第８卷第３期 ２ ０ １ ０年９月 生物信息学 Ｃｈｉｎａ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ＢｉｏｉｎｆＧＩｒｍａｔｉｃｓ Ｖ０１．８ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．，２０１０
蛋白质二级结构预测方法的评价
孟翔燕 ，孟军 ，葛家麒 （１．东北农业大学理学院，哈尔滨１５００３０；２．国家大豆工程技术中心，哈尔滨１５００３０） 摘要：目前评价蛋白质二级结构预测方法主要考虑预测准确率，并没有充分考虑方法自身参数对方法的影响。本文提出一种 新型评价方法，将内在评价与外在评价相结合评价预测方法的优劣。以基于混合并行遗传算法的蛋白质二级结构预测方法 为例，通过内在评价，合理选取内在参数——切片长度和组内类别数，有效提高预测准确率，同时，通过外在评价，与其他基于 随机算法的蛋白质二级结构预测算法比较和与ＣＡＳＰ所提供的结论比较，说明了方法的有效性与正确性，以此验证内在评价 和外在评价的客观性、公正性和全面性。 关键词：蛋白质二级结构预测方法；内在评价；外在评价 中图分类号：Ｑ５１８．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７２—５５６５（２０１０）一０３—２０６—０４
Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ａｓｓｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｐｒｏｔｅｉｎ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ＭＥＮＧ Ｘｉａｎｇ—ｙａｎ ，ＭＥＮＧ Ｊｕｎ ，ＧＥ Ｊｉａ—ｑｉ （Ｊ．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅ；Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００３０，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｓｏｙｂｅａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｕｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｏｆ Ｃｈｉｎａ，Ｈａｒｂｉｎ １５００８６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ａｓｓｅｓｓｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｐｒｏｔｅｉｎ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｏｎ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｎｏｔ ｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔｌｙ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｎｅｗ ｅｖａｌｕａ— ｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈ ａｓｓｅｓｓｅｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂｙ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅｖａｌ— ｕａｔｉｏｎ．Ｗｉｔｈ ｐｒｏｔｅｉｎ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｈｙｂｒｉｄ ｐａｒａｌｌｅｌ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ．ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎ・ ｔｅｒｎａｌ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ（ｓｌｉｃｅ ｌｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｇｒｏｕｐ ｃｌａｓｓ ｎｕｍｂｅｒ）ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｐｒｅ ｄｉｃｔｉｏｎ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｅｖａｌｕ— ａｔｉｏｎ；ｏｎ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｈａｎｄ，ｉｔｓ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｗｉｔｈ ｐｒｏｔｅｉｎ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｔｈｅｒ ｒａｎｄｏｍ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ａｎｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ ｂｙ ＣＡＳＰ ｓｈｏｗｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ ａｎｄ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｅｘａｍｐｌｅ ｖｅｒｉｆｉｅｓ ｏｂｊｅｃｔｉｖｉｔｙ，ｉｍｐａｒｔｉａｌｉｔｙ ａｎｄ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｎｅｓｓ ０ｆ ｉｎｔｅｒｎａｌ ａｎｄ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｒｏｔｅｉｎ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ；ｉｎｔｅｒｎａｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ；ｅｘｔｅｒｎａｌ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ 蛋白质虽然是由氨基酸的线性序列组成，但是 它们只有折叠成特定的空间构象才能具有相应的活 性和生物学功能。了解蛋白质的空间结构不仅有利 于认识蛋白质的功能，也有利于认识蛋白质是如何 执行其功能的。蛋白质结构共分为四级，三级和四 级结构的预测都要建立在二级结构预测的基础之 上，而一级结构就是氨基酸序列，因此蛋白质二级结 构的预测成为了研究蛋白质结构及其功能的一个关 键问题。 在过去的几十年中，几十种预测蛋白质二级结 构的算法不断产生。而一种预测方法的优劣主要体 现在预测准确率上，这样就产生了比较和分析预测 准确率的评价方法，经常使用的评价方法有两种：Ｑ． 方法和修正的ＳＯＶ方法…。Ｑ；方法给出的是单个 氨基酸的预测准确率。ＳＯＶ方法最初由Ｒｏｓｔ等 人ｌ２ 提出，它是基于二级结构片段的衡量方法。修 正的ＳＯＶ方法 改进了原始的规范化过程，并被广 泛的使用在ＣＡＳＰ大赛中（ＣＡＳＰ是２年一度的针对 人工干预的蛋白质结构预测评比活动ｈｔｔｐ：／／ｐｒｅ． ｄｉｃｔｉｏｎｃｅｎｔｅｒ．ｇｃ．ｕｃｄａｖｉｓ．ｅｄｕ／）。 目前评价蛋白质二级结构预测算法主要考虑自 身方法与其他方法的比较，并没有充分考虑算法本 身参数对算法的影响以及不同预测算法之间存在的 差异，所以仅用Ｑｉ方法和修正的ＳＯＶ方法对预测 算法进行评价并不能客观、公正的评价一种预测算 法的优劣性。如何对预测算法进行比较与评价，是 研究中经常遇到的一个难题。本文提出从内在评价 和外在评价两方面对蛋白质二级结构预测算法给予 收稿日期：２００９—０７—１３；修回日期：２０１０—０３—１６． 基金项目：东北农业大学科技创新项目ＣＸＺ０１０—３。 作者简介：孟翔燕，女，汉，黑龙江哈尔滨人，硕士，副教授，Ｅ—ｍａｉｌ：ｍｘｙ２００４０４０７＠１２６．ｃｏｒｎ． ｝通讯作者：孟军，男，汉，黑龙江哈尔滨人，教授，博士生导师，Ｅ—ｍａｉｌ：ｍｅｒｄ＠ｍａｉｌ
蛋白质的一级结构是指多肽链中的氨基酸序列（及二硫键的位置）。
蛋白质的二级结构主要包括α-螺旋、β-折叠、β-转角，常见的二级结构有α-螺旋和β-折叠，它通过骨架上的羰基和酰胺基团之间形成的氢键维持，氢键是稳定二级结构的主要作用力。
蛋白质的三级结构是由一级结构决定的，每种蛋白质都有自己特定的氨基酸排列顺序，从而构成其固有的独特的三级结构。有一条多肽链构成的蛋白质，具有三级结构才具有生物学活性，三级结构一旦破坏，生物学活性便会消失。
蛋白质的四级结构是多亚基之间相互作用，交联形成更复杂的构象。
蛋白质的四级结构是指蛋白质分子中各个亚基的空间排布及亚基接触部位的布局和相互作用。蛋白质分子中各个亚基有的彼此结合，有的互不接触；有的呈共价结合，有的呈离子结合。通过这种构象的调整，蛋白质可以行使它的功能。因此，蛋白质的四级结构是蛋白质功能的基础。
