蛋白質(zhì)序列分析及結(jié)構(gòu)預(yù)測第一講ppt課件

生物信息學(xué) 謝文海講iewenhai 第五章蛋白質(zhì)序列分析及結(jié)構(gòu)預(yù)測 一 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)二 蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫介紹三 蛋白質(zhì)序列分析四 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測五 蛋白質(zhì)功能預(yù)測 從多條免疫球蛋白序列中提取的8個片段的多重比對 回顧 humanbetaglobin 人 珠蛋白 horsebetaglobin 馬 珠蛋白 humanalphaglobin 人 珠蛋白 horsealphaglobin 馬 珠蛋白 cyanohaemoglobin 藍血紅蛋白 whalemyoglobin 鯨肌紅蛋白 Leghaemoglobin 豆血紅蛋白 通過珠蛋白的比較構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育樹判斷生物進化分歧時間 回顧 結(jié)構(gòu)是蛋白行使功能的前提 一 蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu) 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) 一級結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)多肽鏈中氨基酸殘基的排列順序 MTYKLILNGKTKGETTTEAVDAATAEKVFQYANDNGVDGEWTYTE 蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu) 二級結(jié)構(gòu) 主要由氫鍵維系的結(jié)構(gòu) 螺旋 折疊 指多肽鏈中主鏈原子的局部空間排布即構(gòu)象 不涉及側(cè)鏈部分的構(gòu)象 螺旋 折疊 轉(zhuǎn)角 無規(guī)卷曲 螺旋組合 折疊組合 和 螺旋 折疊組合 螺旋 helix 的結(jié)構(gòu)特征為 1 主鏈骨架圍繞中心軸盤繞形成右手螺旋 2 螺旋每上升一圈是3 6個氨基酸殘基 螺距為0 54nm 3 相鄰螺旋圈之間形成許多氫鍵 4 側(cè)鏈基團位于螺旋的外側(cè) Ala Glu Leu Met促進形成Pro Gly Tyr Ser不利于形成 人細胞珠蛋白 2DC3 pdb 的第121到140位殘基對應(yīng)的a 螺旋側(cè)面和頂部 N端 視圖 1 若干條肽鏈或肽段平行或反平行排列成片 2 所有肽鍵的C O和N H形成鏈間氫鍵 3 側(cè)鏈基團分別交替位于片層的上 下方 折疊 sheets 的結(jié)構(gòu)特征為 反平行和平行的多個 折疊鏈形成一個完整 折疊結(jié)構(gòu)的氫鍵示意圖 來自人pi型谷胱甘肽 S 轉(zhuǎn)硫酶中單個亞基中連續(xù)主鏈的部分 折疊結(jié)構(gòu) 2DGQ pdb 側(cè)面視圖 可見轉(zhuǎn)角 turn 來自人pi型谷胱甘肽 S 轉(zhuǎn)硫酶一個亞基中連續(xù)主鏈的部分 折疊結(jié)構(gòu)頂部視圖 可見轉(zhuǎn)角 turn 來自人信號傳遞蛋白SMAD4 1DD1 pdb 的一個亞基中部分 折疊結(jié)構(gòu)頂部視圖 可見到大的環(huán)區(qū) loop 多肽鏈180 回折部分 通常由四個氨基酸殘基構(gòu)成 借1 4殘基之間形成的氫鍵維系 Asp Asn Ser Thr Gln Pro常出現(xiàn)在 轉(zhuǎn)角 轉(zhuǎn)角的結(jié)構(gòu)特征為 來自人細胞珠蛋白 2DC3 pdb 的兩段 螺旋由 轉(zhuǎn)角連接 用粗樹枝狀顯示了兩段螺旋末端的脯氨酸 無規(guī)卷曲的結(jié)構(gòu)特征為 無規(guī)卷曲的特點為在主鏈骨架上無規(guī)則盤繞 其構(gòu)象狀態(tài)仍遵循物理化學(xué)原理 但波動性較大 對溫度變化敏感 實驗測定三級結(jié)構(gòu)時往往無法識別無規(guī)卷曲 缺失其座標 即使有座標則其溫度因子也較高 無規(guī)卷曲同 環(huán)的區(qū)分主要是其長度和其形狀的波動性 超二級結(jié)構(gòu)的主要類型和特征超二級結(jié)構(gòu) supersecondarystructure 指位于同一主鏈的多個二級結(jié)構(gòu)組裝形成的特定組裝體 可直接作為三級結(jié)構(gòu)的或結(jié)構(gòu)域的組成單元 是從蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)形成三級結(jié)構(gòu)的一個過渡結(jié)構(gòu)形式 也稱為立體結(jié)構(gòu)形成的模體 1 轉(zhuǎn)角或 環(huán)等連接連續(xù)四個 螺旋形成的四 螺旋捆 2 中部固定位置含有亮氨酸及其他疏水側(cè)鏈氨基酸殘基 在螺旋兩端含有強親水側(cè)鏈氨基酸的 螺旋組成的亮氨酸拉鏈 Leucinezipper 3 一條主鏈中相鄰七個兩親 螺旋通過過度結(jié)構(gòu)形成的七次穿膜螺旋組 4 連續(xù)主鏈中兩段 螺旋連接三段 折疊鏈形成的Rossmann折疊 5 轉(zhuǎn)角連接a螺旋構(gòu)成的a 螺旋 轉(zhuǎn)角 螺旋 6 環(huán)連接 螺旋構(gòu)成的 螺旋 環(huán) 螺旋等 7 折疊都為超二級結(jié)構(gòu) 超二級結(jié)構(gòu)的主要類型 蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu) 二級結(jié)構(gòu)進一步折疊形成的結(jié)構(gòu)域 三級結(jié)構(gòu) 