生物信息學的作用范文

前言：我們精心挑選了數篇優質生物信息學的作用文章，供您閱讀參考。期待這些文章能為您帶來啟發，助您在寫作的道路上更上一層樓。

第1篇

關鍵詞：蛋白質-蛋白質對接；分子動力學模擬；蛋白質-蛋白質相互作用

Abstract：Proteins that play a critical role in many cellular processes often perform their functions by interacting with other proteins. Therefore， the studies of protein-protein interactions are vital to exploring the essence of life， understanding the mechanism of diseases and developing new drugs to improve human health. With the sustained development of bioinformatics， more and more computational methods have been applied to structural and functional research of proteins. Protein-protein docking and molecular dynamics simulation are both widely applied to the studies of protein-protein interactions. This article reviews the theory of computational methods， softwares and the application in protein-protein interactions.

Key words：Protein-protein docking； Molecular dynamics simulation； Protein-protein interactions

眾所周知，蛋白質在生物進程中扮演著重要的角色。蛋白質通過與其他生物大分子（如蛋白質，DNA和RNA）相互作用介導細胞內各種重要的生理過程，如基因的復制、轉錄、翻譯以及細胞周期調控、信號轉導、免疫反應等，其中，蛋白質-蛋白質相互作用尤為常見。因此蛋白質-蛋白質相互作用的研究有助于人們探明其細胞內功能，從而了解各種疾病發生機制，為進一步的新藥研發提供幫助。目前為止，研究蛋白質-蛋白質相互作用主要有酵母雙雜交、免疫共沉淀、親和色譜、質譜、核磁共振等多種實驗方法，這些技術為蛋白質相互作用研究做出了重要貢獻，積累了寶貴的數據資源。

隨著計算機處理能力的不斷提升，生物信息學的理論模擬方法得到迅速發展和廣泛應用。生物信息學整合數學，物理，化學，信息學等眾多學科的優勢，以計算模擬手段進行生物學相關研究。自Janin和同事們[1]首次運用自動化對接算法預測牛胰蛋白酶抑制劑-胰蛋白酶復合物3D結構至今，蛋白質-蛋白質對接領域已取得很大進步。該方法常用于蛋白質結構及功能研究，分析配體與蛋白質間或者蛋白質-蛋白質間的相互作用模式，便于研究者從原子水平探究受體-配體間作用機制。分子動力學模擬在誕生至今的幾十年中不斷隨著計算機軟硬件技術的快速提升而愈加發展完善，已經成為研究蛋白質、核酸等生物大分子的結構和動力學特性的重要工具。本文將對蛋白質-蛋白質對接和分子動力學模擬的基本原理及其在蛋白質間相互作用研究中的應用進行簡要概述。

1 蛋白質-蛋白質對接

準確的蛋白質-蛋白質復合物結構是進行蛋白質-蛋白質相互作用研究的基礎。然而，通過實驗方法測定蛋白質-蛋白質復合物結構比測定單個蛋白質更加困難。隨著計算機水平的不斷發展，人們開始希望用計算模擬手段來預測蛋白質復合物的真實結構，并希望從原子層面來分析蛋白質-蛋白質相互作用的內部機制。蛋白質-蛋白質分子對接是一種常用的方法。它是指利用兩個單體蛋白質的三維空間結構，來預測蛋白質-蛋白質復合物結構。解決蛋白質對接問題有兩個關鍵因素：打分函數和搜索算法[2]。打分函數應能夠區分出正確的或近似正確的蛋白質對接復合物，而且搜索算法需嚴格地探索由相互作用的蛋白質形成的巨大構象空間。

1.1打分函數 蛋白質-蛋白質對接可以被歸類為一個全局最優化問題，其主要目的是找到蛋白質分子間最穩定關聯結構。使用打分函數是準確評估結合蛋白間的相互作用所必需的。打分函數有兩個作用：構象采集和母板選擇及精制。打分函數的根本目的是從錯誤的對接取向中區分出正確或近似正確的對接取向。打分函數主要有兩種類型：基于物理原理的函數和基于實驗知識的函數。通常，基于物理原理的能量函數用分子力場如CHARMM[3]和AMBER[4]描述蛋白質-蛋白質相互作用。

