蛋白質(zhì)序列分析以及結(jié)構(gòu)預(yù)測

1、關(guān)于蛋白質(zhì)的序列分析及結(jié)構(gòu)預(yù)測第一張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月DNA sequenceProtein sequenceProtein structureProtein function第二張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月一、蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫介紹二、蛋白質(zhì)序列分析三、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測四、應(yīng)用 分子設(shè)計第三張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月一、蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫介紹蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)主要分為四級, 一級結(jié)構(gòu)、二級結(jié)構(gòu)、三級結(jié)構(gòu)以及四級結(jié)構(gòu)。依據(jù)這種結(jié)構(gòu)層次, 將蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫分為: 1. 蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫：如PIR、SWISS-PROT、NCBI , 這些數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)主要以

2、蛋白質(zhì)的序列為主, 并賦予相應(yīng)的注釋; 2. 蛋白質(zhì)模體及結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)庫：如PROSITE、Pfam, 這些數(shù)據(jù)庫主要收集了蛋白質(zhì)的保守結(jié)構(gòu)域和功能域的特征序列; 3. 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫： 如PDB 等, 這些數(shù)據(jù)庫主要以蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)測量數(shù)據(jù)為主; 4. 蛋白質(zhì)分類數(shù)據(jù)庫：如SCOP、CATH、FSSP 等, 這其中有以序列比較為基礎(chǔ)的序列分類數(shù)據(jù)庫以及以結(jié)構(gòu)比較為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫之分。第四張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫特征: 這些數(shù)據(jù)庫種類有差別, 但內(nèi)部是相互聯(lián)系的. 每個數(shù)據(jù)庫都有指針指向其他數(shù)據(jù)庫, 而且數(shù)據(jù)庫之間的序列以及相應(yīng)的結(jié)構(gòu)是共享的, 同一種蛋白

3、質(zhì)依次會出現(xiàn)在不同的數(shù)據(jù)庫.這樣的數(shù)據(jù)溝通有助于更深層地挖掘蛋白質(zhì)的內(nèi)在生物信息, 這些數(shù)據(jù)庫是融序列信息的索取、處理、存儲、輸出于一身的。第五張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫（1）PIR(protein information resource, PIR)和PSD (protein sequence database, PSD) /pirwww PIR-PSD 是一個綜合全面的、非冗余的、專業(yè)注釋的、分類完整的蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫。PIR-PSD 的序列來自于將GenBank/ EMBL/ DDBJ 三大數(shù)據(jù)庫的編碼序列的翻譯而成的蛋白質(zhì)序列、發(fā)表的文獻中的序

4、列和用戶直接提交的序列。（2）SWISS-PROT/ TrEMBL數(shù)據(jù)庫 /swissprot數(shù)據(jù)庫由蛋白質(zhì)序列條目構(gòu)成, 每個條目包含蛋白質(zhì)序列、引用文獻信息、分類學(xué)信息、注釋等, 注釋中包括蛋白質(zhì)的功能、轉(zhuǎn)錄后修飾位點、特殊位點和區(qū)域、二級結(jié)構(gòu)、四級結(jié)構(gòu)、與其他序列的相似性、序列殘缺與疾病的關(guān)系、序列變異體等信息。第六張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2. 模體以及結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)庫模體數(shù)據(jù)庫（1）PROSITE 蛋白質(zhì)家族及結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)庫( /prosite/ ) PROSITE 數(shù)據(jù)庫收集了有顯著生物學(xué)意義的蛋白質(zhì)位點序列、蛋白質(zhì)特征序列譜庫以及序列模型, 并能依據(jù)這些特征屬性快速

5、可靠地鑒定出一個未知功能蛋白質(zhì)序列屬于哪個蛋白質(zhì)家族, 即使在蛋白質(zhì)序列相似性很低的情況下, 也可以通過搜索隱含的功能結(jié)構(gòu)模體(motif)來鑒定, 因此是有效的序列分析數(shù)據(jù)庫。 PROSITE 中涉及的序列模式包括酶的催化位點、配體結(jié)合位點、金屬離子結(jié)合位點、二硫鍵、小分子或者蛋白質(zhì)結(jié)合區(qū)域等, 此外PROSITE 還包括由多序列比對構(gòu)建的序列表譜( profile) , 能更敏感地發(fā)現(xiàn)序列中的信息。第七張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月PROSITE同時數(shù)據(jù)庫提供了序列分析工具: ScanProsite 是用于搜索所提交的序列數(shù)據(jù)是否包含 PROSITE 數(shù)據(jù)庫中的序列模式或者

