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二級結構

閱讀：619發(fā)布時間：2011-5-24

二級結構在生物化學及結構生物學中，是指一個生物巨分子，如蛋白質及核酸（DNA或RNA），局部區(qū)段的三維通式。它并不描述任何特定的原子位置，而這會在三級結構中處理。

二級結構以往是由生物巨分子在原子量級結構下的氫鍵來定義的。在蛋白質，二級結構則是以主鏈中氨基之間的氫鍵模式來定義，亦即DSSP所定義的氫鍵，并不包括主鏈與旁鏈間或是旁鏈之間的氫鍵。而核酸的是以堿基之間的氫鍵來定義。

由于氫鍵與其他結構特征有所關聯(lián)，所以它所定義的會稍為不正式。就如蛋白質螺旋，在拉曼強傳標繪圖的特定區(qū)域，通常會采用主鏈二面角。這樣，以這個二面角的區(qū)段都會被稱為“螺旋”，而不論它是否真正的氫鍵。其他稍為不正式的定義亦有被建議，且是多是應用曲線微分幾何的觀念，如曲率及扭量。而zui不正式的，要算是結構生物學定以眼睛來決定及紀錄原子量級的。

對生物巨分子的可以初步以光譜來估計。對于蛋白質可以用一種普遍的方法稱為長紫外線（波長170-250nm）圓二色譜。在雙zui小的208nm及222nm可以顯示α螺旋結構，而單zui小的204nm或207nm則分別可以顯示任意形或β折疊結構。一個較少用的方法是紅外線光譜，它可以偵測因氫鍵所造成胺基的震蕩。zui后，可以準確地以核磁共振的化學位移來估計。

-蛋白質

蛋白質的包含局部殘基之間由氫鍵所調節(jié)的相互作用。zui普遍的就是α螺旋及β折疊。經計算后發(fā)現(xiàn)其他螺旋，例如310螺旋及π螺旋，在能量上有著有利的氫鍵模式，但這些螺旋卻是在自然的蛋白質中是很稀有的，要α螺旋在*進行不利的骨架包裝后，才可在末端中發(fā)現(xiàn)。緊的轉角、松開及靈活的環(huán)會連結更多“規(guī)則的”。任意形并非真正的，但卻是一類缺乏規(guī)則的的形態(tài)。

氨基酸在形成不同的上有著不同的能力。*及甘胺酸會在轉角上出現(xiàn)，并且可以瓦解α螺旋骨架的規(guī)則形態(tài)，但兩者卻有著不正常的形態(tài)能力。在蛋白質內采用螺旋形態(tài)的氨基酸有蛋氨酸、*、*、*及賴氨酸（氨基酸單字母編號為“MALEK”）；相反，大型的芳香性殘基（*、*及苯*）及Cβ分枝的氨基酸（異*、*及*）則采用β折疊形態(tài)。但是，若單以序列來看，這些都不足以構成一個可靠的方法來預測。

-DSSP編號

DSSP是“Dictionary of Protein Secondary Structure”的縮寫，它是一編文章正式列出已知三維結構的蛋白質。DSSP編號一般是用單一英文字母來描述蛋白質。是根據(jù)氫鍵模式來的。

    * G：3轉角螺旋（亦即310螺旋）。zui短長度為3個殘基。
    * H：4轉角螺旋（α螺旋）。zui短長度為4個殘基。
    * I：5轉角螺旋（π螺旋）。zui短長度為5個殘基。
    * T：氫鍵轉角（3、4或5個轉角）。
    * E：平行的β折疊，或／及反平行的折疊形態(tài)（延伸鏈）。zui短長度為2個殘基。
    * B：獨立β橋內的殘基（一對β折疊氫鍵）
    * S：彎曲（*非氫鍵的）

所有不是以上形態(tài)的殘基，在DSSP都是以空格來的，而有時則以C來代表卷曲或L來代表環(huán)。螺旋（即G、H及I）及折疊形態(tài)都需要一定的長度。這即是指兩個在一級結構鄰接的殘基必須形成相同的氫鍵模式。如果螺旋或折疊的氫鍵模式太短，就會分別以T或B來編碼。當中亦有其他蛋白質編號，但卻較少使用。
蛋白質預測

