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1、关于蛋白质结构预测的原理与方法1第一页，讲稿共七十九页哦6.1 概述概述第二页，讲稿共七十九页哦3一、基本概念一、基本概念蛋白质结构预测蛋白质结构预测：指从蛋白质的氨基酸序列预测出其三：指从蛋白质的氨基酸序列预测出其三维空间结构。维空间结构。蛋白质折叠蛋白质折叠：指蛋白质的氨基酸序列可折叠成具有生物活性：指蛋白质的氨基酸序列可折叠成具有生物活性的三维空间结构。的三维空间结构。第二套遗传密码第二套遗传密码：蛋白质的氨基酸序列与其三维空间结蛋白质的氨基酸序列与其三维空间结构间的关系。构间的关系。第三页，讲稿共七十九页哦4序列模体（序列模体（motif)：通常指蛋白质序列中相邻或相近的一通常指蛋白质
2、序列中相邻或相近的一组具有保守性的残基（或称基序），它与蛋白质分子及组具有保守性的残基（或称基序），它与蛋白质分子及其家族的功能有关。其家族的功能有关。第四页，讲稿共七十九页哦5二、蛋白质结构数据的获得二、蛋白质结构数据的获得圆二色性（圆二色性（circular dichroism,CD），），描绘了不对称分子的描绘了不对称分子的用左右圆偏振光吸收差异谱表示的光学活性。在用左右圆偏振光吸收差异谱表示的光学活性。在160-240nm的的CD光谱可以快速了解蛋白质的二级结构，因为光谱可以快速了解蛋白质的二级结构，因为螺旋，螺旋，折叠和折叠和卷曲产生不同的卷曲产生不同的CD谱。谱。X射线晶体衍射射线
3、晶体衍射核磁共振光谱（核磁共振光谱（nuclear magnetic resonance spectroscopy，NMR）第五页，讲稿共七十九页哦6三、蛋白质结构预测要解决的问题三、蛋白质结构预测要解决的问题蛋白质结构预测问题蛋白质结构预测问题 “序列序列-结构结构-功能功能”三者之间的关系三者之间的关系.-Gly-Ala-Glu-Phe-.FUNCTION第六页，讲稿共七十九页哦7 又称蛋白质侵染因子。朊病毒是一类能侵染动物并在又称蛋白质侵染因子。朊病毒是一类能侵染动物并在宿主细胞内复制的宿主细胞内复制的小分子无免疫性疏水蛋白质小分子无免疫性疏水蛋白质。目前发现的由朊病毒引起的疾病并不多，
4、目前发现的由朊病毒引起的疾病并不多，主要有：主要有：人类中的人类中的库鲁病库鲁病（Kuru病）、克病）、克雅氏综合症（雅氏综合症（CJD）、）、格斯特曼综合症（格斯特曼综合症（GSS）及致死性家族性失眠症（及致死性家族性失眠症（FFI），），动物中的水貂脑软化病，羊搔症，马鹿和鹿的慢性消瘦病动物中的水貂脑软化病，羊搔症，马鹿和鹿的慢性消瘦病（萎缩病），猫的海绵状脑病，疯牛病。这些疾病主要是（萎缩病），猫的海绵状脑病，疯牛病。这些疾病主要是引起神经系统和肌肉组织的损坏。引起神经系统和肌肉组织的损坏。案例：案例：朊病毒朊病毒第七页，讲稿共七十九页哦8折叠，正常折叠，正常3致病致病43第八页，讲稿共
5、七十九页哦9致病机理致病机理19821982年年普鲁辛纳普鲁辛纳提出了朊病毒致病的提出了朊病毒致病的“蛋白质构象致病假说蛋白质构象致病假说”，以后魏斯曼等人对其逐步完善。其要点如下：，以后魏斯曼等人对其逐步完善。其要点如下：朊病毒蛋朊病毒蛋白有两种构象：白有两种构象：细胞型（正常型细胞型（正常型PrPcPrPc）和瘙痒型（致病型和瘙痒型（致病型PrPscPrPsc）。两者的主要区别在于其空间构象上的差异。两者的主要区别在于其空间构象上的差异。PrPcPrPc仅存在仅存在a a螺旋，而螺旋，而PrPscPrPsc有多个有多个折叠存在，后者溶解度低，折叠存在，后者溶解度低，且抗蛋白酶解；且抗蛋白酶
6、解；PrpscPrpsc可胁迫可胁迫PrPcPrPc转化为转化为PrPscPrPsc，实现自我实现自我复制，并产生病理效应；复制，并产生病理效应；基因突变可导致细胞型基因突变可导致细胞型PrPscPrPsc中的中的螺旋结构不稳定，至一定量时产生自发性转化，螺旋结构不稳定，至一定量时产生自发性转化，片层片层增加，最终变为增加，最终变为PrPscPrPsc型，并通过多米诺效应倍增致病。型，并通过多米诺效应倍增致病。第九页，讲稿共七十九页哦10.-Gly-Ala-Glu-Phe-.结构预测问题FUNCTION?关键限制因素第十页，讲稿共七十九页哦11解决方法.-Gly-Ala-Glu-Phe-.FU
