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第一部分 概论3

第1章 生物信息学与信息动力学3

1.1 生物信息学与定量化研究3

1.1.1 定量化的研究目标、内容与途径3

1.1.2 不同学科的作用与贡献5

1.1.3 生物信息学概论7

1.1.4 生物信息学的近期发展与未来动向10

1.2 第二、三代测序技术13

1.2.1 第一代核酸序列测量技术的发展原理13

1.2.2 第二代测序技术的原理与特征15

1.2.3 第二代测序平台16

1.2.4 第二代测序的应用18

1.2.5 测序技术的临床应用及展望20

1.3 信息动力学概述22

1.3.1 ID的目的与意义22

1.3.2 ID与物理学、生物学的关系24

1.3.3 对数据库的说明28

1.4 ID的基本原理与方法31

1.4.1 ID的基本方法之一：信息统计法31

1.4.2 几种重要类型的IDF33

1.4.3 由IDF产生的词法分析35

1.4.4 ID的基本方法之二：组合分析法39

1.4.5 点线图的基本知识43

1.5 语义分析概要46

1.5.1 词与词法分析要点46

1.5.2 词与句的关系数据库48

1.5.3 由关系数据库做有关语法问题的讨论50

1.5.4 词与句的网络结构52

1.5.5 PIDF的因子分解理论53

1.5.6 PIDF的运动分析与其他类型的分析56

第2章 蛋白质一级结构数据库的ID的计算与分析59

2.1 蛋白质一级结构数据库的ID计算59

2.1.1 蛋白质结构分析概论59

2.1.2 SP'06数据库的一般性质61

2.1.3 ID的计算结果与初步分析65

2.2 词法与句法分析72

2.2.1 词法分析72

2.2.2 词库D的极小化与极大化网络结构78

2.2.3 词与句的关系数据库81

2.3 相似蛋白质组的网络结构分析84

2.3.1 对相似蛋白质组的搜索计算84

2.3.2 相似蛋白质组的布尔网络结构89

2.3.3 利用相似蛋白质组做人造蛋白质的构造设计91

2.3.4 一些重要的小肽、寡肽与小蛋白95

2.4 蛋白质的IDF与PIDF分析102

2.4.1 计算结果与初步分析102

2.4.2 计算结果的初步统计分析104

2.4.3 协方差矩阵与相关矩阵的计算结果106

第3章 分子生物的参数控制系统与IDF的控制问题107

3.1 分子生物的参数控制系统107

3.1.1 一些基本概念107

3.1.2 对因子分解理论的补充说明108

3.1.3 生物参数控制系统的数学模型110

3.1.4 分子运动的动力学非线性控制系统112

3.2 数据阵列PIDF的运动分析113

3.2.1 PIDF运动分析的内容与意义113

3.2.2 数据阵列Ks的运动方程115

3.2.3 所有Ks数据阵列的运动区域119

3.2.4 驱动因子的运动分析123

3.3 蛋白质的判定问题123

3.3.1 训练集与检测集123

3.3.2 判定方法与它的依据125

3.3.3 蛋白质判定的计算结果与分析126

3.3.4 若干问题的分析与讨论127

3.4 蛋白质M-PIDF的频谱分析129

3.4.1 频谱分析概论129

3.4.2 M-PIDF的Four…ier变换131

3.4.3 不同长度蛋白质的频谱结构分析133

3.4.4 蛋白质数据库的频谱分析136

第4章 预备知识141

4.1 分子的空间结构表示141

4.1.1 分子结构的描述与表达141

4.1.2 有关数学工具的说明142

4.1.3 分子官能团的组合与分解144

4.2 空间结构的稳定性分析145

4.2.1 分子官能团的稳定性的定义145

4.2.2 不稳定质点系的描述与参数类型148

4.2.3 分子空间结构的综合分析149

4.3 分子结构的点线图表示149

