1、 實習4：蛋白質結構與功能分析浙江加州國際納米技術研究院（ZCNI）阮 陟陳曉龍 何 源 蔣 琰 實習4：蛋白質結構與功能分析浙江加州國際納米技術研究院（Z實習一基因組數據注釋和功能分析實習二核苷酸序列分析實習三芯片的基本數據處理和分析實習四蛋白質結構與功能分析實習五蛋白質組學數據分析實習六系統生物學軟件實習實習課程內容基因組學轉錄組學蛋白質組學系統生物學2實習一基因組數據注釋和功能分析實習二核苷酸序列分析實習三芯片DNA sequenceProtein sequenceProtein structureProtein function3DNA sequenceProtein sequence

2、Pr蛋白質序列分析蛋白質一級序列蛋白質基本理化性質分析蛋白質親疏水性分析跨膜區結構預測翻譯后修飾位點預測蛋白質二級結構蛋白質二級結構預測蛋白質序列信號位點分析蛋白質超二級結構蛋白質結構域分析蛋白質三級結構蛋白質三維結構模擬蛋白質序列分析主要內容4蛋白質序列分析蛋白質一級序列蛋白質基本理化性質分析蛋白質親疏蛋白質結構預測過程ORF翻譯實驗數據蛋白質序列蛋白質理化性質和一級結構數據庫搜索結構域匹配已知結構的同源蛋白？三維結構模型可用的折疊模型？同源建模有二級結構預測無串線法有從頭預測無5蛋白質結構預測過程ORF翻譯實驗數據蛋白質序列蛋白質理化性質ExPASy（Expert Protein Anal

3、ysis System）Tools（/tools/）6ExPASy（Expert Protein Analysis一、蛋白質理化性質分析使用工具：Protparam二、跨膜區分析使用工具：TMpred三、二級結構分析使用工具：PredictProtein四、結構域分析使用工具：InterProScan五、蛋白質三級結構分析使用工具：SWISS-MODEL/SWISS-PdbViewer數據： C:ZCNIshixi4protein.txt 課程安排7一、蛋白質理化性質分析課程安排7一、蛋白質基本理化性質分析 蛋白質理化性質是蛋白質研究的基礎蛋白質的基本性質：相對分子質量 氨基酸組成等電點（pI

4、） 消光系數半衰期 不穩定系數總平均親水性 實驗方法：相對分子質量的測定、等電點實驗、沉降實驗缺點：費時、耗資基于實驗經驗值的計算機分析方法8一、蛋白質基本理化性質分析 蛋白質理化性質是蛋白質研究的基礎工具網站備注AACompldent/tools/aacomp/利用未知蛋白質的氨基酸組成確認具有相同組成的已知蛋白Compute pI/Mw/tools/pi_tool.html計算蛋白質序列的等電點和分子量ProtParam/tools/protparam.html對氨基酸序列多個物理和化學參數（分子量、等電點、吸光系數等）進行計算PeptideMass/tools/peptide-mass.

5、html計算相應肽段的pI和分子量SAPSisrec.isb-sib.ch/software/SAPS_form.html利用蛋白質序列統計分析方法給出待測蛋白的物理化學信息蛋白質理化性質分析工具9工具網站備注AAC/toProtParam工具基于蛋白質序列的組分分析氨基酸親疏水性等分析為高級結構預測提供參考Expasy 開發的針對蛋白質基本理化性質的分析：Protparam 工具 /tools/protparam.html計算以下物理化學性質：相對分子質量 氨基酸組成等電點（PI） 消光系數半衰期 不穩定系數總平均親水性 10ProtParam工具基于蛋白質序列的組分分析計算以下物理化主要選

6、項/參數如果分析SWISS-PORT和TrEMBL數據庫中序列直接填寫Swiss-Prot/TrEMBL AC號(accession number)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/TrEMBL AC號打開protein.txt，將蛋白質序列粘貼在搜索框中11主要選項/參數如果分析SWISS-PORT和TrEMBL數據返回結果氨基酸數目相對分子質量理論 pI 值氨基酸組成正/負電荷殘基數12返回結果氨基酸數目相對分子質量理論 pI 值氨基酸組成正/負消光系數半衰期原子組成分子式總原子數E(Prot) = Num(Tyr)*Ext(Tyr) + Num(Trp