7、NCTION！解决方案第十一页，讲稿共七十九页哦12四、蛋白质预测的一般流程四、蛋白质预测的一般流程第十二页，讲稿共七十九页哦13五、影响蛋白质折叠的因素五、影响蛋白质折叠的因素 影响蛋白质结构稳定性的非共价键有：影响蛋白质结构稳定性的非共价键有：范德华力。范德华力。偶极相互作用。偶极相互作用。部分电荷或完整电荷间静电相互作用。部分电荷或完整电荷间静电相互作用。氢键。氢键是形成蛋白质中规则二级结构的主要作用力。氢键。氢键是形成蛋白质中规则二级结构的主要作用力。熵效应熵效应。除了原子间的共价连接以外，蛋白质结构的形成及稳定除了原子间的共价连接以外，蛋白质结构的形成及稳定性在很大程度上依赖于性在很
8、大程度上依赖于非键相互作用非键相互作用。第十三页，讲稿共七十九页哦14熵效应：熵效应：是热力学的一个概念。它是指在一个封是热力学的一个概念。它是指在一个封闭的并存在能量差异的系统中，虽然系统内总能量闭的并存在能量差异的系统中，虽然系统内总能量保持守衡，但能量却总是不可逆转地由高能区向低保持守衡，但能量却总是不可逆转地由高能区向低能区流动，最终达到能量的分散与平衡的一种状态能区流动，最终达到能量的分散与平衡的一种状态和趋势。和趋势。第十四页，讲稿共七十九页哦6.2 蛋白质结构分析蛋白质结构分析第十五页，讲稿共七十九页哦16一、蛋白质结构分类一、蛋白质结构分类蛋白质结构依据不同的层次可以分为四类：
9、蛋白质结构依据不同的层次可以分为四类：1 1）一级结构（氨基酸序列）一级结构（氨基酸序列）2 2）二级结构（规则结构，如）二级结构（规则结构，如a a螺旋、螺旋、折叠）折叠）3 3）三级结构（简单蛋白质的三维空间结构，或复）三级结构（简单蛋白质的三维空间结构，或复杂蛋白质亚基的三维空间结构）杂蛋白质亚基的三维空间结构）4 4）四级结构（亚基的组装）四级结构（亚基的组装）第十六页，讲稿共七十九页哦17.-Gly-Ala-Glu-Phe-.一级结构一级结构二级结构二级结构三级结构三级结构四级结构四级结构第十七页，讲稿共七十九页哦18四级结构四级结构(quaternary structure)：由多
10、个亚基组由多个亚基组成的蛋白质分子的空间结构。成的蛋白质分子的空间结构。五级结构（五级结构（quinternary structure):蛋白质与蛋白蛋白质与蛋白质、蛋白质与核酸相互作用时的空间位置关质、蛋白质与核酸相互作用时的空间位置关系。系。第十八页，讲稿共七十九页哦19二、周期性的二级结构二、周期性的二级结构1 1）螺螺旋旋是是蛋蛋白白质质结结构构中中最最常常见见的的二二级级结结构构，由由于于在在螺螺旋旋内内部部每每隔隔3 34 4个个氨氨基基酸酸残残基基形形成成氢氢键键，因因而而本本身身的的稳稳定定性性较较好好。螺螺旋旋由由于于与与溶溶剂剂的的作作用用或或中中间间有有脯脯氨氨酸酸等等也
11、也会会发发生生弯弯曲曲。不同的残基对于不同的残基对于螺旋中间部位及螺旋中间部位及N N端或端或C C端出现的倾向性不同。端出现的倾向性不同。2 2）折折叠叠片片是是由由带带状状的的折折叠叠股股间间形形成成氢氢键键而而构构成成的的，在在氨氨基基酸酸序序列列上上往往往往是是不不连连续续的的。几几乎乎所所有有的的折折叠叠片片在在沿沿着着折折叠叠股股的的方方向向均均发发生生右右手手的的扭扭曲曲，在在折折叠叠股股间间形形成成左左手手的扭曲。的扭曲。某些残基倾向于出现在某些残基倾向于出现在折叠中折叠中。第十九页，讲稿共七十九页哦20三、非周期性的二级结构三、非周期性的二级结构 连连接接规规则则二二级级结结
12、构构间间的的区区域域统统称称为为环环区区（looploop或或CoilCoil，简简写写为为C C），），这些环区本身的结构也是遵循一定规律的。这些环区本身的结构也是遵循一定规律的。转转角角是是由由四四个个残残基基构构成成的的，使使得得蛋蛋白白质质主主链链的的走走向向形形成成180180度度的的回回折折。转转角角可可以以分分为为几几种种特特定定的的类类型型，并并具具有有一一定定的的氨氨基酸残基倾向性。基酸残基倾向性。由三个残基构成的主链的回折称之为由三个残基构成的主链的回折称之为 转角转角。反反平平行行的的折折叠叠形形成成的的发发夹夹具具有有特特定定的的结结构构。螺螺旋旋间间的短连接具有特定的
