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二級(jí)結(jié)構(gòu)（生物學(xué)等學(xué)科中的生物巨分子）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-22

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二級(jí)結(jié)構(gòu)

生物學(xué)等學(xué)科中的生物巨分子

二級(jí)結(jié)構(gòu)以往是由生物巨分子在原子量級(jí)結(jié)構(gòu)下的氫鍵來定義的。在蛋白質(zhì)，二級(jí)結(jié)構(gòu)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。而核酸的二級(jí)結(jié)構(gòu)是以堿基之間的氫鍵來定義。在很多RNA分子，二級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)RNA正常功能非常重要，有時(shí)甚至于較序列重要。這可以幫助用于分析非編碼RNA。RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)可以用電腦來提升預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。而其他生物信息學(xué)的應(yīng)用會(huì)使用一些二級(jí)結(jié)構(gòu)的概念來分析RNA。

基本信息

中文名	二級(jí)結(jié)構(gòu)
外文名	secondary structure
學(xué)科	生化
含義	生物巨分子

概述

二級(jí)結(jié)構(gòu)在生物化學(xué)及結(jié)構(gòu)生物學(xué)中，是指一個(gè)生物巨分子，如蛋白質(zhì)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(huì)在三級(jí)結(jié)構(gòu)中處理。

詳細(xì)信息

由于氫鍵與其他結(jié)構(gòu)特征有所關(guān)聯(lián)，所以它所定義的二級(jí)結(jié)構(gòu)會(huì)稍為不正式。就如蛋白質(zhì)螺旋，在拉曼強(qiáng)傳標(biāo)繪圖的特定區(qū)域，通常會(huì)采用主鏈二面角。這樣，以這個(gè)二面角的區(qū)段都會(huì)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(yīng)用曲線微分幾何的觀念，如曲率及扭量。而最不正式的，要算是結(jié)構(gòu)生物學(xué)定以肉眼來決定及紀(jì)錄原子量級(jí)的二級(jí)結(jié)構(gòu)。

對(duì)生物巨分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)可以初步以光譜來估計(jì)。對(duì)于蛋白質(zhì)可以用一種普遍的方法稱為長(zhǎng)紫外線（波長(zhǎng)170-250nm）圓二色譜。在雙最小的208nm及222nm可以顯示α螺旋結(jié)構(gòu)，而單最小的204nm或207nm則分別可以顯示任意形或β折疊結(jié)構(gòu)。一個(gè)較少用的方法是紅外線光譜，它可以偵測(cè)因氫鍵所造成胺基的震蕩。最后，二級(jí)結(jié)構(gòu)可以準(zhǔn)確地以核磁共振的化學(xué)位移來估計(jì)。

編號(hào)

DSSP是“Define Secondary Structure of Proteins”的縮寫，它是一編文章正式列出已知三維結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)。DSSP編號(hào)一般是用單一英文字母來描述蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)。二級(jí)結(jié)構(gòu)是根據(jù)氫鍵模式來指定的。

G：3轉(zhuǎn)角螺旋（亦即310螺旋）。最短長(zhǎng)度為3個(gè)殘基。

H：4轉(zhuǎn)角螺旋（α螺旋）。最短長(zhǎng)度為4個(gè)殘基。

I：5轉(zhuǎn)角螺旋（π螺旋）。最短長(zhǎng)度為5個(gè)殘基。

T：氫鍵轉(zhuǎn)角（3、4或5個(gè)轉(zhuǎn)角）。

E：平行的β折疊，或/及反平行的折疊形態(tài)（延伸鏈）。最短長(zhǎng)度為2個(gè)殘基。

B：獨(dú)立β橋內(nèi)的殘基（一對(duì)β折疊氫鍵）

S：彎曲（唯一非氫鍵的指定）

所有不是以上形態(tài)的殘基，在DSSP都是以空格來指定的，而有時(shí)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(zhǎng)度。這即是指兩個(gè)在一級(jí)結(jié)構(gòu)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(huì)分別以T或B來編碼。當(dāng)中亦有其他蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)編號(hào)，但卻較少使用。

蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)

早期蛋白質(zhì)二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的方法是建基于氨基酸形成螺旋或折疊的傾向，而有時(shí)須聯(lián)同估計(jì)形成二級(jí)結(jié)構(gòu)的能量的方法來使用。這些方法在預(yù)測(cè)殘基的三種狀態(tài)（螺旋、折疊或卷曲）可以有約60%的準(zhǔn)確性，若使用多序列比對(duì)可以將準(zhǔn)確性大幅提升至80%。多序列比對(duì)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(gè)殘基），而演化過程提供了結(jié)構(gòu)趨向更明確的圖畫。例如，在蛋白質(zhì)某位置的甘胺酸，本身已表明那是一個(gè)任意形。但是多序列對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，在接近十億年演化后95%的蛋白質(zhì)中，那是一個(gè)有利螺旋的氨基酸。再者，若在那位置檢測(cè)平均疏水性，亦會(huì)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(zhì)內(nèi)甘胺酸是α螺旋結(jié)構(gòu)，而非任意形。多種方法都會(huì)結(jié)合已有的數(shù)據(jù)來組成三種狀態(tài)的預(yù)測(cè)，這些方法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、隱馬爾可夫模型及支持向量機(jī)?，F(xiàn)代預(yù)測(cè)方法亦可在每一個(gè)位置的預(yù)測(cè)結(jié)果提供信賴分?jǐn)?shù)。