6、SWISS-PROT 數(shù)據(jù)庫中已提交的序列模式; MotifScan 用于查找未知序列中所有可能的已知結(jié)構(gòu)組件, 數(shù)據(jù)庫包括PROSITE序列表譜、PROSITE 模式、Pfam 收集的隱馬爾可夫模式( HMM)。第八張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月(2) PRINTS Fingerprint Database www.bioinf.man.ac.uk/dbrowser/PRINTS/ 這個數(shù)據(jù)庫包含1 500 個蛋白質(zhì)指紋圖譜, 編碼9 136 個單一模體。(3) BLOCKS ( )BLOCKS 是通過一些高度保守的蛋白質(zhì)區(qū)域比對出來的無空位的片段。模體數(shù)據(jù)庫第九張，PPT共

7、一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)庫 (1 ) 蛋白質(zhì)家族序列比對以及隱馬爾可夫模式數(shù)據(jù)庫Pfam( protein families database of alignments and HMMs)Pfam 是蛋白質(zhì)家族序列比對以及隱馬爾可夫模式數(shù)據(jù)庫,其網(wǎng)址是: www.sanger.ac.uk/Software/Pfam/index.shtml。 (2) 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域數(shù)據(jù)庫ProDom http:/prodes.toulouse.inra.fr/prodom/doc/prodom.html (3) SMART SMART 是一個簡單的結(jié)構(gòu)研究工具, 可對可轉(zhuǎn)移的遺傳因子進

8、行鑒定和注解, 以及分析結(jié)構(gòu)域結(jié)構(gòu), 可以檢測出500 多個參與信號傳導(dǎo)、胞外和染色體相關(guān)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)域家族, 對這些結(jié)構(gòu)域又在系統(tǒng)進化樹分布、功能分類、三級結(jié)構(gòu)和重要的功能殘基方面做了注解。 http:/smart.embl-heidelberg.de/第十張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月3. 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫PDB( protein data bank , PDB) /pdb/PDB 包括了蛋白質(zhì)、核酸、蛋白質(zhì)-核酸復(fù)合體以及病毒等生物大分子結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù), 主要是蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù), 這些數(shù)據(jù)來源于幾乎全世界所有從事生物大分子結(jié)構(gòu)研究的研究機構(gòu), 并由RCSB 維護和注釋。第十一張，

9、PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月4.蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫(1) CATH 數(shù)據(jù)庫 www.biochem.ucl.ac.uk/bsm/cathnew/index.html(2) SCOP 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫( structural classification of protein database,SCOP) scop.mrclmb.cam.ac.uk/scop/index.html第十二張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月二、蛋白質(zhì)的序列分析1. 蛋白質(zhì)序列信息的獲取 2. 蛋白質(zhì)序列分析 第十三張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 蛋白質(zhì)序列信息的獲取

10、（1） 直接測序（2） 翻譯編碼的DNA序列 ORF Finder（3）在數(shù)據(jù)庫中搜索運用ID 號、入口號、條目號等搜索。運用關(guān)鍵詞搜索其他方式搜索。如可以通過引用序列的文獻、序列的作者、序列提交的日期等進行搜索。第十四張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）直接測序e.g. Protein Sequencing and Identificationby Tandem Mass Spectrometry，即用串聯(lián)質(zhì)譜儀測序1. 蛋白質(zhì)序列信息的獲取第十五張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月串聯(lián)質(zhì)譜及其作用 兩個或更多的質(zhì)譜連接在一起，稱為串聯(lián)質(zhì)譜。最簡單的串聯(lián)質(zhì)譜（MS|

11、MS）由兩個質(zhì)譜串聯(lián)而成，其中第一個質(zhì)量分析器（MS1）將離子預(yù)分離或加能量修飾，由第二級質(zhì)量分析器（MS2）分析結(jié)果。 第十六張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 串聯(lián)質(zhì)譜儀的組合方式： (1) 磁分析器-靜電分析器-磁分析器(2) 靜電分析器-磁分析器-靜電分析器(3) 三重四極濾質(zhì)器質(zhì)譜儀(4) 混合式串聯(lián)質(zhì)譜儀，如MA-ESA-Q-Q。實現(xiàn)串聯(lián)質(zhì)譜有空間串聯(lián)和時間串聯(lián)兩種方式。 第十七張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 優(yōu)點：可以避免底物分子產(chǎn)生的干擾，大大降低背景噪音。其次，可使分子離子通過與反應(yīng)氣的碰撞來產(chǎn)生斷裂。因此能提供更多的結(jié)構(gòu)信息，所以串聯(lián)質(zhì)譜特別適合

12、于復(fù)雜組分體系且干擾嚴重的樣品中低含量組分分析測定，具有比GC-MS和LC-MS等一級質(zhì)譜更高的選擇性和靈敏度。第十八張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Masses of Amino Acid Residues第十九張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Protein backboneH.-HN-CH-CO-NH-CH-CO-NH-CH-CO-OHRi-1RiRi+1AA residuei-1AA residueiAA residuei+1N-terminusC-terminus第二十張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Breaking Protein into

13、Peptides and Peptides into Fragment IonsProteases, e.g. trypsin（胰蛋白酶）, break protein into peptides.A Tandem Mass Spectrometer（串聯(lián)式質(zhì)譜儀） further breaks the peptides down into fragment ions and measures the mass of each piece.General for sequencing第二十一張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Breaking Protein into Peptide

