蛋白质结构预测
蛋白质结构预测方法与意义
蛋白质结构预测方法与意义蛋白质是生物体中重要的大分子有机化合物，扮演着多种关键的生物功能角色。
然而，蛋白质的功能往往与其特定的三维结构密切相关。
因此，了解和预测蛋白质的三维结构对于理解其功能以及开发新药物等方面具有重要意义。
然而，实验方法通常是耗时且成本高昂的。
在此情况下，蛋白质结构预测方法的研究和应用变得至关重要。
本文将探讨几种常用的蛋白质结构预测方法，并讨论其意义和局限性。
1. 基于序列相似性的结构预测方法基于序列相似性的结构预测方法是最常见和最简单的方法之一。
这种方法的基本思想是假设具有相似氨基酸序列的蛋白质可能具有相似的结构。
通过在已知结构中找到与待预测蛋白质序列相似的蛋白质，可以借用已知结构来预测待测蛋白质的结构。
然而，这种方法的局限性在于它依赖于已知结构的蛋白质，并且无法预测新颖或没有相似结构的蛋白质。
2. 基于模板的结构预测方法基于模板的结构预测方法是一种更高级的预测方法。
它利用已知结构的蛋白质作为模板，通过比对待测蛋白质序列与已知结构的蛋白质序列的相似性，将预测蛋白质的结构与模板进行比对。
这种方法通常适用于具有相似序列的蛋白质，但对于无相似序列的蛋白质仍存在一定的局限性。
此外，模板的选择也是一个关键的环节，对于不同的蛋白质可能需要不同的模板选择策略。
3. 基于物理原理的结构预测方法基于物理原理的结构预测方法是相对较新的方法之一，它试图通过物理原理来理解蛋白质的折叠过程。
这些方法通常基于蛋白质的物理性质，如氨基酸的相互作用力场以及蛋白质内部的能量最优化原理。
此类方法通常将蛋白质折叠问题建模成一个优化问题，通过搜索最优解来预测蛋白质的结构。
然而，由于蛋白质折叠是一个复杂的过程，目前基于物理原理的结构预测方法还存在一定的局限性。
蛋白质结构预测方法的意义在于提供了一种高效和经济的方法来预测蛋白质的结构。
相比于实验方法，结构预测方法具有更快的速度和更低的成本。
这些方法可以在很短的时间内为科学家和医药研发人员提供关键信息，从而加速研究进展和新药物开发。
蛋白质结构预测方法对比与评估
蛋白质结构预测方法对比与评估蛋白质是生物体中最重要的分子之一，其结构确定了其功能和相互作用，在许多生物学研究和药物设计中起着关键作用。
然而，实验室确定蛋白质的结构通常是昂贵和耗时的。
因此，通过计算方法进行蛋白质结构预测成为了一个热门研究领域。
本文将对比和评估几种常用的蛋白质结构预测方法，以探讨其优缺点及适用范围。
首先，我们来介绍一些常见的蛋白质结构预测方法。
目前主要有三种预测方法：比较模型（homology modeling）、折叠模型（ab initio modeling）和混合模型（hybrid modeling）。
比较模型是基于已知蛋白质结构的序列对其进行预测。
因为相似序列之间的结构相似度较高，所以比较模型方法通常可以得到较准确的结构预测。
然而，对于没有相关结构的蛋白质，这种方法就不适用了。
折叠模型是根据物理原理和计算优化算法，将一个蛋白质的结构问题转化为优化问题来解决。
这种方法不需要已知结构的模板，而是从头开始预测蛋白质的结构。
然而，折叠模型方法在计算上是非常困难的，通常需要大量的计算资源和时间。
混合模型是将比较模型和折叠模型相结合，以利用它们各自的优势。
首先，通过比较模型方法得到一个初始模型，然后再使用折叠模型方法对其进行优化。
这种方法通常能够得到较高准确度的结构预测结果。
在评估蛋白质结构预测方法时，有几个关键指标需要考虑。
首先是GDT（Global Distance Test）得分，它衡量了预测结构与实际结构之间的相似性。
GDT得分越高，表示预测的结构与实际结构越接近。
另一个指标是TM（Template Modeling）得分，它衡量了预测结构与已知模板之间的相似性。
还有一个重要的指标是二级结构准确度，用于评估预测的二级结构与实际二级结构之间的相似性。
在比较各种蛋白质结构预测方法时，一项重要的研究是CASP （Critical Assessment of Structure Prediction）比赛。
蛋白质结构预测
蛋白质结构预测
蛋白质结构预测的基本原理是根据已知序列(或称为模式),通过计算机进行模拟,并与实验值比较来确定蛋白质分子中氨基酸残基排列顺序和空间构象等信息,从而对蛋白质的结构做出预测.
