绿色植物光系统Ⅰ及其光合作用调控的结构基础

光系统Ⅰ被认为是自然界中最高效的纳米光化学机器,其复杂的结构和精细的调控机制确保了光合作用的高效进行。绿色植物光系统Ⅰ由核心复合物和多样的外周捕光天线构成,并参与包括状态转换、环式电子传递等多种光合作用调节过程。本文主要以笔者所在实验室在绿色植物光系统Ⅰ及其参与光合作用调控的结构生物学方面取得的进展进行综述,使人们对这一领域有更深入的理解。

FitDockApp:基于模板的分子对接PyMOL插件图形化计算软件

目的分子对接在预测分子之间的结合模式和亲和力方面起着至关重要的作用,是计算结构生物学和计算机辅助药物设计研究的重要方法。本研究团队近期开发了一款基于模板的新型对接方法FitDock,当存在近似的蛋白质配体模板时,它在准确性和速度方面都超过了业界常用的分子对接方法。为了增强FitDock方法的可用性,使其在分子模拟领域得到更广泛的应用,很有必要发展图像化的软件工具。方法基于Python图像化编程,本文开发了FitDockApp,这是分子可视化软件PyMOL的插件软件。结果FitDockApp能够通过操作窗口界面,实现基于模板的分子对接和配体结构比对,实时显示预测三维结构,并提供将对接文件上传到实验室服务器获取最优模板的便利。此外,FitDockApp还具备批量对接功能。结论FitDockApp通过用户友好的界面简化了对接过程,并提供丰富的功能,帮助研究人员获得精确的对接结果。FitDockApp是一款免费软件,兼容Windows和Linux系统,可在http://cao.labshare.cn/fitdock/下载。

基于AlphaFold数据库分析蛋白质进化中的统计规律

由DeepMind开发的AlphaFold在蛋白质结构预测领域取得了前所未有的巨大突破,对生命科学的研究产生了革命性的影响。基于大规模的结构预测,AlphaFold结构预测数据库得以建立,它包含2亿多种蛋白,并覆盖了数十种物种的完整蛋白质组。该综述介绍了在“后AlphaFold时代”利用统计物理方法研究蛋白质进化问题的一些最新进展。传统的蛋白质进化研究往往关注同一个家族的蛋白质序列或者结构(微观视角),而随着AlphaFold预测的海量蛋白质结构的出现,研究者可以把视角扩展到大量蛋白质的集合,甚至是直接对比不同物种体内的全部蛋白质,从中挖掘统计趋势(宏观视角)。基于AlphaFold数据库,通过对比40多种模式生物体内相似链长的蛋白质,研究者发现了蛋白质分子进化中的统计规律。随着物种复杂性的提高,蛋白质结构将趋向于更高的柔性和模块化程度,蛋白质序列将趋向于出现更显著的亲疏水片段分隔,蛋白质的功能专一性也不断提高。这些基于AlphaFold的统计研究在分子进化和物种进化之间建立了联系,有助于理解生物复杂性的演化。

基于冷冻电镜无倾转成像数据的新型蛋白质原位结构解析方法

与体外纯化的蛋白质复合物相比,细胞内处于工作状态的蛋白质复合物往往更为完整,并且其三维结构处于完全生理的构象,这对于理解蛋白质复合物在生命活动中发挥重要功能的结构基础尤为关键,也可以为药物设计等提供更精确的靶点信息。直接在细胞内解析蛋白质复合物的三维结构也被称为蛋白质的细胞原位结构解析,而冷冻电镜电子断层重构技术是原位结构解析的关键技术,但是电子断层重构技术的序列倾转数据采集通量低、数据处理较为繁琐,并且达到准原子分辨率对样品有特殊要求,这些问题成为了限制原位结构解析分辨率和实际应用的瓶颈。近年来,一种基于单张无倾转数据的蛋白质原位结构解析方法发展迅速,可以高通量地对细胞中的蛋白质复合物进行高分辨率结构解析,本综述将分析这类方法的原理,讨论这个方法相较于传统断层重构方法的优缺点,并对蛋白质的细胞原位结构解析进行展望。希望可以通过这篇综述,帮助结构生物学科研人员更好地选择合适的工具。

利用Markov模型研究Aβ突变体的构象转变过程

为抑制淀粉样β多肽(Aβ)从无规卷曲或α-螺旋转变为β-折叠结构,研究野生型Aβ及其数组突变体的构象变化,结合Markov模型与分子动力学模拟,对野生型、A4型和D7N型Aβ的构象变化过程进行研究,明确3种Aβ构象的转变路径.实验结果表明,野生型Aβ出现一个区域的β-折叠,A4型Aβ构象几乎无变化,而D7N型Aβ出现两个区域的β-折叠,说明D7N型突变体具有促β-折叠特性,该结果为阿尔兹海默症的治疗方法探索提供理论依据.

