蛋白质序列分析与结构预测
蛋白质序列分析及结构预测
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蛋白质三级结构
二级结构进一步折叠形成的结构域
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三级结构:蛋白质的多肽链在各种二级结构的基础上再进一步盘曲或 折迭形成具有一定规律的三维空间结构，称为蛋白质的三级结构（ tertiary structure）。蛋白质三级结构的稳定主要靠次级键，包括氢 键、疏水键、盐键以及范德华力（Van der Wasls力）等。
b. 来自人pi型谷胱甘肽-S-转硫酶中单个亚基中连续主链的部分β折叠结构(2DGQ.pdb)侧面视
图，可见转角(turn)；
c. 来自人pi型谷胱甘肽-S-转硫酶一个亚基中连续主链的部分β折叠结构顶部视图，可见转角
(turn)；
d. 来自人信号传递蛋白SMAD4(1DD1.pdb)的一个亚基中部分β折叠结构顶部视图，可见到大
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3. 蛋白质结构数据库
PDB( protein data bank , PDB) /pdb/
PDB 包括了蛋白质、核酸、蛋白质-核酸复合体以及病 毒等生物大分子结构数据, 主要是蛋白质结构数据, 这些数据来源于几乎全世界所有从事生物大分子结 构研究的研究机构, 并由结构生物学合作研究协会（ RCSB） 维护和注释。
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二、蛋白质数据库
依据蛋白质的结构层次, 将蛋白质数据库分为:
1. 蛋白质序列数据库：如PIR、SWISS-PROT、NCBI , 这些数据库的 数据主要以蛋白质的序列为主, 并赋予相应的注释; 2. 蛋白质模体及结构域数据库：如PROSITE、Pfam, 这些数据库主要 收集了蛋白质的保守结构域和功能域的特征序列; 3. 蛋白质结构数据库： 如PDB 等, 这些数据库主要以蛋白质的结构测 量数据为主; 4. 蛋白质分类数据库：如SCOP、CATH、FSSP 等, 这其中有以序列 比较为基础的序列分类数据库以及以结构比较为基础的结构分类数据
蛋白质结构的分析和预测方法
蛋白质结构的分析和预测方法蛋白质是构成生物体质量的基础，具有广泛而重要的生物功能。
研究蛋白质的结构和功能是生物学和药学等领域的重要研究课题。
而蛋白质结构的分析和预测是对蛋白质研究的基础，也是解决人类疾病等领域的重要突破口。
本文将从分析和预测两个方面介绍蛋白质结构的研究方法。
一、蛋白质结构的分析方法1. X射线晶体学蛋白晶体学是最广泛采用的蛋白质结构分析方法之一。
该方法利用X射线探测蛋白质晶体中原子的位置，并通过该信息推断蛋白质的三维结构。
通过X射线晶体学的方法已获得了数万个蛋白质结构，大大提高了蛋白质研究的深度和广度。
2. 核磁共振核磁共振是另一种常用的蛋白质结构分析方法，它利用一个强磁场对蛋白质分子进行瞬时激发，旋转确定的核磁共振信号，通过空间磁场分布的变化揭示分子的三维构造。
此外，核磁共振与分子动力学模拟等计算方法相结合，能够更细致地揭示分子的结构细节，如构象变化、动态性质、生理相关解离构象等。
3. 电镜电子显微镜是一种近期快速发展的方法，它可以在不需要结晶的情况下直接观察蛋白质体系的图像，从而解析它们的立体结构。
