第八章蛋白質(zhì)序列分析及結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

1、第一節(jié) 引 言第八章 蛋白質(zhì)序列分析及結(jié)構(gòu)確認(rèn)一段DNA序列是一個(gè)以后，接下來的工作就是根據(jù)的ORF推知其編碼的蛋白質(zhì)序列，然后進(jìn)一步分析蛋白質(zhì)理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能。包括分子量、等電點(diǎn)、二級(jí)結(jié)構(gòu)、三級(jí)結(jié)構(gòu)、四級(jí)結(jié)構(gòu)、膜蛋白的跨膜區(qū)段、酶的活性位點(diǎn)、以及蛋白質(zhì)之間相互作用等結(jié)構(gòu)和功能信息。蛋白質(zhì)序列分析主要包括理化性質(zhì)分析和。第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)引 言蛋白質(zhì)一級(jí)結(jié)構(gòu)分析蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)分析蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)分析第節(jié)核苷酸序列所包含的4種堿基的化學(xué)性質(zhì)相當(dāng)相似（但仍不相同），與之不同的是，蛋白質(zhì)的20種氨基酸主要由于化學(xué)構(gòu)造上的差別，因而在結(jié)構(gòu)和功能上存在著更大的多樣性。任一殘基對(duì)蛋白質(zhì)的整體物理性質(zhì)都會(huì)

2、產(chǎn)生影響，因?yàn)檫@些氨基酸本身就是酸性或者堿性的，親水或疏水的，有直鏈、側(cè)鏈或芬香環(huán)，因而每種殘基對(duì)蛋白質(zhì)域中不同類型的結(jié)構(gòu)都存在偏向。用實(shí)驗(yàn)方法獲取這些信息的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)趕不上原始序列數(shù)據(jù)產(chǎn)生的速度。1傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)：元二色譜、旋光色散、X光晶體衍射和核磁共是確定結(jié)構(gòu)特征的強(qiáng)有力的技術(shù)。但它們的實(shí)現(xiàn)需要大量時(shí)間，并對(duì)技術(shù)和技巧都有很高要求。對(duì)比蛋白質(zhì)序列和結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫的容量可知兩類信息之間差距已十分明顯。蛋白質(zhì)序列：428814蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)：5017個(gè)條目。數(shù)據(jù)庫中大多數(shù)蛋白質(zhì)序列的理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與功能都是未知的。四當(dāng)前蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫中的序列信息正急劇增加。第二節(jié) 蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)分析蛋白質(zhì)

3、的一級(jí)結(jié)構(gòu)指多肽鏈內(nèi)氨基酸殘基從N末端到C末端的排列順序，是蛋白質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)。所有蛋白質(zhì)序列，都包含有決定其理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)與功能的內(nèi)在信息。蛋白質(zhì)理化性質(zhì)是蛋白質(zhì)的基礎(chǔ)蛋白質(zhì)分子的高級(jí)結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)的基本性質(zhì)：當(dāng)然，這些屬性就是生物化學(xué)的原理之一相對(duì)分子質(zhì)量原子組成消光系數(shù)氨基酸組成 等電點(diǎn)（ ）脂肪系數(shù)序列決定構(gòu)象的基礎(chǔ)（Anfinsen et al. 1961）。根據(jù)步的的蛋白質(zhì)序列，可以進(jìn)一分析蛋白質(zhì)的基本理化性質(zhì)和其含有的序列模式。如蛋白質(zhì)半衰期不穩(wěn)定系數(shù)總平均親水性的分子量、等電點(diǎn)( )、氨基酸組成、疏水性和親水性分析等。實(shí)驗(yàn)方法：相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定、等電點(diǎn)實(shí)驗(yàn)、沉降實(shí)驗(yàn)缺點(diǎn)：費(fèi)時(shí)、耗

4、資基于實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)值的計(jì)算機(jī)分析方法9常用的有ProtParam、 ProtScale、 REP、2.序列提交形式：ExPASy和PROPSEARCH （http:/de/prs.html）等。Protparam 工具ProtScale 工具-如果分析SWISS-PORT和TrEMBL數(shù)據(jù)庫中序列直接填寫Swiss-Prot/TrEMBL AC號(hào)(ac如果分析新序列：直接在搜索框中粘貼氨基酸序列number)相對(duì)分子質(zhì)量等電點(diǎn)（ ）氨基酸組成 消光系數(shù)半衰期不穩(wěn)定系數(shù)脂肪系數(shù)總平均親水性輸入Swiss-Prot/TrEMBL AC號(hào)打開lesson7. seq將Seq7直接粘貼在搜索框中3 點(diǎn)擊

