内蒙古科技大学：《生物信息学》课程教学课件（PPT讲稿）第一章 生物信息学引论

生物信息学 蔡禄 内蒙古科技大学 数理与生物工程学院

生 物 信 息 学 内 蒙 古 科 技 大 学 数 理 与 生 物 工 程 学 院 蔡禄

参考书 1、生物信息学教程，蔡禄，2006，化学工业出版社 2、简明生物信息学教程，钟扬张亮赵琼2001，高等教育出版 社 3、生物信息基础，孙啸陆祖宏谢建民，清华大学出版社，2004 4.Introduction to Bioinformatics,T K Attwood D J Parry-Smith (罗静初等译)（2002)北京大学出版社 数 5.Bioinformatics:A practice guide to the analysis of genes and proteins(李衍达孙之荣译)（2000)清华大学出版社 生 物 6 Biological sequence analysis-Probabilistic models of proteins and 程 nucleic acids R.Durbin S.Eddy A.Krogh G.Mitchison(2002) 院 清华大学出版社（引进版） 2025/5/27 BIOINFORMATICS

BIOINFORMATICS 参 考 书 1、生物信息学教程，蔡禄，2006，化学工业出版社 2、简明生物信息学教程，钟扬 张亮 赵琼 2001， 高等教育出版 社 3、生物信息基础，孙啸 陆祖宏谢建民，清华大学出版社，2004 4、Introduction to Bioinformatics, T K Attwood D J Parry-Smith (罗静初等译）（2002）北京大学出版社 5、Bioinformatics：A practice guide to the analysis of genes and proteins （李衍达孙之荣译）（2000）清华大学出版社 6、Biological sequence analysis-Probabilistic models of proteins and nucleic acids R. Durbin S. Eddy A. Krogh G. Mitchison (2002) 清华大学出版社(引进版) 2025/5/27 数 理 与 生 物 工 程 学 院 2

第1章 生物信息学引论 §1.1引言 ·综合论与还原论 生物并非只是物质的简单堆积，生物体的生长发育是 生命信息控制之下的复杂而有序的过程。 。 如果说物理学是研究物质和能量的学科，那么生命科 学就是研究生命物质基础上的信息的学科。 数 理 。 目前，我们对生命的奥秘还不甚了解，对生命信息的 组织、传递和表达还知之甚少。既然这牵涉到信息的 物 组织、传递和表达，我们就可以用信息科学的方法和 技术来尝试认识和分析生命信息。 院 2025/5/27 BIOINFORMATICS 3

第1章 生物信息学引论 • 综合论与还原论 • 生物并非只是物质的简单堆积，生物体的生长发育是 生命信息控制之下的复杂而有序的过程。 • 如果说物理学是研究物质和能量的学科，那么生命科 学就是研究生命物质基础上的信息的学科。 • 目前，我们对生命的奥秘还不甚了解，对生命信息的 组织、传递和表达还知之甚少。既然这牵涉到信息的 组织、传递和表达，我们就可以用信息科学的方法和 技术来尝试认识和分析生命信息。 2025/5/27 §1.1 引言 BIOINFORMATICS 3 数 理 与 生 物 工 程 学 院

随着基因组计划的迅速发展，生物数据的 积累速度不断加快。因此，也就对生物数据的 科学分析方法和实用分析工具提出了更新、更 高的要求。在这个过程中，需要对实验数据进 行处理并及时进行理论分析，在此基础上解释 实验现象，认识导致实验现象发生的本质，在 理与生物 “整合”、“系统”等全新理念下探索固有的 生物学规律，进而了解和掌握生命的物质基础 程 院 和生命的本质。 2025/5/27 BIOINFORMATICS

随着基因组计划的迅速发展，生物数据的 积累速度不断加快。因此，也就对生物数据的 科学分析方法和实用分析工具提出了更新、更 高的要求。在这个过程中，需要对实验数据进 行处理并及时进行理论分析，在此基础上解释 实验现象，认识导致实验现象发生的本质，在 “整合”、“系统”等全新理念下探索固有的 生物学规律，进而了解和掌握生命的物质基础 和生命的本质。 2025/5/27 BIOINFORMATICS 4 数 理 与 生 物 工 程 学 院

最近10余年来，生物科学与技术迅猛发展，生物学 及相关数据的积累速度已大大超出了人们的想象。面对 生物信息的爆炸性增长，现有的信息收集、储存、处理 和分析方法与工具已远远不能满足实际研究的需要，亟 待更新。 数 理 -例如，人类基因组计划(human genome project,HGP)在1990 与生 年正式启动后，科研人员用10年时间完成了人类基因组的工作 草图（包含3×10亿个碱基对，并对30000余个基因进行了注释） 越来越多的微生物和其他模式生物（如秀丽新小杆线虫C elegans)也已完成了全基因组测序工作。 2025/5/27 BIOINFORMATICS 5

最近10余年来，生物科学与技术迅猛发展，生物学 及相关数据的积累速度已大大超出了人们的想象。面对 生物信息的爆炸性增长，现有的信息收集、储存、处理 和分析方法与工具已远远不能满足实际研究的需要，亟 待更新。 – 例如，人类基因组计划(human genome project, HGP)在1990 年正式启动后，科研人员用10年时间完成了人类基因组的工作 草图（包含3×109亿个碱基对，并对30000余个基因进行了注释） – 越来越多的微生物和其他模式生物（如秀丽新小杆线虫C. elegans）也已完成了全基因组测序工作。 2025/5/27 BIOINFORMATICS 5 数 理 与 生 物 工 程 学 院

