ProteinTools辅助探索蛋白稳定性、动态调控以及结构关系

我们在理解蛋白质结构与功能时，很多关键的分子间相互作用往往被忽视。本期要介绍的Proteintools 提供了四个极其实用的结构分析工具，帮助我们更深入地探索蛋白质的稳定性、动态调控以及结构关系。

1. Hydrophobic Clusters（疏水簇分析）

• • https://proteintools.uni-bayreuth.de/clusters/

疏水簇主要由异亮氨酸（ILE）、亮氨酸（LEU）和缬氨酸（VAL） 等疏水性侧链残基构成，常被称为 ILV簇。这些残基聚集形成的“疏水核心”有助于排斥水分子，提升蛋白在部分折叠状态下的稳定性。

• • 疏水簇是蛋白稳定性的关键因素，尤其在高能态中表现突出；

• • 该模块可以可视化分析疏水簇分布；

• • 使用经典的 CSU 算法实现，延续了 BASIC 服务器的原有思路；

• • 适用于研究蛋白质折叠、突变影响、核心区域构建等结构生物学问题。

  

2. Hydrogen Bond Networks（氢键网络）

• • https://proteintools.uni-bayreuth.de/bonds/

氢键是蛋白质结构维持的基础之一，不仅参与二级结构的形成，也构成了跨区域的网络。该模块采用 Baker-Hubbard 算法，分析蛋白侧链中的氢键网络，角度和距离阈值经过科学设定（ϑ > 120º，距离 < 2.5 Å）。

该模块具备以下功能：

• • 自动加氢处理（使用 PROPKA 与 PDB2PQR）；

• • 快速识别关键氢键网络；

• • 作为辅助解释蛋白质活性状态中的耦合机制和变构调控路径的工具；

• • 特别适用于 GPCR、酶类、配体结合蛋白的动态机制研究。

  

3. Salt Bridges（盐桥识别）

• • https://proteintools.uni-bayreuth.de/salt/

盐桥是一种由氢键与静电作用共同构成的复合相互作用，常见于带正负电荷的氨基酸残基之间，是维持蛋白质结构稳定性的重要“锁链”。

• • 该模块默认盐桥距离阈值为 4 Å，用于判断是否构成盐桥；

• • 有助于分析非理想折叠构象下的稳定因素；

• • 可用于对蛋白突变（如电荷改变）后的结构影响进行评估；

• • 提供 电荷分布分析（FCR 与 κ 值），用于预测蛋白质的紧凑程度。

4. Contact Map（接触图）

• • https://proteintools.uni-bayreuth.de/contacts/

接触图将蛋白质所有氨基酸残基对之间的空间距离可视化为二维矩阵。不同于传统的二元接触图，Proteintools 提供原始距离矩阵，保留更丰富的信息。

• • 每一格代表一对残基之间的真实空间距离；

• • 接触图不受蛋白旋转和平移影响，便于标准化分析；

• • 可用于预测三维结构、结构比对，甚至作为机器学习的输入数据；
  ps: 由于接触图与图像相似，因而已经成为深度学习建模中的常用数据结构特征。

总结

这四个模块从微观相互作用到全局结构布局，提供了丰富的数据与可视化支持，可以帮助我们更深入地理解蛋白质的稳定性、功能调控及相互作用机制。

Reference:

Ferruz, N; Schmidt S; Höcker, B (2021) ProteinTools: a toolkit to analyze protein structures. Nucleic Acids Research, gkab375 10.1093/nar/gkab375