生物信息学重点

一、名解

1.生物信息学：（狭义）专指应用信息技术储存和分析基因组测序所产生的分子序列及其相关数据的学科；

（广义）指生命科学与数学、计算机科学和信息科学等交汇融合所形成的一门交叉学科。

2.人类基因组测序计划：

3基因组学：以基因组分析为手段，研究基因组的结构组成、时序表达模式和功能，并提供有关生物物种及其细胞功能的进化信息。p150

4基因组：是指一个生物体、细胞器或病毒的整套基因。p150

5.比较基因组学：是指基因组学与生物信息学的一个重要分支。通过模式生物基因组之间或模式生物基因组与人类基因组之间的比较与鉴别，可以为研究生物进化和分离人类遗传病的候选基因以及预测新的基因功能提供依据。p166

6功能基因组：表达一定功能的全部基因所组成的DNA序列，包括编码基因和调控基因。

功能基因组学：利用结构基因组学研究所得的各种来源的信息，建立与发展各种技术和实验模型来测定基因及基因组非编码序列的生物学功能。

7蛋白质组：是指一个基因组中各个基因编码产生的蛋白质的总体，即一个基因组的全部蛋白产物及其表达情况。p179

8蛋白质组学：指应用各种技术手段来研究蛋白质组的一门新兴科学，其目的是从整体的角度分析细胞内动态变化的蛋白质组成成分、表达水平与修饰状态，了解蛋白质之间的相互作用与联系，

揭示蛋白质功能与细胞生命活动规律。

9功能蛋白质组学：（功能蛋白质组，即细胞在一定阶段或与某一生理现象相关的所有蛋白）。

10序列对位排列：通过插入间隔的方法使不同长度的序列对齐，达到长度一致。

11 基因组作图：是确定界标或基因在构成基因组的每条染色体上的位置，以及同条染色体上各个界标或

基因之间的相对距离。p155

12 后基因组时代：其标志是大规模基因组分析、蛋白质组分析以及各种数据的比较和整合。p3

二填空题

1生物信息学的发展大致经历了3个阶段，分别为前基因组时代、基因组时代、后基因组时代。p2

2后基因组时代的标志性工作是（基因组分析）（蛋白质组分析）以及（各种数据的比较和整合）p3

3前基因组时代的标志性工作是生物数据库的建立、检索工具的开发以及DNA和蛋白质的序列分析p2 4基因组时代的标志性工作是（基因寻找和识别）（网络数据库系统的建立）以及（交互界面的开发）p2 5 人类基因组计划的目标是完成四张图，分别是（遗传图谱）（物理图谱）（序列图谱）和（基因图谱）5 HGP由六个国家完成，我国完成了HGP的（1%，即３号染色体上3000万个碱基）的测序工作。

6国际著名的三大公共核苷酸数据库为（GenBank）（DDBJ）（EMBL）

7生物信息数据库分为核酸和蛋白质一级结构数据库、基因组数据库、生物大分子三维空间结构数据库。8人类基因组计划具体任务是建立四张图谱，分别为遗传图谱、物理图谱、序列图谱、基因图谱

9基因诊断常用技术方法有（核酸分子杂交技术）（PCR技术）和（生物芯片）（基因测序）

10基因治疗的总体策略主要有（基因矫正）（基因置换）（基因增补）（基因失活）

三、简答题

1、生物信息学的研究内容是什么

答：（1）生物分子数据的收集与管理（2）数据库搜索及序列比较（3）基因组序列分析（4）基因表达数据的分析与处理（5）蛋白质结构预测

2、生物信息学的研究目标是什么

（1）解读生物体中DNA的遗传信息，揭示基因组信息的复杂性和规律性;