这种方法非常适合研究大分子复合物的结构和功能，因为它们相对比较柔软，不太容易得到光学衍射数据。
二、蛋白质结构的预测方法1. 基于结构相似性的预测基于结构相似性的预测是一种利用已知结构的蛋白质来推断其它蛋白质的结构的方法。
这种方法假设结构相似的蛋白质在空间构型上也具有相似性，因此可以通过分析相似结构间的差异性和共性来预测未知结构的蛋白质。
如蛋白质家族、同源模型等就是基于结构相似性预测蛋白质结构的重要手段。
2. 基于能量最小化的预测通过基于物理化学原理设计的力场，在预测过程中能够通过优化相互作用势能最小化的方式，预测蛋白质的结构。
这种方法在预测局部构象、构像变化、蛋白质之间的相互作用以及酶与其底物结合等方面非常重要。
3. 基于模板匹配的预测模板匹配预测是在已知蛋白质结构库中，通过匹配新蛋白质的序列与已知蛋白的结构来预测其结构的方法。
蛋白质结构预测与分析方法
蛋白质结构预测与分析方法蛋白质作为生命体中最基本的分子之一，不仅在生物体中发挥着重要的催化、运输、调节、防御、信号传递等功能，同时也受到了科学家们的广泛关注。
因为在蛋白质的分子结构中蕴藏着其生物学功能的秘密。
为了深入理解蛋白质在生物体中的作用，结构预测与分析方法成为了不可或缺的重要手段。
一、蛋白质结构预测方法蛋白质结构预测是指根据蛋白质的氨基酸序列信息，利用计算机模拟和数学建模预测出蛋白质的三维立体结构的技术。
蛋白质结构预测技术的发展历程大致可以分为以下四个阶段。
1.基于序列保守性推断的序列比对方法序列比对法是一种最早传统的结构预测方法之一，主要基于了分子生物学的序列保守性假设，即同族蛋白质序列之间的关系比异族蛋白质序列要更为接近，同时也利用了同源因子结构的技术。
该方法的缺点在于较为依赖生物物种数据库中已知的同源蛋白质序列，并且无法解决折叠状态中序列变异路径不同的问题。
2.基于从头构建法的物理模拟方法从头构建法是指利用高中生物化学、数学及计算机科学相关知识，对蛋白质分子的构成及其相互作用力的原理进行理解，以及从分子结构相空间机构的角度进行蛋白质结构模拟的技术。
该方法可以绕过序列比对路径不同的缺点，但准确率较低、计算时间较长，并且需要较高的数学和物理素养。
3.基于同源建模法的结构对比和补全方法同源建模法是一种结构对比与预测的重要手段，通过利用已知蛋白质结构作为种子结构的替代物，比较它们所共有的氨基酸序列和结构，以此预测蛋白质分子之间的空间排列。
同源建模法适用于那当前有完整的同源确定模板结构的情况，但需要较强的生物学知识支持。
4.基于机器学习的预测方法机器学习是数据挖掘、人工智能和统计学应用领域中的一种技术，并被广泛用于蛋白质的结构预测和设计。
与其他方法相比，机器学习方法具有更好的处理大量数据的能力，准确度更高，并且可以较快的体现出不同环境的影响。
二、蛋白质结构分析方法蛋白质结构分析是指对已有蛋白质结构的进一步分析研究，从而深入探讨蛋白质在生物学功能中所起的角色和机理，目前主要涉及到以下几种方法。
蛋白质结构的预测与分析
蛋白质结构的预测与分析蛋白质是生命体中的重要分子，在生物体内起着承担生命活动的重要作用。
蛋白质结构的预测和分析是生物学研究中的重要一环，旨在揭示蛋白质的三维空间结构和功能。
本文将从蛋白质结构的基本概念入手，介绍蛋白质结构预测的方法和流程，并探讨蛋白质结构与功能的关系。
一、蛋白质结构的基本概念蛋白质结构指的是确定蛋白质分子在三维空间中的构象和构型，即确定蛋白质的三级结构（即原生结构）和四级结构（即蛋白质超级结构）。
