第10章蛋白质结构分析课件.ppt

1、：一、诺贝尔奖与蛋白质结构分析一、诺贝尔奖与蛋白质结构分析 二、蛋白质高级结构信息二、蛋白质高级结构信息三、蛋白质结构分析的主要目标三、蛋白质结构分析的主要目标 一、蛋白质的高级结构特征一、蛋白质的高级结构特征（一）二级结构的主要类型和特征（一）二级结构的主要类型和特征 蛋白质的二级结构蛋白质的二级结构是指多肽链主链骨架盘是指多肽链主链骨架盘绕折叠而形成的构象，借氢键维系。主要分绕折叠而形成的构象，借氢键维系。主要分为为螺旋、螺旋、折叠、折叠、转角及无规卷曲等类型。转角及无规卷曲等类型。a.a.反平行和平行的多个反平行和平行的多个折叠链形成一个完整折叠链形成一个完整折叠结构的氢折叠结构的氢键示

2、意图；键示意图；b.b.来自人来自人pipi型谷胱甘肽型谷胱甘肽-S-S-转硫酶中单个亚基中连续转硫酶中单个亚基中连续主链的部分主链的部分折叠结构折叠结构(2DGQ.pdb)(2DGQ.pdb)侧面视图，可见转角侧面视图，可见转角(turn)(turn)；c.c.来自人来自人pipi型谷胱甘肽型谷胱甘肽-S-S-转硫酶一个亚基中连续主链的部分转硫酶一个亚基中连续主链的部分折叠结构顶部视图，可见转角折叠结构顶部视图，可见转角(turn)(turn)；d.d.来自人信号传递蛋白来自人信号传递蛋白SMAD4(1DD1.pdb)SMAD4(1DD1.pdb)的一个亚基中部分的一个亚基中部分折叠结构顶部

3、视图，可见折叠结构顶部视图，可见到大的环区到大的环区(loop)(loop)。a.a.人谷胱甘肽人谷胱甘肽-S-S-转硫酶转硫酶pipi第第5656到到5959位残基的位残基的转角连接了来自相同主转角连接了来自相同主链的两段链的两段折叠链，片层末端残基显示为粗枝状，折叠链，片层末端残基显示为粗枝状，转角中转角中GlyGly和和AspAsp显显示为细线，转角区域内第一个示为细线，转角区域内第一个AspAsp的的羰基氧与其后第三位羰基氧与其后第三位氨基成氢键氨基成氢键(3DGQ.pdb)(3DGQ.pdb)；b.b.来自人细胞珠蛋白来自人细胞珠蛋白(2DC3.pdb)(2DC3.pdb)的两段的两

4、段螺旋由螺旋由转角转角连接，用粗树枝状显示了两段螺旋末端的脯氨酸。连接，用粗树枝状显示了两段螺旋末端的脯氨酸。（二）超二级结构的主要类型和特征（二）超二级结构的主要类型和特征 超二级结构超二级结构(supersecondary structure)指位于同一主链的多个二级结构组装形成的特指位于同一主链的多个二级结构组装形成的特定组装体，可直接作为三级结构的或结构域的定组装体，可直接作为三级结构的或结构域的组成单元，是从蛋白质二级结构形成三级结构组成单元，是从蛋白质二级结构形成三级结构的一个过渡结构形式，也称为立体结构形成的的一个过渡结构形式，也称为立体结构形成的模体。模体。（三）三级结构的主要

5、类型和特征（三）三级结构的主要类型和特征 a.a.飘带显示全飘带显示全螺旋人血清白蛋白单体三级结构，结构略微松螺旋人血清白蛋白单体三级结构，结构略微松散散(2T2Z.pdb)(2T2Z.pdb)；b.b.飘带显示全飘带显示全螺旋人血清白蛋白单体三级结螺旋人血清白蛋白单体三级结构，树枝状显示氨基酸侧链，结构明显紧密；构，树枝状显示氨基酸侧链，结构明显紧密；c.c.飘带显示全飘带显示全折叠人晶状体蛋白三级结构，结构略微松散折叠人晶状体蛋白三级结构，结构略微松散(2JDF.pdb)(2JDF.pdb)，全蓝色的树枝状结构为配体；，全蓝色的树枝状结构为配体；d.d.飘带显示全飘带显示全折折叠人晶状体蛋