14、s and Peptides into Fragment IonsMass Spectrometer accelerates the fragmented ions; heavier ions accelerate slower than lighter ones.Mass Spectrometer measure mass/charge ratio of an ion.General for sequencing第二十二張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Peptide FragmentationPeptides tend to fragment along the backbon

15、e.Fragments can also loose neutral chemical groups like NH3 and H2O.H.-HN-CH-CO . . . NH-CH-CO-NH-CH-CO-OHRi-1RiRi+1H+Prefix FragmentSuffix FragmentCollision Induced Dissociation第二十三張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月N- and C-terminal PeptidesGFPNAGFPNAGFPNAGFPNAGFPNAN-terminal peptidesC-terminal peptides第二十四張，

16、PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Terminal peptides and ion typesGFPNPeptideMass (D) 57 + 97 + 147 + 114 = 415H2OPeptideMass (D) 57 + 97 + 147 + 114 18 = 397GFPNH2Owithout第二十五張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月N- and C-terminal PeptidesGFPNAGFPNAGFPNAGFPNAGFPNAN-terminal peptidesC-terminal peptides415 486 30115457 711853324

17、29第二十六張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月N- and C-terminal PeptidesN-terminal peptidesC-terminal peptides415 486 30115457 71185332429第二十七張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Peptide Fragmentationy3b2y2y1b3a2a3 HO NH3+ | | R1 O R2 O R3 O R4 | | | | | | |H - N C C N C C N C C N C - COOH | | | | | | | H H H H H H H b2-H2O y3 -H

18、2Ob3- NH3y2 - NH3第二十八張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Mass SpectraGVDLKmass057 Da = G 99 Da = VLK DVGThe peaks in the mass spectrum:Prefix Fragments with neutral losses (-H2O, -NH3)Noise and missing peaks.and Suffix Fragments.DH2O第二十九張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Protein Identification with MS/MSGVDLKmass0Intensitym

19、ass0MS/MSPeptide Identification: 第三十張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Tandem Mass-Spectrometry第三十一張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Breaking Proteins into PeptidespeptidesMPSERGTDIMRPAKIDHPLCTo MS/MSMPSERGTDIMRPAKIDprotein第三十二張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Mass SpectrometryMatrix-Assisted Laser Desorption/Ionization (MALDI)基質(zhì)輔助激

20、光解吸質(zhì)譜 第三十三張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月基質(zhì)輔助激光解吸飛行時間質(zhì)譜儀 MALDI-TOF-MS MALDI-TOF-MS是近年來發(fā)展起來的一種軟電離新型有機質(zhì)譜。近年來已成為檢測和鑒定多肽、蛋白質(zhì)、多糖、核苷酸、糖蛋白、高聚物以及多種合成聚合物的強有力工具。 原理：當(dāng)用一定強度的激光照射樣品與基質(zhì)形成的共結(jié)晶薄膜，基質(zhì)從激光中吸收能量，基質(zhì)-樣品之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移使得樣品分子電離，電離的樣品在電場作用下加速飛過飛行管道，根據(jù)到達檢測器的飛行時間不同而被檢測，即測定離子的質(zhì)量電荷之比與離子的飛行時間成正比來檢測離子。 MALDI-TOF-MS的中心技術(shù)就是依據(jù)樣品的質(zhì)荷

21、比（m/z）的不同來進行檢測，并測得樣品分子的分子量。 第三十四張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Tandem Mass SpectrometryScan 1708LCScan 1707MSMS/MSIonSourceMS-1collisioncellMS-2第三十五張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月多肽片段指紋圖譜（PFF） 步驟：用酶專一性酶解蛋白質(zhì)，經(jīng)過分離，得到的肽段在質(zhì)譜中被選擇和破碎后得到MS/MS譜圖，與數(shù)據(jù)庫中的譜圖比較進行鑒定 代表方法： LC-ESI-MS/MS 2D-LC-MS/MS（shotgun） 第三十六張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于202

22、2年6月1. 蛋白質(zhì)序列信息的獲?。?）翻譯編碼的DNA序列 e.g.用“ORF Finder”程序找到DNA的開放閱讀框。網(wǎng)址：/gorf/gorf.html第三十七張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十八張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十九張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 蛋白質(zhì)序列信息的獲?。?）在數(shù)據(jù)庫中搜索e.g. PIR-PSD database: /pirwww SWISS-PROT/TrEMBL database /swissprot第四十張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月目前大部分蛋白質(zhì)序列是通過DNA 人工翻譯過