13、结构与的短连接具有特定的结构与堆积堆积。当较大的环区的当较大的环区的N N端与端与C C端靠近时就形成端靠近时就形成 环环。非规则性环区非规则性环区也可以按照其平面性、手性及也可以按照其平面性、手性及N N端与端与C C端的相端的相对位置进行分类。对位置进行分类。第二十页，讲稿共七十九页哦21折叠折叠/折叠+折叠第二十一页，讲稿共七十九页哦22四、超二级结构四、超二级结构 二级结构间特定的组合构成超二级结构。二级结构间特定的组合构成超二级结构。1)1)螺螺旋旋一一般般以以特特定定的的角角度度相相堆堆积积，使使得得一一个个螺螺旋旋的的突突出出部部分分及凹槽部分与另外一个螺旋的凹槽部分及突出部分相
14、嵌合。及凹槽部分与另外一个螺旋的凹槽部分及突出部分相嵌合。2)2)折折叠叠片片/折折叠叠片片、螺螺旋旋/折折叠叠片片间间的的堆堆积积有有常常出出现现的的特特定定模模式式。折折叠叠片片中中的的折折叠叠股股以以多多种种拓拓扑扑结结构构相相连连接接，如如希希腊腊钥钥匙匙型型结结构构等等。平平行行的的折折叠叠股股间间的的连连接接（特特别别是是单元）总是右手型的。单元）总是右手型的。随着已知蛋白质结构的增加，不断有新的超二级结构类型出随着已知蛋白质结构的增加，不断有新的超二级结构类型出现。现。第二十二页，讲稿共七十九页哦23五、蛋白质结构域的折叠模式与蛋白质结构分类数据库五、蛋白质结构域的折叠模式与蛋白
15、质结构分类数据库蛋白质结构域（蛋白质结构域（domaindomain）:是蛋白质分子中介于二级结构和三级结构是蛋白质分子中介于二级结构和三级结构之间的结构层次。在分子量较大的球形蛋白质分子中，一条多肽链可能之间的结构层次。在分子量较大的球形蛋白质分子中，一条多肽链可能折叠成两个或多个空间上互相独立的区域，称为结构域。折叠成两个或多个空间上互相独立的区域，称为结构域。结构域可以按照二级结构的种类及排列方式进行分类：结构域可以按照二级结构的种类及排列方式进行分类：主要含有主要含有螺旋的螺旋的/结构；结构；主要含有主要含有折叠片的折叠片的/结构；结构；以以螺旋和螺旋和折叠交替出现的折叠交替出现的/结
16、构；结构；混和型的混和型的结构；结构；小于小于100100残基的不含有明显规则二级结构的小蛋白。残基的不含有明显规则二级结构的小蛋白。1 蛋白质结构域的折叠模式蛋白质结构域的折叠模式第二十三页，讲稿共七十九页哦242蛋白质折叠模式的有限性蛋白质折叠模式的有限性 研究表明，一些序列功能很不同的蛋白质采用类似的结构，研究表明，一些序列功能很不同的蛋白质采用类似的结构，这就提示人们蛋白质折叠模式的种类可能是有限的。这就提示人们蛋白质折叠模式的种类可能是有限的。当务之急当务之急发展快速的能够对蛋白质的折叠类型进行识别的方法。发展快速的能够对蛋白质的折叠类型进行识别的方法。第二十四页，讲稿共七十九页哦2
17、53蛋白质分类数据库蛋白质分类数据库蛋白质结构分类数据库蛋白质结构分类数据库 对于蛋白质预测具有对于蛋白质预测具有重要的意义。重要的意义。两个重要的蛋白质结构分类数据库：两个重要的蛋白质结构分类数据库：1 1）SCOPSCOP数据库数据库2 2）CATHCATH数据库数据库第二十五页，讲稿共七十九页哦26六、蛋白质的进化六、蛋白质的进化1 1）同同源源性性的的蛋蛋白白质质（homologous homologous proteinprotein）是是从从一一个个共共同同的的祖祖先先进进化化而而来来的的，往往往往具具有有相相关关的的功功能能（例例如如丝丝氨氨酸蛋白酶）并采取相似的三维结构。酸蛋白
18、酶）并采取相似的三维结构。2 2）序序列列的的相相似似性性有有时时可可低低到到2020以以下下，但但三三维维结结构构在总体上是保守的。在总体上是保守的。3 3）蛋蛋白白质质结结构构的的核核心心在在序序列列上上及及三三维维结结构构上上均均比比表表面面环环区区更保守。更保守。同源的蛋白质往往具有相似的三维结构；但具有相似的三同源的蛋白质往往具有相似的三维结构；但具有相似的三维结构的蛋白质序列不一定是同源的。维结构的蛋白质序列不一定是同源的。第二十六页，讲稿共七十九页哦6.3 二级结构预测二级结构预测 第二十七页，讲稿共七十九页哦28 蛋白质蛋白质 序列：序列：二级结构：二级结构：蛋白质二级结构预测
