生物信息学的作用范文

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第1篇

关键词：蛋白质-蛋白质对接；分子动力学模拟；蛋白质-蛋白质相互作用

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

众所周知，蛋白质在生物进程中扮演着重要的角色。蛋白质通过与其他生物大分子（如蛋白质，DNA和RNA）相互作用介导细胞内各种重要的生理过程，如基因的复制、转录、翻译以及细胞周期调控、信号转导、免疫反应等，其中，蛋白质-蛋白质相互作用尤为常见。因此蛋白质-蛋白质相互作用的研究有助于人们探明其细胞内功能，从而了解各种疾病发生机制，为进一步的新药研发提供帮助。目前为止，研究蛋白质-蛋白质相互作用主要有酵母双杂交、免疫共沉淀、亲和色谱、质谱、核磁共振等多种实验方法，这些技术为蛋白质相互作用研究做出了重要贡献，积累了宝贵的数据资源。

随着计算机处理能力的不断提升，生物信息学的理论模拟方法得到迅速发展和广泛应用。生物信息学整合数学，物理，化学，信息学等众多学科的优势，以计算模拟手段进行生物学相关研究。自Janin和同事们[1]首次运用自动化对接算法预测牛胰蛋白酶抑制剂-胰蛋白酶复合物3D结构至今，蛋白质-蛋白质对接领域已取得很大进步。该方法常用于蛋白质结构及功能研究，分析配体与蛋白质间或者蛋白质-蛋白质间的相互作用模式，便于研究者从原子水平探究受体-配体间作用机制。分子动力学模拟在诞生至今的几十年中不断随着计算机软硬件技术的快速提升而愈加发展完善，已经成为研究蛋白质、核酸等生物大分子的结构和动力学特性的重要工具。本文将对蛋白质-蛋白质对接和分子动力学模拟的基本原理及其在蛋白质间相互作用研究中的应用进行简要概述。

1 蛋白质-蛋白质对接

准确的蛋白质-蛋白质复合物结构是进行蛋白质-蛋白质相互作用研究的基础。然而，通过实验方法测定蛋白质-蛋白质复合物结构比测定单个蛋白质更加困难。随着计算机水平的不断发展，人们开始希望用计算模拟手段来预测蛋白质复合物的真实结构，并希望从原子层面来分析蛋白质-蛋白质相互作用的内部机制。蛋白质-蛋白质分子对接是一种常用的方法。它是指利用两个单体蛋白质的三维空间结构，来预测蛋白质-蛋白质复合物结构。解决蛋白质对接问题有两个关键因素：打分函数和搜索算法[2]。打分函数应能够区分出正确的或近似正确的蛋白质对接复合物，而且搜索算法需严格地探索由相互作用的蛋白质形成的巨大构象空间。

1.1打分函数 蛋白质-蛋白质对接可以被归类为一个全局最优化问题，其主要目的是找到蛋白质分子间最稳定关联结构。使用打分函数是准确评估结合蛋白间的相互作用所必需的。打分函数有两个作用：构象采集和母板选择及精制。打分函数的根本目的是从错误的对接取向中区分出正确或近似正确的对接取向。打分函数主要有两种类型：基于物理原理的函数和基于实验知识的函数。通常，基于物理原理的能量函数用分子力场如CHARMM[3]和AMBER[4]描述蛋白质-蛋白质相互作用。

打分函数可能包括几何学与化学的互补，静电力、范德华力和氢键的相互作用以及解相关能量项。最常用的打分函数是形状互补。经常将形状互补与FFT算法联合应用于详尽的全局搜索。静电场在带电粒子或极性分子间的相互作用中扮演着重要角色。泊松-玻尔兹曼方程常被用来解决从原子水平获得溶剂化生物分子系统的静电电位问题。打分函数包括了极其重要的离散和核心相互作用，通常用范德华力相互作用来描述。