蛋白质的一级结构是指肽链内氨基酸残基之间的空间排布,即肽链骨架在三维空间上的几何形状.这种结构可以用蛋白质二级结构来描述.当给予一个结合有氨基酸残基的基团后,则会引起氨基酸残基的侧链和疏水基团暴露于相应的环境中,因此,其构象将发生变化,从而使得二级结构也随之改变,这就是蛋白质的二级结构.蛋白质的二级结构又被称作蛋白质的三级结构,即蛋白质的一级结构与二级结构的叠加,它包括了蛋白质的高级结构域及特殊的空间构象. 蛋白质的三级结构主要由疏水性氨基酸残基的位置、数目、排列方式所决定.一般认为蛋白质三级结构具有如下规律:①一条多肽链内各氨基酸残基之间不存在任何形式的氢键;②蛋白质分子中某些区域内的氨基酸残基,如α-螺旋、β-折叠片段,以及α-螺旋、β-折叠片段周围的疏水区域,它们之间都可能形成氢键;③蛋白质分子中某些区域的疏水区域与另外一些区域的亲水区域,在电荷作用下可以发生重叠.蛋白质的二级结构虽然十分稳定,但在三级结构的基础上还可以发生翻译后修饰,例如加入某些化学试剂或金属离子,便可使其产生不同的空间构象,从而影响蛋白质的功能.。
蛋白质结构预测的方法与工具
蛋白质结构预测的方法与工具蛋白质结构是生物学研究中一个非常重要的领域，因为它对于蛋白质的功能和相互作用有着非常大的影响。
蛋白质结构预测是研究蛋白质学中的一个重要分支，其目的是通过计算机模拟和其他实验手段，预测蛋白质的三维结构。
本文将介绍一些常见的蛋白质结构预测方法和工具。
1. 能量函数蛋白质的三维结构由其氨基酸序列决定。
由于在氨基酸之间的相互作用非常复杂，将其精确地预测出来非常困难。
因此，实际上我们常常用一系列能量函数，来猜测最有可能的三维结构。
能量函数的基本思想是，通过计算预测结构与实验结果的对比来选择最有可能的结构。
能量函数可以预测统计力学方程、物理模型和知识库，用于描述蛋白质的相互作用。
能量函数的选择应当根据具体任务的不同于权衡，其准确度、完备性、计算量和鲁棒性各有不同。
2. 基于机器学习的方法机器学习是指从大量的数据中自动提取出模型，从而能够准确地预测未知数据的特点。
在蛋白质结构预测上，机器学习最成功的是基于神经网络的方法。
基于神经网络的方法，可以学习到从蛋白质的氨基酸序列到三维结构的直接映射，而不需要在蛋白质产生结构时太多的假设。
这种方法有非常高的准确度，并且需要的计算量很少。
3. 蛋白质结构预测工具现在有很多好用的蛋白质结构预测工具可以使用，其中一些工具是公共的，可以在互联网上免费使用。
这些工具使用多种预测方法，如用于序列对齐、模拟、统计建模等，来预测蛋白质的三维结构。
一些常用的工具包括I-TASSER、ROSETTA和PHYRE等。
不同的工具有不同的优缺点，应根据需要进行选择。
其中I-TASSER 最为广泛使用，而ROSETTA则更受科学家们喜爱。
总结：蛋白质结构预测是研究蛋白质学中的一个重要分支，它为我们提供了非常重要的信息，有助于我们更深入地理解生命中的分子结构和功能。
这里我们介绍了一些蛋白质结构预测的方法和工具。
通过不断学习和掌握这些方法和工具，我们将能够更好地运用它们来对现实中的生物学问题进行解决。
第五章 蛋白质结构预测和分子设计
• TMpred (/software/TMPRED_form.html)
预测蛋白质的跨膜区段和在膜上的取向，它根据来自SWISS-PROT的跨 膜蛋白数据库Tmbase，利用跨膜结构区段的数量、位置以及侧翼信息，通
过加权打分进行预测。
•SignalP (http://www.cbs.dtu.dk/services/SignalP/) 信号肽（signal peptide）是未成熟蛋白质中，可被细胞转运系统识别的 特征氨基酸序列。预测蛋白质序列中信号肽的剪切位点。
级结构则效果很差。
二级结构预测的基本策略： （1）相似序列→相似结构
QLMGERIRARRKKLK
QLMGAERIRARRKKLK
结构？
（2）分类分析
α 螺旋
提取样本
预测….-Gly-Ala-Glu-Phe-….