二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)方法一直不斷地在校準(zhǔn)，例如EVA實(shí)驗(yàn)。基于約270個(gè)星期的測(cè)試，最準(zhǔn)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(shí)或一致，并不能提升它們的準(zhǔn)確性。最大改善的地方似乎是在β股的預(yù)測(cè)，因?yàn)樗褂玫姆椒〞?huì)忽視一些β股段。整體上而言，最高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性只可以達(dá)90%，因DSSP的標(biāo)準(zhǔn)方法的性質(zhì)，與校準(zhǔn)的預(yù)測(cè)相違背。

準(zhǔn)確的二級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)是三級(jí)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的重要原素。例如一個(gè)確定的βαββαβ二級(jí)結(jié)構(gòu)模式，就是鐵氧化還原蛋白的記號(hào)。

蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)的二級(jí)結(jié)構(gòu)包含局部殘基之間由氫鍵所調(diào)節(jié)的相互作用。最普遍的二級(jí)結(jié)構(gòu)就是α-螺旋及β-折疊，此外還有β-轉(zhuǎn)角和無規(guī)卷曲。經(jīng)計(jì)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(zhì)中是很稀有的，要α螺旋在中央進(jìn)行不利的骨架包裝后，才可在末端中發(fā)現(xiàn)。緊的轉(zhuǎn)角、松開及靈活的環(huán)會(huì)連結(jié)更多“規(guī)則的”二級(jí)結(jié)構(gòu)。任意形并非真正的二級(jí)結(jié)構(gòu)，但卻是一類缺乏規(guī)則的二級(jí)結(jié)構(gòu)的形態(tài)。

氨基酸在形成不同的二級(jí)結(jié)構(gòu)上有著不同的能力。脯氨酸及甘氨酸會(huì)在轉(zhuǎn)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(zhì)內(nèi)采用螺旋形態(tài)的氨基酸有蛋氨酸、丙氨酸、亮氨酸、谷氨酸及賴氨酸（氨基酸單字母編號(hào)為“MALEK”）；相反，大型的芳香性殘基（色氨酸、酪氨酸及苯丙氨酸）及Cβ分枝的氨基酸（異亮氨酸、纈氨酸及蘇氨酸）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(gòu)成一個(gè)可靠的方法來預(yù)測(cè)二級(jí)結(jié)構(gòu)。

核酸

核酸亦有二級(jí)結(jié)構(gòu)，大部份都是單股核糖核酸（RNA）分子。RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)可以分為螺旋（緊接的堿基對(duì)）及不同種類的環(huán)（被螺旋圍繞的不成對(duì)核苷酸）。莖環(huán)結(jié)構(gòu)是一個(gè)堿基對(duì)螺旋結(jié)構(gòu)，末端為短少的不成對(duì)環(huán)。這種莖環(huán)結(jié)構(gòu)非常普遍，并且是建構(gòu)大型結(jié)構(gòu)基元，如三葉草結(jié)構(gòu)（即如在轉(zhuǎn)運(yùn)RNA中的四個(gè)螺旋結(jié)點(diǎn)）的基本單位。內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)（在長(zhǎng)堿基對(duì)螺旋中的短而不成對(duì)堿基）及膨出（在螺旋股中額外插入，但卻在相對(duì)股中沒有配對(duì)的堿基）亦很經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)。最后，偽結(jié)及base triples亦會(huì)出現(xiàn)在RNA。

由于RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)差不多全都是由堿基對(duì)作為中介，它可以說是確定在一個(gè)分子或復(fù)合物中哪些堿基成對(duì)。但是，傳統(tǒng)的華生—克里克堿基對(duì)并非唯一在RNA的配對(duì)方法，霍氏配對(duì)方法亦很普遍。

結(jié)構(gòu)

生物信息學(xué)的其中一種應(yīng)用是使用預(yù)測(cè)的RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)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(nèi)環(huán)中斷的長(zhǎng)莖環(huán)結(jié)構(gòu)。計(jì)算可能的RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)可以用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，但是它不能偵測(cè)出偽結(jié)或是其他堿基對(duì)沒有全面網(wǎng)羅的情況較通用的方法有隨機(jī)上下文無關(guān)語法。Mfold是一個(gè)使用動(dòng)態(tài)規(guī)劃的網(wǎng)站。

比對(duì)

蛋白質(zhì)及RNA二級(jí)結(jié)構(gòu)都可以用在協(xié)助多序列比對(duì)。這種比對(duì)在加入有關(guān)的二級(jí)結(jié)構(gòu)資料后，可以變得更為準(zhǔn)確。但有時(shí)對(duì)RNA卻不太有用，這是由于RNA堿基對(duì)比序列更受到高度保存。一些不能比對(duì)一級(jí)結(jié)構(gòu)的蛋白質(zhì)，二級(jí)結(jié)構(gòu)有時(shí)亦可以找出它們之間的關(guān)系來。

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