6、白的三级结构，树枝状显示氨基酸侧链，结构非叠人晶状体蛋白的三级结构，树枝状显示氨基酸侧链，结构非常紧密，全蓝色的树枝状结构为配体。常紧密，全蓝色的树枝状结构为配体。a ac.c.细菌视紫红质蛋白，结晶时结合了大量脂类细菌视紫红质蛋白，结晶时结合了大量脂类(2BRD.pdb)(2BRD.pdb)；d.d.人淋巴细胞激活抗原人淋巴细胞激活抗原 CD98(2DH2.pdb)CD98(2DH2.pdb)；e.e.鸡鸡1-1-肾上腺肾上腺素受体，七螺旋跨膜蛋白素受体，七螺旋跨膜蛋白(2VT4.Pdb)(2VT4.Pdb)并结合有其配体；并结合有其配体；f.f.大大肠杆菌肠杆菌NANCNANC离子通道蛋白

7、离子通道蛋白(2WJR.pdb)(2WJR.pdb)。人血清白蛋白人血清白蛋白(上图上图a,b)a,b)和细菌视紫红质和细菌视紫红质(下图下图 a-c)a-c)人晶状体蛋白人晶状体蛋白(上图上图c,d)c,d)和大肠杆菌和大肠杆菌NANCNANC离子通道蛋白离子通道蛋白(下图下图f)f)细胞表面标志蛋白细胞表面标志蛋白CD98(CD98(图图d)d)及糖酵解的绝大多数酶蛋白及糖酵解的绝大多数酶蛋白 (图图a)a)人人TBPTBP与双螺旋与双螺旋DNADNA复合物复合物(1CDW.pdb)(1CDW.pdb)（四）四级结构的主要类型和特征（四）四级结构的主要类型和特征 PBO-1PBO-1蛋白质

8、呈现的对称结构蛋白质呈现的对称结构偶数亚基形成的四级结构具有较高的对称性偶数亚基形成的四级结构具有较高的对称性 二、蛋白质高级结构中二级结构的二、蛋白质高级结构中二级结构的测定与指认测定与指认 三、蛋白质结构域与家族分类三、蛋白质结构域与家族分类（一）蛋白质结构域（一）蛋白质结构域（二）蛋白质家族分类（二）蛋白质家族分类 四、蛋白质高级结构的实验解析方法四、蛋白质高级结构的实验解析方法（一）蛋白质晶体结构（一）蛋白质晶体结构X-衍射分析衍射分析（二）核磁共振波谱分析（二）核磁共振波谱分析（三）冷冻电子显微镜技术（三）冷冻电子显微镜技术五、蛋白质结构的可视化五、蛋白质结构的可视化 一、蛋白质三维

9、结构数据库一、蛋白质三维结构数据库PBD第一步：第一步：输入关键字输入关键字“HUMAN HUMAN TEAR LIPOCALINTEAR LIPOCALIN”第二步：第二步：选择人类泪液载脂选择人类泪液载脂蛋白蛋白1XKI1XKI 第三步：第三步：点击点击Biology AssemblyBiology Assembly面面板展示其结构图板展示其结构图 第四步：第四步：1XKI1XKI结构展示图结构展示图 二、蛋白质结构分类数据库二、蛋白质结构分类数据库SCOP 三、蛋白质分类数据库三、蛋白质分类数据库CATH 一、蛋白质二级结构预测方法及软件一、蛋白质二级结构预测方法及软件（一）蛋白质二级结

10、构的预测方法（一）蛋白质二级结构的预测方法1DPM（双重预测方法）（双重预测方法）2DSC 3PHDsec 4SOMPA 5MLRC 6Jpred（二）蛋白质结构域识别方法（二）蛋白质结构域识别方法2运用图论法运用图论法1通过蛋白质空间结构信息获取结构域信息通过蛋白质空间结构信息获取结构域信息（三）蛋白质二级结构预测相关软件（三）蛋白质二级结构预测相关软件 人基质金属蛋白酶人基质金属蛋白酶MMP14(Matrix MMP14(Matrix metalloproteinase,MMP14)metalloproteinase,MMP14)氨基酸序列的氨基酸序列的fastafasta形形式式可从可从

