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IDF 33
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