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蛋白质结构预测

指数 蛋白质结构预测

蛋白质结构预测(Protein structure prediction)是指从蛋白质的氨基酸序列中预测蛋白质的三维结构。也就是说,从蛋白质的一级结构预测它的折叠和二级、三级、四级结构。结构预测与的反问题有着根本的不同。蛋白质结构预测是生物信息学与理论化学所追求的最重要目标之一;它在医学上(例如,在药物设计)和在生物技术上(例如,新的酶的设计)都是非常重要的。每隔两年,当前蛋白质结构预测技术的性能在(CASP)实验中被评测。蛋白质结构预测的网络服务器连续的评测是由社区项目执行。.

11 关系: 亮氨酸拉链二級結構医学生物技术藥物設計蛋白质蛋白质四级结构蛋白质折叠Rosetta@home氨基酸

亮氨酸拉链

亮氨酸拉链(leucine zipper,亦称为亮氨酸剪刀)是蛋白质中一种常见的三维结构模体,常见于许多转录因子的DNA结合结构域,因此涉及基因的表达调控。亮氨酸拉链在真核生物和原核生物的蛋白中都有发现,但以真核生物居多。 亮氨酸拉链是一种作为二聚体化结构域的超二级结构,且使相互平行的α-螺旋之间产生粘附力。一个亮氨酸拉链包含了多个亮氨酸残基,通常每七个氨基酸残基就出现一次,这形成了一条两性的α-螺旋,疏水区只在其中一侧。这个疏水区提供了二聚化的区域,使得基序可以像“拉链”一样拉起来。此外,疏水亮氨酸区域对于其结合到DNA是不可或缺的。.

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二級結構

蛋白質二級結構(Protein secondary structure)在生物化學及結構生物學中,是指一個生物大分子,如蛋白質及核酸(DNA或RNA),局部區段的三維通式。然而它並不描述任何特定的原子位置(在三級結構中描述)。 二級結構是由生物大分子在原子分辨率結構中所观察到的氫鍵來定義的。蛋白質的二級結構通常是以主鏈中氨基之間的氫鍵模式來定義〈与主链-侧链间以及侧链-侧链间的氢键无关〉,亦即DSSP的定義。而核酸的二級結構是以鹼基之間的氫鍵來定義。 在二级结构中,特定的氫鍵模式往往伴随着其他一些結構特徵;但如果只考虑这些结构特征而忽略氢键本身,则会导致所定義的二級結構不准确。例如,蛋白質的螺旋中的残基都分布在拉氏图(以主鏈二面角为坐标)的特定區域,因此二面角位于这一区域的残基都會被认为参与形成「螺旋」,而不論它是否真正的存在对应氫鍵。其他稍微不准确的定義多是應用曲線微分幾何的觀念,如曲率及扭量。也有一些結構生物學家以肉眼观察通过软件显示的蛋白质结构來決定其二級結構。 對生物大分子的二級結構含量可以以光譜來初步估計。對於蛋白質,最常用的方法是圓二色性(Circular dichroism), (利用長紫外線,波長范围170-250nm)。在获得的光谱吸收曲线上,α螺旋結構会在208nm及222nm两处同时出现极小值,而204nm和207nm处出现单个极小值則分別表示存在无规卷曲和β折疊結構。另一個較常用的方法是紅外光譜,它可以偵測因氫鍵所造成胺基的震盪。而光譜中,测定二級結構最準確的方法是利用核磁共振光谱所纪录的化學位移,由于仪器和样品制备上的原因,这一方法较为少用。.

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医学

醫學是以診斷、治疗和预防生理和心理疾病和提高人体自身素质为目的的應用科學。狹義的醫學只是疾病的治療,但也有說法稱預防醫學為第一醫學,臨床醫學為第二醫學,复健醫學為第三醫學。醫學的科學面是應用基礎醫學的理論與發現,例如生化、生理、微生物學、解剖、病理學、藥理學、統計學、流行病學等,來治療疾病與促進健康。然而,医学也具有人文與藝術的一面,它關注的不僅是人体的器官和疾病,而是人的健康和生命。「生理、心理、社會模式」是廣為接受的理論,而其他如「生理心理靈性社會的照顧」、「全人、全隊、全程、全家的醫療」也都是現代醫學的重要理論。随着醫學模式的转变,醫學的人文性受到越来越多的重视。醫學倫理目前最廣為人知的是四初確原則方法論:「自主、行善、不傷害、正義」。 在人類社會中,醫學已經存在數千年之久。现代医学起源於17世紀科學革命後的歐洲,以科學的过程及办法來進行醫學治療、研究與驗證。研究领域大方向包括基礎醫學、臨床醫學、檢驗醫學、預防醫學、保健医学、康复医学等等。在現代醫學興起前發展的醫學,稱為傳統醫學;現代則以替代醫學的形式在科学医学尚未普及的地区繼續存在。.