11、NCBINCBI的蛋白质数据库获得的蛋白质数据库获得(gi|4826834|ref|NP_004986.1|matrix(gi|4826834|ref|NP_004986.1|matrix metalloproteinase 14 preproprotein Homo metalloproteinase 14 preproprotein Homo sapiens)sapiens)。人民卫生出版社8年制及7年制临床医学等专业用生物信息学二、蛋白质三维结构预测方法及软件二、蛋白质三维结构预测方法及软件比较建模（比较建模（comparative modeling)comparative modeli

12、ng)蛋白质的结构预蛋白质的结构预测测（一）穿线法预测蛋白质高级结构（一）穿线法预测蛋白质高级结构 （二）比较建模法预测蛋白质高级结构（二）比较建模法预测蛋白质高级结构3.3.比较建模法的局限性比较建模法的局限性4.4.常用建模服务器和软件简介常用建模服务器和软件简介第一步：进入第一步：进入SWISS-MODELSWISS-MODEL三级结构预测服务器主页三级结构预测服务器主页 第二步：选择第二步：选择“Automated ModeAutomated Mode”粘入粘入MMP14MMP14蛋白蛋白质序列；在这里可以填写质序列；在这里可以填写E-mailE-mail地址，将结果发送地址，将结果发

13、送至电子邮箱，也可以在新的网页上直接展示；至电子邮箱，也可以在新的网页上直接展示；第 二 步：把第 二 步：把 3 3 个 三 维 结 构 导 入 到个 三 维 结 构 导 入 到“Discovery Studio”Discovery Studio”的主界面中，调的主界面中，调节角度使得节角度使得3 3个三维结构展示在一个界面个三维结构展示在一个界面里。在主菜单中选择里。在主菜单中选择“Structure”|“Superimpose”|“MolStructure”|“Superimpose”|“Molecular overlap”ecular overlap”，在弹出的对话框中，在弹出的对话框

14、中点击点击“Yes”Yes”。按下组合键。按下组合键“Ctrl+D”Ctrl+D”，弹出弹出“Display Style”Display Style”对话框，在对话框，在“A t o m”A t o m”一 栏 中 选一 栏 中 选“N o n e”N o n e”，在，在“Protein”Protein”一栏中选一栏中选“Solid ribbon”Solid ribbon”。折叠结果如下图，可以看到这三个蛋白折叠结果如下图，可以看到这三个蛋白分子叠合的效果还是比较好的。分子叠合的效果还是比较好的。在PDB数据库Blast搜索MMP14的结果三个蛋白质分子的叠合图三个蛋白质分子的叠合图蛋白质蛋

15、白质MMP14MMP14序列相似性序列相似性蛋白质蛋白质(1BQQ/1SU3/1RM8)(1BQQ/1SU3/1RM8)的三维结构模型的三维结构模型第一步：第一步：MMP14MMP14序列序列BlastBlast搜索蛋白质结构数据搜索蛋白质结构数据库（库（PDBPDB），选取以上获得结构中分值最高的三），选取以上获得结构中分值最高的三个三维结构进行同源建模。分别是个三维结构进行同源建模。分别是1BQQ1BQQ的的M M链链（Model-1Model-1），），1SU31SU3的的A A链链(Model-2)(Model-2)，1RM81RM8的的A A链。它们的三维结构展示如图。链。它们的三维

16、结构展示如图。第三步：基于结构的序列比对第三步：基于结构的序列比对 在在“Protocol Explorer”Protocol Explorer”中，选择中，选择“Protein Modeling”Protein Modeling”下 的下 的“A l i g n A l i g n Structure”Structure”（MODELERMODELER）。在打开的）。在打开的“Parameter Explorer”Parameter Explorer”中，选择中，选择“Input Input Sequence Alignment”Sequence Alignment”为为model-1mod

