生物信息学

蛋白质结构的可视化
RasWin
Cn3D
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3. 蛋白质二级结构预测
1. Chou-Fasman predictions: Empirical
2. Garnier, Osguthorpe and Robson (GOR): HMM 3. David T. Jones: PSSM
反平行的b-sheet
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平行的b-sheet

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混合的b-Sheets
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P
f
20
fi
j
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Pα & Pβ
-helix b-sheet
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经验规则与预测性能
1. 规则一：对于给定一个>6aa的片段， Pα均值> 1.03，并且Pα的均值 > Pβ的均值， 则判定为α-Helix 2. 规则二：对于给定一个>6aa的片段， Pβ的均值> 1.05，并且 Pβ的均值 > Pα的均 值，则判定为β-sheet 3. 预测性能：准确性~50-60%；对于βsheet性能较差
3. MSD (Molecular Structure Database): 大分子的相互作用和结合位点
/msd
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PDB (RCSB)
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2. 平均长度：10个氨基酸残基 (10 A0)
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
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helix 通过氢键稳定结构
Domains：Motifs的组合
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一个或多个domains
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六种蛋白质的结构类型
(1) Domains: 螺旋束通过loops连接
4. Greek key: 4 adjacent antiparallel strands
5.bb:2 parallel strands connected by helix
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H-T-H
H-L-H
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Greek key motifs
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bDomains
TIM barrel Rossman fold
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C = black O = red N = blue
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R-侧基分布在helix 的外侧
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helices：氨基酸偏好
Ala, Glu, Leu, Met：出现频率高 Pro, Gly Tyr, Ser：出现频率低
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b-Strands & Sheets
1. 一般不单独出现，成对或多个出现
2. b链通过氢键连接，稳定结构 3. 相互作用的部分通过短的/长的loop连 接 4. 平行或反平行的bsheet
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http://ekhidna.biocenter.helsinki.fi/dali_server/index.html
DALI Database (fold classification)
http://ekhidna.biocenter.helsinki.fi/dali/start
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蛋白质结构的数据库
1.PDB (Protein Data Bank): 蛋白质结构数 据库
/pdb/home/home.do
2. MMDB (Molecular Modeling Database): 分子模拟数据库
/sites/entrez?d b=structure
/scop/
2. CATH (Classification by Class, Architecture, Topology & Homology)
/
3. DALI/FSSP: 蛋白质三级结构的比较 DALI server
四级结构
多个肽链在空间上的排布
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超二级结构
1. Structural Motifs：超二级结构 或二级结构的组合 2. Domains: Motifs的组合
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b-hairpin
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Greek key
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Beta-alpha-beta
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4. Frishman, Argos: Nearest neighbor methods 5. Sujun Hua: Support vector machine
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Chou-Fasman
1. 预测三种主要的二级结构： -helix, bsheet，Coils 2. 训练数据：15个已知构象的蛋白质结构， 共2473个氨基酸残基 3. 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
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-domain structures: 4-helix bundles
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Up-and-down sheets and barrel
因此，预测蛋白质的结构和功能非常的困难
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蛋白质结构的四个基本层面
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一级和二级结构
1. 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
Loops
1. 连接-helix和b-sheet
2. 长度和三级结构不定
3. 在蛋白质结构的表面
4. 受点突变的影响小
5. 柔性好，构象变化余地大 6. 带电荷、极性的氨基酸比例高 7. 倾向成为活性位点
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一些常见的结构性motifs
1. Helix-turn-helix: e.g., DNA binding
2. Helix-loop-helix: e.g., Calcium binding
3. b-hairpin: 2 adjacent antiparallel strands
connected by short loop
Pα, Pβ, Pc
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氨基酸在各种二级结构中的频率
Inner Helix: Included in Helix
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Pα, Pβ, Pc的计算
2. 蛋白质结构数据库、结构分类以及可视化 1. 蛋白质结构的数据库：PDB, MMDB, MSD 2. 蛋白质结构的分类：SCOP, CATH, DALI/FSSP 3. 蛋白质结构的可视化：Cn3D， Rasmol/Raswin
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MMDB
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MSD
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蛋白质结构的分类
1. SCOP (Structural Classification of Proteins)： folds, superfamilies, and families
2. 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： -helix, b-sheet，loops, coils
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- helix
1. 蛋白质中最多的二级结构
生物信息学
第九章 结构生物信息学
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本章内容提要
1. 蛋白质的结构与功能
2. 蛋白质结构的数据库、结构分类以及可
视化
3. 蛋白质二级结构预测
4. 蛋白质三级结构预测
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1. 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
Coils
无序性 (Intrinsically disordered ): 介导蛋白质蛋白质之间的相互作用
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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
(2)b Domains: 主要是反平行b片，两对b片形成 sandwich结构 (3)bDomains: 螺旋连接的平行的b片 (4) bDomains： 螺旋和b片各自形成单独的 结构 (5) Multidomain ( b)：包含多种domains (6) Membrane & cell-surface proteins