从捕光天线到反应中心分子能量传递研究

利用飞秒时间分辨光谱技术研究了PSⅡ中捕光天线LHCⅡ内Chla分子和 β Car分子传递光能到反应中心的时间特性 ,实验测得Chla分子用了 2 5 ps ,β Car分子用了 2 5 0 ps 理论研究得出 :2 5 ps是相邻Chl分子之间随机转移传能的时间常数 ,2 5 0 ps是LHCⅡ内相邻 β Car分子 ,通过Chla分子单步F rster共振传递、Dexter电子交换机制、激子转移把能量转移到反应中心的总时间 理论计算与实验结果基本符合 。

从核心天线到反应中心分子传能研究

利用飞秒时间分辨光谱技术研究了PSⅡ核心复合物内 β Car分子和Chla分子传递光能到反应中心的时间特性 实验测得 ,在CP4 7中的β Car分子用了 15 0ps ,Chla分子用了 15ps ;在CP4 3中β Car分子用了 16 0ps ,Chla分子用了 2 0ps 利用超快光谱动力学实验曲线 ,理论计算出在核心天线中 β Car分子到Chla 6 6 2之间的能量传递速率为 1.18× 10 12 s- 1,β Car分子到相邻 β Car分子之间按速率 1.14× 10 12 s- 1传递能量 理论研究得出 ,在核心天线中 β Car分子接收到光能 ,以Dexter电子交换机制和F rster共振传能机制进行激发能传递 ,最后由Chla分子把能量传递到反应中心 ,在CP4 7中用了 139ps ,在CP4 3中用了 15 2ps 理论研究表明 ,在核心天线中 ,Chla分子接收到光能之后 ,以随机转移方式将能量迅速传递到反应中心P6 80 ,在CP4 7中用了 16 .8ps ,在CP4 3中用了 18ps 理论研究与实验研究基本符合.

温度对PSⅡCP4 7/D_1 /D_2 /Cytb559复合物荧光光谱特性的影响

采用激励光源为 5 14 .5nm的分幅扫描单光子计数荧光光谱装置对经 2 0℃、4 2℃和 4 8℃不同温度处理后的反应中心复合物CP4 7/D1/D2 /Cytb5 5 9的荧光光谱特性进行了研究 .经解析 ,获得不同温度处理后 ,CP4 7/D1/D2 /Cytb5 5 9复合物最大峰值未发生变化 ,均在 6 82nm ,说明Chla6 70的能量都由Chla6 82接收 ,但损耗愈来愈小 ,在 4 8℃时 ,损耗程度最小 ,而其荧光百分比未发生多大变化 .振动副带～ 70 0nm和～ 74 0nm的中心波长都发生蓝移 ,在不同温度下分别为 :2 0℃ 70 3nm ,74 9nm ;4 2℃ 6 97nm ,74 4nm ;4 8℃ 6 94nm ,74 0nm .因此可以推测温度的升高 ,影响了CP4 7/D1/D2 /Cytb5 5 9色素蛋白的二级结构以及色素分子的空间位置 ,使最大峰值处的荧光强度逐渐降低 ,振动副带逐渐蓝移 .4 2℃的温度已造成影响 ,4 8℃影响较大 .

基于HNP三态模型及相对熵方法的蛋白质折叠研究

把20种氨基酸简化为3类:疏水氨基酸(hydrophobic,H)、亲水氨基酸(hydrophilic,P)及中性氨基酸(neutral,N),每个氨基酸简化为一个点,用其C!原子来代替.采用非格点模型,以相对熵作为优化函数,进行蛋白质三维结构预测.为了与基于相对熵方法的蛋白质设计工作进行统一,采用了新的接触强度函数.选用蛋白质数据库中的天然蛋白质作为测试靶蛋白,结果表明,采用该模型和方法取得了较好的结果,预测结构相对于天然结构的均方根偏差在0.30～0.70nm之间.该工作为基于相对熵及HNP模型的蛋白质设计研究打下了基础.