1.2搜索算法 搜索算法的主要目的就是在势能图上定位最稳定的状态。对接复合物可能解的构象搜索可通过两种不同的方案执行。第一种方案是进行全空间搜索，第二种是随机地或按一定顺序只搜索局部空间。快速傅里叶变换是最为著名的用于全空间的搜索算法之一。Katchalski-Katzi[5]和助手首次将快速傅里叶变换法用于蛋白质对接，确定受体配体间几何契合。该方法被应用于许多程序，如GRAMM[6]， FTDock[7]，3D-Dock[8]以及ZDock[9]。局部搜索算法包括模拟退火，蒙特卡洛法及遗传算法等。Vieth和助手们[10]发现分子动力学法最适于进行大空间搜索，而遗传算法比其他算法更适合进行小空间搜索。大多数情况下，蒙特卡洛算法和分子动力学算法都用来进行蛋白质柔性处理。

1.3对接过程 蛋白质-蛋白质对接一般通用的过程包括：①尽可能多的从全局或局部搜索中生成对接复合物；②筛选和评估复合物；③精制和重排。这三步可被细分为更多步。第一步完成刚体的全局搜索，尽可能多的生成对接蛋白质-蛋白质构象。在第二步中，采用生物或实验信息和打分函数来扫描并评估第一步得到的对接复合物。错误对接复合物的得分比接近X射线结构复合物的得分高是很常见的，许多得分高的结构并不实际存在。应过滤掉这些不实际存在的结构，将剩下的对接复合物进行评估。第三步涉及到侧链及可能骨架的柔性。柔性处理时主要进行重排侧链。

2 分子动力学模拟

分子动力学模拟是一门利用经典力学来模拟大分子体系运动的方法，它综合了数学、统计物理、化学、计算机等多门学科的内容。分子力场是分子动力学模拟的基础。它采用简单的函数来描述分子能量与结构之间的关系。分子力场的基本函数形式包括了原子之间的成键相互作用与非键相互作用。非键相互作用主要包含了范德华力与长程静电力。

2.1分子动力学模拟过程 分子动力学模拟的步骤主要包括了四步：第一步是确定初始构象，初始构象尽量选越接近模拟系统的结构越好，通常是能量较低的构象。通常采用分子力学方法对其构象进行优化；第二步平衡相过程，在前一步中已经确定的模拟体系将进行平衡相过程。在构建平衡相的过程中，须对其构象以及温度等参数进行调控并加以监控，还要判断体系是否已经达到平衡；第三步生产相过程，模拟体系中的分子以及构成分子的原子开始根据初始速度运动，此时根据牛顿力学和预先给定的粒子间相互作用势来对各个粒子的运动轨迹进行计算，并从这个过程中抽取计算分析时所需要的数据和样本；第四步将对计算结果进行深入分析处理。

2.2研究进展及常用软件 Tajkhorshid等成功的模拟了水分子通过不同通道亚型的过程[11]。Xu等在水溶液和磷脂双层中对β淀粉样多肽进行了多次长时间分子动力学模拟，发现在生物膜和有机溶剂中以α螺旋为主，在水溶液中则以无规则卷曲为主[12]。京都大学医学研究科的岩田想[13]成功分析了存在于细胞的，负责将物质运送到细胞内的一种蛋白Mhp1的构造，运用该结果通过在计算机上模拟，在分子层次上弄清了Mhp1将物质运往细胞内的机制。

目前，用于分子动力学模拟的软件越来越成熟。较为常用的主要有：GROMACS，NAMD， AMBER，CHARMM，TINKER、LAMMPS等。GROMACS[14]是用户界面友好的分子动力学模拟软件，模拟中的参数条件和基本功能已经趋于成熟，里面包含多种力场，非常适用于模拟生物大分子这种复杂体系。同时由于其速度快，在非生物体系统中也得到了广泛的应用。AMBER[15]不仅是一个程序，而是包含了从体系准备到动力学模拟，再到轨迹分析等一系列程序的集合。同时，AMBER 还是一系列力场的名称，这些力场涵盖了蛋白质、核酸、糖类、脂类等众多生物大分子。NAMD同样适用于模拟计算蛋白质、核酸等生物大分子体系，而且并行计算效率非常高。