打分函數可能包括幾何學與化學的互補，靜電力、范德華力和氫鍵的相互作用以及解相關能量項。最常用的打分函數是形狀互補。經常將形狀互補與FFT算法聯合應用于詳盡的全局搜索。靜電場在帶電粒子或極性分子間的相互作用中扮演著重要角色。泊松-玻爾茲曼方程常被用來解決從原子水平獲得溶劑化生物分子系統的靜電電位問題。打分函數包括了極其重要的離散和核心相互作用，通常用范德華力相互作用來描述。

1.2搜索算法 搜索算法的主要目的就是在勢能圖上定位最穩定的狀態。對接復合物可能解的構象搜索可通過兩種不同的方案執行。第一種方案是進行全空間搜索，第二種是隨機地或按一定順序只搜索局部空間。快速傅里葉變換是最為著名的用于全空間的搜索算法之一。Katchalski-Katzi[5]和助手首次將快速傅里葉變換法用于蛋白質對接，確定受體配體間幾何契合。該方法被應用于許多程序，如GRAMM[6]， FTDock[7]，3D-Dock[8]以及ZDock[9]。局部搜索算法包括模擬退火，蒙特卡洛法及遺傳算法等。Vieth和助手們[10]發現分子動力學法最適于進行大空間搜索，而遺傳算法比其他算法更適合進行小空間搜索。大多數情況下，蒙特卡洛算法和分子動力學算法都用來進行蛋白質柔性處理。

1.3對接過程 蛋白質-蛋白質對接一般通用的過程包括：①盡可能多的從全局或局部搜索中生成對接復合物；②篩選和評估復合物；③精制和重排。這三步可被細分為更多步。第一步完成剛體的全局搜索，盡可能多的生成對接蛋白質-蛋白質構象。在第二步中，采用生物或實驗信息和打分函數來掃描并評估第一步得到的對接復合物。錯誤對接復合物的得分比接近X射線結構復合物的得分高是很常見的，許多得分高的結構并不實際存在。應過濾掉這些不實際存在的結構，將剩下的對接復合物進行評估。第三步涉及到側鏈及可能骨架的柔性。柔性處理時主要進行重排側鏈。

2 分子動力學模擬

分子動力學模擬是一門利用經典力學來模擬大分子體系運動的方法，它綜合了數學、統計物理、化學、計算機等多門學科的內容。分子力場是分子動力學模擬的基礎。它采用簡單的函數來描述分子能量與結構之間的關系。分子力場的基本函數形式包括了原子之間的成鍵相互作用與非鍵相互作用。非鍵相互作用主要包含了范德華力與長程靜電力。

2.1分子動力學模擬過程 分子動力學模擬的步驟主要包括了四步：第一步是確定初始構象，初始構象盡量選越接近模擬系統的結構越好，通常是能量較低的構象。通常采用分子力學方法對其構象進行優化；第二步平衡相過程，在前一步中已經確定的模擬體系將進行平衡相過程。在構建平衡相的過程中，須對其構象以及溫度等參數進行調控并加以監控，還要判斷體系是否已經達到平衡；第三步生產相過程，模擬體系中的分子以及構成分子的原子開始根據初始速度運動，此時根據牛頓力學和預先給定的粒子間相互作用勢來對各個粒子的運動軌跡進行計算，并從這個過程中抽取計算分析時所需要的數據和樣本；第四步將對計算結果進行深入分析處理。

2.2研究進展及常用軟件 Tajkhorshid等成功的模擬了水分子通過不同通道亞型的過程[11]。Xu等在水溶液和磷脂雙層中對β淀粉樣多肽進行了多次長時間分子動力學模擬，發現在生物膜和有機溶劑中以α螺旋為主，在水溶液中則以無規則卷曲為主[12]。京都大學醫學研究科的巖田想[13]成功分析了存在于細胞的，負責將物質運送到細胞內的一種蛋白Mhp1的構造，運用該結果通過在計算機上模擬，在分子層次上弄清了Mhp1將物質運往細胞內的機制。