蛋白质结构的决定因素是蛋白质的氨基酸序列和环境条件。
氨基酸序列由多种氨基酸组成，每种氨基酸都有其特定的结构和性质，进而决定了蛋白质的空间构象。
环境条件包括温度、ph值、离子浓度等。
二、蛋白质结构预测的方法和流程蛋白质结构预测是指在已知蛋白质的氨基酸序列的情况下，利用计算方法推断其三维空间结构。
目前蛋白质结构预测的方法主要包括基于序列的预测方法和基于结构的预测方法。
一、基于序列的预测方法：利用多种生物信息学分析技术，根据给定的氨基酸序列进行分析和比对，预测蛋白质的二级结构（α-螺旋、β-折叠、无规卷曲），从而推断出蛋白质的三维结构。
基于序列的方法主要包括BLAST、PSI-BLAST、HMM等。
二、基于结构的预测方法：利用已经解析出的蛋白质结构库，根据已确定的结构进行预测。
基于结构的方法主要有模板比对法、蒙特卡罗模拟法、分子动力学模拟法等。
针对蛋白质结构预测中的误差，现阶段也推出了一些错误校正的方法，如：模型修正法、模型优化法等。
三、蛋白质结构与功能的关系蛋白质结构与功能紧密相关，因为蛋白质的结构和功能是相互依存的。
蛋白质分子的结构决定了所处的环境和功能，如在水相环境下，螺旋和β折叠结构是最稳定的，而在疏水环境下，蛋白质的无规卷曲结构更稳定。
蛋白质的功能又与其结构密切相关，如蛋白质A酶的空间构象才使它能专一地与A底物结合反应，从而实现其催化。
因此，对蛋白质结构进行预测和分析，可以更好地理解和预测其功能，为生物学研究提供了更深入的认识。
蛋白质序列分析与结构预测
蛋白质序列分析与结构预测概述：蛋白质是生物体内重要的功能分子，其结构与功能密切相关。
蛋白质序列分析和结构预测是在理解蛋白质结构和功能的基础上，对蛋白质进行更深入研究的重要工具。
本文将对蛋白质序列分析和结构预测进行详细介绍。
一、蛋白质序列分析1.1序列比对1.2序列标记蛋白质序列标记是根据其中一种特定的准则来标记氨基酸序列的功能或结构信息。
常用的标记方法有结构标记和功能标记。
结构标记根据氨基酸的二级结构特征来进行，如α-螺旋、β-折叠等；功能标记则是根据氨基酸序列所具有的特定功能进行，如酶活性、配体结合等。
1.3序列定位蛋白质序列定位是指确定蛋白质序列中特定区域的位置和范围。
常用的序列定位方法有Motif分析和Domain分析。
Motif分析可以识别蛋白质序列中的保守序列模式，从而找出具有特定功能的序列片段；Domain 分析可以识别蛋白质中具有自稳定结构和特定功能的结构域。
1.4序列功能预测二、蛋白质结构预测蛋白质结构预测是根据蛋白质的氨基酸序列预测蛋白质的三维结构。
蛋白质的结构决定了其功能和相互作用，因此准确预测蛋白质的结构对于理解蛋白质的功能和机制至关重要。
蛋白质结构预测的主要方法包括基于模板的建模方法和基于物理性质的全原子或粗粒化力场模拟方法。
2.1基于模板的建模方法基于模板的建模方法是利用已知的蛋白质结构作为模板，通过序列比对和结构比对来模拟未知蛋白质的结构。
常用的基于模板的建模方法有比对、模型构建和模型评估等。
2.2基于物理性质的模拟方法基于物理性质的模拟方法是使用物理原理和力场模拟来预测蛋白质的结构。
常用的模拟方法有分子力学模拟、蒙特卡洛模拟和蛋白质力场等。
结论：蛋白质序列分析和结构预测是对蛋白质进行深入研究的重要工具。
通过蛋白质序列分析可以了解蛋白质的进化关系、功能特征和结构信息；而蛋白质结构预测可以揭示蛋白质的三维结构，从而理解其功能和相互作用。