聚类分析
学习分类规则
二级结构预测的方法：
(1)
经验参数法 又称Chou-Fasman方法，是一种基于单个氨基酸残基统计的经验预测方法。 通过统计分析，获得的每个残基出现于特定二级结构构象的倾向性因子， 进而利用这些倾向性因子预测蛋白质的二级结构。
蛋白质结构预测主要有两大类方法：
（1）理论分析方法
通过理论计算（如分子力学、分子动力学计算）进行结构预测。
这种方法由于折叠前后的能量差太小、蛋白质可能的构象空间庞大和 质折叠的计算量太大等原因不大可行。 （2）统计的方法 对已知结构的蛋白质进行统计分析，建立序列到结构的映射模型， 进而对未知结构的蛋白质根据映射模型直接从氨基酸序列预测结构。
预测每个氨基酸的二级结构类型。 它将蛋白质结构类型分为全α蛋白、
全β蛋白和α/β蛋白，输出结果包括“H”(螺旋)、“E”(折叠)和“-”(转角)。 这个方法对全α蛋白能达到79%的准确率。
生物信息学中的蛋白质结构预测与分析
生物信息学中的蛋白质结构预测与分析生物信息学是一个研究生物学中的信息处理和分析的交叉学科，在生物科学领域中扮演着重要的角色。
其中，蛋白质结构预测与分析是生物信息学中的一个重要领域。
蛋白质是生物体内最基本的功能分子，其结构与功能密切相关。
因此，了解蛋白质的结构信息对于理解其功能和启示药物设计具有重要意义。
蛋白质结构可以分为四个层次：一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构是指蛋白质的氨基酸序列，即由哪些氨基酸组成；二级结构是指蛋白质中氨基酸之间的空间关系，包括α-螺旋、β-折叠等；三级结构是指蛋白质整体的空间构型，由氨基酸之间的相互作用决定；四级结构是指由多个蛋白质组成的聚合体，例如蛋白质复合物。
了解蛋白质的结构有助于我们理解蛋白质的功能和机制。
蛋白质结构预测是指通过计算模型和算法，预测未知蛋白质的结构。
由于实验方法尚未能够确定所有蛋白质的结构，因此蛋白质结构预测具有重要的研究意义。
在蛋白质结构预测中，可以采用多种方法，如基于机器学习的方法、蒙特卡罗模拟等。
其中，基于机器学习的方法是目前较为常用的方法之一。
通过将已知蛋白质的结构信息输入机器学习算法中，对未知蛋白质进行结构预测。
这种方法能够通过学习已有的蛋白质结构信息，从而预测未知蛋白质的结构。
蛋白质结构预测对于生物学研究和药物设计有着重要的应用价值。
蛋白质结构分析是在蛋白质的结构已知的情况下，对其结构进行深入研究和分析。
蛋白质结构分析可以从多个角度进行，如结构功能关系、动力学研究等。
其中，结构功能关系是蛋白质结构分析中的重要方面。
通过研究蛋白质的结构信息，可以理解蛋白质的功能和作用机制。
这对于生物学的研究和药物设计具有重要意义。
此外，蛋白质的动力学研究也是蛋白质结构分析中的重要内容之一。
蛋白质在生物体内不断发生构象变化，了解蛋白质的动力学行为对于理解其功能和机制具有重要意义。
蛋白质结构预测与分析在生物信息学中扮演着重要的角色。
通过蛋白质结构预测和分析，我们可以了解蛋白质的结构和功能，为生物学研究和药物设计提供重要的启示。
蛋白质结构预测及其应用
蛋白质结构预测及其应用蛋白质是构成生命机体的重要物质，具有极为重要的生物学功能。
为了更好地理解蛋白质的结构和功能，蛋白质结构预测成为了一个热门的研究领域。
本文将介绍蛋白质结构预测的方法和应用。
一、蛋白质结构的预测蛋白质的结构包括一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。
一级结构是指蛋白质的氨基酸序列，二级结构是指蛋白质中出现的α螺旋、β折叠等类似的元件结构，三级结构是指蛋白质的三维结构，四级结构即是由多个蛋白质分子组成的蛋白质复合物。