目前，用于分子動力學模擬的軟件越來越成熟。較為常用的主要有：GROMACS，NAMD， AMBER，CHARMM，TINKER、LAMMPS等。GROMACS[14]是用戶界面友好的分子動力學模擬軟件，模擬中的參數條件和基本功能已經趨于成熟，里面包含多種力場，非常適用于模擬生物大分子這種復雜體系。同時由于其速度快，在非生物體系統中也得到了廣泛的應用。AMBER[15]不僅是一個程序，而是包含了從體系準備到動力學模擬，再到軌跡分析等一系列程序的集合。同時，AMBER 還是一系列力場的名稱，這些力場涵蓋了蛋白質、核酸、糖類、脂類等眾多生物大分子。NAMD同樣適用于模擬計算蛋白質、核酸等生物大分子體系，而且并行計算效率非常高。

3 展望

目前，蛋白質分子對接及分子動力學模擬等計算手段雖然已廣泛用于蛋白質-蛋白質間相互作用的相關研究，但還是存在一些值得改進的地方。例如，蛋白質-蛋白質對接過程中，蛋白質柔性的相關處理，構象搜索的合理性及打分函數的準確度；分子動力學模擬中力場的種類和所研究體系的匹配度等。隨著計算機技術不斷的發展，這些生物信息學方法有待進一步優化和相關軟件需要進一步完善，從而使其更適用于蛋白質等生物大分子的模擬研究。總之，將生物信息學方法與傳統實驗手段相結合來進行蛋白質間相互作用等生物大分子體系研究，是一條有待進一步發展的有效途徑。

參考文獻：

[1]WodakS J，puter analysis of protein-protein interaction[J].Journal of molecular biology，1978，124：323-342.

[2]Taylor，J.S.and Burnett，RM.DARWIN：A program for docking flexible molecules[J].Proteins. 2000，41：173-191.

[3]Brooks，B.R.，States，D.J.， S.andKarplus，M.CHARMM： a program for macromolecular energy， minimization， and dynamics calculations[J]put.Chem.1983，4： 87-217.

[4]Ferguson， D.M.， Kollman，P.A.A second generation force field for the simulation of proteins， nucleic acids， and organic molecules[J]. J. Am. Chem. Soc，1995， 117： 5179-5197.

[5]Katchalski，Vakser，I.A.Molecular surface recognition： determination of geometric fit between proteins and their ligands by correlation techniques[J].Proc.Nat.Acad.Sci.USA，1992.89： 2195-2199.

[6]Tovchigrechko， Vakser， I.A.Development and Testing of an Automated Approach to Protein Docking[J].Proteins，2005，60：296-301.

[7]Gabb，H.A.，Sternberg，M.J.E.Modeling protein docking using shape complementarity， electrostatics and biochemical information[J].JMB.1997，272：106-120.

[8]Moont， Sternberg，M.J.E.Modelling protein-protein and protein-DNA docking[J].In Bioinformatics - From Genomes to Drugs，2001，1：361-404.

[9]Chen， R.and Weng，Z.A novel shape complementarity scoring function for protein-protein docking[J].Proteins，2003，51：397-408.

[10]Vieth， M.， Hirst.Assessing search strategies for flexible docking[J]put.Chem，1998，19： 1623-1631.

[11]Tajkhorshid，E， Schulten， K.，Control of the selectivity of the aquaporin water channel family by global orientational tuning[J]. Science， 2002， 296： 525-530.

[12]Xu ，Y.，Jiang， H.Conformational transition of amyloid beta-peptide[J].PNAS.USA，2005，102： 5403-5407.

[13]Shima mura，T.，Beckstein. Molecular basis of alternating access membrane transport by the sodium-hydantoin transporter Mhp1[J].Science.2010，328：470-473.