3 展望

目前，蛋白质分子对接及分子动力学模拟等计算手段虽然已广泛用于蛋白质-蛋白质间相互作用的相关研究，但还是存在一些值得改进的地方。例如，蛋白质-蛋白质对接过程中，蛋白质柔性的相关处理，构象搜索的合理性及打分函数的准确度；分子动力学模拟中力场的种类和所研究体系的匹配度等。随着计算机技术不断的发展，这些生物信息学方法有待进一步优化和相关软件需要进一步完善，从而使其更适用于蛋白质等生物大分子的模拟研究。总之，将生物信息学方法与传统实验手段相结合来进行蛋白质间相互作用等生物大分子体系研究，是一条有待进一步发展的有效途径。

参考文献：

[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

关键词:激发兴趣； 突出重点； 增大信息量； 体现主体地位； 促进多元化

把信息技术辅助教学作为一种教学手段运用于生物教学中，无疑是对传统教学的一种改革，它给生物教学带来了新活力，从而打破了教室中的沉闷空气。过去主要是教师讲授，配以挂图、模型等，部分学生的学习往往还是比较被动，注入式的教育方法仍比较普遍，而采用信息技术辅助教学，对全面提高教育质量与效益，全面推进素质教育有不可估量的推动作用。

1 信息技术教学激发和培养兴趣，调动学习的主动性和积极性

传统的教学模式，教师依靠“一块黑板，一只粉笔，一本书”进行说教式的教学。媒体运用单一，学生容易产生疲劳感，乏味感。而激发学生的学习兴趣，调动其学习积极性，对初中教学来说是教学成败的关键所在。孔子曾说过：“知之者不如好之者，好之者不如乐之者。”南宋朱熹也指出：“教人未见趣，必不乐学。”信息技术教学可以利用各种教具、学具、投影、电影、录像、录音等媒体，集声、光、形、色于一体，直观形象，新颖生动，能够直接作用于学生的各种感官，激发学生的学习兴趣，调动每一位学生的积极性、主动性，变被动学习为主动学习。

2 信息技术教学有利于突出教学重点、突破教学难点

生物学包容的内容非常广阔，时空跨度很大，小到动物、植物的细胞，大到包含世界所有生物；近到我们人本身，远到世界各大洲；凡是有生物存在的地方，它都无所不在。这就为教师的教、学生的学带来了难度。并且有些生物现象实在不是一些简单的标本或挂图所能展示的，也不是教师用语言所能描绘的。信息技术的运用可以将许多在教室里或在当时当地无法看到，但又必须让学生观察的事物展示在学生面前，有目的地把学生的视野、思维引向教学重点或难点。为了突出重点，信息技术可以将观察对象有目的的进行选择、组接，使之更加集中、明确。例如：生物之间的食物联系、生物的进化、化石的形成等一些自然现象、情景过程，就可以运用信息技术有选择地化虚为实，从而使学生比较顺利的理解和掌握这些重点教学内容。为突破教学难点，缩短学生从形象思维到抽象思维的发展距离，达到“启其所感，导其所难”的目的，利用信息技术图、文、声、像等特点，变抽象为形象、变微观为宏观、变静态为动态、变不可操作为可操作，使死的食物概念、原理变成“活”的生物知识，使看不见、摸不着的微观世界和复杂的生理过程直观地显现在学生面前，其效果是不言而喻的。

3 信息技术教学能增大信息含量，增加知识密度

在教学内容上任课老师有很大的自主性，必竟“生物学”与我们自己息息相关，就像我们今天面临的人口、环境、粮食、资源等世界性问题，无不与生物学有关。因此，我们在教学中可以也应该教给学生更多书本以外的生物学知识。那么如何在有限的时间里增大信息含量，增加知识密度呢？可以利用信息技术技术进行高密度的知识传授，大信息量的优化处理。众所周知，图形不是语言，但比语言更直观和形象，包含的信息量更大。动画又比图形更形象生动，利用文字闪烁、图形缩放与移动、颜色变换等手段，不仅容量大，而且速度快，效果更好。在“生物对环境的适应”一课的教学中，上课伊始，先利用信息技术展示一组画面：茂密热带雨林、炎热干旱的沙漠、冰雪覆盖的雪山、鸟儿飞翔的天空、多彩多姿的海底世界、鹿群狂奔的草原，从而引出课题：不同的生态因素形成了如同画面上战线的各种生存环境，与此相适应的是各种各样的动植物，它们与生存环境形成一个统一体。其实在地球上的各个角落，都生活着形态万千的动植物。那么，这些动植物是如何与其生存的环境相适应呢？――这不仅加大了课堂的信息量，而且极大地激发了学生的学习兴趣。随着课程的深入，我们还通过CAI课件，把学生带入草原上“天苍苍、野茫茫、风低草低现牛羊”的诗境；展现高原上气憾冰雪的奇松异木，沙漠里高大的纺锤树，挺拔的仙人鞭等。生动的形式，丰富的画面，加大了知识的密度，增加课堂的信息量，这无疑为学生积累信息开拓了广阔的视野空间。

