1、第六章、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)1蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)問題 序列結(jié)構(gòu)功能.-Gly-Ala-Glu-Phe-.FUNCTION第一節(jié) 引言2第二節(jié) 蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) 蛋白質(zhì)序列： 二級(jí)結(jié)構(gòu)：31、二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)概述蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的基本依據(jù)是：每一段相鄰的氨基酸殘基具有形成一定二級(jí)結(jié)構(gòu)的傾向。二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的目標(biāo)：判斷每一段中心的殘基是否處于螺旋、折疊、轉(zhuǎn)角（或其它狀態(tài)）之一的二級(jí)結(jié)構(gòu)態(tài)，即三態(tài)。 4二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的方法大體分為三代：第一代是基于單個(gè)氨基酸殘基統(tǒng)計(jì)分析從有限的數(shù)據(jù)集中提取各種殘基形成特定二級(jí)結(jié)構(gòu)的傾向，以此作為二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的依據(jù)。第二代預(yù)測(cè)方法是基于氨基酸片段的統(tǒng)計(jì)分析統(tǒng)計(jì)的對(duì)象是氨基酸片段片

2、段的長度通常為11-21在預(yù)測(cè)中心殘基的二級(jí)結(jié)構(gòu)時(shí)，以殘基在特定環(huán)境形成特定二級(jí)結(jié)構(gòu)的傾向作為預(yù)測(cè)依據(jù) 5第一代和第二代預(yù)測(cè)方法對(duì)三態(tài)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率都小于70%，而對(duì)折疊預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率僅為2848%其主要原因是只利用局部信息第三代方法（考慮多條序列）運(yùn)用長程信息和蛋白質(zhì)序列的進(jìn)化信息準(zhǔn)確度有了比較大的提高6（1）經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法經(jīng)驗(yàn)參數(shù)法由Chou 和Fasman在70年代提出來是一種基于單個(gè)氨基酸殘基統(tǒng)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)方法。通過統(tǒng)計(jì)分析，獲得的每個(gè)殘基出現(xiàn)于特定二級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)象的傾向性因子，進(jìn)而利用這些傾向性因子預(yù)測(cè)蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。 2、蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法7每種氨基酸出現(xiàn)在各種二級(jí)結(jié)構(gòu)中傾向或者頻率是不

3、同的：例如：Glu主要出現(xiàn)在螺旋中 Asp和Gly主要分布在轉(zhuǎn)角中 Pro也常出現(xiàn)在轉(zhuǎn)角中，但是絕不會(huì)出現(xiàn)在螺旋中?？梢愿鶕?jù)每種氨基酸殘基形成二級(jí)結(jié)構(gòu)的傾向性或者統(tǒng)計(jì)規(guī)律進(jìn)行二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)。8一個(gè)氨基酸殘基的構(gòu)象傾向性因子定義為Pi = Ai / Ti (i= ,c, t)式中下標(biāo)i表示構(gòu)象態(tài)如螺旋、折疊、轉(zhuǎn)角、無規(guī)卷曲等；Ti是所有被統(tǒng)計(jì)殘基處于構(gòu)象態(tài)i的比例；Ai是第A種殘基處于構(gòu)象態(tài)i 的比例；Pi大于1.0表示該殘基傾向于形成二級(jí)結(jié)構(gòu)構(gòu)象i，小于1.0則表示傾向于形成其它構(gòu)象。 910 發(fā)現(xiàn)關(guān)于二級(jí)結(jié)構(gòu)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則基本思想是在序列中尋找規(guī)則二級(jí)結(jié)構(gòu)的成核位點(diǎn)和終止位點(diǎn)。 掃描輸入的氨基酸序

4、列，利用一組規(guī)則發(fā)現(xiàn)可能成為特定二級(jí)結(jié)構(gòu)成核區(qū)域的短序列，然后對(duì)于成核區(qū)域進(jìn)行擴(kuò)展，不斷擴(kuò)大成核區(qū)域，直到傾向性因子小于1.0為止。 規(guī)則：（i）螺旋規(guī)則 （ii）折疊規(guī)則 （iii）轉(zhuǎn)角規(guī)則 (iv) 重疊規(guī)則 延伸 成核區(qū) 延伸11 （i）螺旋規(guī)則沿蛋白質(zhì)序列尋找螺旋核相鄰的6個(gè)殘基中如果有至少4個(gè)殘基傾向于形成螺旋，則認(rèn)為是螺旋核。從螺旋核向兩端延伸直至四肽片段的螺旋傾向性因子的平均值P1.03，則預(yù)測(cè)為螺旋。 延伸 螺旋核 延伸12（ii）折疊規(guī)則相鄰6個(gè)殘基中若有4個(gè)傾向于形成折疊，則認(rèn)為是折疊核。折疊核向兩端延伸直至4個(gè)殘基的平均折疊傾向性因子P1.05，則預(yù)測(cè)為折疊。13（iii

