最新结构生物信息学1-简介教学讲义ppt.ppt

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1、结构生物信息学1-简介Background人类基因组计划-HGP生命科学的热点是基因组、蛋白质组、代谢组与系统生物学研究，其最终目标是要揭示生命活动奥秘和生物进化的机制人类基因组计划-HGP由美国NIH和能源部提出和带头，美、英、德、法、日、中共同参与的国际合作项目。1990年启动，15年时间，至少投入30亿美元。继曼哈顿计划、阿波罗计划之后的第三个美国国家计划。主要任务：完成人类全部24条染色体的序列测定，包括遗传图谱、物理图谱的建立及转录图谱的绘制、测序和基因识别。在此基础上解读和破译生物体生老病死以及和疾病相关的遗传信息。Background人类基因组计划-H

2、GP随着人类基因组计划的完成，海量的生物数据的迅速膨胀（DNA、RNA和蛋白质序列，蛋白质二级结构和三维结构数据，蛋白质相互作用等数据）。海量数据的管理、分析对计算科学提出了严峻挑战，进而促进了生物信息学的飞速发展。发现生物学规律获取生物学发现认识生命的本质研究生物信息数据之间的关系分析现有的生物数据利用数学模型和人工智能技术Background后基因组时代虽然获得了多种生物的全基因组序列（第一部遗传密码），“万里长征第一步”生物学中心法则：BiologyPyramidofLifeBackground后基因组时代DNA核酸序列蛋白质氨基酸序列蛋白质结构蛋白质功能最基

3、本的生物信息维持生命活动的机器第一部遗传密码第二部遗传密码？生命体系千姿百态的变化蛋白质结构决定功能Background后基因组时代Structure&FunctionPathways&PhysiologyPopulations&EvolutionEcosystemsGenomesGeneProductsBackground后基因组时代ProteomesMedicalDuplicationPopulationVariationRegulatoryNetworksExpressionSyntenyGeneGenomesSomaticVariationStructure

4、DiseasesPhenotypesProcedure/ProtocolsDrugInteractionNutritionPatientprofileFunctionRoleOrthologsParalogsExpressionPathwaysInteractionsLocationProteinStructure基因组蛋白质组疾病系统生物学（整合生物学）Background后基因组时代蛋白质组学BackgroundComputingComestoLifeBackground序列决定结构，结构决定功能Background序列结构功能Protein进行化学反应DNA存

5、储遗传信息RNADNA和Protein之间信息传递的中介序列决定结构，结构决定功能Background序列结构功能确定蛋白质结构的方法确定蛋白质结构的方法核磁共振X射线晶体衍射结构预测冷冻电镜小分子量蛋白(细胞趋化因子与抑制分子的复合体)蛋白质复合体(SARS病毒非结构蛋白复合体)小分子量蛋白膜蛋白和超大分子复合体酵母核糖体Background蛋白质结构预测Background生物学观点：蛋白质的结构由蛋白质序列所决定问题描述：能否直接从蛋白质序列预测出它的空间结构？蛋白质结构预测的问题是寻找一种从蛋白质的氨基酸线性序列到蛋白质所有原子三维坐标的映射蛋白质结构类型有

6、限，大量同源序列，序列与结构关系有一定的规律可循。因此，蛋白质结构预测是可能的？蛋白质结构预测Background首先从蛋白质结构数据库中挑选蛋白质结构建立折叠子数据库，以折叠子数据库中的折叠结构作为模板；将未知序列与模板进行匹配，通过计算打分函数值判断匹配程度，其中打分最高的被认为是最可能采取的折叠结构。如果两个蛋白质的序列比较相似，则其结构也有很大可能比较相似。如果序列相似性>75％，则可以得到较高精度的预测结构。缺点是只能处理和模板库中蛋白质序列相似性较高的情况。生物学家和物理学家等认为能量是影响蛋白质结构的本质因素。依据是热力学理论，即求蛋白质三维结构稳定的

7、状态，也就是能量最小的状态。；由于巨大的计算量，这种方法并不实用。Template-freeTemplate-based同源建模Homology Modeling序列足够相似，属同源蛋白，则整体结构会很相似折叠识别FoldRecognitionThreading识别与目标序列有关的结构片段组合片段，搜索自由能最低从头计算Ab Initio，Denovo在Ramachandranplot指导下旋转,，搜索自由能最低蛋白质结构预测流程冷冻电镜三维重构处理流程生物制样样品冷冻拍摄数据采集图像处理三维重构结构分析评价Chiuet.al.JEOLNews(2006)B