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生物技术

生物技術(biotechnology)指利用生物體(含動物,植物及微生物的細胞)來生產有用的物質或改進製成,改良生物的特性,以降低成本及創新物種的科學技術。根據不同的工具和應用,它往往與生物工程和生物醫學工程的(相關)領域重疊。 千百年來,人類在農業,食品产业,和醫藥已經採用生物技術. Public.asu.edu. Retrieved on 2013-03-20.。早期的生物技術,可追溯至遠古時代。古埃及人利用酵母菌釀酒。 之後,包含傳統式利用微生物之醱酵技術來做,或是醱酵生產抗生素等,都是生物技術的利用的例子。現代生物技術,在1950年代DNA結構的發現以來,分子生物學急速發展,將傳統的生物技術進行了一次大革命。例如利用基因轉殖技術,將胰島素轉殖到大腸桿菌中生產。開啟了現代生物技術學之工業價值。在20世紀末和21世紀初,生物技術已擴大到包括新的和不同的學科如基因組學,基因重組技術,應用免疫學和開發醫藥治療和。.

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藥物設計

藥物設計(Drug design),又稱理性藥物設計(rational drug design),根據對於(Biological target)的現有知識,去尋找與發明出新型藥物的過程。藥物設計根據有機物質(如蛋白質)的化學結構、電價與形狀等,來設計出可能達到效果的新型化學藥物。使用電腦分子建構技術,來進行藥物設計,稱為電腦輔助藥物設計(computer-aided drug design)。根據對於生物目標的化學結構來進行設計,稱為結構藥物設計(structure-based drug design)。除了小分子之外,生物治療,特別是是越來越重要的一類藥物,並且已經開發了用於改善這些基於蛋白質的治療劑的親和力,選擇性和穩定性的計算方法。.

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酶(Enzyme( ))是一类大分子生物催化劑。酶能加快化學反應的速度(即具有催化作用)。由酶催化的反應中,反應物稱爲底物,生成的物質稱爲產物。幾乎所有細胞內的代謝過程都離不開酶。酶能大大加快這些過程中各化學反應進行的速率,使代謝產生的物質和能量能滿足生物體的需求。細胞中酶的類型對可在該細胞中發生的代謝途徑的類型起決定作用。對酶進行研究的學科稱爲「酶學」(enzymology)。 目前已知酶可以催化超過5000種生化反應。大部分酶是蛋白質,有少部分酶是具有催化活性的RNA分子,这些酶被称为核酶。酶的特異性是由其獨特的三級結構決定的。 和所有的催化劑一樣,酶通過降低反應活化能加快化學反應的速率。一些酶可以將底物轉化爲產物的速率提高數百萬倍。一個比較極端的例子是。該酶可以使在無催化劑條件下需要進行數百萬年的化學反應在幾毫秒內完成。從化學原理上講,酶和其它所有催化劑一樣,反應不會使其物質量發生變化。酶亦不能改變化學平衡,這一點和其它催化劑也是一樣的。酶和其它催化劑的不同之處在於,它們的專一性要強得多。一些分子可以影響酶的活性。如酶抑制劑能降低酶的活性,酶激活劑能提高酶的活性。許多藥物及毒物是酶的抑制劑。當超出適宜的溫度和pH值後,酶的活性會顯著下降。 酶在工业和人们的日常生活中的应用也非常广泛。例如,药厂用特定的合成酶来合成抗生素;洗衣粉中添加酶能加速附着在衣物上的蛋白质、淀粉或脂肪漬的分解;嫩肉粉中加入木瓜蛋白酶能將蛋白質分解爲稍小的分子,使肉的口感更嫩滑。.

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蛋白质

蛋白质(protein,旧称“朊”)是大型生物分子,或高分子,它由一个或多个由氨基酸残基组成的长链条组成。氨基酸分子呈线性排列,相邻氨基酸残基的羧基和氨基通过肽键连接在一起。蛋白质的氨基酸序列是由对应基因所编码。除了遗传密码所编码的20种“标准”氨基酸,在蛋白质中,某些氨基酸残基还可以被改變原子的排序而发生化学结构的变化,从而对蛋白质进行激活或调控。多个蛋白质可以一起,往往是通过结合在一起形成稳定的蛋白质复合物,发挥某一特定功能。 与其他生物大分子(如多糖和核酸)一样,蛋白质是地球上生物体中的必要组成成分,参与了细胞生命活动的每一个进程。酶是最常见的一类蛋白质,它们催化生物化学反应,尤其对于生物体的代谢至关重要。除了酶之外,还有许多结构性或机械性蛋白质,如肌肉中的肌动蛋白和肌球蛋白,以及细胞骨架中的微管蛋白(参与形成细胞内的支撑网络以维持细胞外形)。另外一些蛋白质则参与细胞信号传导、免疫反应、细胞黏附和细胞周期调控等。同时,蛋白质也是动物饮食中必需的营养物质,这是因为动物自身无法合成所有氨基酸,动物需要和必须从食物中获取必需氨基酸。通过消化过程将蛋白质降解为自由氨基酸,动物就可以将它们用于自身的代谢。.

