蛋白质的序列分析及结构预测
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。
生物信息学中的序列分析和结构预测研究
生物信息学中的序列分析和结构预测研究生物信息学是一门可以将计算机科学与生物学相结合的学科。
生物信息学中的序列分析和结构预测是其中一个重要的研究方向。
随着DNA测序技术的发展，越来越多的生物数据被生成和解析，因此，对生物序列数据的分析和解释变得越来越重要。
本文将介绍生物信息学中的序列分析和结构预测的相关概念和方法。
一. 序列分析序列分析是通过对蛋白质、核酸、氨基酸或者整个基因组序列的分析，得到更深刻的生物学认识的一种方法。
序列分析是从原始的序列数据出发，提取特征，并进行分析、统计和比较的过程，可以用于证实两个生物体之间的亲缘关系、预测基因或蛋白质的功能、寻找生物学上的信号和标志，还可以发现新的蛋白质或RNA序列。
在序列分析中，最重要的任务是进行序列比对。
序列比对是找到两个以上的序列之间的相同部分或相似部分的过程。
基于全序列比对的方法，常见的是Smith-Waterman算法和Needleman-Wunsch算法。
虽然都是动态规划算法，但细节不同，算法时间复杂度、空间复杂度、对gap处理策略不同。
对于一些特殊的比对问题，如短序列比对、大规模序列比对，则需要采用一些高速的快速比对算法，如BLAST和FASTA。
基于序列比对的序列多重比对是一种常见的方式，它用于对多个序列进行分析。
一般有两种方法：动态规划算法和基于计算机Cluster算法。
其中动态规划算法包括POA（Partial Order Alignment）算法、MFA（Multiple sequence alignments by progressive alignment）算法、T-Coffee等，而Cluster算法则有CLUSTAL、MUSCLE等。
序列聚类是生物信息学中的一项重要任务。
序列聚类是指将已知的序列按照一定的规则分成若干个类别，从而对进化树或者结构预测等研究提供比对的基础。
经典的序列聚类算法有UPGMA、NJ、BOT等，通过这些算法可以从序列中找到相似性，更快地分析生物学中的相似性和差异性。
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。
生物信息学第七章蛋白质结构分析和预测
3、从头预测
前两种方法的缺点是只能预测那些有合适模 板的蛋白质的结构。
从头预测的方法不需要任何结构信息，直接 由蛋白质序列预测其空间结构。缺点是会产 生庞大的数据。 ➢分子动力学模拟 ➢二级片段堆积法
蛋白质三级结构预测
蛋白质的结构层次：
一级结构（氨基酸序列） 二级结构 三级结构 四级结构
采用ProtParam软件[1] （/tools/protpa ram.html）分析蛋白质的分子量、理论 等电点、氨基酸组成、带正负电荷的氨 基酸残基数目、消光系数、吸光系数、 疏水系数和半衰期等基本理化性质。
构象分布概率、氨基酸在蛋白质中的相对出现 概率以及残基出现在结构中的频率，最后得到 构想参数，根据此参数得出氨基酸形成二级结 构的倾向性，从而预测二级结构。
Chou-Fasman二级结构预测经验规则
α螺旋规则
➢ 相邻的6个残基中如果有至少4个残基倾向于形 成α螺旋，则认为是螺旋核。
➢ 然后从螺旋核向两端延伸，直至四肽α螺旋倾 向性因子的平均值pα<1.0为止。此外，不容许 脯氨酸在螺旋内部出现，但可出现在C末端以 及N端的前三位。
例 3 ： α/β水解酶折叠模式具有多种功能： 胆固醇酯酶、双烯内脂水解酶、神经趋 化素、三酰甘油脂肪酶、丝氨酸羧肽酶、 卤代烷烃脱卤酶等等。
一、蛋白质结构的价值
2、结构与功能的非一致性
➢ 尽管蛋白质的结构对于预测其功能十分有帮 助，但需注意：结构与功能之间并不是简单 的一对一的关系。蛋白质具有相似的结构但 经过进化以后可以执行不同的功能。
生物信息学第七章蛋白质结构分析和预测
蛋白质结构预测是指从蛋白质序列预测 出其三维空间结构。
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2. 模体以及结构域数据库
➢ 模体数据库
（1）PROSITE 蛋白质家族及结构域数据库 ( /prosite/ )
• PROSITE 数据库收集了有显著生物学意义的蛋白质位点序 列、蛋白质特征序列谱库以及序列模型, 并能依据这些特征属 性快速可靠地鉴定出一个未知功能蛋白质序列属于哪个蛋白 质家族, 即使在蛋白质序列相似性很低的情况下, 也可以通过 搜索隐含的功能结构模体(motif)来鉴定, 因此是有效的序列分 析数据库。
Pfam 是蛋白质家族序列比对以及隐马尔可夫模式数据库,其网 址是: /Software/Pfam/iቤተ መጻሕፍቲ ባይዱdex.shtml。
(2) 蛋白质结构域数据库ProDom http://prodes.toulouse.inra.fr/prodom/doc/prodom.html
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1. 蛋白质序列数据库