随着技术的不断发展，蛋白质序列分析和结构预测方法也在不断改进和完善，为研究蛋白质的机制和功能提供了更有力的工具。
蛋白质的一级结构分析与预测方法
蛋白质的一级结构分析与预测方法蛋白质是一类生物分子，它们在机体中起到了举足轻重的作用。
蛋白质分子结构的研究是生物学、药学等领域的热门研究方向。
在研究蛋白质的结构、功能和特性时，常常需要对其一级结构进行分析和预测。
本文将介绍蛋白质一级结构的分析与预测方法。
一、蛋白质一级结构概述蛋白质的一级结构指的是其氨基酸序列。
蛋白质分子由20种左右的氨基酸组成，通过不同的排列组合构成不同的蛋白质。
氨基酸是一种含有羧基（-COOH）、氨基（-NH2）和一侧链的有机化合物，它们通过肽键相连构成肽链，进而构成蛋白质分子。
蛋白质的一级结构是其二级、三级结构和功能的基础。
因此，研究蛋白质的一级结构对于研究蛋白质的结构和功能具有非常重要的意义。
二、蛋白质一级结构分析方法1. 比对分析法：比对分析法是一种通过比对蛋白质序列进行分析的方法。
这种方法通过比对蛋白质序列与已知蛋白质数据库中的序列进行比较，从而推测出该序列可能具有的功能和结构。
比对分析法具有预测准确率高、速度较快等优点，因此被广泛应用于蛋白质序列的分析领域。
2. 生物物理学方法：生物物理学方法包括了一系列的实验方法，如X射线晶体衍射等，可以用来研究蛋白质的空间构象和形态。
通过对蛋白质分子的实验分析，可以进一步了解其一级结构及其对应的生物学功能。
3. 生物信息学方法：生物信息学方法是一种透过计算机程序对蛋白质序列进行分析的方法。
生物信息学方法可以预测蛋白质的物理化学性质、表观结构和功能等，包括常见的基于机器学习方法的蛋白质结构预测模型和关于序列特征分析、耦合谱分析的小标签搜索技术。
生物信息学方法是当前研究蛋白质的一级结构的热门方法之一。
它以深度学习模型和新算法为手段，对大量的已知蛋白质序列进行训练，然后使用预测模型对新蛋白质进行预测。
生物信息学方法具有速度快、预测准确率高等优点，因此仍在不断发展和完善。
三、蛋白质一级结构预测方法1. 基于比对分析法的蛋白质一级结构预测：由于氨基酸序列是蛋白质一级结构的关键，因此比对分析法也可以被用于预测蛋白质一级结构。
第五章蛋白质分析及预测方法
第五章蛋白质分析及预测方法蛋白质是生物体内最基本的功能分子之一，其功能与结构密切相关。
蛋白质分析及预测方法是研究蛋白质结构和功能的重要手段之一、随着生物信息学和计算机技术的发展，越来越多的蛋白质分析及预测方法被提出和应用。
一、蛋白质分析方法1.序列分析蛋白质序列是理解和预测蛋白质功能和结构的重要基础。
序列分析可以通过比对已知蛋白质序列数据库，找出与待研究蛋白质相似的序列，从而预测其功能和结构。
常用的序列分析方法包括同源序列比对、Motif和Domain分析等。
2.结构分析蛋白质结构是蛋白质功能的基础，因此结构分析对于研究蛋白质功能至关重要。
通常通过实验方法如X射线晶体学、核磁共振等获得蛋白质结构。
此外，还可以利用计算方法预测蛋白质的二级结构和三级结构。
常用的结构分析方法包括蛋白质结构比对、分子模拟等。
3.功能分析蛋白质功能是指蛋白质所具有的生物学功能，如催化反应、运输物质、信息传递等。
功能分析通过研究蛋白质的序列和结构，以及模拟蛋白质与其他生物分子的相互作用，来理解和预测蛋白质的功能。
常用的功能分析方法包括结构-功能关系预测、生物分子对接等。
