Ch1_计算生物学介绍.pdf

生物分子模拟与计算 主讲教师：卢本卓 计算数学与科学工程计算研究所 声明 由于本学科的交叉性质，涉及面极广，学科也不成熟，也由于本人 知识极为有限，错误、不准确、遗漏等的地方应该不少，所以本教学作为学 科讨论和参考应该更合适。 其中一些资料图片主要来源于期刊文献、互联网、他人的报告和著 作，由于时间仓促，部分材料未注明出处，请原作者谅解！ 讲解方式 • 计算生物专题课 • PowerPoint 投影讲解为主，板书为辅，可能的话安排2-4课时的上机实习 • 内容中英文混合 • 上课登记（？） • 考评：读书报告 内容 •第一章，计算生物学介绍 分子、细胞生物学简介；计算生物学历史、现状与问题；书籍文献软件 工具参考 •第二章，蛋白质与核酸的结构和性质 蛋白质、核酸等生物大分子结构与性质 •第三章，分子动力学模拟基础 分子模拟,力场，算法（运动积分的leap-frog算法，辛算法，长程力的 计算，周期边界条件，键长约束算法等）；常用软件与实例，[上机，分子可视化 软件VMD，动力学模拟软件AMBER产生的轨迹例子]。 •第四章，N-体静电相互作用的快速计算方法 Ewald求和，Particle-Mesh Ewald；快速多极距方法；其它方法。 •第五章，离散MD模拟中的自由能计算方法 自由能，MD增强采样方法 •第六章，分子模拟拟解决的问题 蛋白质折叠，结构预测，结构功能关系，分子相互作用（热力学与动力 学性质），药物发现等。 •第七章，采样、对接优化和药物设计 内容 •第七章，连续模型模拟方法--静电I 生物静电，静电自由能泛函，Poisson-Boltzmann方程和广义Born模型； 广义Born模型中库仑场近似，PB方程的变分性质；PBE数值方法；分子表面定义及 表面与空间网格产生。 •第八章，连续模型模拟方法--静电II 有限差分法，多重网格法，边界处理；边界元方法；自适应快速多极距边 界元方法—AFMPB；软件与实例，上机（边界元软件AFMPB及有限元软件APBS的静电 计算，VMD分子表面静电势显示）；[上机，应用软件APBS和AFMPB计算静电作用， 结果可视化显示]。 •第九章，连续模型模拟方法—扩散反应 扩散反应模型,Poisson-Nernst-Planck （PNP）方程；Poisson/PB方程的 正规化；耦合方程的求解；有限元方法求解。 •第十章，其它的生物溶液的连续模型 其它或推广的连续模型（弹性、完全自由能、动力学演化等）、变分性 质，方法和计算问题。 •第十一章，计算软件的问题 计算生物软件并行和网格计算的现状 •第十二章，总结 总结，问题；书籍文献参考和用于考核报告的阅读文献列表 •期末考核（报告） 生物分子模拟与计算 第一章计算生物学介绍 主讲教师：卢本卓 计算数学与科学工程计算研究所 在分子细胞层次上 一，分子与细胞生物学简介 细胞是： • 构成有机体的基本单位，具有自我复制的能力，是有机 体生长发育的基础； • 代谢与功能的基本单位，具有完整的代谢和调节体系， 不同的细胞执行不同的功能； • 遗传的基本单位，具有发育的全能性。 蛋白质是是生命的基本构成模块，也是生命活动的执行者。 • DNA双螺旋结构的发现使生物学进入到分子生物学阶段 1952年Franklin拍摄到清晰的DNA晶体X-衍射照片。 1953年，Watson 和Crick提出DNA双螺旋 1953年她认为DNA是一种对称结构，可能是螺旋。 模型。与Wilkins分享1