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怎样从氨基酸顺序预测蛋白质功能( 二 )



细分的话，蛋白质的二级结构总共有8种，包括转角、无规则卷曲等。目前常采用DSSP的分类方法，有些文献会把8种结构粗分为α螺旋、β折叠和转角这三种结构。由上图可知，蛋白质的二级结构极大的决定了其三级结构（下面介绍），所以有很多工作是研究怎样准确预测蛋白质的二级结构的，即预测每个氨基酸残基处于哪一种二级结构中。形式化表示就是，对于一个蛋白质一级结构字符串A1A2A3A4A5...A1A2A3A4A5...，输出a1a2a3a4a5...a1a2a3a4a5...，其中aiai∈{α螺旋，β折叠，转角}。所以，蛋白质的二级结构是一个端到端的问题，很像机器翻译，目前很多文章都会用深度学习NLP的方法来预测蛋白质的二级结构。三级结构简单理解，三级结构就是把多个二级结构拼接到一起，折叠成一个完整的蛋白质三维结构，如下图所示。维持蛋白质三级结构的力比较多样，除了氢键之外，还有二硫键、金属键等。
怎样从氨基酸顺序预测蛋白质功能

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四级结构简单理解，四级结构就是多个三级结构分子组合成一个复合物，就是四级结构。
怎样从氨基酸顺序预测蛋白质功能

对于CSer来说，由于四级结构仅仅是多个三级结构组合到一起，我们常说的蛋白质三维结构预测问题，通常是指预测蛋白质的三级结构。问题是，构成蛋白质链的原子非常多，我们怎样形式化描述一条蛋白质的三维结构呢？这还要从最原始的一级结构说起。
前面提到，两个氨基酸通过脱水缩合的方式形成肽键从而连接到一起形成一级结构（本文图四），肽键虽然是单键，但它具有类似双键的特点，即难以旋转（比如羧基中的-C=O键就是双键，无法旋转）。所以，由肽键及周围的6个原子形成了一个固定的肽键平面，这6个原子分别是-C-CO-NH-C-，如下图所示，箭头所指的红色键就是肽键，它周围画出了一个平面，就是肽键平面。
怎样从氨基酸顺序预测蛋白质功能

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肽键平面的存在极大的简化了蛋白质结构，可以认为这6个原子的相对位置是固定的了！另一方面，跟这个平面相连的左右两个C原子的两个键是单键，所以他们可以旋转，旋转的角度称为扭转角?和ψ，为了更直观的感受肽链的肽键平面和两个扭转角，可以看下面的动画：https://www.sciencephoto.com/media/639617/view事实上，扭转角?和ψ并不是在360°范围内随机均匀分布的，1963年就有科学家统计过扭转角?和ψ的分布，他们发现稳定的蛋白质结构的?和ψ通常只分布在一小部分区域，如下图的拉氏图所示，这些区域正好对应了常见的α螺旋和β折叠的结构。
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最后，我们还需要介绍一个角度，那就是ω。前面提到，虽然肽键具有双键的特点，难以旋转，但它在少数情况下还是可以旋转的。假设通常情况下，肽键的角度定义为ω=0°，如下图所示，红色的键即为肽键，这种结构的好处是它能让形成肽键的两个残基的侧链R（图中黑色基团）离得尽量的远，这样能保持比较稳定的结构。如果肽键旋转为ω=180°，变为下图的样子，则两个侧链R很靠近，就产生位阻效应，就不稳定，所以这种情况比较少见。但不管怎么说，肽键的扭转角ω也是一个变量因素。


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