（1）PIR(protein information resource, PIR)和PSD (protein sequence database, PSD) /pirwww
PIR-PSD 是一个综合全面的、非冗余的、专业注释的、分类完整的蛋白质序列数 据库。PIR-PSD 的序列来自于将GenBank/ EMBL/ DDBJ 三大数据库的编码序 列的翻译而成的蛋白质序列、发表的文献中的序列和用户直接提交的序列。
(3) SMART SMART 是一个简单的结构研究工具, 可对可转移的遗传因子 进行鉴定和注解, 以及分析结构域结构, 可以检测出500 多个 参与信号传导、胞外和染色体相关蛋白质的结构域家族, 对这 些结构域又在系统进化树分布、功能分类、三级结构和重要 的功能残基方面做了注解。 http://smart.embl-heidelberg.de/
（2）SWISS-PROT/ TrEMBL数据库 /swissprot
数据库由蛋白质序列条目构成, 每个条目包含蛋白质序列、引用文献信息、 分类学信息、注释等, 注释中包括蛋白质的功能、转录后修饰位点、特殊位点 和区域、二级结构、四级结构、与其他序列的相似性、序列残缺与疾病的关系、 序列变异体等信息。
蛋白质的序列分析及结构预测
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DNA sequence Protein sequence Protein structure Protein function
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一、蛋白质数据库介绍 二、蛋白质序列分析 三、蛋白质结构预测 四、应用 分子设计
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一、蛋白质数据库介绍
蛋白质的结构主要分为四级, 一级结构、二级结构、三级结构 以及四级结构。依据这种结构层次, 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 础的结构分类数据库之分。
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4.蛋白质结构分类数据库
(1) CATH 数据库 /bsm/cathnew/index.html
(2) SCOP 蛋白质结构分类数据库( structural classification of protein database,SCOP) /scop/index.html
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二、蛋白质的序列分析
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蛋白质数据库特征: • 这些数据库种类有差别, 但内部是相互联系的.
• 每个数据库都有指针指向其他数据库, 而且数据 库之间的序列以及相应的结构是共享的, 同一种 蛋白质依次会出现在不同的数据库.
• 这样的数据沟通有助于更深层地挖掘蛋白质的 内在生物信息, 这些数据库是融序列信息的索取、 处理、存储、输出于一身的。
• PROSITE 中涉及的序列模式包括酶的催化位点、配体结合 位点、金属离子结合位点、二硫键、小分子或者蛋白质结合 区域等, 此外PROSITE 还包括由多序列比对构建的序列表谱 ( profile) , 能更敏感地发现序列中的信息。
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PROSITE同时数据库提供了序列分析工具:
① ScanProsite 是用于搜索所提交的序列数据是否包 含 PROSITE 数据库中的序列模式或者SWISSPROT 数据库中已提交的序列模式;
这个数据库包含1 500 个蛋白质指纹图谱, 编码9 136 个单一模体。
(3) BLOCKS ( / ) BLOCKS 是通过一些高度保守的蛋白质区域比对出来
的无空位的片段。
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➢ 蛋白质结构域数据库
(1 ) 蛋白质家族序列比对以及隐马尔可夫模式数据库 Pfam( protein families database of alignments and HMMs)
② MotifScan 用于查找未知序列中所有可能的已知结 构组件, 数据库包括PROSITE序列表谱、PROSITE 模式、Pfam 收集的隐马尔可夫模式( HMM)。
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模体数据库
(2) PRINTS Fingerprint Database /dbrowser/PRINTS/
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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RCSB 维护和注释。