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二級結構（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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二級結構

生物學(xué)等學(xué)科中的生物巨分子

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(lái)定義的。在蛋白質(zhì)，二級結構則是以主鏈中氨基之間的氫鍵模式來(lái)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。而核酸的二級結構是以堿基之間的氫鍵來(lái)定義。在很多RNA分子，二級結構對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二級結構可以用電腦來(lái)提升預測準確性。而其他生物信息學(xué)的應用會(huì )使用一些二級結構的概念來(lái)分析RNA。

基本信息

中文名	二級結構
外文名	secondary structure
學(xué)科	生化
含義	生物巨分子

概述

二級結構在生物化學(xué)及結構生物學(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 )在三級結構中處理。

詳細信息

由于氫鍵與其他結構特征有所關(guān)聯(lián)，所以它所定義的二級結構會(huì )稍為不正式。就如蛋白質(zhì)螺旋，在拉曼強傳標繪圖的特定區域，通常會(huì )采用主鏈二面角。這樣，以這個(gè)二面角的區段都會(huì )被稱(chēng)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(xiàn)微分幾何的觀(guān)念，如曲率及扭量。而最不正式的，要算是結構生物學(xué)定以肉眼來(lái)決定及紀錄原子量級的二級結構。

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

編號

DSSP是“Define Secondary Structure of Proteins”的縮寫(xiě)，它是一編文章正式列出已知三維結構的蛋白質(zhì)二級結構。DSSP編號一般是用單一英文字母來(lái)描述蛋白質(zhì)二級結構。二級結構是根據氫鍵模式來(lái)指定的。

G：3轉角螺旋（亦即310螺旋）。最短長(cháng)度為3個(gè)殘基。

H：4轉角螺旋（α螺旋）。最短長(cháng)度為4個(gè)殘基。

I：5轉角螺旋（π螺旋）。最短長(cháng)度為5個(gè)殘基。

T：氫鍵轉角（3、4或5個(gè)轉角）。

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

B：獨立β橋內的殘基（一對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(lái)指定的，而有時(shí)則以C來(lái)代表卷曲或L來(lái)代表環(huán)。螺旋（即G、H及I）及折疊形態(tài)都需要一定的長(cháng)度。這即是指兩個(gè)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(huì )分別以T或B來(lái)編碼。當中亦有其他蛋白質(zhì)二級結構編號，但卻較少使用。

蛋白質(zhì)二級結構預測

早期蛋白質(zhì)二級結構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(shí)須聯(lián)同估計形成二級結構的能量的方法來(lái)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(gè)殘基），而演化過(guò)程提供了結構趨向更明確的圖畫(huà)。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。但是多序列對比可以發(fā)現，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，若在那位置檢測平均疏水性，亦會(huì )發(fā)現其殘基可溶性是與α螺旋一致。綜合來(lái)說(shuō)，這些因素顯示原先蛋白質(zhì)內甘胺酸是α螺旋結構，而非任意形。多種方法都會(huì )結合已有的數據來(lái)組成三種狀態(tài)的預測，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。現代預測方法亦可在每一個(gè)位置的預測結果提供信賴(lài)分數。

二級結構預測方法一直不斷地在校準，例如EVA實(shí)驗。基于約270個(gè)星期的測試，最準確的方法要算是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。最大改善的地方似乎是在β股的預測，因為所使用的方法會(huì )忽視一些β股段。整體上而言，最高的預測準確性只可以達90%，因DSSP的標準方法的性質(zhì)，與校準的預測相違背。

準確的二級結構預測是三級結構預測的重要原素。例如一個(gè)確定的βαββαβ二級結構模式，就是鐵氧化還原蛋白的記號。

蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)的二級結構包含局部殘基之間由氫鍵所調節的相互作用。最普遍的二級結構就是α-螺旋及β-折疊，此外還有β-轉角和無(wú)規卷曲。經(jīng)計算后發(fā)現其他螺旋，例如310螺旋及π螺旋，在能量上有著(zhù)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。緊的轉角、松開(kāi)及靈活的環(huán)會(huì )連結更多“規則的”二級結構。任意形并非真正的二級結構，但卻是一類(lèi)缺乏規則的二級結構的形態(tài)。

氨基酸在形成不同的二級結構上有著(zhù)不同的能力。脯氨酸及甘氨酸會(huì )在轉角上出現，并且可以瓦解α螺旋骨架的規則形態(tài)，但兩者卻有著(zhù)不正常的形態(tài)能力。在蛋白質(zhì)內采用螺旋形態(tài)的氨基酸有蛋氨酸、丙氨酸、亮氨酸、谷氨酸及賴(lài)氨酸（氨基酸單字母編號為“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(lái)看，這些都不足以構成一個(gè)可靠的方法來(lái)預測二級結構。

核酸

核酸亦有二級結構，大部份都是單股核糖核酸（RNA）分子。RNA二級結構可以分為螺旋（緊接的堿基對）及不同種類(lèi)的環(huán)（被螺旋圍繞的不成對核苷酸）。莖環(huán)結構是一個(gè)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(gè)螺旋結點(diǎn)）的基本單位。內環(huán)結構（在長(cháng)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(méi)有配對的堿基）亦很經(jīng)常會(huì )出現。最后，偽結及base triples亦會(huì )出現在RNA。

由于RNA二級結構差不多全都是由堿基對作為中介，它可以說(shuō)是確定在一個(gè)分子或復合物中哪些堿基成對。但是，傳統的華生—克里克堿基對并非唯一在RNA的配對方法，霍氏配對方法亦很普遍。

結構

生物信息學(xué)的其中一種應用是使用預測的RNA二級結構來(lái)搜尋用作RNA功能形式而非編碼的基因組。舉例來(lái)說(shuō)，小分子RNA有著(zhù)由小內環(huán)中斷的長(cháng)莖環(huán)結構。計算可能的RNA二級結構可以用動(dòng)態(tài)規劃方法，但是它不能偵測出偽結或是其他堿基對沒(méi)有全面網(wǎng)羅的情況較通用的方法有隨機上下文無(wú)關(guān)語(yǔ)法。Mfold是一個(gè)使用動(dòng)態(tài)規劃的網(wǎng)站。

比對

蛋白質(zhì)及RNA二級結構都可以用在協(xié)助多序列比對。這種比對在加入有關(guān)的二級結構資料后，可以變得更為準確。但有時(shí)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(zhì)，二級結構有時(shí)亦可以找出它們之間的關(guān)系來(lái)。

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