4 信息技术教学能充分体现学生的主体地位和教师的主导作用

学生不仅是学习的主体，也是课堂教学的主体。学生知识的获得、能力的培养，应当是在主体意识支配下的自觉行动，即其主观能动性。信息技术教学将现代的声、光、色引进课堂，以其绚丽多彩、形象生动的画面，悦耳动听的音响，情感丰富、言简意赅的讲解，进行教学媒体的优化组合，使学习内容图文并茂，栩栩如生，驱使学生积极思维，自始自终成为学习的主人。同时，作为起主导作用的教师，在利用信息技术教学时，能够对出现的画面进行详尽生动的讲解，引导学生积极思维，充分进行双边活动。学生的积极参与，课堂气氛十分活跃，既避免了教师的“单口相声”，又避免教师“形同虚设”。

5 信息技术教学能促进教学方法多元化

俗话说：教学有法，但无定法，贵在得法。教学实践证明，一堂生物课的教学，常常需要教学内容和教学目的所决定的。例如：讲“减数分裂”这一部分内容时，既有同源染色体、联会、四分体等基本概念，又有生殖细胞形成的具体过程，如果只使用录像显示的直观教学法而没有讲授法相配合，就极可能形成学生仅凭个人的新奇感去观察，观察就只能停留在表面现象上，盲目性很大，更谈不上有意识的积极思维，很难深入现象的本质；若只进行抽象的讲解，而不与直观显示相结合，学生就只能死记硬背。科学地使用信息技术教学，使教师可以根据教学需要和情况变化，随时修改教案，改进教学；学生则可根据自己的需要进行再学习。由于信息技术的交互性强，对某一节课的内容可以让学生自学，可以由教师指导学习，也可以用于课后复习。这样，学生的学习由以往的单一的课堂授课制转变为形式多样、灵活方便、多种教学方法综合运用、有机结合的新型模式，促使学生积极主动地进行探索式、发现式学习。

总之，信息技术辅助教学有着常规教学无法比拟的独特之初处。所以只要我们在实践中，认真地去研究、探讨、解决就可以真正理解和认识信息技术辅助教学的内涵，真正感受到信息技术的神奇和巨大的潜力，使其为深化教学改革服务。

参考文献

［1］ 《生物学教学》2003年9月

第3篇

【关键词】信息技术 生物教学 作用

生物学是一门研究生物的形态、结构、生理、分类、遗传和变异、进化、生态的科学。在生物学基础知识的领域里，一切对象和现象都可以直接或间接地感知，而多媒体计算机等现在教育技术的运用，可以让学生通过事物的形、声、色的变化来获取知识，认识事物的内在的规律，充分调动了学生的学习积极性，使学生在轻松愉快中将重点、难点突破。主要的作用有以下几点：

一、激发学生学习兴趣

学习兴趣是学习动机中最活跃的因素，学习兴趣的产生主要取决于学习内容的特性、学生已有的知识经验和学生对学习的愉快情感的体验。在传统的课堂教学中，教师为激发学生学习的兴趣而采用或是绘声绘色，或是用诗歌故事，或是实物展示，或是幻灯辅助等等方法。但是这些方法都难免容量小、手段单一。而以计算机为核心的信息技术具有多媒体集成性、交互性等特点，能有效地激发学生兴趣，使学生产生强烈的学习欲望，从而形成学习动机。如：在教学《鸟类的多样性》阶段，为激发学生学习的兴趣，在课件的开始，以一幅高山瀑布的画面配合流水潺潺、百鸟争鸣的声音，然后展示十种我国特有的珍稀鸟类的图片，更加激发了学生学习本课的兴趣。