17、el-1，点开，点开“+”+”号，确保在号，确保在“Input Protein Molecules”Input Protein Molecules”中中包含以上三个蛋白分子，将包含以上三个蛋白分子，将“Gap Extension Gap Extension Penalty”Penalty”一栏中的参数改为一栏中的参数改为3.03.0，其余参数均，其余参数均不变。最后得到的比对结果所示的序列相似性不变。最后得到的比对结果所示的序列相似性分 别 如 下：分 别 如 下：i d e n t i f yi d e n t i f y：2 4.4%2 4.4%，simility:28.2%similit

18、y:28.2%。由此可以看出该模型的整合。由此可以看出该模型的整合效果还是可以的。最后参数表如图。效果还是可以的。最后参数表如图。第四步：靶序列与模板序列的比对第四步：靶序列与模板序列的比对 在在“Protocol Explorer”Protocol Explorer”中，中，选择选择“Protein Modeling”Protein Modeling”下的下的“A l i g n S e q u e n c e w i t h A l i g n S e q u e n c e w i t h Structure protocol”Structure protocol”，鼠标双击。，鼠标双击

19、。在在“Parameter Explorer”Parameter Explorer”中，将中，将“Gap Open Penalty”Gap Open Penalty”一栏中的参一栏中的参数改为数改为-450-450，“Gap Extension Gap Extension Penalty”Penalty”设为设为-25-25，其余参数均不，其余参数均不变变 。运行之后序列的相似性分别。运行之后序列的相似性分别为：为：I d e n t i f y:1 8.1%I d e n t i f y:1 8.1%；similarity:20.9%similarity:20.9%。比对参数设置（基于结构）

20、比对参数设置（基于结构）比对参数设置（目标序列和模板序列）比对参数设置（目标序列和模板序列）第五步：同源模型的建立第五步：同源模型的建立 在在“Protocol Explorer”Protocol Explorer”中，选择中，选择“Protein Protein Modeling”Modeling”下的下的“Build Homology ModelsBuild Homology ModelsProtocol”Protocol”，鼠标双击。该模块通过使用，鼠标双击。该模块通过使用ModelerModeler，从序列比对结果出发构建蛋白的三维结构模型。在从序列比对结果出发构建蛋白的三维结构模型。

21、在“Parameter Explorer”Parameter Explorer”中，中，“Input Sequence Alignment”Input Sequence Alignment”栏选择栏选择model-1model-1，点开点开“+”+”号，号，“Input Model Sequence”Input Model Sequence”栏选择栏选择MMP14MMP14，“Input Template Structure”Input Template Structure”栏选择栏选择model-1model-1，model-2,model-2,和和1rm81rm8，将，将“Cut Over

22、hangs”Cut Overhangs”栏改为栏改为FalseFalse，其余参数均保留默认值。参数设置如，其余参数均保留默认值。参数设置如下图。下图。第六步：经过基于结构的序列比对、目标第六步：经过基于结构的序列比对、目标序列与模板序列的比对等步骤，最后获得序列与模板序列的比对等步骤，最后获得一个一个MMP14MMP14比较好的三维模型。窗口中的蛋比较好的三维模型。窗口中的蛋白模型以飘带的形式显示，不同部位采用白模型以飘带的形式显示，不同部位采用不同的颜色和宽度。颜色和宽度依不同的颜色和宽度。颜色和宽度依Verify Verify scorescore而定，而定，scorescore越高则蛋

23、白结构越理想，越高则蛋白结构越理想，从蓝色到红色从蓝色到红色scorescore值依次降低，蓝色表示值依次降低，蓝色表示scorescore值很高，白色表示值很高，白色表示scorescore中等，而红中等，而红色则表示色则表示scorescore值较低。飘带的宽度与值较低。飘带的宽度与scorescore值成反比，蛋白的结构越不理想，则值成反比，蛋白的结构越不理想，则该处的飘带越宽。如下图所示。该处的飘带越宽。如下图所示。参数设置（同源模型建立）参数设置（同源模型建立）预测的MMP14三维飘带模型 第七步：模型验证第七步：模型验证 由于从图中我们不能很直观的看出模型建立由于从图中我们不能很直