5、）轉(zhuǎn)角規(guī)則轉(zhuǎn)角的模型為四肽 四肽片段Pt的平均值大于100，并且Pt 的均值同時(shí)大于P 的均值以及P 的均值，則可以預(yù)測(cè)這樣連續(xù)的4個(gè)殘基形成轉(zhuǎn)角。 則可以預(yù)測(cè)這樣連續(xù)的4個(gè)氨基酸形成轉(zhuǎn)角。14(iv) 重疊規(guī)則對(duì)于螺旋和折疊的重疊區(qū)域，按Pa和P的相對(duì)大小進(jìn)行預(yù)測(cè)若Pa大于P，則預(yù)測(cè)為螺旋；反之，預(yù)測(cè)為折疊。15（2）基于氨基酸疏水性的預(yù)測(cè)方法立體化學(xué)方法 氨基酸的理化性質(zhì)對(duì)二級(jí)結(jié)構(gòu)影響較大在進(jìn)行結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)時(shí)考慮氨基酸殘基的物理化學(xué)性質(zhì)如疏水性、極性、側(cè)鏈基團(tuán)的大小等，根據(jù)殘基各方面的性質(zhì)及殘基之間的組合預(yù)測(cè)可能形成的二級(jí)結(jié)構(gòu)。“疏水性”是氨基酸的一種重要性質(zhì)，疏水性的氨基酸傾向于遠(yuǎn)離周圍水分

6、子，將自己包埋進(jìn)蛋白質(zhì)的內(nèi)部。161718 螺旋的形成規(guī)律：在一段序列中發(fā)現(xiàn)第i、i+3、i+4位（如1、4、5）是疏水殘基時(shí)，這一片段就被預(yù)測(cè)為螺旋； 當(dāng)發(fā)現(xiàn)第i、i+1、i+4位（如7，8，11）為疏水殘基時(shí)，這一片段也被預(yù)測(cè)為螺旋。19對(duì)于折疊的形成規(guī)律： 對(duì)于折疊，也存在著一些特征的親疏水殘基間隔模式，埋藏的折疊通常由連續(xù)的疏水殘基組成，一側(cè)暴露的折疊則通常具有親水-疏水的兩殘基重復(fù)模式。原則上，通過在序列中搜尋特殊的親疏水殘基間隔模式，就可以預(yù)測(cè)螺旋和折疊。 20點(diǎn)模式方法： 將20種氨基酸殘基分為親水、疏水殘基 用八殘基片段表征親疏水間隔模式 以一個(gè)二進(jìn)制位代表一個(gè)殘基，疏水為1，

7、親水為0，共八位。 這樣，八殘基片段的親疏水模式可用0255的數(shù)值來表示。21 螺旋的特征模式對(duì)應(yīng)的值為：9，12，13，17，201，205，217，219，237。 折疊的特征模式： 由連續(xù)的1或交替的01構(gòu)成。22（3）同源分析法將待預(yù)測(cè)的片段與數(shù)據(jù)庫中已知二級(jí)結(jié)構(gòu)的片段進(jìn)行相似性比較，利用打分矩陣計(jì)算出相似性得分，根據(jù)相似性得分以及數(shù)據(jù)庫中的構(gòu)象態(tài)，構(gòu)建出待預(yù)測(cè)片段的二級(jí)結(jié)構(gòu)。該方法對(duì)數(shù)據(jù)庫中同源序列的存在非常敏感，若數(shù)據(jù)庫中有相似性大于30%的序列，則預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率可大大上升。23假設(shè)已知二級(jí)結(jié)構(gòu)的氨基酸片段T=STNGIYWT的二級(jí)結(jié)構(gòu)為CHHHHHT H代表螺旋， T代表轉(zhuǎn)角， C代

8、表無規(guī)卷曲待預(yù)測(cè)二級(jí)結(jié)構(gòu)的氨基酸片段U=ATSGVFL序列比對(duì)：T = S T N G I Y WU = A T S G V F L直接將T的構(gòu)象態(tài)賦予U 24更為合理的方法：是將待預(yù)測(cè)二級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)U與多個(gè)同源序列進(jìn)行多重比對(duì)，對(duì)于U的每個(gè)殘基位置，其構(gòu)象態(tài)由多個(gè)同源序列對(duì)應(yīng)位置的構(gòu)象態(tài)決定，或取出現(xiàn)次數(shù)最多的構(gòu)象態(tài)，或?qū)Ω鞣N可能的構(gòu)象態(tài)給出得分值。25第三節(jié) 蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè) 1、同源模型化方法主要思想：對(duì)于一個(gè)未知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，找到一個(gè)已知結(jié)構(gòu)的同源蛋白質(zhì)，以該蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)為模板，為未知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)建立結(jié)構(gòu)模型。依據(jù)： 任何一對(duì)蛋白質(zhì)，如果兩者的序列等同部分超過30%，則它們具有相似

