分子动力学--结构生物学

作者，Evil Genius

今天我们需要总结一些结构生物学的内容。

结构生物学是以生物大分子特定空间结构、结构的特定运动与生物学功能的关系为基础，来阐明生命现象及其应用的科学。

以生物大分子三级结构的确定作为手段，研究生物大分子的结构与功能关系，探讨生物大分子的作用机制和原理作为研究目的。

结构生物学的工作流程

结构生物学主要的研究方法

X-射线衍射

X-射线衍射优点:

·可以在原子级别上解析蛋白质的三维结构。

·样品要求相对较低，只需要纯化的蛋白质晶体。

·可以解析较大蛋白质复合物的结构，如蛋白-蛋白复合物。

·解析速度较快，一个结构通常在几天到几周内可以解析。

·可以定量分析蛋白质结构中的水分子、金属离子等成分。

·可以进行室温结构生物学研究,模拟蛋白质在生理条件下的结构变化。

X-射线衍射缺点:

·需要得到良好的蛋白质晶体,这个过程比较困难。

·对于难以结晶的膜蛋白等大分子结构解析困难。

.辐射损伤会影响蛋白质的本源结构。

·相位问题会使结构解析更为复杂。

·对较小的结构变化敏感性较差。

·需要大型同步辐射光源设备。

·解析的结构代表一个稳定状态,难以显示蛋白质的动力学信息。

·解析成本较高。

多核磁共振

多核磁共振优点:

·可以在溶液状态下直接观测蛋白质结构，更接近生理条件。

·可以解析难以结晶的膜蛋白等大分子的结构。

·不需要大型设备，可以获得蛋白质定量的结构信息。

·可以研究蛋白质的动力学行为，如域的运动、构象变化等。

·可以定位蛋白质与相互作用分子的结合位点。

·样品准备简单,不需要结晶。

·可以进行实时观测,检测蛋白质快速结构变化。

多核磁共振缺点:

·解析的分子大小限制较小,通常只能得到蛋白质结构的一部分信息。

·解析难度大，需要复杂的技术对信号进行解析。

·成像分辨率较低,只能得到蛋白质结构的较粗细节。

·样品需高浓度，解析膜蛋白等难度大。

·解析周期长，一个结构需要几周到几个月。

·对解析结果的解释较为复杂。

·设备维护费用高。

·不如X射线能提供蛋白质原子精细结构信息。

电子显微镜

电子显微镜优点:

·可以在近原始状态下观察大分子复合物的结构，条件更接近生理环境。

·样品准备简单，只需要在冷冻条件下制备样品。

·可以解析难以结晶的大分子复合物的结构,如病毒粒子。

·可以直接观察样品，无需计算衍射图案的相位问题。

·可以解析膜蛋白复合物的结构。

·可以获得分子的三维结构信息。

·分辨率正逐步提高,最新冷冻电镜可以达到原子分辨率。

电子显微镜缺点

·分辨率仍较低,通常只能得到亚纳米级分辨率的结构。

·难以对小分子和中等大小蛋白质进行结构解析。

·样品易受束缚状态和冷冻损伤的影响。

·需要复杂的数据处理和计算重建三维结构。

·解析周期较长，需要数周到数月。

·解析结果可能不如X射线衍射结构精确。

·需要高端昂贵设备。

·结果可能受制备过程引入的人为因素影响。

同源建模

同源建模基本原理

1、一个蛋白质的结构由其氨基酸序列唯一的决定。由一级结构在理论上，足以获取其二级、三级结构

2、三级结构的保守型远远大于一级结构的保守型

同源建模功能以及使用场景

构建目标蛋白与模板蛋白高同源度区域的比较精细模型。

典型场景是目标蛋白与模板蛋白序列同一性(identities)大于等于30%时，可以构建出较精确的模型。

为目标蛋白未知区域提供比较粗糙的模型。

当目标序列与模板序列同源度低时，可以构建未知区域的粗模型,提供结构猜想。

预测目标蛋白与配体的相互作用模式。

如果模板包含配体,可以预测目标蛋白与类似配体的结合方式。

为目标蛋白的点突变提供结构基础。

同源模型可以评估点突变对本地结构的影响。

提供酶促反应机制研究的起点。

如果模板是酶，其活性中心结构可以帮助设计变异提高酶活性。

辅助晶体结构的解析和构建完整模型。

同源模型可以补充实验结构中未解析区域。

为计算生物学和结构生物信息学研究提供结构基础。

同源模型可以在无实验结构时开展相关计算和预测。

GMQE(Global Model Quality Estimation)是评价蛋白质同源建模结果的一个重要指标,它代表模型的整体质量评分。

它是由Swiss-Model服务器在同源建模过程中给出的一个0到1之间的分数，反映结果模型的整体质量。

具体来说,更高的GMQE分数表示:

模板与目标序列具有更高的同源性。

·目标区域与模板结构的比对更加可靠。

最终建模结果模型的立体结构更加准确可靠。

因此,GMQE评分越高,通常意味着同源模型的质量越好,结构预测的准确性越高。

如果GMQE大于0.7,则被认为该模型质量很好;如果GMQE在0.4-0.7之间,说明模型质量可以接受;而GMQE低于0.4的模型质量比较差,结构不太可靠。

QSQE的全称是QualityEstimate Score,即质量评估分数。它是同源建模软件ModeLLer在构建蛋白质同源模型时给出的一个0-1区间的分数，反映结果模型的局部区域质量。

具体来说,更高的QSQE分数表示:

目标区域与模板结构的比对更加准确可靠。

模型局部结构的原子坐标更精确。

局部区域的立体结构更加符合几何和能量参数。

因此,QSQE评分越高,通常意味着同源模型的局部区域质量越好，结构更精确。

如果QSQE大于0.7,则可以认为该局部模型质量非常好;QSQE在0.4-0.7可接受;而QSQE低于0.4的区域预测质量比较差。

自带的模型结果的评价

local Quality Estimate的主要意义有:反映模板与目标序列在局部区域的比对质量。如果某区域的Local Quality Estimate较低,表示该区域的模板与目标序列比对不可靠,同源性较弱。Local Quality Estimate较高区域表示坐标预测更精确,质量更好。

评估模型的几何立体化学质量。考虑残基间距离、二面角等参数。

提供模型整体质量的综合评分。结合几何和能量参数进行评估。

评分经过标准化，可以直接比较不同模型。

分数范围0-1,接近1表示模型质量更好，0.7以上为较可靠模型。

生成的模型可以进行更加系统的评价，在线评估模型https://saves.mbi.ucla.edu/。

上传我们生成的PDB文件。

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第一个指标

ERRAT分析不同原子类型间的相互作用模式，判断构象是否符合统计学预期。

ERRAT可以识别模型中的结构错误区域，如碰撞、不合理的接触等。这些区域常得到较低ERRAT评分。ERRAT评分与模型清晰度评价互为补充。ERRAT专注非键作用,清晰度关注几何学参数。

ERRAT对于X射线结构也具有评价意义，可以用于判断实验模型质量。ERRAT提供一个独立的评价指标，有助于从多方面判断Saves模型的质量。

第二个指标

verify3D是评估蛋白质结构模型质量的一个程序,它通过分析残基的环境，判断模型是否符合一个好的结构所应具有的平均统计势能分布。

verify3D评分越高，表示模型残基所处的环境更符合已知的很好折叠蛋白质的统计特征。

verify3D判断每个残基周围的环境是否合理,反映模型的总体打包是否紧凑。

低评分的残基可能表示该区域结构存在问题，周围环境异乎寻常。

verify3D关注残基所处的局部环境,提供了评价结构局部区段的信息。

verify3D评分不依赖于同源模板，可以对从头建模结果进行评估。与ERRAT评分互为补充,verify3D着重判断构象统计特征,ERRAT分析非键作用。

第三个指标

生活很好，有你更好。