Folding-@-home-分散式网格运算.ppt

Folding @ home 分散式網格運算 指導老師：張雲龍 學 生：張又文 目錄 簡介 生命的起源 胺基酸與蛋白質 蛋白質折疊機制的理論模型 應用範例 結論 簡介 Folding@home是一個研究蛋白質摺疊、誤折、聚合及由此引起的相關疾病的分散式計算工程。 Folding@home專注於精確地模擬蛋白質折疊和錯誤折疊的過程，以便能更好地了解多種疾病的起因和發展，包括阿茲海默症、牛海綿狀腦病（瘋牛症）、癌症和囊胞性纖維症。到目前為止，Folding@home 已成功模擬5—10微秒的折疊過程，超出先前估計可模擬的時段數千倍。 本圖由最開始的大爆炸，經過原子、分子的形成，到巨分子的產生，以及原始細胞的出現，做一個全面的整理。巨分子的出現，是一件重要的事，而核酸及蛋白質分別負擔兩種不同的任務，核酸是信息的傳遞，以便能夠正確地繁衍下去；蛋白質則依核酸上面的信息製造出來，可以執行有利於核酸繁衍的種種生物功能。 此二者的共同合作，加上一個由脂質所組成的細胞膜，造就了最原始形態的細胞。 生命的起源 胺基酸與蛋白質(1/5) 三大類 巨分子，包括核酸、蛋白質、多糖類，除了其組成單位不同之外，卻有相似的基本構造特性。 蛋白質的構造就像其他的巨分子一樣，蛋白質鏈也是由小分子單位 (胺基酸) 一個一個連接成的。 a.分子構造的中心為一碳原子，稱為 α碳 (α carbon)。 b.接在 α 碳上，有一個 胺基 及一個 酸基 (故名胺基酸)。 c.另有一氫原子及一基團 (R) 接在 a 碳上 d.隨 R 基團的不同，各胺基酸的性質互有差異 胺基酸與蛋白質(2/5) 巨分子一定是由小分子單位，一個一個串連起來的，絕非一開始就合成如此巨大的分子。 但巨分子絕對不只是一長條分子而已，巨分子多會捲曲成一定的構造形狀，例如 DNA 可捲繞成為 double helix 各種巨分子的長鏈，都有其方向性，也就是說有頭尾之別；這種方向性，與其生合成時的反應方向有關；在巨分子功能上，方向性也扮演很重要的角色，會影響各種生理反應。 胺基酸與蛋白質(3/5) 胺基酸與蛋白質(4/5) 蛋白質是由二十多種胺基酸通過肽鍵有序連接而形成的多肽鏈。蛋白質的基本單位是胺基酸，胺基酸的氨基和羧基縮合失水後形成肽鍵，由三個或三個以上胺基酸殘基組成的肽稱為多肽形成多肽鏈。 蛋白質的分子結構可劃分為四級： 一級結構：組成多肽鏈的線性胺基酸序列。 二級結構：依靠不同肽鍵的C=O和N-H基團間的氫鍵形成的穩定結構。 三級結構：由一條多肽鏈的不同胺基酸側鏈間的相互作用形成的穩定 結構。 四級結構：由不同多肽鏈亞基間相互作用形成具有功能的蛋白質分子。 α Helix 的捲繞方式不只一種，其中最常見的一種，是每 3.6 個胺基酸捲繞成一圈的 a13 helix，每圈高度有 0.54 nm (中圖)，其分子上的任何氫鍵，由 13 個原子所夾 (請數右圖上半的白色數字)。 胺基酸與蛋白質(5/5) 蛋白質折疊機制的理論模型(1/3) 框架模型 ( Framework Model ): 假設蛋白質的局部構成依賴於局部的氨基酸序列，在折疊過程的起始階段，先迅速形成不穩定的二級結構單元，稱為”flickering cluster”, 隨後這些二級結構靠近接觸，從而形成穩定的二級結構框架；最後，二級桔構框架互相拼接，形成了蛋白質的三級結構。這個模型認為即使是一個小分子的蛋白也可以一部份一部份的進行折疊，其間形成的亞結構是折疊中的重要結構 蛋白質折疊機制的理論模型(2/3) 疏水性崩塌模型(Hydrophobic Collapse Model): 在此模型中，疏水作用被認為是在蛋白質折疊過程中起決定性作用的因素。在形成任何二級結構和三級結構之前，首先發生就是非特異性的疏水崩塌。 成核-凝聚-生長模型( Nuclear-Condensation-Growth Model ): 根據此模型，肽鍵中的某一區域可以形成折疊晶核。所謂晶核，指的是由一些特殊的氨基酸基互相作用形成的類似的網路結構，這些殘基之間不是以非特異的疏水作用維系的，而是由特異的相互作用使這些殘基形成了緊密的堆積。晶核的形成是折疊起始階段。 蛋白質折疊機制的理論模型(3/3) 應用範例 應用範例 應用範例 結論 目前的蛋白質折疊完成了初步的結果，並且能夠估算出小蛋白質的折疊速率，更模擬了一些小測試性的折疊。目前對於蛋白質的折疊尚有許多不明白的地方，這將會是未來研究的重點方向。 胺基酸與蛋白質(ps.1) 20世紀最驚人的發現之一就是許多蛋白質的活性狀態和失活狀態可以互相轉化，在一個精確控制的溶液條件下（例如通過透析除去導致失活的化學物質），失活的蛋白質可以轉變為活性形式。如何使蛋白質恢復到它們