FoldingZero: Protein Folding from Scratch in Hydrophobic-Polar Model
University of Florida（佛罗里达大学）
从氨基酸序列预测蛋白质结构是计算生物学中最具挑战性的问题之一。疏水极性模型是蛋白质折叠的一种广泛研究的数学模型，它可以深入研究蛋白质结构的形成和演化。HP模型虽然离散了构象空间，简化了折叠能函数，但已被证明是NP完全问题。在本文中，我们提出了一种新的蛋白质折叠框架FoldingZero，基于深度强化学习从头开始自折叠一个从头开始的蛋白质2D HP结构。FoldingZero采用了双头（策略头和值头）深度卷积神经网络（HPNet）和正则化树置信上限（R-UCT）的耦合方法。它完全由强化学习算法训练，该算法通过迭代策略优化迭代地改进HPNet和R-UCT。在没有任何监督和领域知识的情况下，FoldingZero不仅获得了可比的结果，而且还学习了潜在的折叠知识以稳定结构。在没有指数计算的情况下，FoldingZero显示出用于现实世界蛋白质性质预测的潜力。
2018-12-03 cs.AI cs.LG q-bio.BM
Potential for modulation of the hydrophobic effect inside chaperonins
尽管一些体外蛋白质折叠反应具有自发性，但体内天然折叠通常需要称为伴侣蛋白的桶形多聚体复合物的参与。虽然早已知道伴侣蛋白底物在伴侣蛋白桶内隔离时折叠，但限制在该空间内促进折叠的精确机制仍然未知。在这项研究中，我们研究的可能性，伴侣蛋白介导一个有利的重组溶剂的折叠反应。首先，我们讨论了静电荷对溶剂介导的疏水力在水性环境中的影响。基于这些初始的物理参数，我们构建了一个简单的，唯象理论的密度和氢键序波动的热力学在液态水。在这个模型的框架内，我们调查的效果限制在一个类似伴侣蛋白的空腔上的水的构型自由能计算溶剂的自由能对应于不同的构象状态的空腔中的ATP驱动的原核伴侣蛋白GroEL的催化循环。我们的研究结果表明，伴侣蛋白的功能之一可能是捕获未折叠的蛋白质，并随后将它们暴露在一个微环境中，在该微环境中，疏水效应，折叠的一个关键热力学驱动力，得到增强。
2008-02-05 q-bio.BM
Entropic formulation for the protein folding process: hydrophobic stability correlates with folding rates
我们假设蛋白质折叠过程遵循两个自主步骤：主要由疏水效应决定的对天然蛋白质的构象搜索;以及最终的调整阶段，最终使天然蛋白质稳定。我们的主要调查工具是一个三维晶格模型提供了一个十个字母的字母表，立体化学模型。这个模型是为蒙特卡罗（MC）模拟而设计的，当人们记住溶液中蛋白质样链的动力学行为时。为了通过两种不同的采样方法来表征折叠特征时间（τ），首先我们对快速蛋白质样序列进行了两组10^{3} MC模拟。对于这些折叠时间组，τ和τ_{q}分别用标准Metropolis算法（MA）和改进的算法（M_{q} A）得到。τ_{q}的结果揭示了两件事：i）疏水链-溶剂相互作用加上一组残基间的空间位阻约束足以模拟过程的第一阶段：对于10^{3}个MC中的每一个进行的模拟，总是无一例外地发现了原生的，ii）比率τ_{q}/τ~1/3表明，局部热起伏的影响，包括在Tsallis权重中，提供了一个固有的效率，从能量和空间陷阱链逃逸。...
