【摘要】：蛋白質(zhì)是生命的物質(zhì)基礎(chǔ),是生命活動(dòng)的主要承擔(dān)者。蛋白質(zhì)行使各項(xiàng)生物功能都需要依賴于它的空間結(jié)構(gòu),因此蛋白質(zhì)生物學(xué)的核心是理解結(jié)構(gòu)與功能的映射關(guān)系。然而到目前為止,我們對(duì)于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的了解遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于對(duì)蛋白質(zhì)序列的了解,所以利用計(jì)算的方法對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行預(yù)測(cè)具有重要意義。蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)的方法已經(jīng)有很多,一般來(lái)說(shuō),都是要依據(jù)不同的策略生成大量的三維結(jié)構(gòu),之后再?gòu)闹刑暨x若干最“好”的結(jié)構(gòu)。因此,如何對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)對(duì)最終得到的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)具有重要影響。針對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)問(wèn)題,本文提出了一種基于三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(3DCNN)的深度學(xué)習(xí)方法。在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中,氨基酸之間、原子之間都會(huì)相互影響,它們之間的作用力最終決定了蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)。從另一方面來(lái)說(shuō),氨基酸在蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)中需要生存在適合于它的微環(huán)境中。因此,我們可以通過(guò)氨基酸與其微環(huán)境的適應(yīng)程度來(lái)對(duì)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文首先建立了本地的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù),并提取了結(jié)構(gòu)原始分布中的微環(huán)境特征,訓(xùn)練了一個(gè)3DCNN的氨基酸微環(huán)境模型。之后,對(duì)于需要評(píng)價(jià)的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu),根據(jù)得到的氨基酸微環(huán)境模型,通過(guò)分析該結(jié)構(gòu)中氨基酸與其微環(huán)境的適應(yīng)程度對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià),提出了所謂的基于3DCNN的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)方法。為驗(yàn)證本文方法的有效性,將所提出的算法和LDDT算法在CASP比賽2012年的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行得分的比較實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是,本文所提出的算法對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)得分要低于LDDT算法計(jì)算得分,但是得分與LDDT算法得分呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系。與使用常規(guī)蛋白質(zhì)評(píng)價(jià)方法相比,我們的三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)不同,我們使用微環(huán)境是否準(zhǔn)確作為標(biāo)準(zhǔn)。我們以大量的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)作為樣本對(duì)三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練,根據(jù)結(jié)果不斷調(diào)整模型的訓(xùn)練參數(shù),當(dāng)模型訓(xùn)練好以后,只需要預(yù)測(cè)出的結(jié)構(gòu)作為輸入就能得出一個(gè)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)評(píng)分。本文對(duì)三維卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了訓(xùn)練,對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行分析和對(duì)比,我們發(fā)現(xiàn)我們的模型評(píng)分與GDT的評(píng)分呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系,這樣的結(jié)論使我們?cè)跊](méi)有真實(shí)結(jié)構(gòu)條件下也能在眾多預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)中能夠挑選出較好的結(jié)構(gòu)。這樣結(jié)論也說(shuō)明3DCNN框架非常適合蛋白質(zhì)微環(huán)境的分析,可用于蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)。
【圖文】：

第 2 章 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)第 2 章 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)相關(guān)知識(shí)2.1 蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)2.1.1 蛋白質(zhì)基本單位蛋白質(zhì)作為一種自然界任何生命活動(dòng)都離不開(kāi)的生物大分子，其基本單位氨基酸，主要化學(xué)元素組成包含：碳、氮、氧、硫和氫。常見(jiàn)的氨基酸種類(lèi)一有 20 種，如圖 2.1 所示，所有的蛋白質(zhì)都是有這 20 中氨基酸脫水鏈接而成，水后形成的肽鏈中的氨基酸叫做殘基。

圖 2.2 氨基酸結(jié)構(gòu)通式氨基酸通過(guò)脫水縮合的方式組成一條肽鏈，脫水縮合是指氨基酸的氨基氫鍵和氧鍵，，另一個(gè)氨基酸斷掉氫基組合起來(lái)，斷掉的鍵組合成為水生成一個(gè)肽鍵同時(shí)生成一個(gè)水分子，如圖 2.3 所示氨基酸脫水過(guò)程。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP183;Q51

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