蛋白質二級結構預測－基于氨基酸疏水性的預測方法

這種方法是一種用物理化學方法進行二級結構預測的方法，或稱為立體化學方法。在蛋白質中，氨基酸的理化性質對蛋白質的二級結構影響較大，因此在進行結構預測時考慮氨基酸殘基的物理化學性質，如疏水性、極性、側鏈基團的大小等，根據氨基酸殘基各方面的性質及殘基之間的組合預測可能形成的二級結構。“疏水性”是氨基酸的一種重要性質，疏水性的氨基酸傾向于遠離周圍水分子，將自己包埋進蛋白質的內部。這一趨勢加上空間立體條件和其它一些因素決定了一個蛋白質最終折疊成的三維空間構象。

20種氨基酸的疏水參數見下表：（高正值的氨基酸具有更大的疏水性，而低負值的氨基酸則更加親水）：

隨著蛋白質結構數據的積累，人們開始注意到一些較簡單的序列與結構關系。可以通過疏水氨基酸出現的周期性預測蛋白質的二級結構，利用各種氨基酸的疏水值定位蛋白質的疏水區域。Lim等人很早就對α螺旋和β折疊歸納出了一套預測模式。例如α螺旋的輪狀結構特征，輪的一側通常處于蛋白質的疏水核心，另一側則常處于親水表面。因此，α螺旋中親疏水氨基酸殘基的出現位置也就有一定的規律性，親水殘基多出現在親水側面，而疏水殘基則多出現在疏水側面，反映在序列上就是一些特征的親疏水殘基間隔模式。

疏水性氨基酸的位置有助于推斷蛋白質中二級結構的定位，通過顯示疏水氨基酸的分布分析二級結構。根據蛋白質序列中疏水性氨基酸出現模式，可以預測局部的二級結構。例如，當我們在一段序列中發現第i、i+3、i+4位是疏水氨基酸時，這一片段就被可以預測為α螺旋；當我們發現第i、i+1、i+4位為疏水氨基酸時，這一片段也可以被預測為α螺旋。同樣，對于β折疊，也存在著一些特征的親疏水殘基間隔模式，埋藏的β折疊通常由連續的疏水殘基組成，一側暴露的β折疊則通常具有親水-疏水的兩殘基重復模式。不過，由于β折疊受結構環境的影響較大，序列的親疏水模式不及α螺旋有規則。原則上，通過在序列中搜尋特殊的親疏水殘基間隔模式，就可以預測α螺旋和β折疊。

在Biou等人提出的點模式方法中，將20種氨基酸殘基分為親水、疏水以及兩性殘基三類，用八殘基片段表征親疏水間隔模式。以一個二進制位代表一個殘基，疏水為1，親水為0，共八位。這樣，八殘基片段的親疏水模式就可用1個0～255的數值來表示。α螺旋的特征模式對應的值為 9，12，13，17，??，201，205，217，219，237；β折疊的特征模式則由連續的1或交替的01構成。在進行二級結構預測時，根據氨基酸片段計算點模式，如果點模式的值為α螺旋的特征數，則片段預測為α螺旋；若為β折疊的特征數，則片段預測為β折疊。其余的預測為無規則卷曲。這種方法的三態預測準確率為55%左右，其中對無規則卷曲預測過多，而對β折疊則預測不足。當序列長度小于50時，準確率較高。

上述方法定性描述序列片段的親、疏水特征，通過特征模式識別來預測蛋白質的二級結構。另一種方法是直接計算序列片段的疏水性和疏水矩，并根據定量計算結果預測該片段對應的二級結構。序列片段疏水性計算的方法依賴于各個氨基酸殘基疏水值。對于一條蛋白質序列，用一個滑動窗口掃描該序列，計算滑動窗口下各個氨基酸的平均疏水值H和疏水矩H。窗口的寬度是可以調整的，一般取9～15殘基的窗口寬度，以獲得較多的信息和較小的噪聲干擾。平均疏水值H的計算公式如下

按照上述公式的計算結果，畫出整個蛋白質的疏水曲線，形成疏水性圖。通過分析這些圖譜，可以幫助預測蛋白質的二級結構