蛋白质序列分析与结构预测

ProteinSequenceAnalysisandStructurePrediction Dr ZOU Ling YunDepartmentofMicrobiology Outline 20aminoacids thebuildingblocks helices Ala Glu Leu Met 出现频率高Pro Gly Tyr Ser 出现频率低 sheets Coils domain 4 helixbundles Beta domainUp and downsheetsandbarrel a Domains 为什么要研究蛋白质结构 生物体的许多重要功能由蛋白质完成已知序列的蛋白质数量与已知结构的蛋白质数量的差距正在拉大分析蛋白质结构有助于药物设计研究有助于了解蛋白质相互作用 这对于生物学 医学和药学都非常重要 Sequence Swiss Prot 468851 2009 5 Structure PDB 57835 2009 5 蛋白质序列 黄 和结构 红 数量比较 ExperimentalMethodstoDetectStructures Twoempiricalmethodsforrevealingpositionsofatomsin3 D X RayCrystallographyResolution 0 1nmDeterminingmoststructures 87 inPDBDifficulttogrowacrystalsometimes NuclearMagneticResonance NMR Resolution 0 15nmDeterminingabout13 structuresinPDBSmallproteinsonly 250residues Needsamplesofhighpurity Gly Ala Glu Phe FUNCTION ProblemsofPredictingProteinStructure Bioinformatics Gly Ala Glu Phe FUNCTION 蛋白质结构数据库 PDB ProteinDataBank 主要的蛋白质结构库http www rcsb org pdb home home doMMDB MolecularModelingDatabase 分子模型数据库http www ncbi nlm nih gov sites entrez db structurePDBe ProteinDataBankinEurope 大分子的相互作用和结合位点http www ebi ac uk pdbe PDB MMDB 蛋白质结构可视化工具 SwissPDBViewer 界面友好 可同时分析几个PDB文件 可叠加起来分析结构类似性 可与Swiss Model服务器连接 从软件直接连到Swiss Model服务器进行理论蛋白立体结构构建 http spdbv vital it ch RasMol 读取PDB格式文件 显示生物大分子三维结构图像的软件 系统的要求很低 应用广 可由Unix Windows及Macintosh平台支持运行 界面简单 基本操作简单 运行非常迅速 http www openrasmol org Cn3D 含义为 Seein3 D 是一个生物分子的三维结构 序列以及序列比对结果的可视化工具 读取MMDB数据库的数据文件特定结构查找 结构比对http www ncbi nlm nih gov Structure CN3D cn3d shtml 蛋白质序列分析的主要内容 氨基酸组成分析氨基酸含量统计SequenceLogo图理化性质分析预测等电点 PI 计算分子量 molecularweight Mw 分析疏水性 hydrophobicity 特殊位点预测 信号肽 跨膜区 氨基酸组成分析 氨基酸含量统计氨基酸对含量统计 SequenceLogo 理化性质分析 亲 疏水性分析 Adaptingthewindowsizetothesizeofthemembranespanningsegmentmakesthepictureeasiertointerpret 物理化学性质分析软件 ExPaSyProtParam计算蛋白质氨基酸组成 等电点 分子量等http www expasy ch tools protparam htmlWebLogo绘制Sequencelogo图http weblogo berkeley edu TMHMM计算膜蛋白的跨膜区http www cbs dtu dk services TMHMM http www expasy ch tools http www cbs dtu dk services TMHMM SecondaryStructurePredictionProblem HowtopredicttheSSEfromthesequence SecondaryStructureElements Review predictionofexonregioninDNA SecondaryStructurePrediction Canweusethesimilarmethod 1 Chou Fasmanpredictions Empirical2 Garnier OsguthorpeandRobson GOR HMM3 DavidT Jones PSSM4 Frishman Argos Nearestneighbormethods5 SujunHua Supportvectormachine Chou Fasman 预测三种主要的二级结构 alpha helix beta sheet Coil训练数据 15个已知构象的蛋白质结构 共2473个氨基酸残基定义一个蛋白质构象参数 proteinconformationalparameters 不同氨基酸残基在不同二级结构中的重要性P P Pc ThePreferenceofAminoAcid Chou Fasman 1974 Bio chem Judgerule helixSearchthehelixcorealongthesequence Ifatleast4residuesinthesequential6areprefer helix pi 1 findahelixcore Extendthecore untiltheaveragepreferencescoreofthissegmentislessthan1 Similarmethodtojudgethe sheet NeuralNetworkMethodstoPredictSSE Thehighestaccuracyusingthetraditionalmethodisabout60 Interactionbetweenresiduesisanimportantfactordeterminingthesecondarystructure Usingneuralnetworkmethodtoconsiderthisinteractioncanimprovetheaccuracyto65 蛋白质序列综合分析软件Anthepro 3DStructurePrediction TertiaryStructurePredictionMethods Problem GICPRFAHVIENLLLGTPSSYETSLKEFEPDDTMKDAGMQMKKVLDSLPQTTRENIMKLTEKIVKSPLCM Usingphysicalforce howproteinfolding Abinitiomethod 从头计算 Usingevolutioninformation searchsimilarity Homologymodeling HM 同源建模 FoldRecognition FR 折叠识别 Fromeasytohard HM FR Abinitio TertiaryStructurePredictionMethods Homologymodeling 概念 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 依据 任何一对蛋白质 如果两者的序列等同部分超过30 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 只是在非螺旋和非折叠区域的一些细节部分有所不同 搜索已知三级结构的同源蛋白质序列 模板 PSI BLASTmultiplesequencealignment选取与给定序列相似性最高的结构作为模板将氨基酸残基替换到结构模板中对应的位置上 降低自由能 Homologymodeling 步骤 Homologymodeling Workwell SWISS MODEL fullyautomatedweb serverforproteinstructuremodellingdevelopedin1993nowadaysthemostwidely usedfreeweb basedautomatedfacility ArethereproblemswithSWISS MODEL Resultsmustbeconcideredwithcareprocedureisnon experimentalnohumaninterventionduringmodelbuildingChosentemplateaffectstheresultsthemorethetemplateandthetargetsequenceshareidentitythemoreaccuratetheresultswillbe 本课小结 蛋白质序列和结构的特点 分析的基础蛋白质三维结构可视化 观察结构模型蛋白质序列分析 理化性质计算 特征信号预测蛋白质结构预测