第一讲 计算生物学导论概述

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
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。

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 109bp ）。

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
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

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

来自百度文库
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。




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 5′→3′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。
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？
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
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）
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。

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 ）
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
计算生物学是一门发 展中的新兴科学
伴随生命科学“后基因组 (post-genome)”时代的到来 ,一门新兴、充满活力的交叉 学科——计算生物学应运而 生
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


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；
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
计算生物学概述
主讲人：刘振栋 Email: liuzd2000@sdjzu.edu.cn
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

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。