23、來的, 實際上很少有人能獲得真正的蛋白質(zhì), 因而實驗證據(jù)就很難直接獲得, 因此對蛋白質(zhì)序列初始分析是很有價值的。 比如，通過一些序列分析工具進行蛋白質(zhì)理化特性的預(yù)測、修飾位點的預(yù)測等。2. 蛋白質(zhì)序列分析第四十一張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1.蛋白質(zhì)序列的基本性質(zhì)分析 理化性質(zhì)分析，疏水性分析，跨膜區(qū)分析，信號肽預(yù)測，Coil區(qū)分析，亞細胞定位2.序列數(shù)據(jù)庫搜索 相似性搜索，模體的搜索3.結(jié)構(gòu)域定位4.空間結(jié)構(gòu)預(yù)測 二級結(jié)構(gòu)及三級結(jié)構(gòu)預(yù)測，結(jié)構(gòu)預(yù)測方法評價 蛋白質(zhì)序列分析主要內(nèi)容：第四十二張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 蛋白質(zhì)序列的基本性質(zhì)分析（1）理化性

24、質(zhì)分析 分子質(zhì)量、分子式、理論等電點、氨基酸組成、消光系數(shù)、穩(wěn)定性等理化特性。例，利用ProtParam工具/tools/protparam.html 第四十三張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月理化指標(biāo)CLCLAP分子式C1615H2420N428O535S16C1211H1951N319O364S3分子量36904.426899.9理論等電點pI4.476.20總原子數(shù)50143848消光系數(shù)（280nm）754555960半衰期（小時）哺乳動物，體外30 30酵母，體內(nèi)2020大腸桿菌，體內(nèi)1010不穩(wěn)定性指數(shù)31.7229.59脂肪族指數(shù)63.73105.18總體親水性-0.

25、5420.109CL和CLAP的理化性質(zhì)預(yù)測結(jié)果 CL：組織蛋白酶L CLAP：組織蛋白酶L相關(guān)蛋白 第四十四張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月（2） 疏水性分析 氨基酸側(cè)鏈的疏水性用從各氨基酸減去甘氨酸疏水性之值來表示，蛋白質(zhì)的疏水性在保持蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的形成和穩(wěn)定中起著重要作用。e.g.利用ProtScale工具/protscale/利用BioEdit軟件分析第四十五張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月海參溶菌酶親水性/疏水性分析Score 0，表示疏水性； Score 30的序列模擬比較有效，最常用的方法 SWISS-MODEL， CPHmodels 串線法/折疊識

26、別法 (Threading/Fold recognition)“穿”入已知的各種蛋白質(zhì)折疊骨架內(nèi)，適于對蛋白質(zhì)核心結(jié)構(gòu)進行預(yù)測，計算量大THREADER，3D-PSSM從頭預(yù)測法( Ab initio/De novo methods )基于分子動力學(xué)，尋找能量最低的構(gòu)象，計算量大，只能做小分子預(yù)測HMMSTR/ ROSSETA第八十七張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月方法一：同源模建 comparative modeling 1.同源模建的基礎(chǔ) 蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu)比一級結(jié)構(gòu)更保守。研究表明 如果兩個蛋白質(zhì)的同源性達到50%，二者90%的Ca的RMS 小于1埃。 2.原理： 序列高度相

27、似的蛋白質(zhì)具有相似的三維結(jié)構(gòu)。 同源蛋白質(zhì)之間具有保守的結(jié)構(gòu)內(nèi)核，差異僅存在分子表面的回折區(qū)。 當(dāng)一個蛋白質(zhì)的序列與一個已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)序列相似的時候，該蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)可以被模建。第八十八張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 3.同源模建的前提和條件： 要模建的目標(biāo)蛋白必須有一個或多個已知結(jié)構(gòu)的與 之同源（同源性不低于25）的蛋白。 數(shù)據(jù)庫：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、序列數(shù)據(jù) 計算機：工作站 分子模擬系統(tǒng)：軟件系統(tǒng) 4.同源模建的發(fā)展歷史 1969年，Browne利用溶菌酶的結(jié)構(gòu)手工模建了牛乳白蛋白的結(jié)構(gòu)。八十年代，Blundel發(fā)展了利用多種同源蛋白質(zhì)進行結(jié)構(gòu)預(yù)測的方法。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展、結(jié)構(gòu)

28、測定數(shù)據(jù)的增加，同源模建技術(shù)也在快速發(fā)展。第八十九張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月5.同源模建的主要算法剛體裝配模建（modeling by rigid body assembly ）片段匹配模建（modeling by segment matching）空間制約模建（modeling by satisfaction of spatial restraints）第九十張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）剛體裝配模建 從一些剛體包括核心區(qū)、環(huán)區(qū)和側(cè)鏈來構(gòu)造模型，這些剛體都來自分解的相關(guān)結(jié)構(gòu)（參考蛋白）。模型的裝配涉及計算一個框架，這個框架定義為折疊模式的保守區(qū)域的模

