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第七章蛋白质性质和结构分析
传统的生物学认为,蛋白质的序列决定了它的三维结构,也就决定了它的功能。由于用X光晶体衍射和NMR核磁共振技术测定蛋白质的三维结构,以及用生化方法研究蛋白质的功能效率不高,无法适应蛋白质序列数量飞速增长的需要,因此近几十年来许多科学家致力于研究用理论计算的方法预测蛋白质的三维结构和功能,经过多年努力取得了一定的成果。


蛋白质序列一级结构分析包括了对理化性质和序列模式的分析。蛋白质理化性质的分析通常包括:蛋白质的分子量、等电点(pI)、氨基酸组成、疏水性和亲水性分析等。目前已经开发了众多的蛋白质序列理化性质计算工具,且大多提供网络服务或允许自由下载安装。除了下表中列出的由ExPASy整理的蛋白质序列理化性质计算的工具外,ANTHEPROT、DNAMAN、BioEdit等也是较好的理化性质计算工具。理化性质对于进一步确定蛋白质的亚细胞定位、功能等非常有用,比如利用疏水残基与跨膜螺旋间的关系可以预测蛋白质序列是否跨膜,利用氨基酸组成成份可以预测蛋白质序列的亚细胞定位等。
ProtParam
ProtParam是计算输入序列的等电点(pI)、分子量(Mw)、氨基酸组成、消光系数、半衰期等理化性质的工具。对pI的确定基于早期研究中将蛋白质从由中性到酸性变性条件下迁移过程中所获得的pK值,对于碱性蛋白质所得到的pI值可能不准确。分子量的计算是把序列中每个氨基酸的同位素平均分子量加在一起,再加上一个水分子的分子量。用户可以把序列整理为FASTA格式,或提供SwissProt标识。若用户提供了序列,该工具会自动计算全序列的pI和分子量;若用户提供的是SwissProt标识,程序会显示该条目的描述和物种记录,此时计算将在片段上进行,而不是针对整个序列。
ProtScale
可以计算给出蛋白质序列的氨基酸疏水区和亲水区,用户可以把序列整理为FASTA格式,或提供SwissProt标识,需选择合适的amino acid scale。
REP
可以分析指定蛋白质序列中的重复序列模块,用户可以把序列整理为FASTA格式,或提供SwissProt标识。已有的可供查询的模块包括:Ankyrin, Armadillo, HAT, HEAT, HEAT_AAA, HEAT_ADB, HEAT_IMB, Kelch, Leucin Rich Repeats, PFTA, PFTB, RCC1, TPR, WD40等。
分析蛋白质的二级结构
二级结构是指α螺旋和β折叠等规则的蛋白质局部结构元件。不同的氨基酸残基对于形成不同的二级结构元件具有不同的倾向性。按蛋白质中二级结构的成分可以把球形蛋白分为全α蛋白、全β蛋白、α+β蛋白和α/β蛋白等四个折叠类型。预测蛋白质二级结构的算法大多以已知三维结构和二级结构的蛋白质为依据,用过人工神经网络、遗传算法等技术构建预测方法。还有将多种预测方法结合起来,获得“一致序列”。总的来说,二级结构预测仍是未能完全解决的问题,一般对于
α螺旋预测精度较好,对β折叠差些,而对除α螺旋和β折叠等之外的无规则二级结构则效果很差。
nnPredict
用神经网络方法预测二级结构,蛋白质结构类型分为全α蛋白、全β蛋白和α/β蛋白