9、的三維結(jié)構(gòu)，即兩個(gè)蛋白質(zhì)的基本折疊相同，只是在非螺旋和非折疊區(qū)域的一些細(xì)節(jié)部分有所不同。 26假設(shè)待預(yù)測(cè)三維結(jié)構(gòu)的目標(biāo)蛋白質(zhì)為U（Unknown），利用同源模型化方法建立結(jié)構(gòu)模型的過程包括下述6個(gè)步驟： （1）搜索結(jié)構(gòu)模型的模板(T) （2）序列比對(duì) （3）建立骨架 （4）構(gòu)建目標(biāo)蛋白質(zhì)的側(cè)鏈 （5）構(gòu)建目標(biāo)蛋白質(zhì)的環(huán)區(qū) （6）優(yōu)化模型U T27預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確率： 對(duì)于具有60%等同的序列，用上述方法所建立的三維模型非常準(zhǔn)確。若序列的等同部分超過60%，則預(yù)測(cè)結(jié)果將接近于實(shí)驗(yàn)得到的測(cè)試結(jié)果。 一般如果序列的等同部分大于30%，則可以期望得到比較好的預(yù)測(cè)結(jié)果。28 2、從頭預(yù)測(cè)方法在沒有已知結(jié)構(gòu)的

10、同源蛋白質(zhì)下，上述蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的方法都不能用，這時(shí)只能采用從頭預(yù)測(cè)方法，即（直接）僅僅根據(jù)序列本身來預(yù)測(cè)其結(jié)構(gòu)。29從頭預(yù)測(cè)方法一般由下列3個(gè)部分組成： （1）一種蛋白質(zhì)幾何的表示方法由于表示和處理所有原子和溶劑環(huán)境的計(jì)算開銷非常大，因此需要對(duì)蛋白質(zhì)和溶劑的表示形式作近似處理。 （2）一種能量函數(shù)及其參數(shù)通過對(duì)已知結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析確定能量函數(shù)中的各個(gè)參數(shù) （3）一種構(gòu)象空間搜索技術(shù) 構(gòu)象空間搜索和能量函數(shù)的建立是從頭預(yù)測(cè)方法的關(guān)鍵30N端的氨基酸位于坐標(biāo)系統(tǒng)的原點(diǎn)第二個(gè)氨基酸位于坐標(biāo)的（1,0）或（1，0，0）處。H-P 模型-疏水(hydrophobic)-極性(polar) 31

11、基于疏水殘基之間的接觸進(jìn)行打分每一個(gè)H和H的接觸（非相鄰殘基）對(duì)能量的貢獻(xiàn)都為1最優(yōu)的構(gòu)象就是所有可能的構(gòu)象中具有最多H和H接觸的那個(gè)構(gòu)象圖中的二維和三維構(gòu)象的得分都是332絕對(duì)方向表示法:每一個(gè)位置上可選擇的方向: 上、右、左和下（U、R、L、D）；而對(duì)于三維模型: 上、右、左、下、后和前（U、R、L、D、B、F）。構(gòu)象空間搜索（R，R，D，L，D，L，U，L，U，U，R） （R，B，U，F(xiàn)，L，U，R，B，L，L，F(xiàn)）33H-P模型是基于三種簡化的：蛋白質(zhì)中各個(gè)氨基酸殘基的碳原子都位于二維網(wǎng)格或三維網(wǎng)格的格點(diǎn)上；疏水作用是蛋白折疊中唯一的重要因素；同時(shí)通過計(jì)算疏水殘基接觸的數(shù)目代替構(gòu)象的能

12、量計(jì)算。 34能量函數(shù)和優(yōu)化 需要考慮的相互作用疏水作用氫鍵二硫橋靜電作用范德華力溶劑作用35分子力學(xué)方法 假設(shè)正確的蛋白質(zhì)折疊對(duì)應(yīng)于最低能量的構(gòu)象分子力學(xué)勢(shì)能是原子坐標(biāo)的函數(shù)勢(shì)能函數(shù)由多項(xiàng)組成成鍵作用：化學(xué)鍵的伸縮能（鍵長）彎曲能（鍵角）扭轉(zhuǎn)能（二面角）非成鍵作用：范德華力靜電力氫鍵分子力學(xué)中的勢(shì)能參數(shù)的來源 36基于勢(shì)函數(shù)或者力場(chǎng)的結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法在實(shí)際應(yīng)用中存在許多問題，主要原因:我們還沒有完全了解究竟是哪些力決定了蛋白質(zhì)的折疊過程，同時(shí)這些力之間又是如何相互作用的力場(chǎng)參數(shù)不精確，沒有對(duì)溶劑處理的好方法構(gòu)象搜索過程容易陷入局部能量極小點(diǎn)自然折疊的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與一般蛋白質(zhì)構(gòu)象之間的能量差比較小研究蛋白質(zhì)折