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实例4:蛋白质信息分析

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蛋白质(protein)是生命的物质基础,是组成生物体一切细胞、组织的重要成分,机体所有重要的组成部分和活动都需要有蛋白质的参与。

蛋白质由氨基酸组成,不同蛋白质的长度、氨基酸组成、等电点不同,并且形成不同的二级结构、三级结构(空间结构)甚至四级结构(多个亚基的蛋白)。

生物信息学分析工具包EMBOSS提供了多种分析蛋白质性质的工具。

首先我们先看一个比较简单的序列信息分析程序infoseq,该程序统计核酸和蛋白质序列的名称、登录号、长度等信息。我们用该程序统计上一节用的蛋白质序列的长度:

[xiezy@ibi98 ml]$ infoseq -only -name -length lde.fa
Display basic information about sequences
Name           Length
Musmu          550
Homsa          544
Anoga          558
Caeel          500
Drome          534
Danre          568
Xentr          534

pepstats是分析统计蛋白质的分子量、等电点、电荷及氨基酸组成信息的程序:

[xiezy@ibi98 ml]$ pepstats lde_hs.fa
Calculate statistics of protein properties
Pepstats program output file [homsa.pepstats]:
[xiezy@ibi98 ml]$ cat homsa.pepstats
PEPSTATS of Homsa from 1 to 544

Molecular weight = 61554.93             Residues = 544
Average Residue Weight  = 113.152       Charge   = -16.0
Isoelectric Point = 5.1441
A280 Molar Extinction Coefficients  = 67270 (reduced)   67895 (cystine bridges)
A280 Extinction Coefficients 1mg/ml = 1.093 (reduced)   1.103 (cystine bridges)
Probability of expression in inclusion bodies = 0.639

Residue         Number          Mole%           DayhoffStat
A = Ala         36              6.618           0.769
B = Asx         0               0.000           0.000
C = Cys         11              2.022           0.697
D = Asp         42              7.721           1.404
E = Glu         44              8.088           1.348
F = Phe         16              2.941           0.817
G = Gly         33              6.066           0.722
H = His         22              4.044           2.022
I = Ile         30              5.515           1.225
J = ---         0               0.000           0.000
K = Lys         32              5.882           0.891
L = Leu         47              8.640           1.168
M = Met         10              1.838           1.081
N = Asn         23              4.228           0.983
O = ---         0               0.000           0.000
P = Pro         28              5.147           0.990
Q = Gln         22              4.044           1.037
R = Arg         27              4.963           1.013
S = Ser         39              7.169           1.024
T = Thr         24              4.412           0.723
U = ---         0               0.000           0.000
V = Val         29              5.331           0.808
W = Trp         6               1.103           0.848
X = Xaa         0               0.000           0.000
Y = Tyr         23              4.228           1.244
Z = Glx         0               0.000           0.000

Property        Residues                Number          Mole%
Tiny            (A+C+G+S+T)             143             26.287
Small           (A+B+C+D+G+N+P+S+T+V)   265             48.713
Aliphatic       (A+I+L+V)               142             26.103
Aromatic        (F+H+W+Y)               67              12.316
Non-polar       (A+C+F+G+I+L+M+P+V+W+Y) 269             49.449
Polar           (D+E+H+K+N+Q+R+S+T+Z)   275             50.551
Charged         (B+D+E+H+K+R+Z)         167             30.699
Basic           (H+K+R)                 81              14.890
Acidic          (B+D+E+Z)               86              15.809

pepwindow程序用来分析蛋白质亲水性并画图,除了直接显示结果外,还可以输出多种格式的图像文件。如用该程序分析人的G蛋白偶联受体(G-protein coupled receptor, GPCR)的亲水性并输出成PNG格式的图像文件:

[xiezy@ibi98 ml]$ pepwindow GPCR_hs.fa
Draw a hydropathy plot for a protein sequence
Graph type [x11]: png
Created pepwindow.1.png

将图像文件pepwindow.1.png下载到本地查看,可以发现GPCR标志性的7次跨膜结构。

EMBOSS中还有很多蛋白质分析相关的程序,这些命令行工具用起来不如拥有图形界面的软件直观,但可以实现自动化和批量化运行,应用熟练后可以极大提高数据处理和分析的效率。

到这里,整个课程就接近尾声了。通过前面的学习,我们可以发现,shell就像一个大飞机的组装厂。大飞机的生产厂家尽管自己不能生产发动机等配件(或者自己生产的不如专业的厂家生产的好),但可以通过组合不同厂家生产的优质的配件,生产出高质量的大飞机。shell本身的效率不高,但可以方便地使用shell命令或其他语言写好的程序,把他们通过管道或控制结构组合起来,用少量的代码就可以完成复杂的任务。

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