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右侍葛
4 years ago
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1 生物信息学第十四章结构生物信息学

2 GLUT1 2014,12 次跨膜,N45T & E329Q 突变体

3 2015 年 GLUT3

4 GLUTs 作用机制

5 蛋白质的结构与功能蛋白质的结构主要由一级序列所决定蛋白质的功能主要由三级结构所决定球蛋白 (Globular proteins): 疏水的内核 & 亲水的表面膜蛋白 (Membrane proteins): 特定的疏水表面亚稳态 (marginally stable): 折叠之后的蛋白质无序性 (Intrinsically disordered): 许多蛋白质必须与其他蛋白质结合后才能够获得稳定的结构预测蛋白质的结构和功能非常的困难

6 蛋白质结构的四个基本层面

7 一级和二级结构一级结构氨基酸的线性序列氨基酸残基之间连接的共价键二级结构氨基酸残基局部空间内的排列短程的非共价的相互作用周期性的结构模式 :α-helix, β-sheet, loops, coils

8 α-helix 蛋白质中最多的二级结构平均长度 :10 个氨基酸残基 (10 A 0 ) 长度范围 :5-40aa 每一圈 :3.6 个 aa 通过氢键 (~per 4aa) 稳定结构通常在内核的表面, 疏水残基向内, 亲水残基向外

9 α-helix 通过氢键稳定结构 C = black O = red N = blue

10 R- 侧基分布在 α-helix 的外侧

11 α-helices: 氨基酸偏好 Ala, Glu, Leu, Met: 出现频率高 Pro, Gly Tyr, Ser: 出现频率低

12 β-strands & Sheets 一般不单独出现, 成对或多个出现链通过氢键连接, 稳定结构相互作用的部分通过短的 / 长的 loop 连接平行或反平行的 β-sheet

13 反平行的 β-sheets

14 平行的 β-sheets

15 混合的 β-sheets

16 Loops 连接 α-helix 和 β-sheet 长度和三级结构不定在蛋白质结构的表面受点突变的影响小柔性好, 构象变化余地大带电荷极性的氨基酸比例高倾向成为活性位点

17 Coils 无序性 (Intrinsically disordered ): 介导蛋白质 - 蛋白质之间的相互作用

18 三级和四级结构三级结构肽链折叠成三维的空间结构二级结构在空间上的排布长程的共价与非共价的相互作用四级结构多个肽链在空间上的排布

19 超二级结构 Structural Motifs: 超二级结构或二级结构的组合 Domains: Motifs 的组合

20 一些常见的结构性模体 Helix-turn-helix: e.g., DNA 结合模体 Helix-loop-helix: e.g., 钙离子结合模体 β-hairpin: 2 adjacent antiparallel strands connected by short loop Greek key: 4 adjacent antiparallel strands βαβ: 2 parallel strands connected by helix

21 H-T-H H-L-H

22 β-hairpin

23 Greek key

24 Beta-alpha-beta

25 Domains:Motifs 的组合

26 一个或多个 domains

27 六种蛋白质的结构类型 α Domains: α 螺旋束通过 loops 连接 β Domains: 主要是反平行 β 片, 两对 β 片形成 sandwich 结构 α β Domains: α 螺旋连接的平行的 β 片 α β Domains: α 螺旋和 β 片各自形成单独的结构 Multidomain (α β : 包含多种 domains Membrane & cell-surface proteins

28 α-domain structures: 4-helix bundles

29 Up-and-down sheets and barrel

30 Greek key motifs

31 α β Domains TIM barrel Rossman fold

32 蛋白质结构数据库结构分类以及可视化蛋白质结构的数据库 :PDB, MMDB, MSD 蛋白质结构的分类 :SCOP, CATH, DALI/FSSP 蛋白质结构的可视化 :Cn3D, Rasmol/Raswin

33 蛋白质结构的数据库 PDB (Protein Data Bank): 蛋白质结构数据库 MMDB (Molecular Modeling Database): 分子模拟数据库 b=structure MSD (Molecular Structure Database): 大分子的相互作用和结合位点

34 PDB (RCSB)

35 蛋白质结构的数据格式 X Y Z

36 MMDB

37 MSD

38 蛋白质结构的分类 SCOP (Structural Classification of Proteins): folds, superfamilies, and families CATH (Classification by Class, Architecture, Topology & Homology) DALI/FSSP: 蛋白质三级结构的比较 DALI server DALI Database (fold classification)

39 蛋白质结构的可视化 RasWin Cn3D

40 蛋白质二级结构预测 Chou-Fasman predictions: Empirical Garnier, Osguthorpe and Robson (GOR): HMM David T. Jones: PSSM Frishman, Argos: Nearest neighbor methods Sujun Hua: 支持向量机