4.3.1 分子点线图的定义149

4.3.2 分子点线图的分解与组合153

4.3.3 几种典型稳定的分子官能团的图表示156

4.3.4 点线图的一些子图结构159

4.3.5 点线图的组合与分解162

4.4 活动坐标系理论165

4.4.1 活动坐标系的定义与性质165

4.4.2 活动坐标系的构造166

4.4.3 分子点线图的其他坐标参数168

4.4.4 活动坐标系中的旋转变换理论169

第5章 四原子与多原子空间结构的几何模型171

5.1 四原子点的空间几何结构171

5.1.1 空间四原子点的结构表示与它们的参数系171

5.1.2 基本参数系的相互关系173

5.1.3 四原子点的位相分析176

5.1.4 四原子点参数的稳定性问题177

5.2 多原子点结构分析的几何理论178

5.2.1 有关记号与类型178

5.2.2 五原子点的参数系179

5.2.3 若干特殊四原子或五原子点180

5.2.4 一般多原子点的参数系183

5.3 四原子点分子在溶液中的随机运动184

5.3.1 随机运动的基本特征184

5.3.2 四原子点在溶液中的随机运动模型与参数分析185

5.3.3 关于转动角度取值范围的讨论187

5.3.4 扭角取值范围移动后的效果讨论188

第二部分 蛋白质的三维结构分析195

第6章 氨基酸的一般性质与它的分子官能团195

6.1 氨基酸概论195

6.1.1 氨基酸的化学成分与性质195

6.1.2 氨基酸的相互连接200

6.1.3 遗传密码子202

6.2 氨基酸的分子成分与结构特征分析204

6.2.1 氨基酸的分子结构模型204

6.2.2 氨基酸侧链中的非氢原子骨架图206

6.2.3 氨基酸侧链中非氢原子的层次函数表示208

6.3 氨基酸空间结构的分解与分析211

6.3.1 氨基酸中所有原子的表示211

6.3.2 氨基酸中存在基团的构造与类型213

6.3.3 氨基酸中的原子结构全图215

6.4 氨基酸中42种基本基团的结构计算216

6.4.1 基本基团的结构类型216

6.4.2 对丙氨酸的结构分析与计算218

6.4.3 对其他氨基酸花盆结构的计算与分析219

6.4.4 甘氨酸中的原子结构220

6.4.5 脯氨酸的原子结构222

第7章 氨基酸中具有稳定空间结构基团的计算与分析225

7.1 重要基团的计算结果225

7.1.1 对氨基酸不变部分原子结构的计算与分析225

7.1.2 具有中心点基团的计算227

7.1.3 具有环形环的侧链结构229

7.1.4 氨基酸侧链中有关基团镜像的讨论232

7.1.5 在活动坐标系下的计算232

7.2 氨基酸与氨基酸侧链的运动与变化模型234

7.2.1 氨基酸的全着色图234

7.2.2 氨基酸侧链的参数表达237

7.2.3 扭角分布的计算结果238

7.2.4 扭角取值分布曲线类型的讨论239

7.3 扭角在不同层次与活动坐标系中的取值分布241

7.3.1 扭角在不同层次中的运动与变化241

7.3.2 关于镜像的分布计算与分析243

7.3.3 氨基酸侧链的珠链模型246

7.3.4 氨基酸侧链第2层非氢原子点的类型与分析247

7.3.5 氨基酸侧链第2层非氢原子点的运动状况在活动坐标下的表示250

7.3.6 计算结果与分析252

7.3.7 氨基酸其他层次原子的扭角类型与计算256

7.4 氨基酸侧链参数表达的因子分解260

7.4.1 氨基酸侧链参数表达的基本数据与它们的特征数计算260

7.4.2 参数表达的主因子分析263

7.4.3 因子分解的计算结果与分析265

7.5 氨基酸空间结构分析中的其他问题268

7.5.1 氨基酸中氢原子位置的预测268

7.5.2 氨基酸空间结构分析小结270

7.5.3 氨基酸梢点的空间运动计算与分析272