5、，彈出分析結(jié)果頁面2一. 蛋白質(zhì)基本理化性質(zhì)分析1.進(jìn)入ProtParam主頁；圖1 ProtParam主頁面氨基酸數(shù)目相對(duì)分子質(zhì)量理論 值氨基酸組成及含量帶正電荷與帶負(fù)電荷的氨基酸殘基數(shù)原子組成分子式總原子數(shù)二. 蛋白質(zhì)親疏水性分析蛋白質(zhì)的親水性或疏水性蛋白質(zhì)的基本組成單元是氨基酸。氨基酸通常被分為三類：1. 疏水氨基酸（hydro obic amino acid），其側(cè)鏈大部分 或者全部由碳原子和氫原子組成，因此這類氨基酸不太可 能與水分子形成氫鍵；2. 極性氨基酸（polar amino acid），其測(cè)鏈通常由氧原子或 氮原子組成，它們比較容易與水分子形成氫鍵，因此也稱 為親水氨基酸；

6、氨基酸的親疏水性是 蛋白質(zhì)折疊的主要驅(qū)動(dòng)力，一般通過親水性分布圖（ hydropathy profile）反映蛋白質(zhì)的折疊情況。蛋白質(zhì)折疊時(shí)會(huì)形成疏水內(nèi)核和親水表面，同時(shí)在潛在跨膜區(qū)出現(xiàn)高疏水值 區(qū)域，據(jù)此可以測(cè)定跨膜螺旋等二級(jí)結(jié)構(gòu)和蛋白質(zhì)表面氨基酸分布。二. 蛋白質(zhì)親疏水性分析ProtScale工具氨基酸標(biāo)度 表示氨基酸在某種實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下相對(duì)其他氨基酸在某些性質(zhì)上的差異，如疏水性、親水性等。收集50多個(gè)文獻(xiàn)中提供的氨基酸標(biāo)度3. 帶電氨基酸（charged amino acids），這類氨基酸默認(rèn)值為Hob. Kyte & Doolittle，做疏水性在生物環(huán)境中帶有正電或負(fù)電。分析173消光

7、系數(shù)半衰期不穩(wěn)定系數(shù)脂肪系數(shù)總平均親水性ProtParam 輸出結(jié)果用戶提交序列主要選項(xiàng)/參數(shù)提交形式：序列如果分析SWISS-PORT和TrEMBL數(shù)據(jù)庫中序列直接填寫Swiss-Prot/TrEMBL AC號(hào)(ac如果分析新序列：直接在搜索框中粘貼氨基酸序列number)氨基酸標(biāo)度輸入Swiss-Prot/TrEMBL AC號(hào)打開lesson7. seq將Seq7直接粘貼在搜索框中蛋白質(zhì)的翻譯后修飾蛋白質(zhì) 號(hào)肽點(diǎn)擊不同功能域或直接粘貼氨基酸序列的方式得到以下結(jié)果蛋白質(zhì)序列疏水區(qū)域分布圖數(shù)值越大的部分表示這段氨基酸序列的圖疏形結(jié)水果性越強(qiáng)，越有可能是跨膜文區(qū)本域結(jié)，果信號(hào)肽是指新多肽鏈中用于

8、指導(dǎo)蛋白質(zhì)跨膜轉(zhuǎn)移的末端（通常為N末端）的氨基酸序列。序列參數(shù)0,疏水性每個(gè)位置的得分98%的殘基進(jìn)一步M=跨膜區(qū)N或空白=非跨膜區(qū)第四節(jié) 蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)分析蛋白質(zhì)序列分析蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能、進(jìn)化密切相關(guān)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫：從頭蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)從頭是一個(gè)尚未成研PDB：MMDB：rcsb /pdb/究領(lǐng)域,但發(fā)展?jié)摿κ志薮螅驗(yàn)樵摲椒ú恍枰廊魏我粋€(gè)目標(biāo)序列的同源蛋白ncbi nlm nih/entrez/query fcgi?db=Structure NRL-3D：geetown edu/ rwww/dbinfo/nrl3d html br/質(zhì)，僅從蛋白質(zhì)的一級(jí)結(jié)構(gòu)其高級(jí)結(jié) Psdb：psd