第2篇

關鍵詞:激發興趣； 突出重點； 增大信息量； 體現主體地位； 促進多元化

把信息技術輔助教學作為一種教學手段運用于生物教學中，無疑是對傳統教學的一種改革，它給生物教學帶來了新活力，從而打破了教室中的沉悶空氣。過去主要是教師講授，配以掛圖、模型等，部分學生的學習往往還是比較被動，注入式的教育方法仍比較普遍，而采用信息技術輔助教學，對全面提高教育質量與效益，全面推進素質教育有不可估量的推動作用。

1 信息技術教學激發和培養興趣，調動學習的主動性和積極性

傳統的教學模式，教師依靠“一塊黑板，一只粉筆，一本書”進行說教式的教學。媒體運用單一，學生容易產生疲勞感，乏味感。而激發學生的學習興趣，調動其學習積極性，對初中教學來說是教學成敗的關鍵所在。孔子曾說過：“知之者不如好之者，好之者不如樂之者。”南宋朱熹也指出：“教人未見趣，必不樂學。”信息技術教學可以利用各種教具、學具、投影、電影、錄像、錄音等媒體，集聲、光、形、色于一體，直觀形象，新穎生動，能夠直接作用于學生的各種感官，激發學生的學習興趣，調動每一位學生的積極性、主動性，變被動學習為主動學習。

2 信息技術教學有利于突出教學重點、突破教學難點

生物學包容的內容非常廣闊，時空跨度很大，小到動物、植物的細胞，大到包含世界所有生物；近到我們人本身，遠到世界各大洲；凡是有生物存在的地方，它都無所不在。這就為教師的教、學生的學帶來了難度。并且有些生物現象實在不是一些簡單的標本或掛圖所能展示的，也不是教師用語言所能描繪的。信息技術的運用可以將許多在教室里或在當時當地無法看到，但又必須讓學生觀察的事物展示在學生面前，有目的地把學生的視野、思維引向教學重點或難點。為了突出重點，信息技術可以將觀察對象有目的的進行選擇、組接，使之更加集中、明確。例如：生物之間的食物聯系、生物的進化、化石的形成等一些自然現象、情景過程，就可以運用信息技術有選擇地化虛為實，從而使學生比較順利的理解和掌握這些重點教學內容。為突破教學難點，縮短學生從形象思維到抽象思維的發展距離，達到“啟其所感，導其所難”的目的，利用信息技術圖、文、聲、像等特點，變抽象為形象、變微觀為宏觀、變靜態為動態、變不可操作為可操作，使死的食物概念、原理變成“活”的生物知識，使看不見、摸不著的微觀世界和復雜的生理過程直觀地顯現在學生面前，其效果是不言而喻的。

3 信息技術教學能增大信息含量，增加知識密度

在教學內容上任課老師有很大的自主性，必竟“生物學”與我們自己息息相關，就像我們今天面臨的人口、環境、糧食、資源等世界性問題，無不與生物學有關。因此，我們在教學中可以也應該教給學生更多書本以外的生物學知識。那么如何在有限的時間里增大信息含量，增加知識密度呢？可以利用信息技術技術進行高密度的知識傳授，大信息量的優化處理。眾所周知，圖形不是語言，但比語言更直觀和形象，包含的信息量更大。動畫又比圖形更形象生動，利用文字閃爍、圖形縮放與移動、顏色變換等手段，不僅容量大，而且速度快，效果更好。在“生物對環境的適應”一課的教學中，上課伊始，先利用信息技術展示一組畫面：茂密熱帶雨林、炎熱干旱的沙漠、冰雪覆蓋的雪山、鳥兒飛翔的天空、多彩多姿的海底世界、鹿群狂奔的草原，從而引出課題：不同的生態因素形成了如同畫面上戰線的各種生存環境，與此相適應的是各種各樣的動植物，它們與生存環境形成一個統一體。其實在地球上的各個角落，都生活著形態萬千的動植物。那么，這些動植物是如何與其生存的環境相適應呢？――這不僅加大了課堂的信息量，而且極大地激發了學生的學習興趣。隨著課程的深入，我們還通過CAI課件，把學生帶入草原上“天蒼蒼、野茫茫、風低草低現牛羊”的詩境；展現高原上氣憾冰雪的奇松異木，沙漠里高大的紡錘樹，挺拔的仙人鞭等。生動的形式，豐富的畫面，加大了知識的密度，增加課堂的信息量，這無疑為學生積累信息開拓了廣闊的視野空間。