第8章 蛋白质主链的三角形拼接带276

8.1 概论276

8.1.1 蛋白质三维结构概述276

8.1.2 主链三角形拼接带的类型与参数277

8.1.3 三角形拼接带的有关性质280

8.1.4 计算结果与分析281

8.2 对大、小三角形拼接带的结构分析283

8.2.1 小三角形拼接带的基本特征283

8.2.2 扭角分布与氨基酸的关系分析285

8.2.3 大、小三角形拼接带的关系分析289

8.3 三角形拼接带的其他性质292

8.3.1 三角形拼接带上下边的性质292

8.3.2 三角形拼接带的扭角转动293

8.3.3 三角形拼接带的平面展开295

8.3.4 计算公式与计算结果296

8.3.5 蛋白质主链小三角形拼接带的参数表达与因子分解297

第9章 主链的中位点曲线分析299

9.1 中位点曲线的定义与性质299

9.1.1 中位点曲线的定义记号与一般性质299

9.1.2 中位点曲线的有关参数的性质300

9.1.3 计算模型与结果303

9.1.4 初步统计分析结果304

9.2 利用中位点曲线对蛋白质二级结构关系的讨论306

9.2.1 蛋白质空间结构中的一些特殊结构306

9.2.2 中位点曲线在二级结构分析中的应用307

9.2.3 实例分析310

9.2.4 对血红蛋白的分析314

9.3 中位点曲线的特征分析319

9.3.1 中位点曲线的平面展开图的特征分析319

9.3.2 蛋白质中位点曲线的一些重要指标322

9.3.3 对蛋白质总体指标的计算结果与说明324

9.4 对计算结果的分析与说明327

9.4.1 对α螺旋结构的分析与判定327

9.4.2 对一些不同类型蛋白质实例的分析329

第10章 部分原子的空间结构分析331

10.1 二氨基酸序列中部分原子的空间结构331

10.1.1 部分已知结论的回顾331

10.1.2 关于A,C,O.H',N',A'六原子点的特性讨论333

10.1.3 部分原子点位置的预测335

10.1.4 二氨基酸序列双底座原子集合空间结构的讨论337

10.1.5 对三氨基酸序列中部分原子的计算339

10.1.6 出现脯氨酸的情形340

10.2 蛋白质中位点曲线的参数系数与蛋白质的判定算法之二342

10.2.1 由二肽或三氨基酸序列对中位点曲线转角扭角的计算342

10.2.2 二氨基酸序列的折叠系数分析344

10.2.3 蛋白质折叠系数的定义与计算347

10.2.4 蛋白质的判定条件之二与判定结果348

10.3 多氨基酸序列侧链的运动350

10.3.1 多氨基酸序列主链与侧链的关系图350

10.3.2 主要计算结果与初步统计分析352

10.3.3 两组六原子点的结构分析353

10.3.4 计算结果与分析355

10.4 侧链在活动坐标系中的运动分析359

10.4.1 二肽与三氨基酸序列的活动坐标系359

10.4.2 B与Γ原子的运动坐标361

10.4.3 B原子点与梢点Γ在不同二肽与三肽的不同类型364

第11章 结构域与侧链的修饰371

11.1 概论371

11.1.1 部分重复序列与结构域的构造问题371

11.1.2 侧链修饰的研究375

11.1.3 重复序列在蛋白质数据库中的表达376

11.2 在α螺旋中侧链的修饰377

11.2.1 α螺旋的结构模型377

11.2.2 计算结果379

11.2.3 计算结果的分析383

11.3 β折叠与其他特殊结构的讨论分析388

11.3.1 β折叠的结构分析388

11.3.2 关于Ω结构的讨论392

11.3.3 蛋白质局部三维结构的综合讨论393

11.4 结构域与Model的结构特征问题394

11.4.1 结构域的类型与特征395

11.4.2 血红蛋白的结构域395

11.4.3 蛋白质中的Model结构397