24、观的看出模型建立的好坏，所以我们借助软件将每一个氨基酸的的好坏，所以我们借助软件将每一个氨基酸的ScoreScore与其序号作图。在与其序号作图。在MMP14.msvMMP14.msv所在的所在的3D-3D-WindowWindow中，按组合键中，按组合键“Ctrl+T”Ctrl+T”调出调出“Data Data Table”Table”，选择，选择“AminoAcid”AminoAcid”。找到。找到“PDF PDF Total”Total”一栏，鼠标一栏，鼠标 单 击 将 此 列 选 中，然 后 选 择 主 面 板 上单 击 将 此 列 选 中，然 后 选 择 主 面 板 上“Chart”

25、|“Line Plot”Chart”|“Line Plot”，对此列作图，图，对此列作图，图中可见：在中可见：在PDFPDF值较低的部位，蛋白的结构是值较低的部位，蛋白的结构是比较合理的，而在比较合理的，而在PDFPDF值较高的部位蛋白结构值较高的部位蛋白结构能量较高，可能还需要进一步的优化。例如：能量较高，可能还需要进一步的优化。例如：第第125125位，第位，第250250位残基附近的高峰区。位残基附近的高峰区。第八步：为了进一步直观地展示模型的好第八步：为了进一步直观地展示模型的好坏，我们采用图形的形式展示；选择主面坏，我们采用图形的形式展示；选择主面板上的板上的“Chart”|“Ram

26、achandraPlot”Chart”|“RamachandraPlot”，对整个蛋白作图。如下图所示，位于蓝，对整个蛋白作图。如下图所示，位于蓝色区域以内的残基结构合理，处于蓝色区色区域以内的残基结构合理，处于蓝色区域以外紫色区域以内的残基结构比较合理域以外紫色区域以内的残基结构比较合理，位于这两个区域以外的残基结构则合理，位于这两个区域以外的残基结构则合理性较差。性较差。模型验证模型验证采用图形进行模型验证采用图形进行模型验证（三）蛋白质三维结构的从头预测方法（三）蛋白质三维结构的从头预测方法从头预测可以分为两个主要方向：从头预测可以分为两个主要方向：（1 1）根据已经预测的二级结构，把可

27、信度）根据已经预测的二级结构，把可信度较高的二级结构进一步组装，得到最后的较高的二级结构进一步组装，得到最后的蛋白质结构。蛋白质结构。（2 2）不依赖二级结构预测的结果，直接预）不依赖二级结构预测的结果，直接预测三维结构。测三维结构。（四）蛋白质高级结构的其他预测方法（四）蛋白质高级结构的其他预测方法 相似的序列常常意味着相似的结构，这种认识虽然对大多数蛋白确相似的序列常常意味着相似的结构，这种认识虽然对大多数蛋白确实如此，但自实如此，但自19901990年以来，随着结构数据的增加，人们明显地发现：惊年以来，随着结构数据的增加，人们明显地发现：惊人相似的蛋白折叠不一定来自任何明显相似的序列，许

28、多结构相同的蛋人相似的蛋白折叠不一定来自任何明显相似的序列，许多结构相同的蛋白质，它们的序列并没有相似性。白质，它们的序列并没有相似性。19601960年年PerutzPerutz等显示，肌红蛋白等显示，肌红蛋白（myoglobinmyoglobin）和血红蛋白（）和血红蛋白（hemoglobinhemoglobin）这两种最早通过）这两种最早通过X-X-射线解析射线解析的蛋白尽管其序列不同，但具有相似的结构；的蛋白尽管其序列不同，但具有相似的结构；AlexanderAlexander等人发现：两条等人发现：两条序列有序列有88%88%的序列一致但明显不同的折叠。最新的研究显示，少至的序列一致