41 Chou-Fasman 预测三种主要的二级结构 :α-helix, β-sheet, Coils 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 : 蛋白质构象参数 (protein conformational parameters): 氨基酸残基在二级结构中的重要性 P α,p β,p c

42 氨基酸在各种二级结构中的频率 Inner Helix: Included in Helix

43 P α, P β, P c 的计算 P fi f 20 j

44 P α & P β -helix -sheet

45 经验规则与预测性能规则一 : 对于给定一个 >6aa 的片段, P α 均值 > 1.03, 并且 P α 的均值 > P β 的均值, 则判定为 α-helix 规则二 : 对于给定一个 >6aa 的片段, P β 的均值 > 1.05, 并且 P β 的均值 > P α 的均值, 则判定为 β-sheet 预测性能 : 准确性 ~50-60%; 对于 β-sheet 性能较差

46 Garnier, Osguthorpe and Robson (GOR): HMM 准确性 ~65%

47 David T. Jones: PSSM PSIPRED: PSSM + Neural Network 准确性 76.5%~ 78.3%

48 Frishman, Argos: Nearest neighbor methods 准确性 ~72%

49 Sujun Hua: Support vector machine 准确性 ~76.2%

50 蛋白质三级结构预测结构基因组学蛋白质折叠的动力学蛋白质三级结构的预测 : 具有最小自由能的构象同源建模 (Homology modeling) 穿针引线 (Threading) 从头预测 (Ab initio Prediction)

51 结构基因组学人的基因组中包含 >22,00 个基因细胞内 : 通常 >3,000 种蛋白质序列与结构 > 74,000,000 条蛋白质序列 - UniProt > 120,000 个蛋白质结构 -PDB 目标 : 通过实验或者计算的手段解析所有蛋白质在自然条件下的三级结构

52 X 射线晶体学方法

53 核磁共振

54 Cryo-EM: 蛋白质复合物冷冻电镜

55 蛋白质折叠的动力学蛋白质的折叠 : 细胞内 : 自发的 ; 酶的介导 ; 伴侣蛋白的介导体外 : 许多蛋白质不能自发折叠动态 : 蛋白质的结构在自然条件下并不是固定的蛋白质的功能常常依赖其构象的改变自然条件下与变性之后的能量差非常小 (5-15 kcal/mol) 大约等于 1-2 个氢键的能量折叠过程中, 熵与焓都发生改变

56 Protein Folding Code 蛋白质结构预测 / 蛋白质折叠给定一个蛋白质的氨基酸序列, 预测其三级结构反向折叠 " 给定一个蛋白质的结构, 找出所有符合这个结构的氨基酸序列

57 同源建模搜索已知三级结构的同源蛋白质序列 ( 模板 ) PSI-BLAST multiple sequence alignment (MSA) 选取与给定序列相似性最高的结构作为模板将氨基酸残基替换到结构模板中对应的位置上, 降低自由能准确性好序列相似性高模型可靠性高 >30% sequence identity 常用工具 :MODELLER,Swiss-model

58 同源建模

59 Threading - Fold Recognition 大积木实验发现 : 蛋白质折叠的类型有限 (~1,000) 问题 : 能否根据不同的模版, 预测给定蛋白质的折叠类型, 并进一步拼装成三级结构? 计算要求 : 能量函数模版库 (template library) 计算方法将给定序列与每一个模板的序列匹配, 打分将模板连接起来, 氨基酸残基替代优化模型 : 能量函数计算性能 : 不定序列相似性高模型可靠性高

60 Threading Target Sequence ALKKGF HFDTSE Structure Templates 1. 将给定序列与模板库做序列比较 (fold library) 2. 评分准则 : 给定序列是否与模板的结构吻合 (1D- 3D profile) 3. 根据打分结果对模板适用性给予排序

61 Ab Initio Prediction 能量函数键能 (bond energy) 键的转角能 (bond angle energy) 二面角能 (dihedral angle energy) 范德华力 (van der Waals energy) 静电力 (electrostatic energy) 根据能量函数计算结构的最小自由能 : Molecular Dynamics or Monte Carlo methods) 计算量大

62 ROSETTA David Baker, U. Washington, Seattle 小积木 : 短的肽段 (3-9 residues) 库能够充分反映各种肽段在局部范围内的三级结构肽段库的构建 :PDB 针对给定蛋白质, 寻找各种肽段组合, 并以能量函数予以优化

63 Foldit

64 结构基因组学

65 结构基因组学左 : 预测 ; 右 : 实验

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PowerPoint Presentation 生物信息学蛋白质结构预测吴凌云中国科学院数学与系统科学研究院 http://zhangroup.aporc.org 目录蛋白质的三维结构蛋白质结构预测的重要性蛋白质二级结构预测方法蛋白质三级结构预测方法研究趋势蛋白质的结构 structure medicine sequence function 蛋白质的三维结构蛋白质三维结构 Turn or coil Alpha-helix Beta-sheet