7、)*Ext(Trp) + Num(Cystine)*Ext(Cystine)proteins in water measured at 280 nm: Ext(Tyr) = 1490, Ext(Trp) = 5500, Ext(Cystine) = 125Absorb(Prot) = E(Prot) / Molecular_weight13消光系數半衰期原子組成分子式總原子數E(Prot) = Nu不穩定系數脂肪系數總平均親水性40 unstable注意：ProtParam沒有考慮蛋白質翻譯后修飾、蛋白質多聚體等情況，故用戶在預測和分析此類特定蛋白質的基本理化性質時需要仔細審視反饋結果。14不

8、穩定系數脂肪系數總平均親水性30的序列模擬比較有效，最常用的方法 SWISS-MODEL， CPHmodels 串線法/折疊識別法 (Threading/Fold recognition)“穿”入已知的各種蛋白質折疊骨架內，適于對蛋白質核心結構進行預測，計算量大THREADER，3D-PSSM從頭預測法( Ab initio/De novo methods )基于分子動力學，尋找能量最低的構象，計算量大，只能做小分子預測HMMSTR/ ROSSETA50五、蛋白質三維結構預測方法特點工具同源建模法基于序列同源比對蛋白質結構預測精度51蛋白質結構預測精度51同源建模法分析步驟：多序列比對與已有晶

9、體結構的蛋白質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%，結合功能，蛋白質一級序列、二級結構或結構域信息構建三維模型三維模型準確性檢驗Whatcheck 程序Ramachandran plot計算檢驗手工調整多序列比對，重新擬合，構建新的模型52同源建模法分析步驟：525353常用數據庫數據庫網站備注PDB/pdb/home/home.do主要的蛋白質三維結構數據庫MMDB/Structure/MMDB/mmdb.shtmlNCBI維護的蛋白質結構數據庫Psdb/deerfiel/PSdb/從PDB和NRL-3D數據庫中衍生出的數據庫，含二級結構和三維結構信息3DinSi

10、ghtgibk26.bse.kyutech.ac.jp/jouhou/3dinsight/3DinSight.html整合了結構、性質（氨基酸組成、熱力學參數等）、生物學功能（突變點，相互作用等）的綜合數據庫，FSSPebi.ac.uk/dali/fssp/根據結構比對的蛋白質結構分類數據庫SCOPscop.mrc-lmb.cam.ac.uk/scop/蛋白質結構分類數據庫，將已知結構蛋白進行有層次地分類CATHcathdb/latest/index.html另一個有名的蛋白質結構和結構域主要結構分類庫MODBASE/modbase-cgi/index.cgi用同源比對法生成的模型結構數據庫E

11、nzyme Structureebi.ac.uk/thornton-srv/databases/enzymes/從PDB數據庫中整理已知結構的酶蛋白數據庫HSSPsander.ebi.ac.uk/hssp/根據同源性到處的蛋白質結構數據庫54常用數據庫數據庫網站備注PDB/pdb/ho模板搜索與比對工具網站備注PSI-BLAST/BLAST/位置特異性疊代BLAST，可用來搜索遠源家族序列FASTA3ebi.ac.uk/fasta33/位于EBI的序列比對工具SSEARCHvega.ighrs.fr/bin/ssearch-guess.cgi采用Smith/Waterman法來進行序列比對Cl

12、ustalWebi.ac.uk/Tools/clustalw/index.html多序列比對工具，位于EBIT-Coffeeebi.ac.uk/t-coffee/用多種方法（如ClustalW、DIalign等）來構建多序列比對Multalinbioinfo.genopole-toulouse.prd.fr/multalin/multalin.html一個老牌的多序列比對工具Daliebi.ac.uk/dali/三維結構比對網絡服務器VAST/Structure/VAST/vast.shtml基于向量并列分析算法的三維結構比對工具SAM-T99/research/compbio/sam.htm

13、l用HMM法搜索蛋白質遠源同源序列55模板搜索與比對工具網站備注PSI-BLASTncbi.nlm同源建模法工具網站備注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CPHmodelscbs.dtu.dk/services/CPHmodels/基于神經網絡的同源建模工具，用戶只需提交序列，無高級選項EsyPred3Dfundp.ac.be/urbm/bioinfo/esypred/采用神經網絡來提高同源建模準確性的預測工具3Djigsawbmm.icnet.uk/servers/3djigsaw/根據同源已知結構蛋白來建模的預測工具MODELL

14、ER/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56同源建模法工具網站備注SWISS-MODELswissmod串線法工具網站備注3D-PSSMsbg.bio.ic.ac.uk/3dpssm/index2.html第一個運用1D-3D序列profile來預測蛋白質折疊結構的網絡服務器Fuguewww-cryst.bioc.cam.ac.uk/fugue/以序列結構比對搜索數據庫來預測蛋白質折疊HHpredtoolkit.tuebingen.mpg.de/hhpred基于HMM-HMM比對搜索多個數據庫來預測給定序列的的折疊結構LOOPP/loopp.aspx學習、