Ureaplasma Bacillus subtilis Drosophila Rickettsia prowazekii Helicobacter urea山yticum挖愿愿原体枯草芽孢杆菌 melanogaster普氏立克次体 pylori幽门螺杆离 Buchnerasp. Escherichia human Thermotoga APS Arabidopsis co心大肠杆菌 拟南芥 maritima海栖热袍菌 Thermoplasma Caenorhabitis mouse rat Borrelia burgorferi acidophilum elegans 伯氏疏螺旋体 Plasmodium Borrelia Aquifex Neisseria Mycobacteriu falciparum恶性 burgorferi aeolicus嗜热菌 meningitidis脑膜 m tuberculosis 20克627 炎奈瑟菌 结核枉菌

human Thermotoga maritima海栖热袍菌 Escherichia coli大肠杆菌 Buchnerasp. APS Rickettsia prowazekii 普氏立克次体 Ureaplasma urealyticum溶脲脲原体 Bacillus subtilis 枯草芽孢杆菌 Drosophila melanogaster Thermoplasma acidophilum Plasmodium falciparum恶性 疟原虫 Helicobacter pylori幽门螺杆菌 mouse Caenorhabitis elegans rat Borrelia burgorferi 伯氏疏螺旋体 Borrelia burgorferi Aquifex aeolicus嗜热菌 Neisseria meningitidis脑膜 炎奈瑟菌 Mycobacteriu m tuberculosis 结核杆菌 Arabidopsis 拟南芥 2025/5/27

这些大型国际合作项目不仅产生出巨 大的数据量，而且对数据处理工作也提出 了前所未有的要求。人们已经充分认识到， 如果不能及时分析和有效利用这些信息， 那么这些耗费巨资所获得的数据也无异于 增加了一堆垃圾。 数理与生物工程学院 2025/5/27 BIOINFORMATICS

这些大型国际合作项目不仅产生出巨 大的数据量，而且对数据处理工作也提出 了前所未有的要求。人们已经充分认识到， 如果不能及时分析和有效利用这些信息， 那么这些耗费巨资所获得的数据也无异于 增加了一堆垃圾。 2025/5/27 BIOINFORMATICS 7 数 理 与 生 物 工 程 学 院

1.1.1生物信息学基本概念 广义的生物信息学是指以核酸蛋白质等生物 大分子为主要研究对象，以信息、数理、计算机 科学为主要研究手段，以计算机网络为主要研究 环境，以计算机软件为主要研究工具，对序列数 据进行存储、管理、注释、加工，对各种数据库 进行查询、搜索、比较、分析，构建各种类型的 专用数据库信息系统，研究开发面向生物学家的 程 新一代计算机软件。 学 院 2025/5/27 BIOINFORMATICS

广义的生物信息学是指以核酸蛋白质等生物 大分子为主要研究对象，以信息、数理、计算机 科学为主要研究手段，以计算机网络为主要研究 环境，以计算机软件为主要研究工具，对序列数 据进行存储、管理、注释、加工，对各种数据库 进行查询、搜索、比较、分析，构建各种类型的 专用数据库信息系统，研究开发面向生物学家的 新一代计算机软件。 2025/5/27 1.1.1 生物信息学基本概念 BIOINFORMATICS 8 数 理 与 生 物 工 程 学 院

并利用数理统计、模式识别、动态规划、密码 解读、语意解析、信令传递、神经网络、遗传算法 以及隐马氏模型等各种方法，对序列、结构数据进 行定性和定量分析，从中获取基因编码、基因调控、 序列结构-功能关系等理性知识，阐明细胞、器官 数 理 和个体的发生、发育、病变、衰亡的基本规律和时 空联系，探索生命起源、生物进化、生命本质等重 程 大理论问题，最终建立“生物学周期表”。 2025/5/27 BIOINFORMATICS 9

并利用数理统计、模式识别、动态规划、密码 解读、语意解析、信令传递、神经网络、遗传算法 以及隐马氏模型等各种方法，对序列、结构数据进 行定性和定量分析，从中获取基因编码、基因调控、 序列-结构-功能关系等理性知识，阐明细胞、器官 和个体的发生、发育、病变、衰亡的基本规律和时 空联系，探索生命起源、生物进化、生命本质等重 大理论问题，最终建立“生物学周期表”。 2025/5/27 BIOINFORMATICS 9 数 理 与 生 物 工 程 学 院

1.1.2生物信息学的研究目标和任 揭示生物分子数据隐含的生物学信息是 其长远目标和根本任务。 目前生物信息学的主要任务： 第一是收集和管理生物分子数据。 第二是进行数据处理和分析。 数理与生物 第三个方面是开发分析工具和实用软件。 程学院 2025/5/27 BIOINFORMATICS 10

揭示生物分子数据隐含的生物学信息是 其长远目标和根本任务。 目前生物信息学的主要任务： 第一是收集和管理生物分子数据 。 第二是进行数据处理和分析。 第三个方面是开发分析工具和实用软件。 2025/5/27 1.1.2 生物信息学的研究目标和任务 BIOINFORMATICS 10 数 理 与 生 物 工 程 学 院