29、板原子的平均，并把剛體裝進框架。（2）片段匹配模建 依賴于從模板蛋白的保守原子的相近位置來計算其它原子的坐標(biāo)。它可以通過使用蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的短片數(shù)據(jù)庫、能量或幾何規(guī)則、以及這些標(biāo)準(zhǔn)的某些聯(lián)合來完成。（3）空間制約滿足： 首先從參考蛋白結(jié)構(gòu)中抽取出一些空間制約條件，將這些制約條件用幾率密度函數(shù)來表示，然后根據(jù)氨基酸類型、等位殘基的主鏈構(gòu)象和序列之間局部的相似程度而對空間制約條件施加以不同的權(quán)重因子。模建時將幾率密度函數(shù)應(yīng)用到未知結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)序列上，通過優(yōu)化分子的幾率密度函數(shù)使制約條件有最小的沖突而得到目標(biāo)蛋白的三維結(jié)構(gòu)，整個優(yōu)化過程通過分子力學(xué)和分子動力學(xué)模擬來實現(xiàn) 。 第九十一張，PPT共一百三十九

30、頁，創(chuàng)作于2022年6月6. 同源建模法分析步驟：多序列比對與已有晶體結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)序列比對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)一級序列、二級結(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Whatcheck 程序Ramachandran plot計算檢驗手工調(diào)整多序列比對，重新擬和，構(gòu)建新的模型第九十二張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第九十三張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月常用數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫網(wǎng)站備注PDB/pdb/home/home.do主要的蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫MMDB/Structure/MMDB/mmdb.shtmlNCBI維

31、護的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫Psdb/deerfiel/PSdb/從PDB和NRL-3D數(shù)據(jù)庫中衍生出的數(shù)據(jù)庫，含二級結(jié)構(gòu)和三維結(jié)構(gòu)信息3DinSighthttp:/gibk26.bse.kyutech.ac.jp/jouhou/3dinsight/3DinSight.html整合了結(jié)構(gòu)、性質(zhì)（氨基酸組成、熱力學(xué)參數(shù)等）、生物學(xué)功能（突變點，相互作用等）的綜合數(shù)據(jù)庫，F(xiàn)SSPhttp:/www.ebi.ac.uk/dali/fssp/根據(jù)結(jié)構(gòu)比對的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫SCOPhttp:/scop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)分類數(shù)據(jù)庫，將已知結(jié)構(gòu)蛋白進行有層次地分類CATH

32、/latest/index.html另一個有名的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)域主要結(jié)構(gòu)分類庫MODBASE/modbase-cgi/index.cgi用同源比對法生成的模型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫Enzyme Structurehttp:/www.ebi.ac.uk/thornton-srv/databases/enzymes/從PDB數(shù)據(jù)庫中整理已知結(jié)構(gòu)的酶蛋白數(shù)據(jù)庫HSSPhttp:/www.sander.ebi.ac.uk/hssp/根據(jù)同源性到處的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫第九十四張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月模板搜索與比對工具網(wǎng)站備注PSI-BLAST/BLAST/位置特異性疊代BLAST，可用來搜索遠

33、源家族序列FASTA3http:/www.ebi.ac.uk/fasta33/位于EBI的序列比對工具SSEARCHrs.fr/bin/ssearch-guess.cgi采用Smith/Waterman法來進行序列比對ClustalWhttp:/www.ebi.ac.uk/Tools/clustalw/index.html多序列比對工具，位于EBIT-Coffeehttp:/www.ebi.ac.uk/t-coffee/用多種方法（如ClustalW、DIalign等）來構(gòu)建多序列比對Multalinhttp:/bioinfo.genopole-toulouse.prd.fr/multalin

34、/multalin.html一個老牌的多序列比對工具Dalihttp:/www.ebi.ac.uk/dali/三維結(jié)構(gòu)比對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器VAST/Structure/VAST/vast.shtml基于向量并列分析算法的三維結(jié)構(gòu)比對工具SAM-T99/research/compbio/sam.html用HMM法搜索蛋白質(zhì)遠源同源序列第九十五張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月同源建模法工具網(wǎng)站備注SWISS-MODEL/完整建模程序，采用同源性鑒定來確定模板蛋白，用戶也可以自定義模板進行分析CPHmodelshttp:/www.cbs.dtu.dk/services/CPHmodels/基

35、于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的同源建模工具，用戶只需提交序列，無高級選項EsyPred3Dhttp:/www.fundp.ac.be/urbm/bioinfo/esypred/采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來提高同源建模準(zhǔn)確性的預(yù)測工具3Djigsawhttp:/www.bmm.icnet.uk/servers/3djigsaw/根據(jù)同源已知結(jié)構(gòu)蛋白來建模的預(yù)測工具MODELLER/modeller/一個廣泛使用的同源建模軟件，需要用戶對腳本有一定的了解第九十六張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月串線法工具網(wǎng)站備注3D-PSSMhttp:/www.sbg.bio.ic.ac.uk/3dpssm/index2.html第

