生物大分子的數(shù)學(xué)描述及其應(yīng)用

前言

　　隨著人類和一些模式生物基因組計(jì)劃的相繼完成或全面實(shí)施，生物學(xué)研究的重點(diǎn)正從積累數(shù)據(jù)向分析解釋這些數(shù)據(jù)過渡，生物信息學(xué)（也稱計(jì)算分子生物學(xué)）便應(yīng)運(yùn)而生。這是一門運(yùn)用數(shù)學(xué)、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)和系統(tǒng)科學(xué)的理論與方法研究生命現(xiàn)象、分析和處理呈指數(shù)增長的生物學(xué)原始數(shù)據(jù)并進(jìn)行加工、分析和建立計(jì)算模型的一門學(xué)科。生物信息學(xué)的研究內(nèi)容十分豐富，例如，序列比較、計(jì)算機(jī)輔助基因識別、系統(tǒng)發(fā)育分析、RNA和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測、遺傳密碼及其起源、序列重疊群裝配、基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)等等，都是生物信息學(xué)中重要的研究領(lǐng)域。其中大多數(shù)領(lǐng)域的研究工作都有一個(gè)共同的需求，就是常常需要給出生物學(xué)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)上的描述，因此，生物大分子的數(shù)學(xué)描述便成為生物信息學(xué)中一個(gè)非?；A(chǔ)又十分重要的課題。

內(nèi)容概要

　　《生物大分子的數(shù)學(xué)描述及其應(yīng)用》是在編者實(shí)際從事的課題基礎(chǔ)上形成的，從這個(gè)意義上講，《生物大分子的數(shù)學(xué)描述及其應(yīng)用》可以說是一份工作匯報(bào)。建立生物學(xué)數(shù)據(jù)以及各種數(shù)據(jù)間復(fù)雜關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，然后在此基礎(chǔ)上分析和解釋相應(yīng)生物學(xué)意義，進(jìn)而探索其固有的生物學(xué)規(guī)律并研究相關(guān)生物信息學(xué)問題，這是《生物大分子的數(shù)學(xué)描述及其應(yīng)用》的特色之處?！渡锎蠓肿拥臄?shù)學(xué)描述及其應(yīng)用》主要內(nèi)容包括生物大分子的圖形表示；生物序列的數(shù)值刻畫；序列與結(jié)構(gòu)的粗?；枋?；蛋白質(zhì)編碼基因識別等。

作者簡介

　　李春，渤海大學(xué)數(shù)學(xué)系副教授。2006年畢業(yè)于大連理工大學(xué)應(yīng)用數(shù)學(xué)系計(jì)算數(shù)學(xué)專業(yè)，獲理學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)為遼寧省第四批“百千萬人才工程”千人層次人選，應(yīng)用數(shù)學(xué)遼寧省重點(diǎn)掌科帶頭人，遼寧省普通高等學(xué)校優(yōu)秀青年骨干教師，錦州市酋批市級后備學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人。渤海大學(xué)學(xué)術(shù)帶頭人。近年來主要從事組合數(shù)掌和生物信息學(xué)的教學(xué)和科研工作。主持和參與完成國r永自然科學(xué)基金項(xiàng)目和遼寧省教育廳項(xiàng)目五項(xiàng)。已出版教材一部，發(fā)表論文三十余篇?！　″X偉懿，渤海大學(xué)數(shù)學(xué)系教授。2004年畢業(yè)于大連理工大掌應(yīng)用數(shù)學(xué)系運(yùn)籌學(xué)與控制論專業(yè)：獲理學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)為遼寧省數(shù)學(xué)與應(yīng)用數(shù)學(xué)示范專業(yè)帶頭人，應(yīng)用數(shù)學(xué)遼寧省重點(diǎn)學(xué)科負(fù)責(zé)人，近年來主要從事最優(yōu)化理論及應(yīng)用、生物信息掌中的優(yōu)化問題研究。主持和參加國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、遼寧省教育廳項(xiàng)目七項(xiàng)。已出版專著一部，教材一部，發(fā)表論文四十余篇。