二、改变教学方式，实现师生互动

网络环境为学生提供了丰富的知识库、资源库，在生物教学中要充分发挥网络优势，让学生主动参与到学习中来。学生在网上自主学习这种方式，并不是教师简单地把一些相关网址介绍给学生，并让学生上网查找资料，阅读资料这么简单，这样做结果不一定好。因为网络信息不仅容量大，且良莠不齐，而中学生辨别垃配合教学内圾信息、有害信息的能力不强，同时他们的自控、自律、自我调节能力也较差。因此，在网上搜寻生物课堂教学中可利用的信息如同大海捞针。为了使网上信息成为生物课堂教学可用的资源，教师可以把教材、网上与本节课教学内容有关的信息抽提出来，建立“与教材相关的资源网站”，让学生利用该网站的资源进行自主学习。例如初中生物关于遗传、变异、健康教育等内容，教学信息量大，有些问题学生难于公开表达。在进行这些内容的教学时，教师尝试利用网络教学的方式，让学生在计算机上，搜寻自己需要的信息，并就自己难于开口的问题，通过教师提供的网页查询答案，同时还可以就某些不懂的问题与教师和同学进行交流。在进行网络教学时，教师还可以给学生提供容的检测题，包括基础性题目和拓展性题目，学生在完成基础性题目后，可以有选择地完成拓展性题目，实现真正地分层教学，因材施教，学生的作业可以通过网络直接提交给教师。

三、扩大信息来源

利用Internet来搜集信息，可大大扩展信息的来源，且快速方便。对于参加考考的学生来说，及时的搜集高考信息和进行强化训练是必须的，但购买的成套习题集，往往又存在着题型偏旧、信息过时的缺点，用起来有时是事倍功半。为了克服这一缺点，我们充分利用了Internet这一信息资源，从网上下载最新试卷然后进行精选。这些试题题型新颖、信息准确，给学生作为试题和平时练习，对于启发学生的思维，开阔学生的视野、增大学生的阅读量有着非常大的帮助。

四、有利于培养学生的创新精神

传统的生物学教学方式和以指导为主的教学方式一般都采用 “传递”的方式进行教学，学生只是被动地接受知识，这不利于培养学生的探究能力。信息技术的发展，互联网、校园网的出现，教育网站、电子书刊、虚拟图书馆、虚拟软件库、新闻组等为学生营造了一个探索发展的学习环境，提供了非常丰富的学习资源。信息技术，也必将从演示教具变为学生探究问题获取知识的工具。在网络环境条件下，学生的学习是多向互动的，可以利用多种信息源(教师作为一种信息源之一)，通过检索、学习、构思、将有关信息组合起来，形成自己的观点，获得自己的认知方式。这种新型的，比较民主的教育关系将有利于学生发展自己的个性，激发他们的创造思维，培养和促进其创新精神、信息能力的发展，实现学生为主体、教师为主导的新型教学模式的建构。

五、运用多媒体课件精讲、复习，分层教学，省时高效

在生物复习课中，教师借助计算机网络技术，把预先准备好的一个完整的知识网络体系投影到大屏幕上或是学生计算机屏幕上，既节约时间，又加大了课堂容量，而且便于教师精讲。在复习中利用信息技术展示知识网络体系，可以使学生在瞬间勾起对以前所学大量知识的回忆，省时高效，而且还利于分层教学、自主复习。事实上每位学生所掌握的知识是不同的，教师把知识网络交给学生以后，学生根据已有知识水平对未掌握的知识有侧重点地复习或重新学习，有的放矢，新旧结合，可大大提高复习的效率。例如：在复习《三大营养物质的代谢》时，由于教学内容多、学生水平不同，教师采用网页的形式向学生呈现知识体系以后，学生可以根据自己的水平或重点复习脂类代谢，或重点复习糖类代谢，或重点复习蛋白质代谢，根据自己已有水平自主学习。在复习课中，一个较好的课件，既对基础较好的学生起到提纲挈领、高效系统复习的作用，又可照顾基础薄弱的学生起到“新授”、重新学习的作用，从而保证每位学生都“有的吃”、“吃得饱”。