36、一個運用1D-3D序列profile來預(yù)測蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器Fuguehttp:/www-cryst.bioc.cam.ac.uk/fugue/以序列結(jié)構(gòu)比對搜索數(shù)據(jù)庫來預(yù)測蛋白質(zhì)折疊HHpredhttp:/toolkit.tuebingen.mpg.de/hhpred基于HMM-HMM比對搜索多個數(shù)據(jù)庫來預(yù)測給定序列的的折疊結(jié)構(gòu)LOOPP/loopp.aspx學(xué)習(xí)、觀察和輸出蛋白質(zhì)模式和結(jié)構(gòu)工具THREADERhttp:/bioinf.cs.ucl.ac.uk/threader/一個老牌的線索分析軟件，對搜索遠源蛋白序列較敏感PROSPECT/structure/prospect/i

37、ndex.html蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測和評價工具包，能以一種非常簡單的方式運行，對于高級用戶，也提供了很多的可選項123D+http:/123/123D+.html結(jié)合了序列概形，二級結(jié)構(gòu)信息和接觸勢能來將待測蛋白“穿入”一系列結(jié)構(gòu)來預(yù)測結(jié)構(gòu)SAM-T02/research/compbio/HMM-apps/T02-query.html基于HMM方法的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測GenThreaderhttp:/bioinf.cs.ucl.ac.uk/psipred/psiform.html使用結(jié)構(gòu)評分和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)序列比對來也測蛋白折疊結(jié)構(gòu)第九十七張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)預(yù)測

38、SWISS-MODEL工具http:/www.expasy.ch/swissmod/SWISS-MODEL.html同源建模方法與PDB數(shù)據(jù)庫已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)序列比對進行預(yù)測第九十八張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月主要參數(shù)/選項粘貼protein.txt中一條蛋白質(zhì)序列輸入用戶Email（選填） 比對e值參照模板序列數(shù)目第九十九張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月輸出結(jié)果下載pdb格式文件第一百張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月與模板序列比對結(jié)果，并顯示二級結(jié)構(gòu)區(qū)域第一百零一張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月方法二：折疊識別/ 穿線方法 對蛋白質(zhì)

39、結(jié)構(gòu)的預(yù)測背景：序列比對后所擊中的相似序列不是完整的而是一段一段的結(jié)構(gòu)域，也可以通過二級結(jié)構(gòu)預(yù)測和折疊識別（fold recognition)找到合適的折疊子，再以這些已知結(jié)構(gòu)的折疊子為模板來構(gòu)建模型。第一百零二張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月折疊識別/ 穿線方法 觀察：有限的蛋白質(zhì)折疊種類（1,000?） 與“從頭開始”來預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)不同，我們可以從有限的蛋白質(zhì)折疊條目中得到正確的結(jié)果。 基于序列技巧可以做到這一點，或者通過穿線法將序列按順序投到模板上，并評價每一個匹配好壞程度第一百零三張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月折疊識別/ 穿線方法 原理：將序列“穿”入已

40、知的各種蛋白質(zhì)折疊子骨架內(nèi)，通過目的蛋白序列與已知折疊子的逐一比對，計算出未知結(jié)構(gòu)序列折疊成各種已知折疊子的可能性； 折疊子一般包括一個或多個蛋白質(zhì)超家族； 每個折疊子的結(jié)構(gòu)內(nèi)核有確定的結(jié)構(gòu)特征； 基于序列同源性很低的蛋白質(zhì)都可能存在結(jié)構(gòu)相同的 折疊子進行預(yù)測。例如，通過PHYRE系統(tǒng)進行折疊識別預(yù)測http:/www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre/index.cgi第一百零四張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月折疊識別或穿線法目標(biāo)序列SHPALTQLRALRYCKEIPALDPQLLDWLLLEDSMTKRFEQQ可能折疊的庫（哪些具有已知序列和結(jié)構(gòu)）：第一百零五張

41、，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月序列結(jié)構(gòu)比對目標(biāo)序列SHPALTQLRALRYCKEIPALDPQLLDWLLLEDSMTKRFEQQt1t2t3t4t5tn已知折疊結(jié)構(gòu)的序列s1s2s3s4s5s n已知折疊結(jié)構(gòu)的位置p1p2p3p4p5pn怎樣將目標(biāo)序列與結(jié)構(gòu)進行比對？第一百零六張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月同源模建與結(jié)構(gòu)類型識別方法的比較蛋白質(zhì)家族與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)類型 Family 蛋白質(zhì)家族依據(jù)序列同源性將蛋白質(zhì)分為不同的家族：一般將序列同源性大于30%的蛋白質(zhì)歸屬為一個家族。一個蛋白質(zhì)家族的成員可能由一個共同的祖先進化而來。 自然界存在的可能蛋白質(zhì)家族數(shù)目大約