11.4.4 蛋白质三维结构的预测与CASP比赛399

第三部分 蛋白质结构的动力学分析407

第12章 有关分子动力学的基础知识407

12.1 有关统计力学的一些基本知识407

12.1.1 统计力学中的一些基本概念与公式407

12.1.2 原子与分子在溶液中的随机运动409

12.1.3 原子与分子之间的相互作用411

12.1.4 原子与分子之间的一些能量参数412

12.2 化学反应的基本知识415

12.2.1 原子与分子的特征与化学反应的基本方程415

12.2.2 化学反应的基本类型416

12.2.3 化学反应的基本规律418

12.2.4 化学反应中的能量分析419

12.2.5 化学反应中的动力学指标、平衡系数与反应速率420

12.3 几种重要的生物分子官能团与它们的化学反应424

12.3.1 一些重要的分子官能团424

12.3.2 几种重要的化学反应的类型与方程式426

12.3.3 化学反应的动力学特征分析428

12.3.4 催化反应简介430

12.4 水与溶液的分子动力学特征432

12.4.1 水分子的形态特征432

12.4.2 水分子与其他分子官能团的相互作用433

12.4.3 水与溶液分子的动力学435

12.4.4 与溶液有关的动力学指标436

第13章 蛋白质三维结构中的动力学问题439

13.1 蛋白质空间结构形成过程中动力学的几个基本观点439

13.1.1 关于蛋白质空间结构形成过程的讨论439

13.1.2 自由能与结合能441

13.1.3 动力学模型中的基本特征443

13.1.4 运动方程的可计算性与收敛性问题446

13.2 关于自由能的讨论447

13.2.1 有关自由能定义的讨论447

13.2.2 用负KL-互熵作分子内部自由能定义的合理性问题449

13.2.3 KL-互熵的可计算性问题449

13.2.4 KL-互熵的近似计算452

13.3 KL-互熵的估计与计算453

13.3.1 简化计算的考虑依据453

13.3.2 计算结果与初步讨论分析454

13.3.3 蛋白质判定条件之三456

13.3.4 蛋白质的KL-互熵与PIDF的关系讨论458

第14章 蛋白质的分子动力学特征分析461

14.1 蛋白质分子动力学的特性要点461

14.1.1 蛋白质空间结构中的结合能461

14.1.2 蛋白质的活性特征分析462

14.1.3 蛋白质三维折叠速率与瞬时速率的因素分析465

14.1.4 蛋白质空间结构内部的结合能466

14.2 化学键的动力学特性467

14.2.1 化学键的一些基本特征467

14.2.2 蛋白质中化学键的类型分析469

14.2.3 其他非固定共价键的讨论472

14.2.4 非固定化学键的动力学475

14.3 氢键与范德华力的动力学特性476

14.3.1 氢键的形成条件与特征477

14.3.2 蛋白质中可能产生氢键的类型分析478

14.3.3 范德华力的动力学分析478

14.4 氨基酸与蛋白质中极性问题的讨论480

14.4.1 极性的一般理论480

14.4.2 氨基酸与蛋白质中部分原子的极性讨论482

第15章 对氢键、离子键与共价键的搜索、计算与讨论484

15.1 搜索计算方法与结果484

15.1.1 对不同类型键的搜索与判别484

15.1.2 搜索与计算结果485

15.1.3 计算结果的初步分析486

15.2 对化学键与氢键的进一步分析488

15.2.1 对二硫键与离子键的分析489

15.2.2 关于非固定共价键的分析492

15.2.3 对氢键的补充分析495

15.3 氨基酸的动力学倾向性因子与分子聚合团的分析496

15.3.1 氨基酸的动力学倾向性因子分析496

15.3.2 双氨基酸的动力学倾向性因子498

15.3.3 分子聚合团的定义与计算501

参考文献507

索引518