模拟退火算法在蛋白质结构预测中的应用

论文摘要

在天然的蛋白质中,其最终的三维空间结构是由氨基酸序列(即一级结构)唯一确定,而蛋白质的三维空间结构在很大程度上决定着其生物学功能。研究人员也发现,人类的很多疾病与蛋白质的突变有关,因此了解蛋白质的空间结构显得尤为重要。目前,预测蛋白质结构的方法分为两种,即实验测定法和理论预测法。实验测定法不但非常耗时而且还受到实验条件的限制,并且随着研究的深入,实验测定的方法越来越无法满足研究的需要。同时,随着生物技术和计算机技术的进步,理论预测方法逐渐发展成为蛋白质结构预测的理想选择。越来越多的研究结果表明蛋白质结构预测属于NP问题,对于这类问题,目前不能找到普遍有效的方法解决。在不知道蛋白质天然折叠规律情况下,为解决这一问题,很多学者提出蛋白质结构的简化模型,这些简化模型现在已经成为研究蛋白质折叠基本性质的工具。本文在传统的模拟退火算法基础上,对于产生新解边界值的处理给出一种新方法,并把它应用到二维AB非格点模型。先对4条Fibonacci序列进行结构预测,得到较好的结果,表明算法对于蛋白质结构预测问题可行有效;接着把算法应用于两条真实蛋白质序列进行结构预测仿真,结果表明,得到的最小能量值优于传统模拟退火算法获得的结果。另外,本文也实现了张红娟改进的模拟退火算法,并应用于蛋白质结构预测。结果表明,本文算法得到的结果较优。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 生物学背景
• 1.2 研究的意义
• 1.2.1 蛋白质结构预测的生物学意义
• 1.2.2 蛋白质二级结构预测现状
• 1.2.3 蛋白质三级结构预测现状
• 1.3 论文的工作安排
• 2 蛋白质结构预测的相关知识
• 2.1 蛋白质分子的组成
• 2.2 蛋白质结构预测
• 2.2.1 蛋白质结构预测中涉及的方法
• 2.2.2 蛋白质二级结构预测研究方法
• 2.2.3 蛋白质三级结构预测研究方法
• 2.3 蛋白质数据库
• 2.4 蛋白质结构预测竞赛
• 2.4.1 CASP（Critical Assessment of Protein Structure Prediction）
• 2.4.2 CAFASP（Critical Assessment of Fully Automated Structure Prediction）
• 3 蛋白质结构预测优化模型
• 3.1 HP 格点模型
• 3.1.1 二维HP 格点模型能量函数
• 3.1.2 三维HP 格点模型能量函数
• 3.2 AB 非格点模型
• 3.2.1 二维AB 非格点模型
• 3.2.2 三维AB 非格点模型
• 4 模拟退火算法
• 4.1 传统的模拟退火算法
• 4.2 Metropolis 准则
• 4.3 模拟退火算法在蛋白质结构预测中应用的现状
• 4.4 改进的模拟退火算法
• 4.5 测试
• 4.6 改进的模拟退火算法在二维AB 非格点模型中的应用
• 4.6.1 Fibonacci 序列测试
• 4.6.2 真实蛋白质序列仿真
• 4.7 结果分析
• 4.8 本文的创新点
• 5 结论与讨论
• 参考文献
• 致谢