19、是蛋白质结构预测的主蛋白质二级结构预测是蛋白质结构预测的主要组成部分之一要组成部分之一 。第二十八页，讲稿共七十九页哦29一、蛋白质一、蛋白质二级结构预测概述二级结构预测概述蛋白质的二级结构预测的基本依据是：蛋白质的二级结构预测的基本依据是：每一段相邻的氨基酸残基具有形成一定二级结构每一段相邻的氨基酸残基具有形成一定二级结构的倾向。的倾向。二级结构预测问题是模式分类问题二级结构预测问题是模式分类问题二级结构预测的目标二级结构预测的目标：判断每一段中心的残基是否处于判断每一段中心的残基是否处于 螺旋、螺旋、折叠、转角（或折叠、转角（或其它状态）之一的二级结构态，即三态。其它状态）之一的二级结构态
20、，即三态。第二十九页，讲稿共七十九页哦30基本策略（1）相似序列相似结构QLMGERIRARRKKLKQLMGAERIRARRKKLK第三十页，讲稿共七十九页哦31二、蛋白质二级结构预测的意义二、蛋白质二级结构预测的意义蛋蛋白白质质二二级级结结构构预预测测不不仅仅仅仅可可以以给给出出二二级级结结构构信信息息，在在实实际际工工作中有广泛的用途。作中有广泛的用途。由由蛋蛋白白质质二二级级结结构构统统计计分分析析得得到到的的规规则则可可用用于于全全新新蛋蛋白白质质设设计计或或蛋白质突变体的设计蛋白质突变体的设计。当当序序列列同同源源性性较较低低时时，二二级级结结构构的的指指认认有有助助于于确确定定蛋
21、蛋白白质质间间结结构与功能的关系构与功能的关系。在在同同源源蛋蛋白白质质模模建建中中，二二级级结结构构预预测测有有助助于于建建立立正正确确的的序序列列比比对关系对关系。在在基基于于二二级级结结构构片片段段堆堆积积的的三三级级结结构构预预测测中中正正确确的的二二级级结结构构预预测测是是第一步。第一步。二二级级结结构构的的预预测测有有助助于于多多维维核核磁磁共共振振中中二二级级结结构构的的指指认认，同同时时也也有助于晶体结构的解析。有助于晶体结构的解析。第三十一页，讲稿共七十九页哦32三、蛋白质二级结构预测的主要方法三、蛋白质二级结构预测的主要方法二级结构预测的方法大体分为三代：二级结构预测的方法
22、大体分为三代：第一代第一代是基于是基于单个氨基酸残基单个氨基酸残基统计分析统计分析从有限的数据集中提取各种残基形成特定二级结构的倾向，以此从有限的数据集中提取各种残基形成特定二级结构的倾向，以此作为二级结构预测的依据。作为二级结构预测的依据。第二代第二代预测方法是基于预测方法是基于氨基酸片段氨基酸片段的统计分析的统计分析统计的对象是氨基酸片段统计的对象是氨基酸片段片段的长度通常为片段的长度通常为11-2111-21片段体现了中心残基所处的片段体现了中心残基所处的环境环境在预测中心残基的二级结构时，以残基在特定环境形成特定在预测中心残基的二级结构时，以残基在特定环境形成特定二级结构的倾向作为预测
23、依据二级结构的倾向作为预测依据 第三十二页，讲稿共七十九页哦33第一代和第二代预测方法对三态预测的准确率第一代和第二代预测方法对三态预测的准确率都小于都小于70%70%，而对，而对 折叠预测的准确率仅为折叠预测的准确率仅为2828 48%48%。其主要原因是只利用局部信息其主要原因是只利用局部信息第三代第三代方法方法:考虑多条序列的同源进化信息考虑多条序列的同源进化信息 运用长程信息和蛋白质序列的进化信息运用长程信息和蛋白质序列的进化信息 准确度有了比较大的提高准确度有了比较大的提高第三十三页，讲稿共七十九页哦341 1ChouChouFasmanFasman方法方法 ChouChouFasm
24、anFasman方方法法曾曾经经是是、现现在在仍仍然然是是最最为为普普遍遍应应用用的的方方法法。其其基基本本出出发发点点在在于于对对于于蛋蛋白白质质2020种种不不同同的的氨氨基基酸酸残残基基在在不不同同的的二二级级结结构构中中出出现现的的几几率率进进行行统统计计分分析析得得出出在在不不同同二二级级结结构构中中出出现现的的倾倾向向性。性。2 2GORGOR方法方法 GORGOR（GarnierGarnierOsguthorpeOsguthorpeRobsonRobson）方方法法基基于于信信息息论论算算法，是所有法，是所有统计算法统计算法中理论基础最好的。中理论基础最好的。3 3最近邻居方法最
25、近邻居方法 在在最最近近邻邻居居方方法法（nearest nearest neighbor neighbor methodmethod）中中新新测测定定的的序列被归类于与已知的最相近的序列具有相同的二级结构。序列被归类于与已知的最相近的序列具有相同的二级结构。第三十四页，讲稿共七十九页哦354 4神经网络方法神经网络方法相相对对而而言言神神经经网网络络方方法法便便于于应应用用，有有较较高高的的预预测测准准确确度度。最最大大的的缺缺点点是是没没有有明明确确的的物物理理化化学学意意义义。其其中中PHDPHD方法方法 是广泛应用的预测方法。是广泛应用的预测方法。5 5基于多重序列比对的二级结构预测基