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蛋白质四级结构

蛋白质四级结构(Protein quaternary structure)是生物化学中用于描述多亚基蛋白质复合物中各个折叠蛋白质亚基的排列组合。.

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蛋白质折叠

蛋白质折叠(Protein folding)是蛋白质获得其功能性结构和构象的过程。通过这一物理过程,蛋白质从无规则卷曲折叠成特定的功能性三维结构。在从mRNA序列翻译成线性的氨基酸链时,蛋白质都是以去折叠多肽或无规则卷曲的形式存在。 蛋白質的基本單位為胺基酸,而蛋白質的一級結構指的就是其胺基酸序列,蛋白質會由所含胺基酸残基的親水性、疏水性、帶正電、帶負電……等等特性通过残基间的相互作用而摺疊成一立體的三级結構。 根据克里斯琴·B·安芬森(1972年的諾貝爾化學獎得主)的研究,蛋白質可由加熱或置於某些化學環境而变性,三级结构解体;而當環境回復到原本的狀態時,蛋白質可於不到一秒的時間折疊至原先的立體結構,不論試驗幾次,蛋白質都僅此一種立體結構,於是Anfinsen提出一個結論:蛋白质分子的一级结构决定其立體结构。 安芬森的研究结果非常重要,因為蛋白質的功能取決於其立體結構,而目前根据已知某基因序列可翻译获得对应蛋白质的胺基酸序列,既蛋白質的一級結構;如果從蛋白質的一級結構就能知道立體結構,那麼即可直接從基因推测其编码蛋白质所對應的生物学功能。虽然蛋白質可在短時間中從一級結構摺疊至立體結構,研究者卻無法在短時間中從胺基酸序列計算出蛋白质結構,甚至无法得到准确的三维结构。因此,研究蛋白质折叠的过程,可以说是破译“第二遗传密码”——折叠密码(folding code)的过程。 目前蛋白质的再折叠依然遵从先使用胍或脲变性,然后逐渐降低胍或者脲的浓度,也就是逐渐降低对蛋白质天然“回缩”能力的干扰。使其自然回到天然的最低能量状态。只是这个过程无法很好的控制肽链与肽链之间和肽链内部形成错误折叠的干扰。.

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Rosetta@home

Rosetta@home 是一个基于伯克利开放式网络计算平台(BOINC)的分布式计算项目,由华盛顿大学开发和维护,用于蛋白质结构预测、蛋白质-蛋白质对接和新的的研究。截至2015年2月12日,全球共有5万多台计算机是这一项目的活跃志愿者,平均每秒浮點運算次數达87万亿(87.688 teraFLOPS)。Rosetta@Home还开发了一款电子游戏Foldit,目的是通过众包途径来实现上述研究目标。尽管这个项目很大程度上侧重于进行提高蛋白质组学方法的精确性和稳固性的基础研究,它也进行一些关于艾滋病、疟疾、癌症、阿兹海默病以及其他疾病的病理学的应用研究。 与其他BOINC项目一样,Rosetta@home使用志愿者的计算机中空闲的进程资源来执行单独的单元计算。计算结果会被发送到项目的中央服务器,经验证後存入数据库中。这个项目是跨平台的,支持多种不同的软件和硬件环境。用户可通过Rosetta@home的屏幕保护程序观看正在自己计算机上进行的蛋白质结构预测的情况。 除了疾病相关研究,Rosetta@home网络还是结构生物信息学中新方法的一个测试框架。这些新方法经Rosetta@home庞大且多样的用户群体使用後,若运行效果稳定,将会被用于其他基于Rosetta的应用程序,例如RosettaDock和(HPF)。新方法测试中的两个重要项目是(CASP)和(CAPRI)。这两项测试实验分别用于评估蛋白质结构预测和蛋白质-蛋白质对接预测的最前沿技术。Rosetta@home稳居最重要的对接预测器之一,并且是现有最好的蛋白质三级结构预测器之一。.

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氨基酸

胺基酸是生物學上重要的有機化合物,它是由胺基(-NH2)和羧基(-COOH)的官能團組成的,以及一個側鏈连到每一個胺基酸。胺基酸是構成蛋白質的基本單位。賦予蛋白質特定的分子結構形態,使他的分子具有生化活性。蛋白質是生物体內重要的活性分子,包括催化新陳代謝的酶(又称“酵素”)。 不同的胺基酸脱水缩合形成肽(蛋白質的原始片段),是蛋白質生成的前.

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