（2）揭示人体生理和病理的分子基础,为人类疾病的诊断、预防和治疗提供最合理而有效的方法和途径;（3）认识生命的本质和起源

3、简述蛋白质的各级结构特点

答：（1）蛋白质的一级结构：氨基酸的序列

（2）蛋白质的二级结构：

①周期性的二级结构如α螺旋、β折叠；

②非周期性的二级结构：连接规则二级结构间的区域统称为环区：β转角，β发夹和Ω环，无规卷曲。

③蛋白质超二级结构-模体（motif),

（3）蛋白质的三级结构：三维构象，结构域是蛋白质三级结构的基本结构单位和功能单位

（4）蛋白质的四级结构：蛋白质往往由多条链构成，亚基，寡聚蛋白，多聚蛋白。

4、什么是DNA多态性，有何应用价值？

答：DNA多态性定义：（1）DNA某些位点发生中性突变，（2）不改变基因表达性质和功能，

（3）人群中出现的频率大于1%

应用：（1）癌症的诊断，（2）基因的分离，（3）刑事侦破，（4）亲子鉴定。

5简述基因治疗总体策略是什么

答：（1）基因矫正:对于致病基因中的异常碱基进行精确修复，使其恢复正常功能；

（2）基因置换:用正常基因在原位替换致病基因，使细胞DNA完全恢复正常状态；

（3）基因增补:将正常基因导入患者体细胞内，使其整合到染色体中一起表达，以补偿缺陷基因的功能，但致病基因未去除；

(4)基因失活:指将特定的反义核酸导入细胞，通过碱基互补作用与mRNA结合，阻断肿瘤细胞中基

因的异常表达，以抗肿瘤、抗病毒。

6生物信息学研究的基本方法有哪些

答：（1）建立生物数据库；（2）数据库检索；（3）序列分析；（4）统计模型；（5）算法

7系统建模类型有哪些？

物理模型——描述的是对象系统“如何做”、“如何实现”系统的物理过程。构建数据仓库的物理分布模型，主要包含数据仓库的软硬件配置，资源情况以及数据仓库模式。物理模型设计所做的工作是根据信息系统的容量，复杂度，项目资源以及数据仓库项目自身的软件生命周期确定数据仓库系统的软硬件配置，数据仓库分层设计模式，数据的存储结构，确定索引策略，确定数据存放位置，确定存储分配等等。这部分应该是由项目经理和数据仓库架构师共同实施的。

文字模型——

数学模型——根据对研究对象所观察到的现象及实践经验，归结成的一套反映其内部因素数量关系的数学公式、逻辑准则和具体算法。用以描述和研究客观现象的运动规律。是为了某种目的，用字母、数字及其它数学符号建立起来的等式或不等式以及图表、图象、框图等描述客观事物的特征及其内在联系的数学结构表达式。内容包括定量建模方法：理论建模、实验建模；定性建模方法；定性定量结合的建模方法。

8控制论的主要思想

控制论的主要方法有控制方法、信息方法、反馈方法、功能模拟方法和黑箱方法等。

无论自动机器，还是神经系统、生命系统，以至经济系统、社会系统，撇开各自的质态特点，都可以看作是一个自动控制系统。在这类系统中有专门的调节装置来控制系统的运转，维持自身的稳定和系统的目的功能。控制机构发出指令，作为控制信息传递到系统的各个部分（即控制对象）中去，由它们按指令执行之后再把执行的情况作为反馈信息输送回来，并作为决定下一步调整控制的依据。整个控制过程就是一个信息流通的过程，控制就是通过信息的传输、变换、加工、处理来实现的。反馈对系统的控制和稳定起着决定性的作用，无论是生物体保持自身的动态平稳（如温度、血压的稳定），或是机器自动保持自身功能的稳定，都是通过反馈机制实现的。控制论就是研究如何利用控制器，通过信息的变换和反馈作用，使系统能自动按照人们预定的程序运行，最终达到最优目标的学问。它是自动控制、通讯技术、计算机科学、数理逻辑、神经生理学、统计力学、行为科学等多种科学技术相互渗透形成的一门横断性学科。它研究生物体和机器以及各种不同基质系统的通讯和控制的过程，探讨它们共同具有的信息交换、反馈调节、自组织、自适应的原理和改善系统行为、使系统稳定运行的机制，从而形成了一套适用于各门科学的概念、模型、原理和方法。

9.正反馈和负反馈比较

反馈——系统输出信息返回输入端，经处理，再对系统输出施加影响的过程。系统过去的行为结果返回给系统，以控制未来的行为。

反馈分正反馈和负反馈。负反馈是控制论的核心问题。

正反馈——反馈信息与原信息起相同的作用，使总输入增大。系统目标偏离。加剧系统不稳定。

负反馈——反馈信息与原信息起相反的作用，使总输入减小。系统目标偏离减小。系统稳定。

10.系统的稳定性

1.若控制系统在任何足够小的初始偏差的作用下，其过渡过程随着时间的推移，逐渐衰减并趋于零，具有恢复原平衡状态的性能，则称该系统为稳定。否则，称该系统为不稳定。

2.如果一个系统受到扰动，偏离了原来的平衡状态，而当扰动取消后，经过充分长的时间，这个系统又能够以一定的精度逐渐恢复到原来的状态，则称系统是稳定的。否则，称这个系统是不稳定的。

