第一讲-计算生物学导论概述.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,计算生物学概述,主讲人：刘振栋,Email:,liuzd2000,计算机科学与技术学院,课时安排,共计32学时,1-16周,理论课无实验,总成绩：平时占 10%、作业20%、考试70%,关于教材,计算生物学导论-图谱、序列和基因组,M.S.Waterman（美）著,黄国泰、王天明 译,科学出版社，2009年8月,第一讲 计算生物学概述,重点,1、计算生物学的发展历史,2、计算生物学的概念,3、计算生物学研究范畴,4、分子生物学初步,难点：计算生物学的概念,1986 年诺贝尔奖获得者R.Dulbecco（杜尔贝科）提出人类基因组计划,测出人类全套基因组的30亿个DNA碱基对（3 X 10,9,bp）。,随着21世纪初人类基因组测序的完成，如何破译大量基因信息，获知生物分子的生物学功能就成为,后基因时代,的重要任务。,计算生物学是一门新兴交叉学科,1、学科的交叉更有利于学科的发展,2、计算生物学是计算机科学、数学、生物学相互融合渗透的交叉学科,1、计算生物学的产生,Introduction to Computational Biology,传统认为：数学、计算机科学、生物学等认定是独立的学科，但在,20世纪后半叶,开始，这些学科间相互渗透，许多边缘学科的产生，各学科之间的分界已渐渐变得模糊,计算生物学的产生,数学与计算机科学逐渐形成,生物现象建模,、,模式识别,的工具,特别是在分析人类基因组拥有,大量数据的研究,中，计算机科学与数学成为必不可少的工具,计算生物学的产生,计算机科学与数学对生命科学的渗透使生物系统的,刻画越来越精细,生物系统的,数学建模,正在演变成生物实验中必不可少的组成部分,2004年，美国Science杂志推出了一期特辑，题为,“,科学下一个浪潮,生物数学,”,（计算生物学）,英国皇家学会院士Lan Stewart教授预测：21世纪最令人兴奋、最有进展的科学领域之一必将是,“,生物数学,”,（计算生物学）,2、计算生物学的概念,计算生物学,是指开发和应用数据分析及理论的方法、把数学建模和计算机仿真技术用于生物学研究的一门学科,2、计算生物学的概念,计算生物学（computational,biology）是一门典型的,交叉学科,，涉及的学科包括生物学、计算机科学、数学、统计学、化学、物理学等。,3、计算生物学研究范畴,计算生物学最终是以,生命科学,中的,现象和规律,作为研究对象，以,解决生物学,问题为最终目标，计算机和数学仅仅是解决问题的工具和手段。,计算生物学主要侧重于利用,数学模型和计算机仿真技术,对生物学问题进行研究,计算生物学研究范畴,是,应用数学理论与计算机技术研究生命科学中,数量性质,、,空间结构形式,、分析复杂的生物系统的,内在特性,，揭示在大量生物实验数据中所隐含的,生物信息。,DNA的双螺旋结构的发现,1953年4月25日，年仅,25,岁,沃森,(Watson),（美）与同在剑桥大学的合作伙伴弗朗西斯,克里克,(Crick),（英）,一起，在英国自然（Nature）杂志上发表了一篇仅两页的论文，提出了,DNA的双螺旋结构,和,自我复制,机制。,这篇论文被普遍视作,分子生物学时代的开端。