蛋白质的二级结构和三级结构对于研究蛋白质功能很关键，因此蛋白质结构预测成了蛋白质研究的重要方向之一。
目前蛋白质结构预测主要是通过计算机模拟的方法，分为基于模板和基于自由模型两种方法。
在基于模板的方法中，预测蛋白质结构的基础是已知的蛋白质结构信息，通常称为“模板”。
这种方法在预测相似结构的蛋白质时效果较好。
基于自由模型的方法则是通过尝试不同的模型策略来尝试预测新蛋白质结构，通常效果较为一般。
二、蛋白质结构预测的应用1.药物研发蛋白质结构是药物研发和设计的重要基础之一。
药物的设计需要有对蛋白质结构的深入理解才能够真正地置于实践，而目前大部分药物的研发都是以蛋白质为目标进行的。
蛋白质结构预测技术可以预测出药物与蛋白质相互作用的结构，从而为药物的设计和开发提供了重要的基础。
2.生物信息学研究蛋白质结构预测技术在生物信息学方面也有着广泛的应用。
蛋白质结构详细地反映了蛋白质的功能和性质，对于研究蛋白质的生物学信息、分子互作、代谢和信号转导等方面都至关重要。
通过对蛋白质结构的预测和分析，我们可以更好地理解蛋白质的生物学功能和机理。
3.生命科学的基础研究随着蛋白质结构预测技术的不断发展，科研人员已经能够预测出大量未知蛋白质的结构信息。
这为生命科学的基础研究提供了重要的基础，包括分子进化、系统生物学、蛋白质工程等。
三、蛋白质结构预测方法的发展目前，蛋白质结构预测技术在不断发展。
组合方法是目前最流行的蛋白质结构预测方法，其使用多种方法来从不同方向预测出蛋白质结构。
蛋白质结构预测方法和应用
蛋白质结构预测方法和应用蛋白质是生物体内的重要功能分子之一，其结构对其功能起着至关重要的作用。
准确预测蛋白质的结构对于深入理解其功能和研究相关疾病的发病机制具有重要意义。
本文将介绍蛋白质结构预测的方法和应用。
蛋白质结构预测是通过一系列计算方法来推测蛋白质的三维空间结构。
目前，主要有三种预测方法：序列比对法、基于物理性质的方法和基于机器学习的方法。
序列比对法是最常用的蛋白质结构预测方法之一。
它通过将待预测蛋白质的氨基酸序列与已知结构的蛋白质进行比对，从而预测出待预测蛋白质的结构。
这种方法基于生物学的观察，即具有相似序列的蛋白质通常会有相似的结构。
尽管序列比对法可以得到大致的结构信息，但由于蛋白质结构的多样性，其准确度有限。
基于物理性质的方法则从蛋白质的化学和物理性质出发，通过模拟蛋白质的构象空间来预测其结构。
这种方法通常基于几何学和力场理论，模拟蛋白质的原子间相互作用力，进而寻找最稳定的结构。
然而，由于蛋白质的结构空间极其庞大，这种方法的计算复杂度很高，限制了其在大规模结构预测中的应用。
基于机器学习的方法是目前蛋白质结构预测的热门方向。
这种方法通过以往蛋白质结构和性质的数据作为训练集，使用各种机器学习算法来建立模型，从而预测未知蛋白质的结构。
这种方法的优势在于：可以通过大数据的学习提高预测准确度；计算速度相对较快，适用于大规模结构预测。
常见的机器学习算法包括神经网络、支持向量机和随机森林等。
蛋白质结构预测的应用非常广泛。
首先，它对于揭示蛋白质的功能和机制至关重要。
蛋白质的结构与其功能密切相关，通过预测蛋白质结构，可以更好地理解其功能。
其次，蛋白质结构预测在药物设计和疾病治疗方面具有巨大潜力。
许多药物的设计和优化需要了解蛋白质的结构，预测蛋白质结构可以为药物发现和设计提供重要参考。
此外，蛋白质结构预测还可以预测蛋白质的变异和突变对结构和功能的影响，对疾病的发病机制研究和治疗策略的制定都有重要意义。
当前，随着计算能力的不断提高和大规模结构数据的积累，蛋白质结构预测已经取得了长足的进展。