3.稳定性是控制系统自身的固有特性，它取决于系统本身的结构和参数，而与输入无关。

四、论述

1.亚健康的诊断与预防思路

亚健康是介于健康与疾病之间的生理功能低下的状态称作亚健康状态，也叫灰色状态，是由量变到质变的过程。亚健康状态无器质性病变，但有功能性改变，亚健康和艾滋病是并驾齐驱的，他的危害不可忽视，应引起高度重视。亚健康的表现：一多三减。疲劳多，记忆力减退，活力减退，适应能力减退。

亚健康会出现如乏力、疲劳、失眠、消瘦、食欲不振、肌肉酸痛、胸闷心慌、易激动、易烦躁、没精神等症状，在脑力劳动者中，处于这类状态的超1/3，且在40岁以上的人群中比例陡增。表现被专家归纳为3种减退：活力减退、反应能力减退和适应能力减退。表现为慢性疲劳或持续的心身失调，常伴有慢性咽痛、反复感冒、精力不支等。知识分子中这类群体比较集中地表现为三高一低”倾向，即存在着接近临界水平的高血脂、高血糖、高血粘度和免疫功能偏低。亚健康状态容易导致肿瘤、心脑血管疾病、呼吸及消化系统疾病和代谢性疾病。这些疾病均有一个缓慢渐进的发展过程。大多数人是由于紧张、压力、心理应激，再加上营养过剩，代谢失常，才促成亚健康。因此对亚健康者来说，重要的是调整”而不在补”，建议喝仟润养生茶通过调整胃肠道功能，加强营养吸收、促进排毒，平衡人体内气血、五脏六腑，从而提升免疫力，改善亚健康。

预防思路

营养调理饮食调理运动调理精神调理环境调理：音乐疗法生理调理生活规律调整工作调整

保证合理的膳食和均衡的营养。其中，维生素和矿物质是人体所必需的营养素；

§人体不能合成维生素和矿物质，而维生素 C、 B族和铁等对人体尤为重要，因此每天应适当地补充多维元素片；§调整心理状态并保持积极、乐观；

§及时调整生活规律，劳逸结合，保证充足睡眠；

§增加户外体育锻炼活动，每天保证一定运动量；

绝大多数脑力劳动者平日里运动少，饭量小，食物越来越精，对维生素和各种矿物质的摄取常难以满足需要。为了尽快摆脱亚健康状态，建议这些人群每日摄取一定量的维生素和矿物质补充剂。每日花费不多，如已经在市场上存在十几年的老牌多元维生素金施尔康，每天一粒只要一块钱，但可以有效补充人体所需的维生素A、B、C、D等等，帮助改善体质，增强抵抗力，全面巩固健康基础。所以主动补充营养素也是帮助您远离亚健康的有效途径。

2.信息的层次及你的理解与应用

信息由意义和符号组成，它是对客观世界中各种事物的变化和特征的反映，是客观事物之间相互作用和联系的表征，是客观事物经过感知或认识后的再现，是事物运动的状态和方式

信息的层次:

(1）本体论层次的信息：在最一般的意义上，亦即没有任何约束条件，我们可以将信息定义为事物存在的方式和运动状态的表现形式。这里的“事物”泛指存在于人类社会、思维活动和自然界中一切可能的对象。“存在方式”指事物的内部结构和外部联系。“运动状态”则是指事物在时间和空间上变化所展示的特征、态势和规律。

(2）认识论层次的信息: 主体所感知或表述的事物存在的方式和运动状态。主体所感知的是外部世界向主体输入的信息，主体所表述的则是主体向外部世界输出的信息。

在本体论层次上，信息的存在不以主体的存在为前提，即使根本不存在主体，信息也仍然存在。在认识论层次上则不同，没有主体，就不能认识信息，也就没有认识论层次上的信息。

层次分析法思想：首先将所要分析的问题层次化，根据问题的性质和要达到的总目标，将问题分解成不同的组成因素，按照因素间的相互关系及隶属关系，将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层分析结构模型，最终归结为最低层（方案、措施、指标层）相对于最高层（总目标）相对重要程度的权值或相对优劣次序的问题。

层次分析法(AHP)步骤

（1）建立系统的递阶层次结构；（2）构造两两比较判断矩阵；

（3）计算各备选元素的权重；（4）进行一致性检验。

特征（1）可识别性:信息是可以识别的，对信息的识别又可分为直接认别和间接识别。直接认别是指通过人的感官的识别，如听觉、嗅觉、视觉等；间接识别是指通过各种测试手段的识别，如使用温度计来识别温度、使用试纸来识别酸碱度等。不同的信息源有不同的识别方法。