二、蛋白质预测方法1.序列预测蛋白质序列预测是指通过分析蛋白质的氨基酸序列，预测其结构和功能。
常见的序列预测方法包括序列比对、Motif和Domain预测、蛋白质家族预测等。
这些预测方法可以通过比对已知蛋白质序列数据库，找出与待研究蛋白质相似的序列，从而推测其结构和功能。
2.结构预测蛋白质的三级结构是指蛋白质的原子级结构，包括蛋白质中氨基酸残基的空间排列。
结构预测是通过计算方法来预测蛋白质的三级结构。
常用的结构预测方法包括亚氨基酸残基建模、蛋白质折叠模拟等。
这些方法通过计算蛋白质中氨基酸之间的相互作用力和空间约束，来预测蛋白质的三级结构。
3.功能预测蛋白质功能预测是通过研究蛋白质的结构和序列，来预测蛋白质所具有的生物学功能。
常用的功能预测方法包括结构-功能关系预测、蛋白质分子对接等。
生物信息学中的序列分析与结构预测研究
生物信息学中的序列分析与结构预测研究序列分析与结构预测是生物信息学中的重要研究领域。
生物信息学是应用计算机科学、数据科学和统计学等技术来研究生物学问题的学科。
序列分析和结构预测是生物信息学中的两个核心任务，它们可以揭示生物分子的功能和结构，进而为疾病治疗、药物设计等领域提供重要的理论依据。
1. 序列分析序列分析是指对生物分子序列（如DNA、RNA和蛋白质序列）进行研究和分析的过程。
通过序列分析，我们可以了解到生物分子的组成、结构和功能。
在序列分析中，常用的方法包括序列比对、序列搜索以及序列分类等。
序列比对是将不同生物分子序列进行比对，找出它们之间的相似性。
通过比对分析，可以推测不同生物分子之间的亲缘关系，进而研究它们的功能和进化历史。
序列比对中的常见算法包括Smith-Waterman算法和Needleman-Wunsch算法。
序列搜索是从大量的生物序列数据库中搜索与目标序列相似的序列。
这种方法可以帮助研究人员找到与目标序列功能相似的已知序列，从而推断目标序列的功能和结构特征。
常用的序列搜索算法包括BLAST算法和FASTA算法。
序列分类是根据生物分子的序列特征将它们分为不同的家族或亚型。
通过序列分类，可以对生物分子进行分类研究，从而揭示它们的功能和结构变化。
常用的序列分类方法包括聚类分析、物种分类和基于机器学习的分类模型。
2. 结构预测结构预测是基于生物分子的序列信息来预测其三维结构的方法。
生物分子的结构决定了其功能和相互作用方式。
结构预测可以帮助我们理解生物分子的功能和相互作用机制，并为药物设计和疾病治疗等领域提供有力的支持。
蛋白质结构预测是结构预测中的重要任务之一。
蛋白质是生物体内最重要的功能分子，其结构与功能密切相关。
蛋白质结构预测可以通过多种方法进行，包括基于比对的模板建模、蛋白质折叠动力学模拟以及基于物理力学模型的结构预测等。
核酸结构预测是研究DNA和RNA分子的三维结构的过程。
DNA和RNA是生物体内的遗传物质，其结构和功能的解析对生物学的研究具有重要意义。
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P(c) 0.57 1.00 1.68 1.26 1.17 0.56 0.44 1.68 0.69 0.58 0.53 1.01 0.67 0.71 1.54 1.56 1.00 1.11 1.25 0.30
Bioinformatics
Judge rule
α-helix – Search the helix core along the sequence.