26、于多重序列比对的二级结构预测 基基于于单单个个序序列列的的二二级级结结构构预预测测方方法法的的预预测测准准确确度度相相对对较较低低，大大约约在在5858左左右右。而而基基于于多多重重序序列列比比对对的的二二级级结结构构预测方法预测方法PSI-PREDPSI-PRED的预测准确度可达到的预测准确度可达到7777。第三十五页，讲稿共七十九页哦36四、二级结构预测的准确度四、二级结构预测的准确度二级结构预测方法针对不同蛋白质所给出的准二级结构预测方法针对不同蛋白质所给出的准确度可能会有很大差别。确度可能会有很大差别。1 1）单序列的预测准确度在）单序列的预测准确度在6060左右。左右。2 2）应用多
27、重序列对比信息的二级结构预测准确度在）应用多重序列对比信息的二级结构预测准确度在 65658585之间。之间。第三十六页，讲稿共七十九页哦37五、二级结构在线预测五、二级结构在线预测许许多多蛋蛋白白质质二二级级结结构构预预测测程程序序可可以以从从因因特特网网上上免免费费下下载载至至本本地地计计算算机机进进行行蛋蛋白白二二级级结结构构预预测测。另另外外，还还可可以以进进行行在在线线计计算算：可可以以通通过过送送EmailEmail的方式，也可以在因特网上实时计算。的方式，也可以在因特网上实时计算。可以进行二级结构可以进行二级结构在线预测在线预测两个网站为：两个网站为：1 1PHDPHD算法算法
28、PredictProteinPredictProtein网站的地址为：网站的地址为：http:/www.predictprotein.org/2 2SSPro 4.0(SSPro 4.0(神经网络）神经网络）http:/scratch.proteomics.ics.uci.edu/第三十七页，讲稿共七十九页哦38PredictProteinhttp:/www.predictprotein.org/可以获得功能预测、二级结构、基序、二硫键结构、结构域等许多可以获得功能预测、二级结构、基序、二硫键结构、结构域等许多蛋白质序列的结构信息蛋白质序列的结构信息该方法的平均准确率超过该方法的平均准确率超过
29、72%，最佳残基预测准确率达，最佳残基预测准确率达90%以上。以上。因此，被视为蛋白质二级结构预测的标准。因此，被视为蛋白质二级结构预测的标准。需要学术邮箱注册需要学术邮箱注册第三十八页，讲稿共七十九页哦39PredictProtein提交界面提交界面第三十九页，讲稿共七十九页哦401D序列预测PROFsec（默认）是PHDsec的改进版本：基于轮廓（profile）的神经网络算法预测蛋白质二级结构PROFacc（默认）基于轮廓（profile）的神经网络算法预测残基溶剂可及性PHDhtm（默认）基于多序列比对预测跨膜区位置和拓扑结构ASP（默认）识别二级结构中构型变化的氨基酸COILS（默认
30、）识别卷曲螺旋PROFtmb识别革兰氏阴性菌膜Beta桶蛋白结构序列基序识别ProSite（默认）搜索序列中保守基序SEG（默认）过滤序列中低复杂区域PredictNLS（默认）基于实验数据预测序列核定位区域二硫键识别DISULFIND（默认）识别序列中二硫键位置折叠子识别AGAPE基于折叠结构识别远源蛋白序列残基接触预测PROFcon预测单链中原子残基接触性结构域预测ProDom（默认）基于序列同源性来预测蛋白质结构域CHOP预测蛋白质结构域结构表面识别ConSeq预测蛋白质表面结构功能关键区域分析方法程序详解分析方法程序详解第四十页，讲稿共七十九页哦41跨膜区跨膜区非跨膜区非跨膜区第四十一
31、页，讲稿共七十九页哦42LoopHelixSheet第四十二页，讲稿共七十九页哦43第四十三页，讲稿共七十九页哦44结果发送至邮箱结果发送至邮箱第四十四页，讲稿共七十九页哦45结果直接发送至邮箱，如下：结果直接发送至邮箱，如下：第四十五页，讲稿共七十九页哦46(a)-Type I membrane protein(b)-Type II membrane protein(c)-Multipass transmembrane proteins（多通道跨膜蛋白）(d)-Lipid chain-anchored membrane proteins(链吸附酯膜蛋白）(e)-GPI-anchored me