蛋白質(zhì)的多肽鏈在各種二級結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上再進一步盤曲或折迭形成具有一定規(guī)律的三維空間結(jié)構(gòu) 稱為蛋白質(zhì)的三級結(jié)構(gòu) tertiarystructure 蛋白質(zhì)三級結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定主要靠次級鍵 包括氫鍵 疏水鍵 鹽鍵以及范德華力 VanderWasls力 等 四級結(jié)構(gòu) 具有二條或二條以上獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈組成的蛋白質(zhì) 其多肽鏈間通過次級鍵相互組合而形成的空間結(jié)構(gòu)稱為蛋白質(zhì)的四級結(jié)構(gòu) quarternarystructure 其中 每個具有獨立三級結(jié)構(gòu)的多肽鏈單位稱為亞基 subunit 蛋白質(zhì)的一級結(jié)構(gòu)決定了蛋白質(zhì)的二級 三級 四級結(jié)構(gòu) 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 依據(jù)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次 將蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫分為 二 蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫 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 1 蛋白質(zhì)序列數(shù)據(jù)庫 1 PIR proteininformationresource PIR 和PSD proteinsequencedatabase PSD http pir georgetown edu pirwwwPIR 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)表的文獻中的序列和用戶直接提交的序列 2 SWISS PROT TrEMBL數(shù)據(jù)庫www expasy org 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 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 www expasy org 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 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 2 PRINTSFingerprintDatabasewww bioinf man ac uk dbrowser PRINTS 這個數(shù)據(jù)庫包含1500個蛋白質(zhì)指紋圖譜 編碼9136個單一模體 3 BLOCKS www blocks fhcrc org 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 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 proteinfamiliesdatabaseofalignmentsandHMMs 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ProDomhttp prodes toulouse inra fr prodom doc prodom html 3 SMARTSMART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 3 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫 PDB proteindatabank PDB http www rcsb org 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) 并由結(jié)構(gòu)生物學(xué)合作研究協(xié)會 RCSB 維護和注釋 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 structuralclassificationofproteindatabase SCOP scop mrclmb cam ac uk scop index html 三 蛋白質(zhì)的序列分析 蛋白質(zhì)理化性質(zhì)是蛋白質(zhì)研究的基礎(chǔ)蛋白質(zhì)的基本性質(zhì) 相對分子質(zhì)量氨基酸組成等電點 PI 消光系數(shù)半衰期不穩(wěn)定系數(shù)總平均親水性 實驗方法 相對分子質(zhì)量的測定 等電點實驗 沉降實驗缺點 費時 耗資基于實驗經(jīng)驗值的計算機分析方法 1 蛋白質(zhì)基本理化性質(zhì)分析 基于一級序列的組分分析氨基酸親疏水性等分析為高級結(jié)構(gòu)預(yù)測提供參考Expasy開發(fā)的針對蛋白質(zhì)基本理化性質(zhì)的分析 Protparam工具http www expasy org tools protparam html 相對分子質(zhì)量氨基酸組成等電點 PI 消光系數(shù)半衰期不穩(wěn)定系數(shù)總平均親水性 蛋白質(zhì)理化性質(zhì)分析工具 AACompIdent PeptideMass Protparam工具http www expasy org tools protparam html計算以下物理化學(xué)性質(zhì) 相對分子質(zhì)量理論pI值氨基酸組成原子組成消光系數(shù)半衰期不穩(wěn)定系數(shù)脂肪系數(shù)總平均親水性 