29、但明显不同的折叠。最新的研究显示，少至3 3个氨个氨基酸的突变足以引入根本不同的折叠方法。基酸的突变足以引入根本不同的折叠方法。序列相似度高的蛋白序列相似度高的蛋白2FSl2FSl和和1PGB1PGB的不同折叠模式的不同折叠模式折叠识别法包括两步：折叠识别法包括两步：将目的蛋白的序列和已知的折叠结构进行将目的蛋白的序列和已知的折叠结构进行匹配，在已知的结构中找到一个或几个匹匹配，在已知的结构中找到一个或几个匹配最好的结构模型，作为目的蛋白的预测配最好的结构模型，作为目的蛋白的预测结构结构基于已有的知识找到最好的模型基于已有的知识找到最好的模型三、对结构预测结果的评价三、对结构预测结果的评价 面

30、对多种的模型和预测方法，我们常面对多种的模型和预测方法，我们常常会问：我应该用哪种分析方法和哪种服常会问：我应该用哪种分析方法和哪种服务器？哪种方法结果更值得信赖？输出结务器？哪种方法结果更值得信赖？输出结果怎么解释等等？为此，研究者们创建了果怎么解释等等？为此，研究者们创建了多种公共范围的实验评估方法。主要有三多种公共范围的实验评估方法。主要有三类：主要有类：主要有LBLB、CASPCASP和和CAFASPCAFASP、EVAEVA等方法。等方法。一、基于结构分类的蛋白质功能预测一、基于结构分类的蛋白质功能预测 1.1.基于结构进行蛋白质功能注释的方法基于结构进行蛋白质功能注释的方法是搜索与

31、目标蛋白质结构相似的蛋白质，并是搜索与目标蛋白质结构相似的蛋白质，并将其功能转移给输入目标蛋白质。将其功能转移给输入目标蛋白质。2.2.此过程中需要进行蛋白质的结构比对此过程中需要进行蛋白质的结构比对和判断结构相似程度。和判断结构相似程度。3.3.可将这种相似性估值转化为序列比对可将这种相似性估值转化为序列比对问题，利用序列比对经典算法来解决结构比问题，利用序列比对经典算法来解决结构比对问题，如对问题，如DaliLiteDaliLite，SSMSSM，STRUCTALSTRUCTAL，MultiProtMultiProt和和3DCoffee3DCoffee等。等。二、基于结构预测蛋白质间相互作

32、用二、基于结构预测蛋白质间相互作用三、其他蛋白质功能预测方法三、其他蛋白质功能预测方法四、蛋白质结构与功能关系数据库四、蛋白质结构与功能关系数据库（一）（一）PfamsPfams数据库数据库（二）（二）PIRPIR蛋白质功能预测数据库蛋白质功能预测数据库（三）（三）InterProInterPro数据库数据库 一、蛋白质序列变化引发疾病一、蛋白质序列变化引发疾病 二、蛋白质折叠错误引发的疾病二、蛋白质折叠错误引发的疾病三、疾病过程中的蛋白质的相互作用三、疾病过程中的蛋白质的相互作用 蛋白质的高级结构决定了其在生物体内功能，蛋白质的高级结构决定了其在生物体内功能，多个蛋白质发挥作用时常需要与其他

33、蛋白质协同作多个蛋白质发挥作用时常需要与其他蛋白质协同作用，不同蛋白质之间形成复合体（用，不同蛋白质之间形成复合体（complexcomplex）。每）。每个蛋白质可以看成复合体的一个亚基（个蛋白质可以看成复合体的一个亚基（subunitsubunit），），亚基间相互作用，形成紧密的复合体结构或共同组亚基间相互作用，形成紧密的复合体结构或共同组成复合体的活性中心。这种相互作用往往涉及蛋白成复合体的活性中心。这种相互作用往往涉及蛋白质的结构域，当结构域中的氨基酸因突变被替换后，质的结构域，当结构域中的氨基酸因突变被替换后，会导致复合体会导致复合体去稳定化（去稳定化（destablizationdestablization），破坏，破坏了原有的蛋白质间的结构互作关系，复合体形成障了原有的蛋白质间的结构互作关系，复合体形成障碍而被降解。碍而被降解。