32、mbrane proteins（GPI吸附膜蛋白）（糖基磷脂酰肌醇）糖基磷脂酰肌醇）六、蛋白质跨膜区分析六、蛋白质跨膜区分析第四十六页，讲稿共七十九页哦47螺旋跨膜区主要是由螺旋跨膜区主要是由20-30个疏水性氨基酸（个疏水性氨基酸（Leu、Ile、Val、Met、Gly、Ala等）组成。等）组成。亲水残基往往出现在疏水残基之间，对功能有重亲水残基往往出现在疏水残基之间，对功能有重要的作用。要的作用。基于亲基于亲/疏水量和蛋白质膜区每个氨基酸的统计学分疏水量和蛋白质膜区每个氨基酸的统计学分布偏好性量。布偏好性量。蛋白质跨膜区特性蛋白质跨膜区特性第四十七页，讲稿共七十九页哦48跨膜蛋白序列跨膜蛋
33、白序列“边界边界”原则原则 -Landolt Marticorena et al.,1993胞外末端Asp（天冬氨酸）、Ser（丝氨酸）和Pro（脯氨酸）胞外-内分界区域Trp（色氨酸）跨膜区Leu（亮氨酸（亮氨酸）、Ile（异亮氨酸异亮氨酸）、Val（缬氨酸）、Met（甲硫氨酸）、Phe（苯丙氨酸）、Trp（色氨酸）、Cys（半胱氨酸）、Ala（丙氨酸）、Pro（脯氨酸）和Gly（甘氨酸（甘氨酸）胞内-外分界区域Tyr（酪氨酸）、Trp（色氨酸）和Phe（苯丙氨酸）胞内末端Lys（赖氨酸）和Arg（精氨酸）第四十八页，讲稿共七十九页哦常用蛋白质跨膜区域分析工具常用蛋白质跨膜区域分析工具工具网
34、站备注DAShttp:/www.sbc.su.se/miklos/DAS/用Dense Alignment Surface（DAS）算法来预测无同源家族的蛋白跨膜区HMMTOPhttp:/www.enzim.hu/hmmtop/由Enzymology研究所开发的蛋白质跨膜区和拓扑结构预测程序SOSUIhttp:/bp.nuap.nagoya-u.ac.jp/sosui/由Nagoya大学开发一个具有图形显示跨膜区的程序TMAPhttp:/bioinfo.limbo.ifm.liu.se/tmap/基于多序列比对来预测跨膜区的程序TMHMMhttp:/www.cbs.dtu.dk/service
35、s/TMHMM-2.0基于HMM方法的蛋白质跨膜区预测工具TMpredhttp:/www.ch.embnet.org/software/TMPRED_form.html基于对TMbase数据库的统计分析来预测蛋白质跨膜区和跨膜方向TopPredhttp:/bioweb.pasteur.fr/seqanal/interfaces/toppred.html是一个位于法国的蛋白质拓扑结构预测程序第四十九页，讲稿共七十九页哦50TMpredTMpred工具工具：http:/www.ch.embnet.org/software/TMPRED_form.html依靠跨膜蛋白数据库Tmbase预测跨膜区和跨
36、膜方向在在Expasy网站上有链接：网站上有链接：http:/expasy.org/tools/第五十页，讲稿共七十九页哦51第五十一页，讲稿共七十九页哦52主要参数主要参数/选项选项序列在线提交形式：直接贴入蛋白序列填写SwissProt/TrEMBL/EMBL/EST的ID或AC输出格式输出格式最短和最长的跨膜螺旋疏水区长度最短和最长的跨膜螺旋疏水区长度输入序列名（可选）输入序列名（可选）选择序列的格式选择序列的格式贴入贴入protein.txt蛋白蛋白质序列质序列第五十二页，讲稿共七十九页哦53输出结果输出结果包含四个部分可能的跨膜螺旋区相关性列表可能的跨膜螺旋区可能的跨膜螺旋区相关性列
37、表相关性列表位置位置分值分值 片段中点位置片段中点位置第五十三页，讲稿共七十九页哦5454 跨膜拓扑模型及图示跨膜拓扑模型及图示建议的跨膜拓扑模型建议的跨膜拓扑模型每一位置计算分值每一位置计算分值最优拓最优拓扑结构扑结构第五十四页，讲稿共七十九页哦55TMHMMhttp:/www.cbs.dtu.dk/services/TMHMM/第五十五页，讲稿共七十九页哦56输出结果输出结果第五十六页，讲稿共七十九页哦6.4 三三级结构预测级结构预测第五十七页，讲稿共七十九页哦58三维结构数据与一维序列数据在量上增长速三维结构数据与一维序列数据在量上增长速度严重不协调。度严重不协调。原因：原因：1直接测定
