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蛋白质分子三维结构表面建模的研究

作　者: 闫玉娇
导　师: 宋晓峰
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 生物医学工程
关键词: 蛋白质分子分子表面分子三维结构可视化系统表面结构参数 ProtCC CCI
分类号: Q51
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

蛋白质是生物体的基本构件，几乎一切生命现象都要通过蛋白质分子的结构和功能体现出来，而蛋白质分子的结构决定了其行使的功能，尤其是蛋白质分子表面结构对功能影响最大，它决定了蛋白质分子的形状、表面电荷分布及具有重要功能的氨基酸残基的空间排列。因此，从蛋白质分子结构上来推断和确定蛋白质分子的功能对于结构基因组学研究的不断推进有重要的意义。随着分子图形学的不断发展，根据现有蛋白质结构数据库对已知蛋白质分子三维结构可视化，可以更加直观、清晰的获得与生物功能相关的信息。目前各种蛋白质分子三维可视化系统已经广泛用于生物学研究中，且功能在不断完善，但大多数系统都没有实现对蛋白质分子表面结构参数的计算和直观显示。因此，基于蛋白质分子表面结构特征，实现分子表面参数的计算和可视化具有重要意义。本文首先对蛋白质分子三维结构数据文件进行仔细分析，在此基础上对蛋白质分子的VDW模型、球棍模型、飘带模型和分子表面模型进行合理构建。在分子表面建模中，本文研究并实现了一种基于蛋白质分子溶剂外部表面的三角网格生成算法，该算法稳定性好，提高了分子表面网格构建的效率；同时，提出了一种蛋白质分子表面原子曲率的计算方法，实现了分子表面曲率和形状指数等特征参数的计算。这些表面结构参数对蛋白质分子的稳定性、分子间的相互识别以及分子三维结构预测等研究都有重要的作用。本文还从蛋白质分子表面原子出发，提出了一种新的描述蛋白质分子表面凹凸性质的参数——凹凸指数CCI。通过对蛋白质相互作用位点以及泛素化位点CCI值的统计研究，预示着利用该参数不仅可以有效的检测出分子表面的凹凸区域，同时该参数的可视化可以直观反映蛋白质相互作用位点以及所能容纳配体的大小和形状。这将有助于我们预测蛋白质分子之间的对接以及新药物的合理设计。最后本文利用OpenGL技术开发了ProtCC系统，实现了多种模式的蛋白质分子三维结构显示，以及蛋白质分子表面结构参数计算及可视化。同时，该系统提供了蛋白质分子表面特定氨基酸分布情况可视化功能，为我们全面直观的分析蛋白质表面物理性质对蛋白质分子功能的影响提供了更加坚实的基础。此外，本文还对ProtCC系统进行优化，实现了高质量和高效率的分子三维结构显示。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-15
第一章绪论  15-22
  1.1 论文研究背景  15-18
    1.1.1 蛋白质结构和其功能的关系  15
    1.1.2 蛋白质分子结构可视化  15-18
      1.1.2.1 蛋白质分子结构可视化意义  15-16
      1.1.2.2 蛋白质分子结构数据库介绍  16-18
  1.2 研究进展  18-19
  1.3 研究方案及关键问题  19-21
    1.3.1 研究方案  19-20
    1.3.2 关键解决问题  20-21
  1.4 论文工作与结构  21-22
    1.4.1 论文工作  21
    1.4.2 论文结构  21-22
第二章蛋白质分子三维模型建立  22-29
  2.1 蛋白质模型介绍  22
  2.2 VDW 模型（Van der Waals Model）  22-24
    2.2.1 基本原理和构建方法  22-23
    2.2.2 绘制方法  23-24
  2.3 球棍模型（Ball and Stick Model）  24-26
    2.3.1 模型表示方法  24
    2.3.2 模型几何构建算法  24-25
    2.3.3 模型绘制  25-26
  2.4 飘带模型（Ribbon Model）  26-28
    2.4.1 模型表示方法  26
    2.4.2 模型几何构建算法  26-27
    2.4.3 模型绘制  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第三章蛋白质分子表面模型建立  29-40
  3.1 蛋白质分子表面模型介绍  29
  3.2 蛋白质分子表面定义  29-30
  3.3 蛋白质分子表面模型构建  30-39
    3.3.1 溶剂外部表面的拓扑结构  31-32
    3.3.2 凹球面构建  32-33
    3.3.3 马鞍面构建  33-38
      3.3.3.1 ei 有两个相邻的面  33-35
      3.3.3.2 ei 没有相邻的面  35-37
      3.3.3.3 ei 有两个以上相邻的面  37-38
      3.3.3.4 马鞍面的自相交处理  38
    3.3.4 凸球面构建  38-39
  3.4 蛋白质分子表面模型绘制  39
  3.5 本章小结  39-40
第四章蛋白质分子表面结构参数计算与分析  40-52
  4.1 蛋白质分子表面结构参数  40
  4.2 表面曲率计算  40-46
    4.2.1 表面三角网格的构建  41-42
    4.2.2 三角网格模型顶点法矢向量计算  42-43
    4.2.3 二次曲面拟合  43-44
    4.2.4 表面曲率计算  44-45
    4.2.5 表面面片法矢方向调整  45-46
  4.3 形状指数 SI 计算与可视化  46-47
    4.3.1 SI 定义和计算  46-47
    4.3.2 SI 可视化  47
  4.4 凹凸指数 CCI 计算与可视化  47-48
    4.4.1 CCI 定义和计算  47-48
    4.4.2 CCI 可视化  48
  4.5 蛋白质分子表面参数分析  48-51
    4.5.1 蛋白质分子表面匹配度或相似度的曲率分析  48-49
    4.5.2 异源二聚体和同源二聚体相互作用位点 SI 值分析  49-50
      4.5.2.1 统计方法  49
      4.5.2.2 结果分析  49-50
    4.5.3 蛋白质间相互作用的 CCI 值分析  50-51
  4.6 本章小结  51-52
第五章蛋白质分子表面物理性质对其功能稳定性的影响  52-56
  5.1 氨基酸物理性质分类  52-53
  5.2 蛋白质分子表面酸碱性分析  53
  5.3 蛋白质分子表面极性非极性分析  53-54
  5.4 蛋白质分子表面亲疏水性分析  54-55
  5.5 本章小结  55-56
第六章蛋白质分子三维结构可视化系统的设计和实现  56-76
  6.1 分子可视化软件介绍  56-57
  6.2 OpenGL 与其他 3D 技术比较  57-58
  6.3 ProtCC 可视化系统功能设计和实现  58-75
    6.3.1 蛋白质分子文件预处理  58-59
    6.3.2 ProtCC 系统实现  59-64
      6.3.2.1 开发环境和运行环境  59
      6.3.2.2 系统功能  59-60
      6.3.2.3 系统结构  60-62
      6.3.2.4 系统主要程序设计  62-64
    6.3.3 系统优化  64
    6.3.4 系统实现效果测试  64-71
    6.3.5 系统性能分析  71-75
      6.3.5.1 系统内存消耗分析  72-74
      6.3.5.2 系统图像渲染速度分析  74-75
  6.4 本章小结  75-76
第七章工作总结与展望  76-78
  7.1 论文主要工作总结  76-77
  7.2 进一步工作和展望  77-78
参考文献  78-82
致谢  82-83
在学期间的研究成果及发表的学术论文  83-84
附录  84-86

蛋白质分子三维结构表面建模的研究

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