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The Preference of Amino Acid
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1.24
蛋白质序列（黄）和结构（红）数量比较
Number of entries
250000
200000
150000
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0
86 88 90 92 94 96 98 2000 2002 2006
Year
Sequence －－ Swiss-Prot：468851 （2009.5）
Structure －－ PDB：57835
0.71
Ile
1.00
1.60
Leu
1.34
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Pro
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0.62
Ser
0.79
0.72
Thr
0.82
1.20
Trp
1.14
1.19
Tyr
0.61
1.29
Val
1.14
1.65
Chou &Fasman，1974，Bio-chem
Protein Sequence Analysis and Structure Prediction
Dr. ZOU, Ling-Yun Department of Microbiology
Outline
1
蛋白质生物学基础
2
蛋白质结构可视化
3
蛋白质序列特征分析
4
蛋白质结构预测
Bioinformatics
Bioinformatics
fi
ni Ni
100 %
氨基酸组成分析
氨基酸含量统计
fi
ni N
100%
氨基酸对含量统计
fij
nij 100 % N 1
Bioinformatics
Sequence Logo
Bioinformatics
理化性质分析：亲/疏水性分析
Bioinformatics
1
蛋白质生物学基础
2
蛋白质结构可视化
3
蛋白质序列特征分析
4
蛋白质结构预测
Bioinformatics
20 amino acids - the building blocks
Bioinformatics
helices
Ala, Glu, Leu, Met：出现频率高 Pro, Gly, Tyr, Ser： 出现频率低
（2009.5）
Bioinformatics
Experimental Methods to Detect Structures ▪ Two empirical methods for revealing
positions of atoms in 3-D: ▪ X-Ray Crystallography
Domains
Bioinformatics
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 ……
Bioinformatics
Bioinformatics
PDB
Bioinformatics
MMDB
Bioinformatics
蛋白质结构可视化工具
RasMol
Swiss PDBViewer
Cn3D
Bioinformatics
Swiss PDBViewer
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/
Bioinformatics
Cn3D
含义为：“See in 3-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 /Structure/CN3D/cn3 d.shtml
If at least 4 residues in the sequential 6 are prefer α-helix ( piα>1), find a helix core. – Extend the core, until the average preference score of this segment is less than 1. – Similar method to judge the β-sheet.
Bioinformatics
http://www.expasy.ch/tools
Bioinformatics
Bioinformatics
Bioinformatics
1
蛋白质生物学基础
2
蛋白质结构可视化
3
蛋白质序列特征分析
4
蛋白质结构预测
Bioinformatics
Secondary Structure Prediction Problem
？ How to predict the SSE from the sequence
Secondary Structure Elements
Bioinformatics
Review: prediction of exon region in DNA
Bucture Prediction
Bioinformatics
Neural Network Methods to Predict SSE
▪ The highest accuracy using the traditional method is about 60%.
▪ Interaction between residues is an important factor determining the secondary structure.
Bioinformatics
Adapting the window size to the size of the membrane spanning segment makes the picture easier to interpret
Bioinformatics
Bioinformatics
CCOOLLLLEEGGEEOOFF BBAAASSSIIICCCMMMEEEDDDIIICCCAAALLLSSSCCCIIEIEENNNCCCEEESSS TTHHIIRRDD MMIILLIITTAARRRYYYMMMEEEDDDIIICCCAAALLLUUUNNNIIIVVVEEERRRSSSIITITTYYY
• Resolution: 0.1nm • Determining most structures: 87% in PDB • Difficult to grow a crystal sometimes
Bioinformatics
▪ Nuclear Magnetic Resonance (NMR)
Bioinformatics
Bioinformatics
1
蛋白质生物学基础
2
蛋白质结构可视化
3
蛋白质序列特征分析
4
蛋白质结构预测
Bioinformatics
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 ▪ Sequence Logo 图 理化性质分析 ▪ 预测等电点（PI） ▪ 计算分子量（molecular weight, Mw） ▪ 分析疏水性（hydrophobicity） 特殊位点预测：信号肽、跨膜区、…… ……
Bioinformatics
Chou-Fasman
预测三种主要的二级结构：alpha-helix, betasheet，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 (protein conformational parameters)：不同氨基酸残基 在不同二级结构中的重要性 ▪ Pα, Pβ, Pc
▪ Using neural network method to consider this interaction can improve the accuracy to 65%.
Can we use the similar method? √
1. Chou-Fasman predictions: Empirical 2. Garnier, Osguthorpe and Robson (GOR): HMM 3. David T. Jones: PSSM 4. Frishman, Argos: Nearest neighbor methods 5. Sujun Hua: Support vector machine