38、法：速度慢直接测定法：速度慢2预测法：在方法上，还没有一个方法或程序可预测法：在方法上，还没有一个方法或程序可以真正做到所谓的以真正做到所谓的“从头从头”预测蛋白的三维结构。预测蛋白的三维结构。第五十八页，讲稿共七十九页哦59一、同源蛋白质结构预测一、同源蛋白质结构预测 又称又称同源模型化方法同源模型化方法主要思想：主要思想：对于一个未知结构的蛋白质，找到一个已知结构的同源蛋白质，对于一个未知结构的蛋白质，找到一个已知结构的同源蛋白质，以该蛋白质的结构为模板，为未知结构的蛋白质建立结构模型。以该蛋白质的结构为模板，为未知结构的蛋白质建立结构模型。依据：依据：任何一对蛋白质，如果两者的序列任何一
39、对蛋白质，如果两者的序列等同等同部分超过部分超过30%30%，则它们具，则它们具有相似的三维结构，即两个蛋白质的基本折叠相同，只是在非螺旋有相似的三维结构，即两个蛋白质的基本折叠相同，只是在非螺旋和非折叠区域的一些细节部分有所不同。和非折叠区域的一些细节部分有所不同。第五十九页，讲稿共七十九页哦60同源蛋白质结构预测的方法同源蛋白质结构预测的方法1）片段组装法：）片段组装法：SWISS-MODEL2）距离几何法：）距离几何法：MODELLERSWISS-MODEL:http:/swissmodel.expasy.org/SWISS-MODEL.html第六十页，讲稿共七十九页哦61第六十一页，
40、讲稿共七十九页哦62第六十二页，讲稿共七十九页哦63最后的预测结果最后的预测结果第六十三页，讲稿共七十九页哦64模板序列与查询模板序列与查询序列的装载序列的装载结构的精细比对结构的精细比对分子骨架的形成分子骨架的形成侧链形成和优化侧链形成和优化加入氢原子、优加入氢原子、优化回环化回环能量最小化、结能量最小化、结构封装构封装SWISS-MODEL的工作过程：的工作过程：第六十四页，讲稿共七十九页哦65二、蛋白质折叠类型识别二、蛋白质折叠类型识别又称又称线索化方法线索化方法有有很很多多蛋蛋白白质质具具有有相相似似的的空空间间结结构构，但但它它们们的的序序列列等同部分小于等同部分小于25%，即远程同
41、源。，即远程同源。对对于于这这类类蛋蛋白白质质，很很难难通通过过序序列列比比对对找找出出它它们们之之间的关系，必须设计新的分析方法。间的关系，必须设计新的分析方法。第六十五页，讲稿共七十九页哦66对于一个未知结构的蛋白质（对于一个未知结构的蛋白质（U），），如果找到一个已知结构的远程同源蛋白质（如果找到一个已知结构的远程同源蛋白质（T），），那么可以根据那么可以根据T的结构模板通过的结构模板通过远程同源模型化方远程同源模型化方法法建立建立U的三维结构模型。的三维结构模型。U T（远程同源）第六十六页，讲稿共七十九页哦67线索化的主要思想：线索化的主要思想：利用氨基酸的结构倾向（如形成二级结构的
42、利用氨基酸的结构倾向（如形成二级结构的倾向、疏水性、极性等），评价一个序列倾向、疏水性、极性等），评价一个序列所对应的结构是否能够适配到一个给定的所对应的结构是否能够适配到一个给定的结构环境中。结构环境中。第六十七页，讲稿共七十九页哦68线索化方法一般有线索化方法一般有5个基本组成部分：个基本组成部分：（1）已知三维折叠结构的数据库；）已知三维折叠结构的数据库；（2）一种适合于进行序列）一种适合于进行序列-结构比对的三维折叠结构比对的三维折叠信息的表示方法；信息的表示方法；（3）一个序列）一个序列-结构匹配函数，该函数对匹配程结构匹配函数，该函数对匹配程度进行打分；度进行打分；（4）建立最优线
43、索的策略，或者是进行序列）建立最优线索的策略，或者是进行序列-结构比结构比对的策略；对的策略；（5）一种评价序列）一种评价序列-结构比对显著性的方法。结构比对显著性的方法。第六十八页，讲稿共七十九页哦69假设存在有限数目的核心折叠（假设存在有限数目的核心折叠（core folds）核核心心折折叠叠实实际际上上是是构构成成蛋蛋白白质质空空间间形形状状的的基基本本模式。模式。建立核心折叠数据库建立核心折叠数据库预测预测-建立线索建立线索U序列与数据库核心与数据库核心折叠比对折叠比对取最佳核心取最佳核心折叠折叠U结构模型第六十九页，讲稿共七十九页哦70http:/www.sbg.bio.ic.ac.