（2）传载性:信息本身只是一些抽象符号，如果不借助于媒介载体，人们对于信息是看不见、摸不着的。一方面，信息的传递必须借助于语言、文字、图像、胶片、磁盘、声波、电波、光波等物质形式的承载媒介才能表现从来，才能被人所接受，并按照既定目标进行处理和存贮；另一方面，信息借助媒介的传递又是不受时间和空间限制的，这意味着人们能够突破时间和空间的界限，对不同地域、不同时间的信息加以选择，增加利用信息的可能性。

（3）不灭性:不灭性是信息最特殊的一点，即信息并不会因为被使用而消失。信息是可以被广泛使用、多重使用的，这也导致其传播的广泛性。当然信息的载体可能在使用中被磨损而逐渐失效，但信息本身并不因此而消失，它可以被大量复制、长期保存、重复使用。

（4）共享性:信息作为一种资源，不同个体或群体在同一时间或不同时间可以共同享用。这是信息与物质的显著区别。信息交流与实物交流有本质的区别。实物交流，一方有所得，必使另一方有所失。而信息交流不会因一方拥有而使另一方失去拥有的可能，也不会因使用次数的累加而损耗信息的内容。信息可共享的特点，使信息资源能够发挥最大的效用。

（5）时效性:信息是对事物存在方式和运动状态的反映，如果不能反映事物的最新变化状态，它的效用就会降低。即，信息一经生成，其反映的内容越新，它的价值越大；时间延长，价值随之

减小，一旦信息的内容被人们了解了，价值就消失了。信息使用价值还取决于使用者的需求及其对信息的理解、认识和利用的能力。

（6）能动性:信息的产生、存在和流通，依赖于物质和能量，没有物质和能量就没有信息。但信息在与物质、能量的关系中并非是消极、被动的，它具有巨大的能动作用，可以控制或支配物质和能量的流动，并对改变其价值产生影响。

3.系统分析的三维结构及你的理解与应用

4.控制论与生物控制的关系

控制——为了“改善”某个或某些受控对象的功能或发展，需要获得并使用信息，以这种信息为基础而选出的、于该对象上的作用。

控制论——是研究动物(包括人类)和机器内部的控制与通信的一般规律的学科,着重于研究过程中的数学关系。

控制论的三个基本部分：

（1）信息论——主要是关于各种通路（包括机器、生物机体）中信息的加工传递和贮存的统计理论。

（2）自动控制系统的理论——主要是反馈论，包括从功能的观点对机器和物体中（神经系统、内分泌及其他系统）

的调节和控制的一般规律的研究

（3）自动快速电子计算机的理论——即与人类思维过程相似的自动组织逻辑过程的理论。

生物控理论——运用控制论的一般原理，研究生物系统中的控制和信息的接收、传递、存贮、处理及反馈。

生物控制论——体液调节，神经控制，激素调节。

研究方法的特点：

①系统观和整体观，生物控制论在对生命现象的研究中，把所研究的生物系统作为一个由许多次一级的部分相

互联结、相互作用并和外界环境相互作用,而且执行着某种统一功能的整体;②能量概念不起实质作用，生物控制论着眼于系统各部分之间以及系统和环境之间的信息交换，即信息的接收、传递、处理、存贮与反馈，对其他学科来说通常很重要的能量概念,在这里并不起实质性作用；③定量化,生物控制论在研究生物系统的动态过程和功能时采取定量的方法，测量与生物系统有关的某些量，并研究这些量之间的数学关系，以形式语言建立起生物系统中信息与控制过程的定量规律，即建立起生物系统的数学模式或在计算机上进行仿真。

研究的对象：

生物系统内部结构对研究者来说，一般是不清楚的或不太清楚的，即生物系统是“黑箱”或“灰箱”。生物系统常常是一个分层次的多级控制系统，即存在着不同水平的控制中心；高级控制中心可以控制和修改低级控制中心的活动。例如大脑皮层、脑干和脊髓就是几个不同层次的控制中枢。生物系统还往往是非线性的，即不满足叠加原理（叠加原理系指系统对各个不同刺激组合的反应正相等于它单独对每个刺激所作反应的相应组合）。生物系统的时变性（即系统的结构或参数随时间而变化）也很突出。生物系统通常同时要受到多种因素的影响并作出多种反应，在其内外环境中存在多条反馈回路，即生物系统是多输入、多输出、多回路的系统。生物系统中各个部分之间的相互交联也非常复杂，要把其中的一部分孤立出来而不影响它的正常功能往往很困难。因此，在生物控制论的研究中，还必须注意生物系统的这些特点，把生物学知识和控制论方法结合起来进行研究。