四川宁南钟家梁子遗址人骨的稳定同位素

本文通过对四川宁南县钟家梁子遗址人骨样品的C、N稳定同位素分析,探索该遗址及金沙江中下游地区先民的食物结构和生业经济。结果显示,钟家梁子遗址先民的δ^(13)C值范围为-18.4‰~-10.0‰,δ^(15)N值范围为4.76‰~12.63‰,表明其食物结构中C_(3)、C_(4)类食物均占有一定比例,且摄入了较多的动物性蛋白;不同性别、年龄及葬俗的群体间存在食谱差异。结合当地的自然环境及相关考古成果,推测钟家梁子遗址先民从事稻/粟混作农业,并通过采集野生植物进行补充;对动物资源的利用具有多样性,渔猎及家畜饲养均占有重要地位。通过对金沙江中下游地区相关研究的进一步梳理,发现该地区新石器时代晚期至青铜时代的作物结构一直以稻/粟混作为主,青铜时代开始种植小麦、大麦、大豆等作为补充,对植物资源的利用越发灵活和多样化。此外,该地区不同遗址的经济结构存在较大差别,可能受到了自然环境、地形阻隔、人群交流及当地文化传统等因素的影响。

假根羽藻外周天线内能量传递的飞秒光谱研究(英文)

在时间相关单光子技术的基础上,对假根羽藻外周天线内叶绿素分子间的能量传递进行研究.采用瞬态吸收与荧光发射谱识别样品内的具有特征光谱组分的分子,得到在叶绿素分子的Q带区主要存在以下六个特征分子Chlb630,Chlb642,Chla665523,Chla666674,Chla667765,680,Chla668823.在630nm的飞秒脉冲光的激发下,通过对不同特征发射峰出的荧光动力学进行解析得到1)Chlb628分子所吸收的能量仅有大约20%被直接传递给其他叶绿素分子,传能时间小于150fs;2)叶绿素间大部分的能量传递发生在长于76ps的时间范围内;3)传能时间常量在几百fs以及10ps左右的间接传能可能与具有不同光谱组分特征的叶绿素分子在外周天线内的排列方式以及偶极距的取向有关;4)Chlb654,657652,Chla666664,Chla667747,680和Chla668823以荧光形势耗散能量的时间常量分别为1.41ns,1.39ns,676ps,709ps,这部分在整个能量耗散中占的比例不超过40%.

分子动力学模拟和自由能计算研究孕酮和孕酮受体蛋白的结合模式(英文)

孕酮在确立和维持妊娠中起到了关键的作用.为了研究孕酮和孕酮受体蛋白的结合模式,进行了3.5纳秒的分子动力学模拟,用MM-PBSA\GBSA方法计算了结合自由能.自由能分解和丙氨酸扫描两种方法说明,残基Leu718,Met756,Met759,Phe778和Tyr890对于结合抑制剂作用明显,这些残基的主要作用能是范德瓦尔斯作用能.这一研究结果可以指导孕酮受体蛋白抑制剂的优化.

基于边缘计算的建筑设备状态感知模型与应用

随着智能化建筑数量的剧增与智能化水平的提高,建筑智能设备状态感知成为了关系到社会公共安全方面重要问题之一。目前,建筑设备感知系统大多基于服务器集中计算架构,存在存储数据量大、通信带宽要求高、节点自主性不够等问题,往往容易造成建筑设备感知实时性不足、网络成本高的问题。由此,提出一种基于边缘计算的建筑设备状态感知模型,设计了边缘状态感知与缓存算法,建立了一组边缘通信与状态感知协议,形成了边缘隐私数据信任与安全机制,同时,引入基于边缘数据的智能决策技术,从而不仅缓解了中心服务器的计算与存储压力,而且有效提升了整个系统的自主感知能力、安全性与健壮性。最后,依托该模型实现了一个运维示范系统,在S城市管理中进行了应用。

BK_(Ca)通道的结构与功能

BKCa通道将细胞膜电特性与细胞信号系统联系在一起,在细胞功能实现中起着重要作用。该通道广泛且又较高密度地表达于许多物种的多种组织,其分子结构复杂,丰富的超家族成员具有各自不同的表达分布。BKCa通道的分子结构由α亚单位和β亚单位构成,其中α亚单位形成通道的孔道区和活性调节区域,β亚单位修饰通道活性的调节特性。BKCa通道开放几率大、电导率高、调控位点多,并且不同的超家族成员表现出不同的功能特征,如细胞膜电位感受性、细胞内游离钙离子敏感性等。文章概述BKCa通道的分子结构和功能特征。

S-1360引起HIV-1整合酶多位点耐药突变的机理

为了探讨二酮酸类药物引起整合酶的耐药性机制,选取S-1360存在下产生的HIV耐药突变株TEQ:[T661,E138K,Q146K]和TLAEQSKVV:[T66I,L74M,A128T,E138K,Q146K,S153A,K160D,V1651,V2011]进行了分子动力学等计算机模拟研究.结果表明,S-1360引起IN产生耐药性与Loop区及Loop2区的柔性有关,并且耐药突变导致Helix4和Loop区相连处的结构发生变化.