15、觀察和輸出蛋白質模式和結構工具THREADERbioinf.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/index.html蛋白質結構預測和評價工具包，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+123/123D+.html結合了序列概形，二級結構信息和接觸勢能來將待測蛋白“穿入”一系列結構來預測結構SAM-T02/research/compbio/HMM-apps/T02-query.html基于HMM方法的蛋白質結構預測GenThreaderbioinf.cs

16、.ucl.ac.uk/psipred/psiform.html使用結構評分和基于神經網絡序列比對來也測蛋白折疊結構串線法工具網站備注3D-PSSMsbg.bio.ic.ac.SWISS-MODEL/SWISS-PdbViewSWISS-MODEL工具/同源建模方法與PDB數據庫已知結構的蛋白質序列比對進行預測58SWISS-MODEL/SWISS-PdbViewSWISS 自動模式比對模式工程模式 自動模式比對模式工程模式主要參數/選項粘貼protein.txt中一條蛋白質序列輸入用戶E-mail（選填）60主要參數/選項粘貼protein.txt中輸入用戶E-mai輸出結果下載pdb格式文件

17、61輸出結果下載pdb格式文件61與模板序列比對結果，并顯示二級結構區域比對結果62與模板序列比對結果，并顯示二級結構區域比對結果62模型評估63模型評估63練習五：SWISS-MODEL/數據：C:ZCNIshixi4SWISS-MODEL.txt參考：/course/course-index.htm64練習五：SWISS-MODELswissmodel.expa工具網站備注Swiss-PdbViewer/spdbv/一個界面非常友好的工具，可以分析蛋白質的結構性質，比較活性位點或突變點Jmoljmol.sourceforge/一個基于Java語言開發的三維觀察工具，大多是作為一個內嵌式網頁

18、工具快速游覽結構數據庫數據MolMolmol.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PyMolpymol.sourceforge/一個基于開源的三維觀察工具，有很多額外的插件來提升功能Rasmolbernstein-plus-sons/software/rasmol/很有名的三維觀察軟件，操作界面簡介，用命令行實現多種功能VMD/Research/vmd/用內建的腳本來瀏覽、分析三維結構，還可以以動畫的形式模擬蛋白質結構Chimemdl/products/framework/chime/inde

19、x.jsp網絡游覽器插件，可以在網頁中直接觀察PDB格式的文件Chimera/chimera/index.html免費分子模擬顯示程序，還包括結構比對、藥物篩選等功能ICM-Browsermolsoft/icm_browser.html三維分子游覽工具，有序列比對顯示功能，由MolSodt公司免費推出常用蛋白質三維結構觀察和修改工具65工具網站備注Swiss-PdbViewerca.expasy66PDB格式文件簡介記錄類型說明END結束HEADER分子類，公布日期，ID號MASTER版權擁有者ORIGXn直角PDB坐標SCALEn直角部分結晶學坐標AUTHOR結構測定者CAVEAT可能的錯誤

20、提示COMPND化合物名稱EXPDTA測定結構所用的試驗方法KEYWDS關鍵詞OBSLTE注明該id號已改為新號SOURCE化合物來源SPRSDE已撤消或更改的相關記錄REMARK注解TITLE說明試驗方法類型66PDB格式文件簡介記錄類型說明END結束HEADER分PDB格式文件簡介記錄類型說明ANISOU溫度因子ATOM標準基因的原子坐標CISPEP順勢殘基CONECT有關記錄DBREF其他序列庫的有關記錄HELIX螺旋HET非標準殘基HETSYM非標準殘基的同義字HYDBND氫鍵LINK殘基間化學鍵MODRES對標準殘基的修飾MTRIXn顯示非晶相對稱REVDAT修訂日期及相關內容SEQADVPDB與其它記錄的出入SEQRES殘基序列SHEET片層記錄類型說明SIGATM標準差SIGUIJ溫度因子SITE特性位點SLTBRG鹽橋SSBOND二硫鍵TURN轉折TVECT轉換因子ENDMDL亞基結束MODEL多亞基時，示亞基號TER鏈末端FORMUL非標準殘基化學式HETATM非標準集團原子坐標HETNAM非標準殘基的化學名稱CRYST1晶胞參數JRNL發表坐標集的文獻PDB格式文件簡介記錄類型說明ANISOU溫度因子ATOMSWISS-P