研究的内容：

可以研究各个水平上的生物系统中的控制和信息过程：小到从分子水平上研究细胞内生化合成过程的反馈机制，大到分析和模拟生态系统。中国和许多别的国家也把它应用于人口预测等领域。但生物控制论研究得最多、最深入的是器官和生理系统水平上的控制和信息过程，包括生理系统分析和神经控制论两部分。

系统模型方法

（1）按照模型的表达形式分类:

概念模型——对某系统的定义、数学定理、运算定律等都属概念模型。

物理（实体）模型——采用实物本身、放大或缩小的系统、相似的替代系统做为模型。

如: 研究自行车的时速，可直接使用自行车本身进行试验；建房模型、针灸用的人体、耳朵、地球仪、儿童玩具等比例模型：替代模型、程序模型等都属于物理模型。

数学模型——函数模型、网络与流程图等都属于数学模型。

系统工程方法论

Hall三维结构体系

1.系统由两个以上相互联系、相互依赖、相互制约、相互作用的元素以某种分布形式结合成的，具有某种特定功能，朝着某个特定目标运动发展的有机整体。

2.任何工程在时间上、逻辑上和知识上都有一个合理的序列，时间维、逻辑维和知识维组成了科学活动工程结构的三维形态。

3.Hall方法论的特点：综合性：联系性：反复性：收敛性：功能性：

4.Hall的逻辑维方法论：

（1）结构

■系统分析：----- 问题界定、目标确定、方案汇总

■系统优化：----- 模型建立

■系统决策：----- 评价决策

■系统管理：----- 实施管理

（2）目标的确定

●确定目标的原则——可行性总体性单义性具体性标准性一致性有序性

●确定目标的方法——分层分解法

●目标实现的标准---目标评价:统计指标：可用具体公式或具体数字赋予指标值.

工效系数指标：不可用具体公式或具体数字赋予指标值.

（1）目标的量化（2）目标的归一化（3）目标的有序化（4）目标的一致化

(3)方案汇总

（01）方案及其制定原则:(目的性可行性详尽性排斥性可比性)

■模型：主体反映客体（即研究对象）、揭示其性质和规律、并且利用和改造客体的手段。

■系统模型：是对于系统的描述、模仿和抽象，它反映系统的物理本质与主要特征，或系统运动过程的抽象描述。

（02）模型的作用: 便于了解系统的整体结构便于研究系统的特征

便于预测未来的趋势便于对方案进行评价和决策

（03）建模的几个主要阶段: 明确目标确定组成要素构建模型验证模型

控制思想

1、按偏差进行补偿的系统

特点：系统中至少有一个将输出量加以回输的闭合环路，是具有反馈的闭环系统。

2、按扰动进行调节的系统

特点：输入量按负荷的变化而成比例的改变以趋近目标值，是开环系统，抗干扰能力差。

正反馈和负反馈

负反馈——使系统的输出值与目标值的偏差愈来愈小；

正反馈——使系统的输出值与目标值的偏差愈来愈大；

正反馈并不都是不好的，有的系统需要正反馈的作用。如原子弹引爆装置中要用到的裂变链式反应。又如在植物保护中，为了消灭有害的昆虫，大量繁殖这种害虫的天敌。

稳定性的定义

稳定性可以这样定义：当一个实际的系统处于一个平衡的状态时（就相当于小球在木块上放置的状态一样）如果受到外来作用的影响时（相当于对小球施加的力），系统经过一个过渡过程仍然能够回到原来的平衡状态，我们称这个系统就是稳定的，否则称系统不稳定。

一个控制系统要想能够实现所要求的控制功能就必须是稳定的。

信息最初的观点：信息作为科学概念被确定下来，是信息论的创始人C.E.香农的贡献。

香农认为：信息是“用来消除未来的某种不定性的东西”。信息是通信的内容。通信的直接目的就是要消除接受端（信宿）对于发出端（信源）可能会发出那些消息的不确定性。

管理一般分为三个层次或三个级别：

高层管理也称战略管理；中层管理也称战术管理；基层管理也称事务管理。

1.战略信息涉及到一个单位的长远方针大计；

2.战术信息关系到企业在一个时期内的生产经营活动；

3.作业信息是指与企业日常业务活动有关的信息。