|
ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
ИСТИНА ИНХС РАН |
||
Биоинформатика и математическое моделирование в биологииучебный курс
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- Год создания: 2013
- Организация: МГУ имени М.В. Ломоносова
- Описание: Биоинформатика и математическое моделирование биологических процессов 2 курс, весенний семестр. 24 лекции (48 часов), 12 семинаров (24 часа). 11 февраля. Лекция 1 Часть 1. Интеграция данных и знаний. Модели и моделирование. Базы и банки данных. Качественные (базовые) модели. Имитационные модели конкретных биологических систем. Компьютерные программы. Иерархия масштабов и времен в биологических системах. Регуляторные сети. Блок-схема модели. Задачи моделирования: Фундаментальная задача: проверка гипотез о механизмах взаимодействия компонентов системы и механизмах регуляции процессов. Оценка констант скоростей элементарных реакций. Прикладные задачи: оптимизация в биотехнологии, проектирование лекарств. Часть 2. Математический аппарат. Понятие переменных и параметров. Стационарное состояние и его устойчивость. Исследование устойчивости стационарного состояния для моделей, состоящих из одного автономного уравнения Вопросы: Какими объектами живой природы Вы собираетесь заниматься в своей научной деятельности? Как Вы представляете роль биоинформатики и математического моделирования в Вашей науке? 12 февраля Лекция 2. Модели роста популяций. Экспоненциальный рост. Логистический рост. Модели с наименьшей критической численностью. Дискретные модели: устойчивый рост, циклы, динамический хаос. Модели с запаздыванием. Вероятностные модели. Матричные модели популяций с возрастной структурой. Вопросы. Какие данные нужны для разработки моделей роста популяций. Где их взять? Какое отношение имеют модели популяций к Вашей области исследований? 18 февраля Лекция 3. 1. Модели с запаздыванием. Вероятностные модели. Матричные модели популяций с возрастной структурой. 2. Модели взаимодействий компонентов в биологических системах. Системы из двух уравнений. Представление системы в фазовом пространстве переменных. Понятие фазовой плоскости, фазовой траектории. Стационарное состояние. Устойчивость стационарного состояния. Типы устойчивости линейных систем. 19 февраля. Лекция 4. Биологические системы – нелинейные. Качественные модели взаимодействий. Линеаризация решений в окрестности стационарного состояния. Схема исследования устойчивости стационарных состояний. Модели биохимических реакций. Модели взаимодействия видов. Примеры: классические модели Лотки и Вольтера. Модель конкурирующих видов в отсутствии ограничений. Методы математического описания ограничений численности. 25 февраля. Лекция 5 Иерархия времен в биологических системах. Пример фотосинтетических процессов. Быстрые и медленные переменные. Квазистационарные концентрации. Редукция систем с учетом иерархии времен. Пример 1. – вывод уравнения Михаэлиса-Ментен. Пример приведения системы к безразмерному виду. Пример 2. Модель отбора при наличии ограничений на скорость поступления субстрата в систему. Применение метода квазистационарных концентраций. Вопрос: Приведите примеры иерархии времен процессов в Вашей системе. 26 февраля.Лекция 6. Модели переключений в биологических системах. Триггер. Модель синтеза двух ферментов Жакоба и Моно. Понятие бифуркаций. Качественное изменение поведения системы при изменении значений параметров. Вопрос. Приведите примеры мультистационарных систем в Вашей области науки. В чем состоит биологическая причина переключений? Как можно описать переключение математически? 4 марта. Лекция 7 Колебательные процессы. Понятие предельного цикла и автоколебаний. Мягкое и жесткое рождение предельного цикла. Бифуркация Андронова-Хопфа. Автокатализ. Типы обратной связи. Примеры. Брюсселятор. Гликолиз. Колебания в системе кальциевой регуляции 5 марта Лекция 8 Квазистохастические процессы. Динамический хаос. Понятие странного аттрактора. Пример – аттрактор в системе Лоренца. Понятие фрактала. Периодические воздействия и стохастические факторы. Нерегулярные колебания в гликолизе. Система переноса ионов в липидной мембране. Вопрос. Приведите примеры периодического и хаотического изменения величин, характеризующих Вашу систему 11 марта Лекция 9. Модели взаимодействия биологических видов. Классификация типов взаимодействия. Вольтерровские модели взаимодействия видов типа конкуренции и хищник-жертва. Обобщенные модели взаимодействия Колмогорова, Розенцвейга и Базыкина. Модель взаимодействия видов насекомых. Модели переноса вещества и энергии в замкнутых по веществу экосистемах. Трофические сети. Модели лесных сообществ. Модели клеточных автоматов. 