42、為23100種。同一個家族的蛋白質(zhì)一般具有相近的功能和相同的結(jié)構(gòu)類型（折疊模式）。第一百零七張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月3D-PSSM工具http:/www.sbg.bio.ic.ac.uk/3dpssm/index2.html由英國倫敦帝國理工學(xué)院維護，其數(shù)據(jù)庫中含有9864個蛋白折疊結(jié)構(gòu)3D-PSSM先用PSI-BLAST標(biāo)準(zhǔn)方法通過多序列比對得到輪廓（profile），然后對家族中的一系列成員進行結(jié)構(gòu)比對得出該家族的結(jié)構(gòu)輪廓，接著用線串法將模板結(jié)構(gòu)輪廓和待測蛋白的序列輪廓進行1D-3D輪廓之間的比對，此外也考慮了溶劑可及性和二級結(jié)構(gòu)信息第一百零八張，PPT共一百三十九頁

43、，創(chuàng)作于2022年6月輸入用戶Email（學(xué)術(shù)郵箱，必需）蛋白質(zhì)描述（選填）序列提交框（氨基酸單字母）第一百零九張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月輸入用戶Email（必需）蛋白質(zhì)描述（選填）序列提交框（氨基酸單字母）Phyre -http:/www.sbg.bio.ic.ac.uk/phyre/ 3d-PSSM的升級版，增加了fold數(shù)據(jù)，并且性能上提高10-15，采用了新的分析界面第一百一十張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月二級結(jié)構(gòu)預(yù)測第一百一十一張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月序列比對結(jié)果序列比對一致性模板長度靶標(biāo)蛋白模型模板蛋白結(jié)構(gòu)分類信息折疊子描述

44、第一百一十二張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第一百一十三張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第一百一十四張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月工具網(wǎng)站備注Swiss-PdbViewer/spdbv/一個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)，比較活性位點或突變點Jmol/一個基于Java語言開發(fā)的三維觀察工具，大多是作為一個內(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)MolMolhttp:/www.mol.biol.ethz.ch/wuthrich/software/molmol/免費的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PyMol/一個基于開

45、源的三維觀察工具，有很多額外的插件來提升功能Rasmol/software/rasmol/很有名的三維觀察軟件，操作界面簡介，用命令行實現(xiàn)多種功能VMD/Research/vmd/用內(nèi)建的腳本來瀏覽、分析三維結(jié)構(gòu)，還可以以動畫的形式模擬蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)Chime/products/framework/chime/index.jsp網(wǎng)絡(luò)游覽器插件，可以在網(wǎng)頁中直接觀察PDB格式的文件Chimera/chimera/index.html免費分子模擬顯示程序，還包括結(jié)構(gòu)比對、藥物篩選等功能ICM-Browser/icm_browser.html三維分子游覽工具，有序列比對顯示功能，由MolSodt公司免費

46、推出常用蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)觀察和修改工具第一百一十五張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Chime網(wǎng)絡(luò)游覽器插件Chime- /products/framework/chime/index.jsp基于游覽器的三維結(jié)構(gòu)觀察工具安裝后在Internet Explorer下的PLUGINS文件夾中會有：npchime.dll (plugins folder)npchime.zip (plugins folder, used for LiveConnect)NOTE: Do not unzip this filechimepro.html (plugins folder, the release

47、 notes for Chime)chime26.isu (plugins folder, used to uninstall Chime)sculptapi.dll (Windows System folder, used for Sculpt)ChimeShim.dll (plugins folder, Internet Explorer only)第一百一十六張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第一百一十七張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月SWISS-PdbView觀察三維模型SWISS-PdbView工具/spdbv/觀察和修改分子的三維結(jié)構(gòu)第一百一十八張，PPT

48、共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月菜單欄/工具欄圖層窗口主窗口 序列聯(lián)配窗口控制面板第一百一十九張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Ramachandran圖結(jié)構(gòu)疊加第一百二十張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月蛋白質(zhì)序列分析蛋白質(zhì)一級序列蛋白質(zhì)基本理化性質(zhì)分析蛋白質(zhì)親疏水性分析跨膜區(qū)結(jié)構(gòu)預(yù)測卷曲螺旋預(yù)測翻譯后修飾位點預(yù)測蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測蛋白質(zhì)序列信號位點分析蛋白質(zhì)超二級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)域分析蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)三維結(jié)構(gòu)模擬蛋白質(zhì)分類蛋白質(zhì)家族分析蛋白質(zhì)序列分析匯總表課程總結(jié)第一百二十一張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月課程總結(jié)第一百二十二張，P

49、PT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月四、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的應(yīng)用蛋白質(zhì)的分子設(shè)計第一百二十三張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 蛋白質(zhì)分子設(shè)計與基因工程技術(shù)、多肽合成技術(shù)和化學(xué)合成技術(shù)一起開創(chuàng)了新藥設(shè)計和開發(fā)研究的新局面。 這個領(lǐng)域的研究方向主要包括蛋白三維結(jié)構(gòu)預(yù)測、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能關(guān)系研究、蛋白相互作用、蛋白與DNA相互作用、蛋白質(zhì)突變體的分子設(shè)計、全新蛋白質(zhì)設(shè)計等。第一百二十四張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1. 分子設(shè)計的意義 分子生物學(xué)最激動人心的進展之一是能夠設(shè)計和生產(chǎn)新的蛋白質(zhì)分子。重組DNA技術(shù)使人們能夠定向改變蛋白質(zhì)中的氨基酸序列，包括氨基酸的取代、插入