2016-07-26 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Hydrophobic and ionic-interactions in bulk and confined water with implications for collapse and folding of proteins
水和水介导的相互作用决定了蛋白质折叠、蛋白质聚集和在有限空间中自组装的热力学和动力学。为了深入了解水在折叠问题中的作用，我们描述了一些相关模型系统的计算机模拟。二十烷的塌缩动力学表明，在排出水时，线性烃链采用具有1.5圈的有序螺旋发夹结构。二十烷分子的二聚体的结构具有两个彼此垂直堆叠的有序螺旋发夹。作为研究受限空间中折叠的前奏，我们使用模拟来了解纳米液滴中疏水和离子相互作用的变化。在纳米水滴中，疏水和带电物种的溶剂化发生了剧烈的变化。疏水性物种定位在边界处。离子在水密度低的边界处的倾向随着电荷密度的降低而增加。疏水性、极性和带电残基之间的相互作用在密闭空间中也发生了深刻的变化。使用计算机模拟的结果，并占链熵损失后限制，我们认为，然后证明，使用模拟在明确的水，通用两亲性肽序列的有序状态应稳定在圆柱形纳米孔。
2011-05-05 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
Protein folding simulations in the hydrophobic-polar model using a hybrid cuckoo search algorithm
蛋白质是含有一组氨基酸的线性链，其自身折叠以产生特定的天然结构，也称为最小能量构象。正是天然结构决定了每种蛋白质的功能。蛋白质折叠问题一直是计算生物学和化学生物学中的难题之一。PFP的主要挑战是通过仅考虑其氨基酸序列来预测给定蛋白质的最佳构象。由于构象空间包含非常大量的构象，即使在处理短序列时，也已经开发并应用了不同的简化模型以使PFP不那么复杂。在过去的几年里，已经提出了许多计算方法来解决PFP。它们是基于简化的晶格模型，如疏水极性模型。本文提出了一种新的混合布谷鸟搜索算法（Hybrid Cuckoo Search Algorithm，HCSA）来求解3D-HP蛋白质折叠优化问题。我们所提出的算法包括结合布谷鸟搜索算法（CSA）与爬山（HC）算法。不同的基准序列的仿真结果，并比较国家的最先进的算法。
2021-05-22 math.OC q-bio.BM
Generic folding and transition hierarchies for surface adsorption of hydrophobic-polar lattice model proteins
采用Wang-Landau采样方法研究了疏水极性晶格蛋白与吸引表面相互作用的热力学行为和结构性质。三个基准HP序列（48聚体、67聚体和103聚体）被认为具有不同类型的表面，其中每一个分别吸引所有单体、仅疏水（H）单体或仅极性（P）单体。折叠行为的多样性依赖于表面强度进行了讨论。分析各种结构可观测量的组合模式，例如，表面接触的数量的导数，连同比热，我们能够识别折叠和过渡层次的一般类别。我们还推断出这些过渡类别和相对表面强度之间的联系，即，H单体间的表面吸引力与链间吸引力之比。我们提出的分类方案的有效性加强了额外的基准序列的分析。因此，我们认为，折叠层次结构和识别方案是通用的HP蛋白与有吸引力的表面相互作用，无论链长，序列，或表面吸引力。
2013-01-15 cond-mat.soft cond-mat.stat-mech physics.bio-ph
Correlation between sequence hydrophobicity and surface-exposure pattern of database proteins
疏水性被认为是驱动蛋白质折叠的主要力量之一。平均而言，疏水残基优先出现在核心，而极性残基往往出现在折叠蛋白质的表面。通过分析已知的蛋白质结构，我们量化了蛋白质的疏水性序列与其表面暴露模式相关的程度。我们已经评估了几个疏水性尺度在文献中的相关性的统计意义，并发现计算的相关性是显着的，但远远不是最佳的。我们发现，这种不太理想的相关性主要来自于自然发生的蛋白质可以容忍的大程度的突变。较小的影响部分是由于其他部队比疏水性，我们量化这通过分析所有氨基酸的表面暴露分布。最后，我们表明，我们的数据库的结果是一致的，发现从一个非晶格的疏水极性模型的蛋白质折叠。
2003-12-08 q-bio.BM
Impact of Co-Excipient Selection on Hydrophobic Polymer Folding: Insights for Optimal Formulation Design
本文通过分子动力学模拟和网络理论分析，研究精氨酸与赖氨酸或谷氨酸的共辅料组合对疏水性聚合物折叠的影响，发现精氨酸最有效且添加其他辅料可增强其稳定作用，为合理配方设计提供依据。
2024-07-01 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Chaos of Protein Folding
由于蛋白质折叠是一个NP完全问题，人工智能工具如神经网络和遗传算法被用来尝试预测氨基酸序列的3D形状。在这些尝试的基础上，人们认为这种折叠过程是可以预测的。然而，据我们所知，这一重要假设既没有得到证实，也没有得到研究。本文研究了蛋白质折叠的拓扑动力学。从数学上证明了二维疏水-亲水（HP）正方晶格模型中的蛋白质折叠是Devaney定义的混沌折叠。结构预测和生物学的后果，然后概述。
2015-10-31 q-bio.BM
Folding of a Small Helical Protein Using Hydrogen Bonds and Hydrophobicity Forces
