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蛋白质的分形特征研究

作　者: 彭鑫
导　师: 齐崴
学　校: 天津大学
专　业: 化学工程
关键词: 蛋白质分形理论分形维数结构功能动态光散射
分类号: Q51
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

像其他生物大分子如多糖和核酸一样,蛋白质是生物体内必需的组成部分,参与细胞内每一生命活动过程。几乎一切生命现象都要通过蛋白质来体现,因此研究蛋白质的结构和功能具有非常重要的意义。分形理论作为现代非线性科学研究中十分活跃的一个数学分支,被广泛应用于自然界和科学研究中产生的不规则和不可微的几何形体的研究和描述,其理论和应用已渗透到自然科学的各个领域。采用分形理论研究蛋白质的结构已有很多报道,本文将从模拟计算和实验测定两方面对蛋白质进行分形特性分析,具体内容和主要结论如下:1.采用重标极差分析方法对蛋白质的氨基酸序列进行分析,将蛋白质符号序列通过编码转化为数字序列,发现无论采用何种编码规则,都能得到理想的结果,即蛋白质序列类似于随机序列,可通过分形维数解析蛋白质序列与结构之间的关系。2.基于局域维数原理,推导出蛋白质骨架维数计算公式,可更准确且更易于理解地分析蛋白质的杂化轨道;运用这两种分形原理对蛋白质进行研究,结果表明:在N≤15时,蛋白质表现出分形行为,且骨架维数大于局域维数,两者之间的相关性较好;四类蛋白质分维值从大到小依次为α,α/β,α+β,β。3.采用链分维、质量分维和关联分维三种不同的分形原理计算了丝氨酸蛋白酶家族中四种酶(胰蛋白酶、胰凝乳蛋白酶、弹性蛋白酶、枯草杆菌蛋白酶)的分形维数;分析了酶蛋白的分形维数与空间构象以及二级结构含量之间的关系,结果表明:如果蛋白质的结构越相似,则分形维数越相近;反之,如果两个蛋白质的分形维数相差很大,则它们的结构亦差异很大;同时,分形方法还可用于研究蛋白质的进化关系;此外,对于蛋白质整体分维与活性中心分维之间的关系宜采用多重分形原理去解析。4.利用动态光散射技术对十种蛋白质溶液进行分析测定,结果表明:对于反常扩散的蛋白质溶液可采用动态光散射实验测定分形维数;同时考察了不同物化条件即温度、浓度、pH和尿素浓度对溶菌酶和牛血清蛋白的分形维数、扩散系数和流体力学半径的影响,得到蛋白质结构在相应环境下的变化规律,证明分形维数可用于表征蛋白质结构特性。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
前言  9-11
第一章文献综述  11-30
  1.1 蛋白质简介  11-19
    1.1.1 蛋白质的定义  11-12
    1.1.2 蛋白质的组成单位  12-13
    1.1.3 蛋白质的结构  13-17
      1.1.3.1 蛋白质的一级结构  13-14
      1.1.3.2 蛋白质的二级结构  14-15
      1.1.3.3 蛋白质的三级结构  15-17
      1.1.3.4 蛋白质的四级结构  17
    1.1.4 酶的结构与活性部位  17-18
      1.1.4.1 酶的结构  17
      1.1.4.2 酶的活性部位  17-18
    1.1.5 蛋白质数据库  18-19
      1.1.5.1 蛋白质结构数据库  18-19
      1.1.5.2 蛋白质结构分类数据库  19
  1.2 分形  19-26
    1.2.1 为什么产生分形几何？  20
    1.2.2 分形的定义和发展  20-23
      1.2.2.1 分形的定义  20-22
      1.2.2.2 分形的发展  22-23
    1.2.3 相似维数  23
    1.2.4 豪斯多夫维数  23-25
    1.2.5 盒维数  25-26
    1.2.6 关联维数  26
  1.3 蛋白质的分形研究  26-29
    1.3.1 蛋白质分形维数的模拟计算  27-28
    1.3.2 蛋白质分形维数的实验测定  28-29
  1.4 本课题主要研究内容  29-30
第二章蛋白质的序列分形维数  30-43
  2.1 模拟原理与方法  30-33
    2.1.1 蛋白质序列的数字化  30-32
    2.1.2 重标极差分析法（R/S分析法）  32-33
  2.2 模拟结果与讨论  33-42
    2.2.1 蛋白质的特征曲线图  34-36
    2.2.2 蛋白质的重标极差分析  36-38
    2.2.3 不同类蛋白质的性质  38-42
  2.3 小结  42-43
第三章蛋白质结构的骨架分维及分形杂化轨道  43-52
  3.1 模拟原理与方法  43-47
    3.1.1 蛋白质的局域分维  43-44
    3.1.2 基于局域维数的蛋白质骨架分维  44-45
    3.1.3 蛋白质的分形杂化轨道  45-47
  3.2 模拟结果与讨论  47-51
    3.2.1 模拟结果  47
    3.2.2 分析与讨论  47-51
  3.3 小结  51-52
第四章丝氨酸蛋白酶家族的分形分析  52-61
  4.1 模拟原理与方法  52-55
    4.1.1 蛋白质的链分形维数  52-54
    4.1.2 蛋白质的质量分形维数  54
    4.1.3 蛋白质的关联维数  54-55
  4.2 模拟结果与讨论  55-60
    4.2.1 模拟结果  55
    4.2.2 分析与讨论  55-60
      4.2.2.1 分形维数与结构之间的关系  55-59
      4.2.2.2 蛋白质整体与活性中心分形维数的关系  59-60
  4.3 小结  60-61
第五章蛋白质分子分形维数的实验测定  61-75
  5.1 实验部分  61-65
    5.1.1 材料和仪器  61-62
      5.1.1.1 材料  61-62
      5.1.1.2 实验仪器与设备  62
    5.1.2 实验原理和方法  62-65
      5.1.2.1 实验原理  62-64
      5.1.2.2 实验方法  64-65
  5.2 结果与讨论  65-73
    5.2.1 不同蛋白质溶液的动态光散射研究  65-66
    5.2.2 不同温度下蛋白质溶液的动态光散射研究  66-68
    5.2.3 不同浓度蛋白质溶液的动态光散射研究  68-69
    5.2.4 不同pH下蛋白质溶液的动态光散射研究  69-71
    5.2.5 不同尿素浓度下蛋白质溶液的动态光散射研究  71-73
  5.3 小结  73-75
第六章结论与展望  75-79
  6.1 结论  75-78
    6.1.1 本文研究中涉及的各种分形维数  75-76
    6.1.2 本文研究思路与结论  76-78
  6.2 展望  78-79
参考文献  79-87
发表论文和参加科研情况说明  87-88
致谢  88

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