线虫基因组外显子与内含子序列特征研究

根据外显子在密码子三个位点上的分布不均匀性 ,引入非均匀指标 H I,来研究线虫基因外显子与内含子的序列特征 .通过推广 H I参数 ,定义干涉指标 R,对外显子和内含子的多个片段的特征进行研究 ,得到了 R值分布以及与外显子和内含子片段的关系 .

分子马达随机跃迁暂态特征

用主方程方法研究分子马达一维周期性四态等间距随机跃迁模型,得出在任意位置任意时刻马达几率分布的解析表达式;讨论了分子马达随机跃迁的暂态特征及其特征时间,得出几率随时间的演化规律由跃迁速率常数和初始条件共同决定,而到达稳态的特征时间只由跃迁速率常数决定.

细胞穿膜肽的穿膜活性与序列特征的关系

细胞穿膜肽(cell penetrating peptides,CPPs)是一种小分子多肽,能够容易地穿过细胞膜.这类分子,尤其是具有靶向功能的CPPs为高效率投送药物到靶细胞带来希望.因此,对其展开研究对于生物医学有着一定的意义.本工作主要从序列水平对具有不同穿膜活性的CPPs进行研究,试图找出影响CPPs穿膜活性的因素,以及不同活性CPPs与非穿膜肽(Non CPPs)序列上的差异,并引入一种分析生物序列的方法.我们基于CPPsite数据库和不同的文献获取CPPs和Non CPPs序列,并进一步从CPPs序列中提取具有高、中、低穿膜活性的穿膜肽(HCPPs、MCPPs、LCPPs)用于构建数据集.基于这些数据集,开展了以下研究:首先,利用方差分析的方法,对不同活性的CPPs以及Non CPPs的氨基酸及二级结构组成进行分析,发现氨基酸的静电与疏水相互作用对CPPs的穿膜活性起到了重要影响,同时螺旋结构和无规卷曲也会影响CPPs的穿膜活性;其次,使用理化性质与长度将不同活性的CPPs展示在二维平面上,发现在某些特殊的性质下不同活性的CPPs与Non CPPs可以产生聚簇现象,HCPPs、MCPPs以及LCPPs和Non CPPs被分成了三簇,这种现象显示了它们之间的差异;最后,本文引入了生物序列理化质心的概念,将组成序列的残基看作质点,进而把序列抽象成质点系进行研究,并将此方法应用到CPPs的分析中,通过PCA方法将不同活性的CPPs投射到三维平面上,结果发现绝大部分CPPs聚在一起,部分LCPPs与Non CPPs聚在一起.此工作对于CPPs的设计,以及理解不同活性CPPs序列上的差异具有一定的意义.另外,本文引入的生物序列理化质心的分析方法也可以用于其他生物问题的分析,同时它们可以作为某些生物分类问题的输入参数,在模式识别中起到一定的作用.

采用选择激发研究光系统Ⅱ反应中心β-Car的物理特性(英文)

光系统Ⅱ反应中心包含有 2个去镁叶绿素分子 (Pheo) ,2个 β胡萝卜素分子 (β Car)和 6个叶绿素a分子 (Chla) 对反应中心的时间分辨荧光光谱表明 ,两个β Car具有不同的吸收光谱 ,吸收峰分别为 4 89nm(Car4 89)和 5 0 7nm(Car5 0 7) ,Car4 89靠近吸收峰为 6 6 7nm和 6 75nm的叶绿素a(Chla) ,它的主要功能是保护反应中心免受单态氧的破坏 ,而不能将激发能传递给光化学反应活性的色素分子P6 80 ;Car5 0 7靠近吸收峰为 6 6 9nm的Chla分子 ;能够将激发能传递给P6 80 ,进行电荷分离 采用全局优化拟合的方法对荧光光谱进行处理 ,Car4 89在 6 1ps时间内将能量传递给Chla6 72 ,随后传给Chla6 77,处于激发态的Chla6 77在 3ns衰减到基态 ;Car5 0 7在 2 74ps时间内将能量传递给P6 80 ,P6 80 + Pheo- 的电荷重组发生在 3.8ns和

加权氨基酸网络及其应用

提出了基于能量的氨基酸网络加权方式。基于该加权氨基酸网络模型,构建了新的对接打分函数。采用该打分函数对20个体系的非结合态对接采样结果进行打分排序,并与RP打分函数结果进行比较。通过分析发现,基于氨基酸网络的打分函数,在一些指标上的结果优于RP打分函数。该工作为进一步应用复杂网络的方法研究蛋白质结构-功能关系奠定了基础。