,DNA的双螺旋结构简图,4、分子生物学基本知识,（1）生物学最基本问题之一是,理解遗传,（2）遗传的基本单位是,基因,（3）基因是由,DNA,构成（1944年）,（4）生物大分子有三种类型：DNA、RNA,和蛋白质,DNA是遗传物质的基础,1、DNA-,脱氧核糖核酸,：,核苷酸,的小分子生成的聚合物,（,核苷酸,是,核酸,最小的活性分子,）,2、核苷酸有四种,（DNA）,：,腺嘌呤,脱氧核糖核苷酸(,A,)、,胞嘧啶,核苷酸（,C,）、,鸟嘌呤,核苷酸（,G,）、,胸腺嘧啶,核苷酸,（T）,DNA是遗传物质的基础,DNA分子两条链之间的距离是一定的，为2nm,嘌呤和嘧啶的分子结构不同，嘌呤是,双环,化合物，嘧啶是,单环,化合物,DNA是遗传物质的基础,若两条链上对应的碱基都是嘌呤环，则所占的,空间太大,；若两条链上相对应的碱基都是嘧啶环，则相聚,距离太远,，,不能形成氢键。,只能是一个嘌呤与一个嘧啶配成碱基对，其长才为,2nm,RNA-核糖核酸,RNA-核糖核酸,腺嘌呤(A)、,胞嘧啶（C）,、鸟嘌呤（G）、,尿嘧啶（U）,RNA存在时间很短，一般小于30分钟，有的仅存在几秒钟,嘌呤和嘧啶,嘌呤是双环、嘧啶是单环,嘌呤只能与嘧啶配对，嘌呤之间或嘧啶之间不能配对,A-T配对通过,2个氢键,链接；G-C配对通过,3个氢键,链接,碱基配对,DNA:A-T（,配对,）,T-A,G-C,C-G,RNA：A-G（,配对,）,G-A,G-C,C-G,G-U（错配）,U-G（错配）,蛋白质、氨基酸、核酸与核苷酸,氨基酸,是构成,蛋白质,的基本单位,氨基酸,通过脱水缩合成,肽,，经过折叠加工等过程形成,蛋白质,3个,核酸,确定一个,氨基酸,核苷酸,是,核酸,的基本单位,1200个左右碱基,能确定一个,基因,RNA基本知识,RNA核糖核酸,RNA是单链结构,转录是在原核和真核细胞中以DNA为模板合成RNA的过程,RNA基本知识,在原核和真核生物中，DNA转录RNA过程是相似的。,DNA变性，RNA聚合酶结合在单链DNA上以53方向合成RNA分子。,双链中只有一条链作为转录模板，合成单链RNA分子。,RNA功能的多样性,1、控制蛋白质合成,2、作用于RNA转录后加工与修饰,3、基因表达与细胞功能调节,4、生物催化与其他细胞抽象功能,5、遗传信息加工与进化,病毒RNA,病毒RNA是上述功能RNA的游离成分,病毒只含DNA或只含RNA，未见两者兼有病毒,RNA的分类,mRNA(信使RNA)：,是蛋白质合成（翻译）过程中的,模版,，蛋白质 分子中 氨基酸的排列顺序，就是由mRNA 上,每3个相邻,的核苷酸形成的密码子的排列顺序决定的；,tRNA(转运RNA):,是在蛋白质的合成过程中 转运氨基酸，为蛋白质的合成,提供原料,；并可准确识别 其所转运的氨基酸在mRNA 上的密码子；,RNA的分类,rRNA(装配RNA)：,约占RNA总量82%,主要是和一些蛋白质 组装成 一类重要的细胞器,核糖体,，而核糖体 就是蛋白质合成的场所,“,装配车间复制机制是现代遗传学的基础,我们提出的特定的配对直接蕴涵遗传物质可能的复制机制,-James Watson&,Francis Crick,中心 定理,一旦,“,信息,”,传入,蛋白，它就不能出来。信息由一个,核酸传给另一个核酸,，也可能从核酸传给蛋白。,但是，,不可能由蛋白质传给核酸。,此外，信息意味着,准确确定的序列,，或者是,核酸中的基序列,，或者是蛋白质中的,氨基酸序列,。,-Francis Crick,中心定理模式,DNA RNA 蛋白质,计算生物学基本知识,限制图谱,多重图谱,求解DDP的算法,克隆与克隆文库,基因组图谱,序列装配,计算生物学基本知识,数据库与快速装配,动态规划、两个序列比对,多重序列比对,RNA二级结构、三级结构,树和序列,思考题和作业,1、什么是计算生物学？,2、DNA和RNA的四种碱基各是什么？,3、你是如何理解计算生物学的？,