書籍目錄

第0章 緒論0.1 生物信息學(xué)產(chǎn)生的背景0.2 生物信息學(xué)的研究對象0.2.1 核酸0.2.2 蛋白質(zhì)0.2.3 中心法則和遺傳密碼0.3 生物信息學(xué)的主要研究內(nèi)容0.3.1 序列比較0.3.2 計(jì)算機(jī)輔助基因識別0.3.3 系統(tǒng)發(fā)育分析0.3.4 RNA和蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)研究0.4 《生物大分子的數(shù)學(xué)描述及其應(yīng)用》的主要內(nèi)容參考文獻(xiàn)第1章 生物大分子的圖形表示1.1 引言1.1.1 DNA序列的圖形表示1.1.2 RNA二級結(jié)構(gòu)的圖形表示1.1.3 蛋白質(zhì)序列的圖形表示1.2 DNA序列的3－D圖形表示1.3 DNA序列的2－D圖形表1.3.1 特征序列1.3.2 基于特征序列的“雙水平線”圖11.3.3 基于特征序列的“梯狀”圖1.4 有向圖表示參考文獻(xiàn)第2章 生物序列的數(shù)值刻畫2.1 引言52.2 偽跡2.3 ALE－指標(biāo)2.3.1 ALE－指標(biāo)2.3.2 性質(zhì)2.3.3 應(yīng)用2.4 上三角矩陣表示2.4.1 序列不變量的相容性2.4.2 有向圖及上三角矩陣的應(yīng)用2.5 正規(guī)化相對熵2.5.1 定義2.5.2 應(yīng)用參考文獻(xiàn)第3章 序列與結(jié)構(gòu)的粗?；枋?.1 DNA序列的邏輯表示3.1.1 邏輯表示同其他表示的比較3.1.2 邏輯序列的S／S矩陣及其壓縮矩陣3.2 蛋白質(zhì)序列的邏輯表示3.2.1 蛋白質(zhì)序列的邏輯表3.2.2 應(yīng)用3.3 基于5字母模型的蛋白質(zhì)序列的圖形表示及應(yīng)用3.3.1 氨基酸的5－字母模型3.3.2 蛋白質(zhì)序列的2－D圖形表3.3.3 蛋白質(zhì)序列的數(shù)值刻畫3.3.4 冠狀病毒的系統(tǒng)發(fā)育分析3.4 LZ復(fù)雜度及應(yīng)用3.4.1 有限序列的LZ復(fù)雜度3.4.2 基于LZ復(fù)雜度的RNA二級結(jié)構(gòu)相似性分析3.4.3 廣義LZ復(fù)雜度及應(yīng)用參考文獻(xiàn)第4章 蛋白質(zhì)編碼基因識別4.1 引言4.2 DNA序列基于正規(guī)化相對熵的數(shù)值刻畫4.3 Fisher線性判別法4.4 算法的評估4.4.1 敏感度、特異性和準(zhǔn)確度的定義4.4.2 算法的評估4.5 識別釀酒酵母基因組2－6類中的基因參考文獻(xiàn)結(jié)語

章節(jié)摘錄

　　序列兩兩比對的做法實(shí)際上是來自計(jì)算機(jī)算法中的字符串比較算法，本質(zhì)上是將兩個(gè)序列的各個(gè)字符（代表核苷酸或氨基酸殘基）按照對應(yīng)等同或者置換等關(guān)系進(jìn)行對比排列，其結(jié)果是兩個(gè)序列共有的排列順序，這是序列相似程度的一種定性描述。盡管人們在序列比對方面已經(jīng)做了大量的工作，但有兩個(gè)方面的問題一直在困擾著人們：一是沒有合適的理論模型能很好地捕述空位問題，因此打分矩陣中空位罰分缺乏理論依據(jù)而更多的帶有主觀色彩。一般的處理方法是用兩個(gè)罰分值，一個(gè)是對插入的第一個(gè)空位罰分，另一個(gè)是對空位的延伸罰分。對于具體的比對問題，采用不同的罰分方法會有不同的效果。二是比對算法的時(shí)間和空間復(fù)雜度一直沒有達(dá)到令人滿意的效果，特別是多重序列比對，目前尚缺乏快速而義十分有效的算法。序列比對的這些不足，促使很多人試圖尋找其他的方法來比較序列。　　法二基于不變量的方法　　近年來，Randic等人提出了一種基于序列不變量的序列比較方法，開辟了一條序列比較的新途徑。這種方法來源于計(jì)算化學(xué)中的化學(xué)指標(biāo)計(jì)算，是一種間接的序列比較方法。最終，一條序列將南一個(gè)四維向量來描述，這個(gè)向量常被稱為序列的描述子（descrip-tor）。我們可以按如下的步驟來實(shí)現(xiàn)序列到向量描述子的轉(zhuǎn)換：　　Step l　用比如圖或曲線等數(shù)學(xué)對象來表示DNA序列；　　Step 2從得到的數(shù)學(xué)對象構(gòu)造矩陣；

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