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6.picornaviral蛋白上的酶切位点（NetPicoRNA） 7.叶绿体传递蛋白（ChoroP） 8.跨膜螺旋（TMHMM） 9.跨膜螺旋的位臵（TOPPRED） 10.跨膜螺旋的位臵和方向（DAS） 数据库搜索： 1.基于预测的线程方法与完全基于序列的数据库搜 索（FRSVR） 2.查找远源同源蛋白序列的Markov model method （SAMT98）
评估： 1.二级结构预测准确性评估（EvalSec） 2. EVA：预测方法自动评估
PP工作原理
• PredictProtein是一项在因特网上提供氨 基酸序列分析,蛋白质结构和功能预测的服 务。通过电邮或因特网，您可以提交单一 蛋白序列或序列比对,PP将返回结果.
1.PP总流程
2. 序 列 分 析 流 程
• SWISS-MODEL反馈的第1封邮件 (Welcome to SwissModel) • SWISS-MODEL反馈的第2封邮件 (SwissModel-Fold-Recognition) • SWISS-MODEL反馈的第3封邮件 (SwissModelSecondaryStructureP...) • SWISS-MODEL反馈的第4封邮件 (SwissModel_TraceLog_AAAa06Zd K) • SWISS-MODEL反馈的第5封邮件 (SwissModel-Model-AAAa06ZdK) 中附有可用大分子结构展示软件 显示的文件AAAa06ZdK.pdb: • SWISS-MODEL反馈的第6封邮件 (SwissModel WhatCheck AAAa06ZdK...) • SWISS-MODEL反馈的第7封邮件 (PredictProtein results)
• META-PP提供单页界面，发送预测查询，到其他蛋白结 构预测服务器。在此界面提交待分析序列，选择所需要 的服务，您将以电子邮件的形式收到答复。在META-PP 提供的序列分析服务包括预测内容： 1.二级结构（JPRED） 2.模拟三维结构（automated modelling，SWISS-MODEL） 3.通过一系列方法和数据库推导三级结构（CPHmodels） 4.信号肽的剪切位点（SignalP） 5.哺乳动物体内黏蛋白的O-GalNAc（突变型）糖基化作用 位臵（NetOglyc）
3.所用数据库
4.使用方法
可溶性和跨膜螺旋 预测跨膜折叠 相似序列比对 每个残基的可溶性 蛋白成对比较 预测螺旋卷曲 功能模体库 识别比结构域明显短的区域 预测非球状蛋白 基于线索化的 预测方法 预测核定位信号 将多重序列比对结果转化为HTML形式的输出 PP结果转化为图像 预测二硫键
META PredictProtein
结果
• 以如下序列为例: • NIDRPKGLAFTDVDVDSIKIAWESPQGQVSRYRVTYSSPEDGIHELFPAP DGEEDTAELQGLRPGSEYTVSVVALHDDMESQPLIGTQSTAIPA • 域值选择:0.0000000001 • 结果选项:Swiss-PdbViewer mode • 根据前面选项不同，可能会收到多封邮件。
•
Alignment Interface(比对界面) 简介
SWISS-MODEL的这个比对界面允许将多重序列比对输入到SWISSMODEL服务器。在多重序列比对中，序列的数目并不重要，但比对 过程TA，MSF，CLUSTALW，PFAM和SELEX。
PP提供的服务
• 数据库搜索：
• 1.多序列一致性分析 （MaxHom） • 2.功能性模体分析 （ProSite） • 3.区段复杂性分析（SEG） • 4.蛋白质结构域分析 （PRODOM） • 5.基于预测线程的折叠结 构识别（AGAPE）