4 信息技術教學能充分體現學生的主體地位和教師的主導作用

學生不僅是學習的主體，也是課堂教學的主體。學生知識的獲得、能力的培養，應當是在主體意識支配下的自覺行動，即其主觀能動性。信息技術教學將現代的聲、光、色引進課堂，以其絢麗多彩、形象生動的畫面，悅耳動聽的音響，情感豐富、言簡意賅的講解，進行教學媒體的優化組合，使學習內容圖文并茂，栩栩如生，驅使學生積極思維，自始自終成為學習的主人。同時，作為起主導作用的教師，在利用信息技術教學時，能夠對出現的畫面進行詳盡生動的講解，引導學生積極思維，充分進行雙邊活動。學生的積極參與，課堂氣氛十分活躍，既避免了教師的“單口相聲”，又避免教師“形同虛設”。

5 信息技術教學能促進教學方法多元化

俗話說：教學有法，但無定法，貴在得法。教學實踐證明，一堂生物課的教學，常常需要教學內容和教學目的所決定的。例如：講“減數分裂”這一部分內容時，既有同源染色體、聯會、四分體等基本概念，又有生殖細胞形成的具體過程，如果只使用錄像顯示的直觀教學法而沒有講授法相配合，就極可能形成學生僅憑個人的新奇感去觀察，觀察就只能停留在表面現象上，盲目性很大，更談不上有意識的積極思維，很難深入現象的本質；若只進行抽象的講解，而不與直觀顯示相結合，學生就只能死記硬背。科學地使用信息技術教學，使教師可以根據教學需要和情況變化，隨時修改教案，改進教學；學生則可根據自己的需要進行再學習。由于信息技術的交互性強，對某一節課的內容可以讓學生自學，可以由教師指導學習，也可以用于課后復習。這樣，學生的學習由以往的單一的課堂授課制轉變為形式多樣、靈活方便、多種教學方法綜合運用、有機結合的新型模式，促使學生積極主動地進行探索式、發現式學習。

總之，信息技術輔助教學有著常規教學無法比擬的獨特之初處。所以只要我們在實踐中，認真地去研究、探討、解決就可以真正理解和認識信息技術輔助教學的內涵，真正感受到信息技術的神奇和巨大的潛力，使其為深化教學改革服務。

參考文獻

［1］ 《生物學教學》2003年9月

第3篇

【關鍵詞】信息技術 生物教學 作用

生物學是一門研究生物的形態、結構、生理、分類、遺傳和變異、進化、生態的科學。在生物學基礎知識的領域里，一切對象和現象都可以直接或間接地感知，而多媒體計算機等現在教育技術的運用，可以讓學生通過事物的形、聲、色的變化來獲取知識，認識事物的內在的規律，充分調動了學生的學習積極性，使學生在輕松愉快中將重點、難點突破。主要的作用有以下幾點：

一、激發學生學習興趣

學習興趣是學習動機中最活躍的因素，學習興趣的產生主要取決于學習內容的特性、學生已有的知識經驗和學生對學習的愉快情感的體驗。在傳統的課堂教學中，教師為激發學生學習的興趣而采用或是繪聲繪色，或是用詩歌故事，或是實物展示，或是幻燈輔助等等方法。但是這些方法都難免容量小、手段單一。而以計算機為核心的信息技術具有多媒體集成性、交互性等特點，能有效地激發學生興趣，使學生產生強烈的學習欲望，從而形成學習動機。如：在教學《鳥類的多樣性》階段，為激發學生學習的興趣，在課件的開始，以一幅高山瀑布的畫面配合流水潺潺、百鳥爭鳴的聲音，然后展示十種我國特有的珍稀鳥類的圖片，更加激發了學生學習本課的興趣。