9、b構(gòu)。從頭蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的理論依據(jù)是Anfinsen蛋白質(zhì)的天然構(gòu)象對(duì)應(yīng)其能最低的結(jié)構(gòu)這一熱力學(xué)假設(shè)。蛋白質(zhì)序列分析蛋白質(zhì)序列分析10蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)同源建模法SWISS-Mhttp /swissm .expasy. /WebESyPred3Dhttp /Web3Djigsawhttpet.uk/servers/3djigsaw/WebTO TShttp /heidelberg.de/predictprotein/submit_ex tmlWebC m shttp /WebDalihttp /Web/Linux3D-PSSMhttp /httpet.uk/3dpssm/WebMLERhttp /

10、salilab. /m ler/Windows/ LinuxWHATIFhttp /WindowsInsightII/QUANTAhttp/WindowsDSM inghttp/dstudio/ds_m ing/ds_ m er.htmlWindows蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)串Prospecthttppbio.ornl. /structure/prospect/LinuxTHREADERhttp /bioinf.cs.ucl.ac.uk/threader/ftp /bioinf.cs.ucl.ac.uk/pub/threader/archive/Linux123D+http /123d.ncifcrf.

11、 /123D+.htmlWebFRSVRhttp /WebSAMt98http /_meta.html#PX_about_samt98Web蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)-從頭法HMMSTR/Rosettahttp /Web/ Linux蛋白質(zhì)三級(jí)結(jié)構(gòu)三維結(jié)構(gòu)圖示和修改工具Swiss-PdbViewerhttp /WebSee in 3Dhttp /3d.shtmlftp /ft3D-4.1.msiWindows/ LinuxRASMOL http /cgi-bin/p.cgi/software/RasMol_.MSWIN/ raswin.exeWindows/ Linux同源模建的基本過程包括六部分:目標(biāo)序

12、列與模板序列的匹配;根據(jù)同源蛋白質(zhì)的多重序列匹配結(jié)果,確定同源蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)保守區(qū)()以及相 應(yīng)的框架結(jié)構(gòu);目標(biāo)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)保守區(qū)的主鏈模建;目標(biāo)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)變異區(qū)()的主鏈模建;側(cè)鏈的安裝和優(yōu)化;對(duì)模建結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和評(píng)估.方法特點(diǎn)工具同源建模法 ( Homology m ling )基于序列同源比對(duì)，對(duì)于序列相似度25的序列模擬比較有效，最常用的方法SWISS-M，TO TS ，VAST串(Threading)“穿”入已知的各種蛋白質(zhì)折疊骨架內(nèi)，適于對(duì)蛋白質(zhì)核心結(jié)構(gòu)進(jìn)行，計(jì)算量大Prospect ，THREADER從頭法( ab initio )基于分子動(dòng)力學(xué)，尋找能量最低的構(gòu)象，計(jì)算量大，只能做

13、小分子HMMSTR/ ROSSETA蛋白質(zhì)序列分析蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)方法同源建模法分析步驟：多序列比對(duì)與已有晶體結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)序列比對(duì)確定是否有可以使用的模板序列相似度30%序列相似度30%，結(jié)合功能，蛋白質(zhì)一級(jí)序列、二級(jí)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)域信息構(gòu)建三維模型三維模型準(zhǔn)確性檢驗(yàn)Whatcheck 程序SWISS-M網(wǎng)頁界面SWISS-M質(zhì)三維結(jié)構(gòu)工具最常用的蛋白工具M(jìn)html自動(dòng)模式比對(duì)模式工程模式同源建模方法與PDB數(shù)據(jù)庫已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)序列比對(duì)進(jìn)行Ramachandran plot計(jì)算檢驗(yàn) 手工調(diào)整多序列比對(duì)，重新擬合，構(gòu)建新的模型61提交以后會(huì)出現(xiàn)Automatic mode（簡捷模式）:用于建模的氨基