• 预测内容：
• 1.二级结构（PHDsec， PROFsec） • 2.残基可溶性（PHDacc， PROFacc） • 3.跨膜螺旋区及拓扑学 PHDhtmPHDtopology • 4.球状蛋白（GLOBE） • 5.卷曲螺旋（COILS） • 6.二硫键（CYSPRED） • 7.结构转换（ASP）
您会见到一个新网页，告知您的序列已经被递交而且正在处理，过 一段时间，在您提供的e-mail里可以看到预测结果（如果在一天之 内没有收到结果，说明系统可能出现错误，您需要再次提交预测序 列）。或者，在这个新网页的最下面，您可以选择所需要的其它服 务器的服务，图示如下：
优势与不足
一.优点
1.CASP测评结果的分析: 对于富含α螺旋的或序列较长并且α螺旋 和 β折叠含量均较丰富的蛋白质的预测准 确度较高 ,与同类服务器相比有一定优势。
如何使用PP
1.进入PP主 页，点击 Help
2.进入默认页面提交序列
在默认的提交页面，点击‘Click here’可以分别查看输入格式和输出结 果的举例。PP要求提交的氨基酸序列为单字母密码子，允许空格，非标准氨 基酸以‘X’表示。提交后，PP会给出提交成功的提示页面。
3.成功提交提示页面
蛋白质高级结构预测
目录
•
•
一.蛋白质二级结构预测
PredictProtein
•
•
二.蛋白质三级结构预测
Swiss model
蛋白质二级结构预测
• 目前常用的软件 • PredictProtein - 蛋白质二级结构预测 • Garnier-Robson-Osguthorpe Secondary Structure Prediction利用Garnier等建立的模型进行蛋白质二级结 构预测 • NAMD Illinois大学中的理论生物物理学会建立的提供高 可信度的分子动力学模拟软件包 • nnPredict - 蛋白质二级结构预测 • PSSP - 蛋白质二级结构预测 • Predator 来自单序列或一套序列的蛋白质二级结构预测 • SIMPA96 SECONDARY STRUCTURE PREDICTION 二级结构预 测 • SOPMA • SSPRED:二级结构预测
蛋白质三级结构预测
Swiss model
1、模板选择
2、比对
3、建模 侧链建模
4、能量最小化
常用观看蛋白三级结构的软件
RasMol
WPDB
Cn3D
SWISS-MODEL服务器可以反馈给用户以下结果选项,spdbv模式、普通模式和简短 模式。这里，建议使用SWISS-MODEL默认的spdbv模式，这种模式可以用SwissPDBViewer程序打开，可以根据需要对结果进行多种操作。
2.EVA测评结果的分析
• 对于结序列短小并且α螺旋连续性较好的蛋白质 的预测结果较好，与同类服务器相比有一定优势。
二、不足
• 1.含α螺 旋）或复杂程度低的蛋白的预测结果不够 理想，与同类服务器相比有一定差距。
2.EVA测评结果的分析
•
对于结序列短小并且有α螺旋和β折叠的 预测结果不够理想，常常把β折叠预测成 α螺旋，与同类服务器相比有一定差距。
返回结果
SwissModel的EVA评价及与其它服务器的比较
PredictProtein
• 简介： PredictProtein蛋白质结构预测服务器，
可根据要求的方法对所提交的蛋白质序列给出蛋 白质多重序列对比的结果，预测二级结构、残基 可溶性、跨膜螺旋位臵、折叠拓扑类型等。平均 准确率超过72％：最佳残基预测准确率达90％以 上。
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