50、或缺失，甚至包括蛋白質(zhì)的融合等。 蛋白質(zhì)工程則是在深入了解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與功能關(guān)系的基礎(chǔ)上，利用分子生物學(xué)方法和手段有目的地改造蛋白質(zhì)，使之性能得到改善。作為蛋白質(zhì)工程的組成部分，蛋白質(zhì)分子設(shè)計在其中起著十分重要的作用。 第一百二十五張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第一百二十六張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月從預(yù)期的蛋白質(zhì)功能出發(fā)設(shè)計預(yù)期的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)推測應(yīng)有的氨基酸序列找到相對應(yīng)的脫氧核苷酸（基因） 第一百二十七張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 2. 分子設(shè)計的種類小改：少數(shù)殘基的替換，突變或修飾中改：分子拼接，肽段或結(jié)構(gòu)域的替換大改：從頭設(shè)計，全新蛋白質(zhì)

51、的設(shè)計3.分子設(shè)計與蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)分子內(nèi)部的電荷分布、相互作用有其特定的結(jié)構(gòu)特征，隨意選擇突變位點在蛋白質(zhì)分子中改變氨基酸，不僅達不到預(yù)期目的，反而可能影響蛋白質(zhì)分子的活性中心，使蛋白質(zhì)的活性降低或喪失 。第一百二十八張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月4. 蛋白質(zhì)分子設(shè)計的應(yīng)用應(yīng)用1：酶穩(wěn)定性的改善酶的穩(wěn)定性 在蛋白質(zhì)工程的實踐中，一般可以通過在酶分子內(nèi)增加二硫鍵或靜電作用來提高酶分子的穩(wěn)定性。例1：核糖核酸酶的穩(wěn)定性的提高（1）已知條件：核糖核酸酶三維結(jié)構(gòu)已由晶體衍射方法測定。 分子內(nèi)有兩對二硫鍵：Tyr24與Asn84正對，二者的Ca之間的距離為6.0A，滿足二硫鍵的特征（

52、二硫鍵的Ca的平均距離：4.5- 6.8），可能形成一個潛在的二硫鍵；二者附近沒有干擾形成二硫鍵的基團；二者離催化活性中心較遠，突變后不會影響活性。（2）設(shè)計方案：將Tyr24與Asn84突變?yōu)镃ys實驗結(jié)果：突變體的穩(wěn)定性大大提高第一百二十九張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月例2.葡萄糖異構(gòu)酶（GI）在工業(yè)上應(yīng)用廣泛，為提高其熱穩(wěn)定性，朱國萍等人在確定第138位甘氨酸(Gly138)為目標(biāo)氨基酸后，用雙引物法對GI基因進行體外定點誘變，以脯氨酸（Pro138）替代Gly138，含突變體的重組質(zhì)粒在大腸桿菌中表達，結(jié)果突變型GI比野生型的熱半衰期長一倍；最適反應(yīng)溫度提高1012；酶

53、比活相同。 據(jù)分析，Pro替代Gly138后，可能由于引入了一個吡咯環(huán)，該側(cè)鏈剛好能夠填充于Gly138附近的空洞，使蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)更具剛性，從而提高了酶的熱穩(wěn)定性。第一百三十張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月應(yīng)用2：融合蛋白質(zhì) 腦啡肽(Enk)N端5肽線形結(jié)構(gòu)是與型受體結(jié)合的基本功能區(qū)域，干擾素（IFN）是一種廣譜抗病毒抗腫瘤的細胞因子。黎孟楓等人化學(xué)合成了EnkN端5肽編碼區(qū)，通過一連接5肽編碼區(qū)與人1型IFN基因連接，在大腸桿菌中表達了這一融合蛋白。以體外人結(jié)腸腺癌細胞和多形膠質(zhì)瘤細胞為模型，采用3H胸腺嘧啶核苷摻入法證明該融合蛋白抑制腫瘤細胞生長的活性顯著高于單純的IFN，通過Naloxone競爭阻斷實驗證明，抑制活性的增高確由Enk導(dǎo)向區(qū)介導(dǎo)。 第一百三十一張，PPT共一百三十九頁，創(chuàng)作于2022年6月 應(yīng)用3：蛋白質(zhì)活性的改變 通常飯后3060min，人血液中胰島素的含量達到高峰，120180min內(nèi)恢復(fù)到基礎(chǔ)水平。而目前臨床上使用的胰島素制劑注射后120min后才出現(xiàn)高峰且持續(xù)180240min，與人生理狀況不符。實驗表明，胰島素在高濃度（大于105mol/L）時以二聚體形式存在，低濃度時（小于109mol/L）時主要以單體形式存在。設(shè)計速效胰島素原