14、酸序列或是Swiss-Prot/TrEMBL (expasy/sprot)編目號(hào)（ac）可以直接通過web界面提交。服務(wù)器會(huì)完全自動(dòng)地為目標(biāo)序列建立模型。Alignment mode（聯(lián)配模式）: 這個(gè)模式需要多序列聯(lián)配的結(jié)果，序列中至少包括目標(biāo)序列和模板（最多可輸入5條序列）。服務(wù)器會(huì)基于比對(duì)結(jié)果建模。用戶需要指明哪一條序列作為目標(biāo)序列，哪一條又作為模板。Project mode(項(xiàng)目模式): 這種模式允許用戶提交經(jīng)過手工優(yōu)化的請(qǐng)求給服務(wù)器。DeepView被用來建立一個(gè)項(xiàng)目文件，它包含了模板結(jié)構(gòu)，以及目標(biāo)序列與模板的聯(lián)配結(jié)果。這個(gè)結(jié)果也要上傳到服務(wù)器。這種方式提供對(duì)建模過程中細(xì)節(jié)的控制，例

15、如選擇不同的Ps:珍惜勞動(dòng)成果。這等了一個(gè)小時(shí)的成果模板，手工編輯目標(biāo)序列和模板的聯(lián)配結(jié)果，以便正確地定下插入和刪除的位置。項(xiàng)目模式還能夠用于重復(fù)改進(jìn)Automatic mode的結(jié)果。11輸入蛋白質(zhì)序列顯示的有的時(shí)候速度有點(diǎn)慢，耐心等待填寫正確的郵箱，會(huì)有郵件Global模型全局估目標(biāo)序列和靶序列比對(duì)圖形模型和模板信息模型質(zhì)量參數(shù)pdb格式文件模型局部估點(diǎn)擊可展開和收縮比對(duì)建模模板四級(jí)結(jié)構(gòu)建模配體建模文獻(xiàn)12SWISS-M網(wǎng)頁界面再選擇聯(lián)配模式比對(duì)結(jié)果與模板序列比對(duì)結(jié)果并顯示二級(jí)結(jié)構(gòu)區(qū)域73可以把結(jié)果保存下來反饋的結(jié)果也可以在 myWorkspace 中查看，自己的郵箱是用戶名，郵件里邊有p

16、assword蛋白質(zhì)序列分析常用蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)觀察和修改工具SWISS-PdbView觀察三維模型SWISS-PdbView工具觀察和修改分子的三維結(jié)構(gòu)一個(gè)界面非常友好的工具，可以分析蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，比較活性位點(diǎn)或突變點(diǎn)一個(gè)基于Java語言開發(fā)的三維觀察工具，大多是作為一個(gè)內(nèi)嵌式網(wǎng)頁工具快速游覽結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)免費(fèi)的PDB三維分子觀察軟件，可以通過處理生成很漂亮的圖形文件一個(gè)基于開源的三維觀察工具，有很多額外的插件來 功能http /ca.expasy. /spdbv/Jmolhttp /jmol.sourcef/http /MolMolmolmol/PyMolhttp /pymol.sour

17、cefhttp /很有名的三維觀察作界Rasmol/software/rasmol/面簡介，用命令行實(shí)現(xiàn)多種功能用內(nèi)建的 來瀏覽、分析三維結(jié)構(gòu)，還可以以動(dòng)畫的形式模擬蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)VMDhttp /http/products/framework/chime 網(wǎng)絡(luò)游覽器插件，可以在網(wǎng)頁中Chime/index.jsp直接觀察PDB格式的文件免費(fèi)分子模擬顯示程序，還包括結(jié)構(gòu)比對(duì)、藥物篩選等功能三維分子游覽工具，有序列比對(duì)顯示功能，由MolSodt公司免費(fèi)推出Chimerahttp /ICM-Browserhttp/icm_browser.html13Swiss- PdbViewer工具備注出現(xiàn)的結(jié)果接著會(huì)出現(xiàn)下面的界面控制面板SWISS-PdbViewerSWISS-PdbViewer主要功能菜單欄/（1）查看使用同源建模法的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)；計(jì)算電荷分布，估算易受影響的表面；計(jì)算并顯示不合理的原子接觸、氫鍵、角度；人工編輯序列，如氨基酸突變、loop區(qū)域重建、旋轉(zhuǎn)指定的化學(xué)鍵， 并通過能量最小化（ energy minimization）調(diào)整修飾后蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)；測(cè)量原子之間距離和角度；利用Ramachandran plot觀察蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的合理性。圖層窗口