主要選項 參數(shù) 序列在線提交形式 如果分析SWISS PORT和TrEMBL數(shù)據(jù)庫中序列直接填寫Swiss Prot TrEMBLAC號 accessionnumber 如果分析新序列 直接在搜索框中粘貼氨基酸序列 輸入Swiss Prot TrEMBLAC號 分不同的功能域肽段 輸出結(jié)果 點擊不同功能域或是以直接粘貼氨基酸序列的方式得到以下結(jié)果 正 負電荷殘基數(shù) 37 原子組成 分子式 總原子數(shù) 不穩(wěn)定系數(shù) 脂肪系數(shù) 總平均親水性 40unstable a TypeImembraneprotein b TypeIImembraneprotein c Multipasstransmembraneproteins d Lipidchain anchoredmembraneproteins e GPI anchoredmembraneproteins 2 蛋白質(zhì)親疏水性 跨膜區(qū)分析 3 蛋白質(zhì)親疏水性分析 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 疏水作用是蛋白質(zhì)折疊的主要驅(qū)動力分析蛋白質(zhì)氨基酸親疏水性是了解蛋白質(zhì)折疊的第一步氨基酸疏水分析為蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)預(yù)測提供佐證可用于分析蛋白質(zhì)相互作用位點 抗原位點預(yù)測 預(yù)測準確率達56 是分析蛋白質(zhì)跨膜區(qū)重要一步 海參溶菌酶親水性 疏水性分析 Score 0 表示疏水性 Score 0 表示親水性 螺旋跨膜區(qū)主要是由20 30個疏水性氨基酸 Leu Ile Val Met Gly Ala等 組成親水殘基往往出現(xiàn)在疏水殘基之間 對功能有重要的作用基于親 疏水量和蛋白質(zhì)膜區(qū)每個氨基酸的統(tǒng)計學(xué)分布偏好性量TMpredhttp www ch embnet org software TMPRED form htmlSOSUI http bp nuap nagoya u ac jp sosui 4 蛋白質(zhì)跨膜區(qū)分析 常用蛋白質(zhì)跨膜區(qū)域分析工具 TMHMM ProtScale工具http ca expasy org tools protscale html氨基酸標度表示氨基酸在某種實驗狀態(tài)下相對其他氨基酸在某些性質(zhì)的差異 如疏水性 親水性等收集56多個文獻中提供的氨基酸標度默認值以Hphob Kyte Doolittle做疏水性分析特異性氨基酸標度 如Hopp Woods 1981 針對抗原片段定位 Accessibleresidues 1979 針對氨基酸溶劑可及性定位 Chou Fasman 1978 針對氨基酸二級結(jié)構(gòu)疏水性分析 5 蛋白質(zhì)親疏水性分析 主要選項 參數(shù)序列在線提交形式 如果分析SWISS PORT和TrEMBL數(shù)據(jù)庫中序列直接填寫Swiss Prot TrEMBLAC號 accessionnumber 如果分析新序列 直接在搜索框中粘貼氨基酸序列 是否歸一化 輸出結(jié)果輸入Swiss Prot TrEMBLAC號 分不同的功能域肽段 所用氨基酸標度信息 分析所用參數(shù)信息 輸出結(jié)果 3 跨膜區(qū)分析蛋白質(zhì)含有跨膜區(qū)提示它可能作為膜受體起作用 也可能是定位在膜上的錨定蛋白或離子通道蛋白 例 使用TMHMMServerv 2 0在線分析http www cbs dtu dk services TMHMM 鋁激活蘋果酸的轉(zhuǎn)運蛋白 TaALMT1 跨膜結(jié)構(gòu)分析 6 跨膜區(qū)分析 TMpred工具 http www ch embnet org software TMPRED form html預(yù)測跨膜區(qū)和跨膜方向依靠跨膜蛋白數(shù)據(jù)庫Tmbase 主要參數(shù) 選項 序列在線提交形式 直接貼入蛋白序列填寫SwissProt TrEMBL EMBL EST的ID或AC 輸出結(jié)果 包含四個部分可能的跨膜螺旋區(qū)相關(guān)性列表 跨膜拓撲模型及圖示 SOSUI工具 http bp nuap nagoya u ac jp sosui 以圖形方式返回結(jié)果 需要JavaApplet程序 輸入氨基酸單字母 運行 平均疏水值 預(yù)測的跨模螺旋區(qū)域 兩種跨膜Helix 預(yù)測區(qū)域的螺旋示意圖 平均疏水值 預(yù)測的跨模螺旋區(qū)域 兩種跨膜Helix 59 親疏水輪廓 跨膜蛋白序列 邊界 原則 LandoltMarticorenaetal 1993 胞外末端 Asp Ser和Pro胞外 內(nèi)分界區(qū)域 Trp跨膜區(qū) Leu Ile Val Met Phe Trp Cys Ala Pro和Gly胞內(nèi) 外分界區(qū)域 Tyr Trp和Phe胞內(nèi)末端 Lys和Arg 兩股或兩股以上 螺旋相互纏繞而形成超螺旋結(jié)構(gòu)存在于多種天然蛋白質(zhì)中 如轉(zhuǎn)錄因子 結(jié)構(gòu)蛋白 膜蛋白中 在生物體內(nèi)執(zhí)行著代謝調(diào)控 分子運動 膜通道 分子識別等重要的生物功能 63 7 蛋白質(zhì)卷曲螺旋域分析 典型的有亮氨酸拉鏈 存在7殘基重復(fù)結(jié)構(gòu) heptadrepeat 以a b c d e f g位置表示 其中a和d位置為疏水性氨基酸 而其他位置殘基為親水性 蛋白質(zhì)中由2 7條 螺旋鏈相互纏繞形成類似麻花狀結(jié)構(gòu)的總稱 主要存在形式是2 5條相互纏繞形成的平行或反平行同寡聚體或異寡聚體 是控制蛋白質(zhì)寡聚化的元件 轉(zhuǎn)錄因子 骨架蛋白 動力蛋白 膜蛋白 酶等