早期蛋白質預測的方法是建基于氨基酸形成螺旋或折疊的傾向，而有時須聯(lián)同估計形成的能量的方法來使用。這些方法在預測殘基的三種狀態(tài)（螺旋、折疊或卷曲）可以有約60%的準確性，若使用多序列比對可以將準確性大幅提升至80%。多序列比對可以知道氨基酸在某一位置的完正分布（包括在其附近的位置，一般在每一邊的7個殘基），而演化過程提供了結構趨向更明確的圖畫。例如，在蛋白質某位置的甘胺酸，本身已表明那是一個任意形。但是多序列對比可以發(fā)現(xiàn)，在接近十億年演化后95%的蛋白質中，那是一個有利螺旋的氨基酸。再者，若在那位置檢測平均疏水性，亦會發(fā)現(xiàn)其殘基可溶性是與α螺旋一致。綜合來說，這些因素顯示原先蛋白質內甘胺酸是α螺旋結構，而非任意形。多種方法都會結合已有的數(shù)據(jù)來組成三種狀態(tài)的預測，這些方法有神經網(wǎng)絡、隱馬爾可夫模型及支持向量機。現(xiàn)代預測方法亦可在每一個位置的預測結果提供信賴分數(shù)。

預測方法一直不斷地在校準，例如EVA實驗?；诩s270個星期的測試，zui準確的方法要算是PsiPRED、SAM、PORTER、PROF及SABLE。有趣的是，在這多種方法中找出共識或一致，并不能提升它們的準確性。zui大改善的地方似乎是在β股的預測，因為所使用的方法會忽視一些β股段。整體上而言，zui高的預測準確性只可以達90%，因DSSP的標準方法的性質，與校準的預測相違背。

準確的預測是三級結構預測的重要原素。例如一個確定的βαββαβ模式，就是鐵氧化還原蛋白的記號。

-核酸

核酸亦有，大部份都是單股核糖核酸（RNA）分子。RNA可以分為螺旋（緊接的堿基對）及不同種類的環(huán)（被螺旋圍繞的不成對核苷酸）。莖環(huán)結構是一個堿基對螺旋結構，末端為短少的不成對環(huán)。這種莖環(huán)結構非常普遍，并且是建構大型結構基元，如三葉草結構（即如在轉運RNA中的四個螺旋結點）的基本單位。內環(huán)結構（在長堿基對螺旋中的短而不成對堿基）及膨出（在螺旋股中額外插入，但卻在相對股中沒有配對的堿基）亦很經常會出現(xiàn)。zui后，偽結及base triples亦會出現(xiàn)在RNA。

由于RNA差不多全都是由堿基對作為中介，它可以說是確定在一個分子或復合物中哪些堿基成對。但是，傳統(tǒng)的華生—克里克堿基對并非*在RNA的配對方法，霍氏配對方法亦很普遍。

-RNA預測

生物信息學的其中一種應用是使用預測的RNA來搜尋用作RNA功能形式而非編碼的基因組。舉例來說，小分子RNA有著由小內環(huán)中斷的長莖環(huán)結構。計算可能的RNA可以用動態(tài)規(guī)劃方法，但是它不能偵測出偽結或是其他堿基對沒有全面網(wǎng)羅的情況較通用的方法有隨機上下文無關語法。Mfold是一個使用動態(tài)規(guī)劃的。

在很多RNA分子，對RNA正常功能非常重要，有時甚至于較序列重要。這可以幫助用于分析非編碼RNA。RNA可以用電腦來提升預測準確性。而其他生物信息學的應用會使用一些的概念來分析RNA。

-比對

蛋白質及RNA都可以用在協(xié)助多序列比對。這種比對在加入有關的資料后，可以變得更為準確。但有時對RNA卻不太有用，這是由于RNA堿基對比序列更受到高度保存。一些不能比對一級結構的蛋白質，有時亦可以找出它們之間的關系來。

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