一个简化的蛋白质模型，每个氨基酸有五到六个原子，五种氨基酸类型，并在一个三螺旋束蛋白上进行了测试，这是一个来自葡萄球菌蛋白A的46个氨基酸片段。该模型不依赖于广泛使用的Go近似，其中忽略了非原生交互。我们发现，崩溃过渡是相当多的蛋白质A序列比随机序列具有相同的组合物更突然。链崩溃被发现是至少一样快的螺旋形成。能量最小化限制到有利的拓扑结构给出了一个结构，具有从天然结构的均方根偏差为1.8 A。我们的势的序列依赖部分是成对可加的。我们的计算表明，通过参数优化来微调这种潜力的作用有限。
2001-11-15 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.chem-ph
How sticky are our proteins? Quantifying hydrophobicity of the human proteome
蛋白质在折叠过程中倾向于将疏水残基埋在其核心内，以提供蛋白质结构的稳定性并防止聚集。然而，蛋白质确实将一些“粘性”疏水残基暴露于溶剂。这些残基可以发挥重要的功能作用，例如在蛋白质-蛋白质和膜相互作用中。在这里，我们研究如何疏水蛋白质表面是通过提供三个措施的表面疏水性：总疏水表面积，相对疏水表面积，和-使用我们的MolPatch方法-最大的疏水补丁。其次，我们分析了从序列中预测这些措施的难度：通过从NetSurfP2.0中调整溶剂可及性预测，我们获得了THSA和RHSA的良好预测方法，而预测LHP则更困难。最后，我们分析了暴露的疏水表面的影响：我们表明，疏水蛋白通常具有低表达，这表明细胞避免过多的粘性蛋白。
2021-07-25 q-bio.BM
Protein Folding from the Perspective of Chaperone Action
预测蛋白质的三维功能结构是分子生物学中一个重要的计算里程碑。这一壮举取决于对蛋白质折叠成天然结构的机制的清晰理解。自莱文塔尔悖论以来，人们对这一机制的理解有了很大的进展。大多数早期的尝试都是在将疏水相互作用或氢键作为主导折叠力之间进行的。然而，现在似乎出现了一种共识，即氢键是一种更强的力。有趣的是，从伴侣作用的角度来看，可能会进一步揭示折叠机制的本质。因此，防止蛋白质聚集和错误折叠的机制可以帮助我们更好地理解折叠机制本身。
2019-11-27 q-bio.BM
Long Proteins with Unique Optimal Foldings in the H-P Model
人们普遍认为：（1）蛋白质的自然或折叠状态是一个全局能量最小值，（2）在大多数情况下，蛋白质折叠到由其氨基酸序列决定的独特状态。H-P（疏水-亲水）模型是一个简单的组合模型，旨在回答有关蛋白质折叠过程的定性问题。在本文中，我们考虑的问题提出了布赖恩海耶斯在1998年：什么蛋白质在二维H-P模型有唯一的最佳（最低能量）折叠？特别是，我们证明，有封闭的链的单体（氨基酸）具有这种属性的所有（甚至）的长度;和有开放的单体链具有这种属性的所有长度可被四除尽。
2002-01-21 cs.CG q-bio.BM
Characterization of Protein Folding by Dominant Reaction Pathways
我们评估最近开发的方法命名为显性反应途径（DRP）的可靠性，通过研究折叠的16个残基的β-发夹，在一个粗粒度的GO型模型。我们表明，DRP的预测与分子动力学模拟，在同一模型中进行的结果是定量一致的。另一方面，在DRP方法中，与时间尺度解耦相关的计算困难被严格地绕过。重要的过渡途径的分析支持的图片的β-发夹折叠，其中反应是由疏水簇的崩溃启动。
2008-06-23 cond-mat.soft q-bio.BM
Sequence-based study of two related proteins with different folding behaviors
ZSPA-1是一种工程蛋白，它与其亲本葡萄球菌蛋白A的三螺旋束Z结构域结合。与野生型Z结构域相比，未复合的ZSPA-1显示螺旋含量降低和不太合作的解链行为。在这里，我们表明，这两个序列之间的折叠行为的差异，可以部分地理解在一个离格模型与5-6个原子每氨基酸和一个最小的潜力，其中折叠是由骨架氢键和有效的疏水吸引力。
2003-12-30 cond-mat.soft q-bio.BM
Equilibrium morphologies and force extension behavior for polymers with hydrophobic patches: Role of quenched disorder
基于生物高分子的单分子实验，我们利用Langevin动力学模拟探讨了具有疏水链段的共聚物的平衡形态和力延伸行为。我们发现，不同的长度尺度之间的相互作用，即持久长度$\ell_{p}$，和无序相关长度$p$，除了疏水补丁的分数$f$发挥了重要作用，在改变平衡形态和机械响应。特别是，我们显示了过多的平衡形态，该系统，\textit{e.g.}核壳，循环（与杂交的疏水性部分），并延长线圈作为这些参数的函数。两种类型的珠之间的弯曲能和杂化能的竞争决定了平衡形态。此外，这种聚合物结构的机械性能关键取决于它们的天然构象，进而取决于沿链骨架的无序实现。因此，对于柔性链，所有无序实现都是通过张力实现小球到延伸线圈的转变。然而，对于不同的无序实现，力-延伸曲线的确切性质是不同的。与此相反，我们发现，力延伸行为的半柔性链与不同的平衡构型\textit{e.g.}核壳，环，\textit{etc.}揭示了力诱导的构象转变的级联。
2013-10-11 cond-mat.soft physics.bio-ph q-bio.BM
Statistical Mechanics Model for Protein Folding
本文提出了一种新的统计力学方法，用于描述水环境中蛋白质折叠$\leftrightarrow$的展开转变过程。形式主义的基础上的配分函数的蛋白质服从两阶段的折叠动力学的建设。利用疏水碳氢化合物溶剂化的统计力学模型，得到了蛋白质在水环境中无限稀释溶液的配分函数。计算的蛋白质热容量对温度的依赖关系进行了比较与葡萄球菌核酸酶和高铁肌红蛋白的实验测量的相应结果。
2010-05-19 cond-mat.stat-mech physics.bio-ph physics.chem-ph