二、改變教學方式，實現師生互動

網絡環境為學生提供了豐富的知識庫、資源庫，在生物教學中要充分發揮網絡優勢，讓學生主動參與到學習中來。學生在網上自主學習這種方式，并不是教師簡單地把一些相關網址介紹給學生，并讓學生上網查找資料，閱讀資料這么簡單，這樣做結果不一定好。因為網絡信息不僅容量大，且良莠不齊，而中學生辨別垃配合教學內圾信息、有害信息的能力不強，同時他們的自控、自律、自我調節能力也較差。因此，在網上搜尋生物課堂教學中可利用的信息如同大海撈針。為了使網上信息成為生物課堂教學可用的資源，教師可以把教材、網上與本節課教學內容有關的信息抽提出來，建立“與教材相關的資源網站”，讓學生利用該網站的資源進行自主學習。例如初中生物關于遺傳、變異、健康教育等內容，教學信息量大，有些問題學生難于公開表達。在進行這些內容的教學時，教師嘗試利用網絡教學的方式，讓學生在計算機上，搜尋自己需要的信息，并就自己難于開口的問題，通過教師提供的網頁查詢答案，同時還可以就某些不懂的問題與教師和同學進行交流。在進行網絡教學時，教師還可以給學生提供容的檢測題，包括基礎性題目和拓展性題目，學生在完成基礎性題目后，可以有選擇地完成拓展性題目，實現真正地分層教學，因材施教，學生的作業可以通過網絡直接提交給教師。

三、擴大信息來源

利用Internet來搜集信息，可大大擴展信息的來源，且快速方便。對于參加考考的學生來說，及時的搜集高考信息和進行強化訓練是必須的，但購買的成套習題集，往往又存在著題型偏舊、信息過時的缺點，用起來有時是事倍功半。為了克服這一缺點，我們充分利用了Internet這一信息資源，從網上下載最新試卷然后進行精選。這些試題題型新穎、信息準確，給學生作為試題和平時練習，對于啟發學生的思維，開闊學生的視野、增大學生的閱讀量有著非常大的幫助。

四、有利于培養學生的創新精神

傳統的生物學教學方式和以指導為主的教學方式一般都采用 “傳遞”的方式進行教學，學生只是被動地接受知識，這不利于培養學生的探究能力。信息技術的發展，互聯網、校園網的出現，教育網站、電子書刊、虛擬圖書館、虛擬軟件庫、新聞組等為學生營造了一個探索發展的學習環境，提供了非常豐富的學習資源。信息技術，也必將從演示教具變為學生探究問題獲取知識的工具。在網絡環境條件下，學生的學習是多向互動的，可以利用多種信息源(教師作為一種信息源之一)，通過檢索、學習、構思、將有關信息組合起來，形成自己的觀點，獲得自己的認知方式。這種新型的，比較民主的教育關系將有利于學生發展自己的個性，激發他們的創造思維，培養和促進其創新精神、信息能力的發展，實現學生為主體、教師為主導的新型教學模式的建構。

五、運用多媒體課件精講、復習，分層教學，省時高效

在生物復習課中，教師借助計算機網絡技術，把預先準備好的一個完整的知識網絡體系投影到大屏幕上或是學生計算機屏幕上，既節約時間，又加大了課堂容量，而且便于教師精講。在復習中利用信息技術展示知識網絡體系，可以使學生在瞬間勾起對以前所學大量知識的回憶，省時高效，而且還利于分層教學、自主復習。事實上每位學生所掌握的知識是不同的，教師把知識網絡交給學生以后，學生根據已有知識水平對未掌握的知識有側重點地復習或重新學習，有的放矢，新舊結合，可大大提高復習的效率。例如：在復習《三大營養物質的代謝》時，由于教學內容多、學生水平不同，教師采用網頁的形式向學生呈現知識體系以后，學生可以根據自己的水平或重點復習脂類代謝，或重點復習糖類代謝，或重點復習蛋白質代謝，根據自己已有水平自主學習。在復習課中，一個較好的課件，既對基礎較好的學生起到提綱挈領、高效系統復習的作用，又可照顧基礎薄弱的學生起到“新授”、重新學習的作用，從而保證每位學生都“有的吃”、“吃得飽”。