44、uk/phyre/index.cgiphyre与已知折与已知折叠子比对叠子比对第七十页，讲稿共七十九页哦71三、蛋白质结构从头预测三、蛋白质结构从头预测在既没有已知结构的同源蛋白质、也没在既没有已知结构的同源蛋白质、也没有已知结构的远程同源蛋白质的情况下，有已知结构的远程同源蛋白质的情况下，上述两种蛋白质结构预测的方法都不能上述两种蛋白质结构预测的方法都不能用，这时只能采用从头预测方法，即直用，这时只能采用从头预测方法，即直接或仅仅根据序列本身来预测其结构。接或仅仅根据序列本身来预测其结构。第七十一页，讲稿共七十九页哦72从头预测方法一般由下列从头预测方法一般由下列3个部分组成：个部分组成：（
45、1）一种蛋白质几何的表示方法）一种蛋白质几何的表示方法由于表示和处理所有原子和由于表示和处理所有原子和溶剂环境溶剂环境的计算开销非常的计算开销非常大，因此需要对蛋白质和溶剂的表示形式作近似处理。大，因此需要对蛋白质和溶剂的表示形式作近似处理。（2）一种）一种势函数势函数及其参数及其参数通过对已知结构的蛋白质进行统计分析确定势函数中的各通过对已知结构的蛋白质进行统计分析确定势函数中的各个参数。个参数。（3）一种构象空间搜索技术）一种构象空间搜索技术 构象空间搜索和势函数的建立是从头预测方法的关键。构象空间搜索和势函数的建立是从头预测方法的关键。第七十二页，讲稿共七十九页哦73能量函数和优化能量函
46、数和优化 需要考虑的相互作用需要考虑的相互作用疏水作用疏水作用氢键氢键二硫桥二硫桥静电作用静电作用范德华力范德华力溶剂作用溶剂作用第七十三页，讲稿共七十九页哦74基于势函数或者力场的结构预测方法在实际应用中基于势函数或者力场的结构预测方法在实际应用中存在许多问题，主要原因存在许多问题，主要原因:我们还没有完全了解究竟是哪些力决定了蛋白质的折叠过程，我们还没有完全了解究竟是哪些力决定了蛋白质的折叠过程，同时这些力之间又是如何相互作用的。同时这些力之间又是如何相互作用的。力场参数不精确，没有对溶剂处理的好方法。力场参数不精确，没有对溶剂处理的好方法。构象搜索过程容易陷入局部能量极小点。构象搜索过程
47、容易陷入局部能量极小点。自然折叠的蛋白质结构与一般蛋白质构象之间的能量差比较小。自然折叠的蛋白质结构与一般蛋白质构象之间的能量差比较小。研究蛋白质折叠的研究蛋白质折叠的计算量非常大计算量非常大。第七十四页，讲稿共七十九页哦75方法特点工具同源建模法(Homology/Comparative modelling)基于序列同源比对，对于序列相似度30的序列模拟比较有效，最常用的方法 SWISS-MODEL，CPHmodels 线索化法/折叠识别法(Threading/Fold recognition)“穿”入已知的各种蛋白质折叠骨架内，适于对蛋白质核心结构进行预测，计算量大PHYRETHREADE
48、R，从头预测法(Ab initio/De novo methods)基于分子动力学，寻找能量最低的构象，计算量大，只能做小分子预测HMMSTR/ROSSETA蛋白质三维结构预测方法比较蛋白质三维结构预测方法比较第七十五页，讲稿共七十九页哦76 对各种方法所得到的蛋白质结构预测结果需要进行验证，以确定预测对各种方法所得到的蛋白质结构预测结果需要进行验证，以确定预测方法是否可行，确定其适应面。方法是否可行，确定其适应面。验证的一种方法是取已知结构的蛋白质，对这些蛋白质进行模拟结构验证的一种方法是取已知结构的蛋白质，对这些蛋白质进行模拟结构预测，并将预测结构与真实结构进行比较，分析两者之间的差距。预
49、测，并将预测结构与真实结构进行比较，分析两者之间的差距。权威的评判机构，建立公共认可的蛋白质结构测试数据集。设立在加权威的评判机构，建立公共认可的蛋白质结构测试数据集。设立在加利福尼亚大学的利福尼亚大学的蛋白质结构预测中心蛋白质结构预测中心就是这样一个系统就是这样一个系统（http:/predictioncenter.gc.ucdavis.edu/）四、预测方法评价四、预测方法评价第七十六页，讲稿共七十九页哦77五、蛋白质结构预测发展趋势五、蛋白质结构预测发展趋势1997年，美、欧、加、日科学家提出年，美、欧、加、日科学家提出“结构基因组结构基因组（structure genomics）计划计
50、划”。目标目标：通过实验和计算的手段弄清每一个基因产物：通过实验和计算的手段弄清每一个基因产物的结构与功能。的结构与功能。第七十七页，讲稿共七十九页哦78蛋白质结构预测今后的发展方向：蛋白质结构预测今后的发展方向：1）对于基因组数据进行大规模归类分析的方法。）对于基因组数据进行大规模归类分析的方法。2）如何根据实验测定或预测的蛋白质三维结构进行蛋白质的）如何根据实验测定或预测的蛋白质三维结构进行蛋白质的功能预测。功能预测。3）如何从蛋白质网络或蛋白质相互作用与调控方面进行蛋白）如何从蛋白质网络或蛋白质相互作用与调控方面进行蛋白质的结构预测。质的结构预测。4）进一步发展高精度的同源蛋白质结构预测