基于深度学习的蛋白质三级结构预测

发布时间：2021-04-11 11:45

　　蛋白质是一种重要的生物学分子,根据蛋白质的氨基酸序列预测其三级结构是一个富有挑战的问题。其研究成果在理解蛋白质的功能,研发新型药物等方面都可以发挥巨大的作用。随着人类基因组计划的完成,基因组测序技术测出了越来越多的氨基酸序列。与此同行,经过科研人员的不断探索,如今解析蛋白质结构的主要实验观测方法有X射线晶体学,核磁共振波谱和冷冻电镜。这些现有方法往往需要耗费大量的时间以及昂贵的财力,从而导致通过实验观测进行结构解析的速度无法跟上蛋白质序列的飞速增长。然而,若采用预测的方法获取蛋白质的三级结构,现阶段预测精度不高,其建模结果可靠性较差。对此,本文提出利用深度学习对蛋白质结构预测进行辅助建模的方法。其具体研究内容如下:1.针对现阶段基于模板建模和从头建模的主要缺点,即基于模板建模可能面临找不到整条模板或模板质量不佳的情况,而从头建模缺少模板的支撑通常导致预测精度不高。本文提出使用模板约束来辅助从头建模的方法。该方法综合了现有主流方法的优点,即主要思想采用从头建模的方法,在建模过程中使用模板提供的额外信息对结果进行优化。2.在从头建模中,本文设计两个深度神经网络,通过整合蛋白质结构,协同演化... 

【文章来源】：湘潭大学湖南省

【文章页数】：62 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

从头建模法流程示意图

怀莆?鞍字实娜?督峁梗欢嗵蹼牧丛诳占渲邢嗷プ饔茫??纬傻母春衔锝峁刮?鞍?质的四级结构。接下来将分别对4个级别的结构进行详细阐述。（1）蛋白质一级结构在构成蛋白质的氨基酸序列中两个位置相邻的氨基酸主要是通过化学键进行稳定连接的。其过程主要是由其中一个氨基酸的氨基与另一个氨基酸的羰基脱去一个水分子，即通过脱水缩合反应生成肽键。多个氨基酸通过肽键连接便形成肽链（peptide），肽链中的氨基酸因为失去了对应的原子，也被称为残基（residue）。若一个聚合物包含多条肽链，也别称为多肽（polypeptide）。如图2.1所以，一条肽链除了首末两端包含完整的氨基和羰基以外，其余的都经过脱水缩合形成肽键以连接两个相邻氨基酸。图2.1肽链片段示意图

8（2）蛋白质二级结构蛋白质的二级结构可以看作是蛋白质在三维空间中形成的局部结构。通常一整条肽链在三维空间中所呈现的全局构象是极不规则的，但也有研究人员通过统计的方法，归纳出了局部肽链所呈现的空间结构规律。比较常用的分类方法有3分类法，即将局部构象归纳为α-螺旋（α-helix），β-折叠（β-sheet）以及无规则卷曲。如图2.2所示，α-螺旋作为蛋白质结构中常见的局部结构，主要是肽链的主链原子呈现出螺旋折叠的构象，通常这种构象以右手螺旋为多。这种稳定的结构通常是由氢键固定的，其特点是每个螺旋结构上包含3.6个氨基酸残基。图2.2α-螺旋结构示意图另一种常见的二级结构β-折叠如图2.3所示，这种结构同样是由于氢键的作用。我们可以把β-折叠看成是两段肽链之间的平行展开，并且通常这种平行的肽链主链带有锯齿状的结构。在自然界中，这种肽链的平行方式有平行折叠和反平行折叠两种。图2.3β-折叠结构示意图（3）蛋白质三级结构蛋白质的三级结构倾向于描述全局构象，因此一般将整条肽链在空间中所形成的结构称为蛋白质的三级结构。通常蛋白质折叠或蛋白质结构预测都是在蛋白质三级结构上讨论的。


本文编号：3131195