在四级结构中，各个亚基的结合方式可以有多种，包括共价结合、离子结合、氢键结合等。共价结合是最常见的亚基结合方式之一，它通常是通过二硫键、二氢键、酯键等化学键将亚基连接在一起。离子结合也是常见的亚基结合方式之一，它通常是通过阳离子和阴离子之间的相互作用将亚基连接在一起。氢键结合也是四级结构中常见的结合方式之一，它通常是通过氢原子和电负性原子之间的相互作用将亚基连接在一起。
除了以上三种结合方式外，四级结构中亚基的排列顺序也是影响其功能的重要因素之一。例如，有些蛋白质的亚基排列顺序是按照特定的顺序排列的，这种排列顺序可以影响蛋白质的活性、稳定性以及与其他分子的相互作用等。
总之，蛋白质的四级结构是蛋白质功能的基础，它不仅影响蛋白质的活性、稳定性等特性，还影响蛋白质与其他分子的相互作用。因此，研究蛋白质的四级结构对于理解蛋白质的功能和设计新的蛋白质药物具有重要意义。
蛋白质的二级结构名词解释
蛋白质的二级结构是指蛋白质链内各个氨基酸残基之间的局部空间排列方式。蛋白质的二级结构有两种基本形式，即α-螺旋和β-折叠。
α-螺旋是指蛋白质链形成类似于螺旋形状的结构。在该结构中，蛋白质链围绕一个共轴线旋转，氨基酸残基间通过氢键相互连接。α-螺旋的氨基酸残基通常以右旋方式排列，每转一圈约含有3.6个氨基酸残基，每个氨基酸残基之间的距离为0.15纳米。α-螺旋结构稳定且具有较高的强度，这是由于螺旋形状的特殊排列方式能够最大限度地使氨基酸的侧链与水相互作用，增强了蛋白质的结构稳定性。
β-折叠是指蛋白质链形成折叠的片段，由多个β-折叠片段根据空间排列方式组成。在β-折叠结构中，相邻的β-折叠片段通过氢键相互连接，形成折叠的三维结构。β-折叠通常具有平行或反平行两种排列方式，平行排列的β-折叠片段的氢键方向相同，而反平行排列的β-折叠片段的氢键方向相反。β-折叠结构具有较高的稳定性和强度，能够有效地保持蛋白质的空间构型。
蛋白质的二级结构是由蛋白质内部氨基酸残基间的氢键相互作用所决定的。氢键是指氢原子与较电负的原子（通常是氧原子或氮原子）间的强烈吸引力。在蛋白质中，氨基酸中的羧基与氨基之间的氢键是二级结构形成的关键。氨基酸中的羧基中的氧原子能够与其他氨基酸中的氨基中的氮原子形成氢键，从而促使蛋白质链形成稳定的结构。
蛋白质的二级结构对蛋白质的功能起着至关重要的作用。它们不仅决定了蛋白质的整体空间构型，还影响了蛋白质的活性、稳定性和相互作用。许多生物活性分子如酶、抗体和激素等都依赖于特定的二级结构才能发挥作用。因此，研究蛋白质的二级结构对于揭示蛋白质的功能机制、设计新药物以及解决生物学中其他重要问题具有重要的意义。
- 1 - 简述蛋白质的一二三四级结构
蛋白质的一二三四级结构是生命科学中最基本也是最重要的概念之一。它们构成了我们所知道的生物体的基本结构，包括细胞器，细胞膜，细胞壁，以及许多其他细胞器官，并在细胞的各个阶段都起着重要的作用。这就是蛋白质的一二三四级结构的重要性。
说起来，蛋白质的一二三四级结构一共有四个层次，具体来说就是原子，分子，结构和超级结构。
首先，蛋白质的一级结构指的是蛋白质由多个单糖单脂肪酸链构成的结构。它们是细胞最基本的组成部分，其组成学称为“氨基酸”。他们大小形状不同，数量也不同，它们可以用来构成各种不同形状和功能，也就是蛋白质的一级结构。
蛋白质的二级结构指的是蛋白质的分子结构，也就是氨基酸链的结构。这种结构由多个氨基酸通过硫键形成的二级结构，它们有助于增强蛋白质的稳定性，使其能够承受体外活性力，这也是蛋白质的二级结构的重要意义。
蛋白质的三级结构指的是蛋白质的折叠结构，它包括α螺旋，β折叠，π折叠和ππ桥等类型结构，其中α螺旋是最常见的结构，其中氨基酸链形成一种特殊的结构，形成了一种“手腕”状结构，使蛋白质具有更好的吸水性，有助于增强蛋白质的功能性，这也是蛋白质的三级结构的重要意义。
最后，蛋白质的四级结构指的是蛋白质的超级结构。它是蛋白质结构的最后一步，也是最重要的步骤。通过超级结构，蛋白质能够形 - 2 - 成更加完整的结构，增强其功能性，也更容易被生物体识别。这样，蛋白质的四级结构就发挥了关键作用。
总的来说，蛋白质的一二三四级结构是生命科学中最基本也是最重要的概念之一。一级结构指的是蛋白质由多个单糖单脂肪酸链构成的结构，二级结构指的是蛋白质的分子结构，三级结构指的是蛋白质的折叠结构，而四级结构指的是蛋白质的超级结构。这就是蛋白质的一二三四级结构的重要性。
蛋白质一二三四级结构可以被用来研究一系列问题，从而理解蛋白质的功能，比如蛋白质催化，蛋白质结构，蛋白质活性结合和蛋白质与细胞功能相关的研究。因此，这些研究从技术上说起着重要的作用。