12 марта. Лекция 10 Модели в микробиологии. Модель проточного культиватора. Восстановление популяции после повреждающего воздействия. Двухвозрастная культура микроорганизмов. Условие возникновения колебаний. Модели популяций с возрастной структурой. Оптимальное управление динамикой роста накопительной и проточной культуры. Вопрос. Возможно ли управление в Вашей системе. Если возможно. То как. Может ли быть управление оптимизировано? 17 марта. Лекция 11 Пространственная организация биологических систем. Процессы переноса в биологических системах. Уравнения в частных производных типа реакция-диффузия –конвекция. Вывод уравнения диффузии. Решение линейного уравнения диффузии методом разделения переменных. Собственные функции. Устойчивость гомогенного стационарного состояния. Распространение волны в системах с диффузией. Примеры. Распространение вида вдоль границы ареала. Распространение волны амброзиевого листоеда. Приведите пример пространственно-временной организации Вашей системы. 18 марта. Лекция 12 Устойчивость однородных стационарных состояний в уравнениях реакция-диффузия. Понятия активатора и ингибитора. Типы неустойчивостей в системе двух уравнений: колебательная неустойчивость и неустойчивость Тьюринга. Распределенный брюсселятор. Границы устойчивости. Диссипативные структуры. Реакция Белоусова-Жаботинского – базовая модель нелинейного пространственно-временного поведения сложных систем. 25 марта. Лекция 13 Дифференциация тканей и формообразование. Неустойчивость однородного стационарного состояния. Модели морфогенеза. Распределенный генетический триггер Жакоба и Моно. Модели раскраски шкур животных. Модель образования зон кислотного и щелочного рН вдоль мембраны клеточной водоросли Chara Carollina. 26 марта. Лекция 14 Возбудимые среды. Распространение нервного импульса. Возбудимый элемент. Надпороговое и подпороговое возбуждение. Классическая модель Ходчкина-Хаксли и базовая модель Фитцхью-Нагумо. Модели процессов в сердечной ткани. Взаимодействие переменных и параметров. Детальные модели процессов в кардиомиоцетах. Сердечные аритмии. Патологии сердечного ритма 1 апреля. Лекция 15 Дмитрий Зленко. Биоинформатика. Анализ последовательностей. Выравнивание. Точечные матрицы сходства последовательностей. Гомологичные фрагменты и палиндромы. Алгоритм Смита-Ваттермана. Эволюционные дистанции. Пуассон-корректированная дистанция и гамма корректированная дистанция. Дистанция Кимуры, дистанция Гришина. • Матрицы аминокислотных замен. Вывод матриц PAM для дальних гомологов. Различия между матрицами PAM и BLOSUM. • Редукция задачи выравнивания. Алгоритмы, лежащие в основе BLAST и PSI-BLAST, построение профилей белков, алгоритм CLUSTAL (множественного выравнивания). 2 апреля. Лекция 16 Дмитрий Зленко. Биоинформатика Эволюция первичной, вторичной и третичной структуры белка. Матрицы контактов аминокислот в белках. Принцип работы DALI. Задача распознавания фолда. Алгоритмы, лежащие в основе методов протягивания, построения 3D-профилей и моделирования по гомологии 8 апреля. Лекция 17. Татьяна Юрьевна.Плюснина Базы данных. Систематизация и поиск информации Литературные базы данных. PubMed - (MEDLINE и др. Биомедицинские издания). OMIM (Online Mendelian Inheritance in Man) – каталог генов человека и генетических нарушений. Текстовая информация и литературные ссылки. Работа с научными журналами. Таксономические базы данных. (NCBI) Базы данных нуклеотидных последовательной (Genetic sequence databank GenBank – 85,7 млрд оснований нуклетидов из 82 млн нуклеотидных последовательностей), Reference Sequence databank RefSeq, первичные последовательности DNA, mRNA и белков основных исследованных организмов. PDB – банк данных по пространственным структурам белков (более 70 тыс. структур) Онтологии. Онтология Генов (Gene Ontology GO) Молекулярная функция. Биологический процесс. Компонент клетки. BioNumbers – количественные значения биологических параметров 9апреля. Лекция 18. Татьяна Юрьевна Плюснина Модели регуляции процессов в живой клетке с использованием данных биоинформатики. Метаболические и регуляторные генные сети. Потоковые модели процессов метаболизма. Решение задачи оптимизации. Методы линейного программирования. Метаболические модели. Формулировка и исследование. Отличие стехиометрических (стационарных) и кинетических моделей. Метод анализа стационарных потоков. Задача оптимизации для метаболической модели. Виды целевых функций и ограничений в метаболических моделях. 