基、在螺旋两端含有强亲水侧链氨基酸的alpha;-螺旋组成的亮氨酸拉链；③一条主链中相邻七个两亲alpha;-螺旋通过过渡结形成的七次穿膜螺旋组；④连续主链中两段alpha;-螺旋连接三段beta;-折叠链形成的Rossmann折叠；⑤beta;-转角连接alpha;-螺旋构成的alpha;-螺旋-beta;-转角-alpha;-螺旋；⑥Omega;环连接alpha;-螺旋构成的alpha;-螺旋一n环alpha;-螺旋等；⑦beta;-折叠都为超二级结构。)

简答题13.阐述蛋白质高级结构分类及组成。答案：(蛋白质高级结构即蛋白质构象，活性蛋白质均有最适构象且其构象有动态性。蛋白质构象包含二级结构、超二级结构、三级结构及四级结构信息。①蛋白质的二级结构是指多肽链主链骨架盘绕折叠而形成的构象，借氢键维系。其主要分为a-螺旋、beta;-折叠、beta;-转角及无规卷曲等。②超二级结构指位于同一主链的多个二级结构组装形成的特定组装体，可直接作为三级结构或结构域的组成单元，是从蛋白质二级结构形成三级结构的一个过渡结构形式，也称为立体结构形成的模体。超二级结构通常并不对应生物化学功能，但其结构模式是解析蛋白质组装机制的关键信息之一。而结构域一般是由100～200个氨基酸残基组成，各有独特的空间构象，可承担特定的生物化学功能。③蛋白质三级结构即蛋白质分子中所有共价相连原子的空间相对位置，由多肽链在二级结构的基础上进一步盘绕和折叠形成；蛋白质如有特殊的必需辅基，其三级结构也包括来自这类辅基的原子的空间位置。稳定蛋白质三级结构主要靠氨基酸侧链之间的疏水相互作用、氢键、二硫键、范德华力和静电作用等。不同类型的蛋白质局部结构分解后可具有很高的相似性，但在三级结构层面不同蛋白质所体现的各自整体结构特征通常不同。④四级结构是独立三级结构形成的复合物。形成四级结构全部依靠非共价键相互作用，且来自不同亚基的二级结构间可发生强的相互作用以稳定四级结构，如生成跨亚基的更大beta;-折叠结构或a-螺旋聚集体；其中，氢键、疏水相互作用和静电作用是主要维持力。为了形成稳定的四级结构，必然要求相互作用的任两个蛋白质问在空间外形互补以增加接触面且理化性质互补。这些特征也是预测蛋白质间相互作用时有用的辅助依据。通常四级结构能可逆解离或聚合并多数伴随活性的显著改变，这是蛋白质序列改变后蛋白质构象改变并改变蛋白质聚集状态从而引起疾病的重要机制。在外观形状上，偶数亚基形成的四级结构具有较高的对称性，包括中心对称和二面体对称等方式。水溶性四级结构蛋白质主要是球形，而胶原和鞭毛等蛋白质具有纤维状四级结构，其水溶性较差。具有四级结构的蛋白质通常有多个相同或不同的活性位点，比单纯的三级结构蛋白质具有更复杂的功能和调节机制。特别是形成同亚基的四级结构，对生物体是一种简约化的行为，因为可用短的基因片段编码一个很大的蛋白质，这无疑比直接编码一个大蛋白质节约且可靠。)

简答题14.简述蛋白质二级结构分类及主要特征。答案：(蛋白质的二级结构是指多肽链主链骨架盘绕折叠而形成的构象，借氢键维系。其主要分为alpha;-螺旋、beta;-折叠、beta;-转角及无规卷曲等：①alpha;-螺旋(alpha;-helix)的结构特征为：主链骨架围绕中心轴盘绕形成右手螺旋；螺旋每上升一圈是3．6个氨基酸残基，螺距为0．54nm；相邻螺旋圈之间形成许多氢键；侧链基团位于螺旋的外侧。②beta;-折叠(beta;-sheets)是描述主链的另一种特殊走向模式，由位于不同区段的多个连续主链片段(beta;-折叠链)相互靠近，连续片段肽键基团间形成氢并侧向聚集构成。其结构特征为：若干条肽链或肽段平行或反平行排列成片；所有肽键的C=0和N-H形成链间氢键；侧链基团分别交替位于片层的上、下方。③beta;-转角是连接相同主链上alpha;-螺旋和beta;-折叠等二级结构的关键结构，其结构特征为：多肽链180゜回折部分，通常由四个氨基酸残基构成，借1、4残基之间形成氢键维系。在球蛋白中有较高保守性。规卷曲是规律性较低而难以描述的特殊类型二级结构，其所涉及的残基数量差异大，整体外形变化大，可采取多种折叠且不同构象间的能量差异小而容易相互转变，故其结构的规律性很低。无规卷曲各种构象状态仍遵循物理化学原理，但构象波动较大，对温度变化敏感。)

简答题15.蛋白质三大结构数据库PDB、SCOP和CATH有何异同?答案：(蛋白质结构数据库是一类重要的生物分子信息数据库，是结构生物信息学的关键组成。同时，蛋白质三大结构数据库存在着差异。PDB数据库(proteindatabank，PDB)主要存储蛋白质结构，而SCOP和CATH主要用于对蛋白质结构进行比较和区分。①PDB是用于保存生物大分子结构数据的常用档案库，由美国Brookhaven国家实验室于1971年创建。该数据库以文本文件的方式存放数据，每个分子各用一个独立的文件。除了原子坐标外，还包括物种来源、化合物名称、结构以及有关文献等基本注释信息。此外，还给出分辨率、结构因子、温度系数、蛋白质主链数目、配体分子式、金属离子、二级结构信息、二硫键位置等和结构有关的数据。除了能以文本编辑的方式查看这些数据外，还可以利用一些图形软件直观观察蛋白质的三维结构，例如VMD、Jmol、Swiss-PDBviewer及RasMol等。②蛋白质结构分类数据库(structuralclassificationofprotein，SCOP)是对已知结构蛋白质进行分类的数据库，其根据不同蛋白质的氨基酸组成及三级结构的相似性，详细描述已知结构蛋白质问的功能及进化关系。SCOP数据库的构建除了使用计算机程序外，主要依赖于人工验证。在SCOP数据库中，按照从简单到复杂的顺序对蛋白质进行分类，分类基于四个层次，位于分类层次顶部的是类(class)，之后依次为家族(family)、超家族(supperfamily)、折叠子(fold)、蛋白质结构域(proteindomain)、单个PDB蛋白质结构记录。SCOP数据库可以通过其分级结构导航进行浏览，用关键字、PDB标志码查询，或通过一个蛋白质序列进行同源搜索。探究所研究的蛋白质相近的结构空间区域时，蛋白质的分类层次有助于对蛋白质进行定位，而且数据库提供的交叉链接，方便对预测结果进行生物学解释。③伦敦大学于1993年开发和维护的CATH数据库。该数据库的名称CATH分别是数据库中四种分类类别的首字母，即蛋白质的种类(class，C)、蛋白中二级结构的构架(architecture，A)、蛋白质的拓扑结构(topology，T)和蛋白质同源超家族(homologoussuperfamily，H)。SCOP注重从蛋白质进化角度进