15 апреля. Лекция 19 Модели биологического электронного транспорта. Окислительно-восстановительные реакции в растворе и мультиферментных комплексах. Классификация реакций в энергопреобразующих мембранах: фотосинтетической мембране и мембране митохондрий. Перенос электрона в мультиферментном комплексе. Графы состояний. Примеры переноса электрона в комплексах двух и трех переносчиков. Обмен электронами комплекса с подвижными переносчиками. Модель переноса электронов в изолированной фотосистеме 2. 16 апреля. Лекция 20 Кинетические и многочастичные броуновские модели. Модели процессов в субклеточных наносистемах. Прямое компьютерное моделирование. Броуновское движение и электростатические взаимодействия. Роль сложного интерьера клетки в кинетике наблюдаемых процессов. Пример –электронный транспорт, включающий взаимодействие подвижных белков-переносчиков с фотосинтетическим реакционным центром, в фотосинтетической мембране Молекулярное моделирование. Квантово-механические методы. Основы метода молекулярной динамики. Рентгеноструктурные данные. Библиотеки фрагментов. Генерация трехмерных координат. Потенциалы молекулярных взаимодействий. Совмещение молекулярных полей. Принципы организации структуры белков. Моделирование белков по гомологии. Процедуры оптимизации. Валидация моделей белков. Виртуальный скрининг и докинг. Разработка лекарственных веществ с использованием методов молекулярного моделирования. Компьютерные пакеты. 22 апреля. Студенческая конференция 23 апреля. Досрочный экзамен Семинары для основного потока. Семинар 1. Стационарное состояние и его устойчивость. Семинар 2. Модели роста. Семинар 3. Контрольная работа 1. Непрерывные и дискретные модели роста популяции. Семинар 4. Фазовые портреты. Устойчивость. Типы особых точек Семинар 5. Мультистационарные системы. Анализ стационарных состояний модели конкуренции двух видов. Семинар 6. Базы данных Семинар 7. Колебания. Квазистохастическое поведение. Модель гликолиза с учетом периодического поступления субстрата. Семинар 8. Контрольная работа 2. Устойчивость стационарного состояния и фазовый портрет. Семинар 9. Семинар по анализу последовательностей Семинар 10. Устойчивость гомогенного стационарного состояния системы реакция-диффузия. Обсуждение моделей распространения нервного импульса и распространения возбуждения в сердечной ткани. Написать модель, описывающую потоки ионов в кардиомиоцитах. Найти в базах данных параметры ионных токов. Семинар 11. Контрольная работа 3. Пространственно-временная динамика в живых системах. Материал лекций 11-14. Семинар 12. Зачет по практическим занятиям и семинарам.
- Добавил в систему: Ризниченко Галина Юрьевна
Преподавание курса
- 10 февраля 2017 - 21 апреля 2017 Беляева Наталья Евгеньевна
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет
- обязательная, базовой части, семинары, 98 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- 9 февраля 2016 - 22 апреля 2016 Беляева Наталья Евгеньевна
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет
- обязательная, базовой части, семинары, 116 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- с 1 сентября 2015 Федоров Владимир Андреевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет
- обязательная, базовой части, семинары, 48 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- 9 февраля 2015 - 25 апреля 2015 Беляева Наталья Евгеньевна
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет
- обязательная, базовой части, семинары, 130 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- 9 февраля 2015 - 21 апреля 2015 Устинин Дмитрий Михайлович
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет, Кафедра биофизики
- обязательная, базовой части, семинары, 48 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- 2 февраля 2015 - 18 апреля 2015 Маслаков Алексей Сергеевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет, Кафедра биофизики
- обязательная, базовой части, семинары, 22 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- 1 сентября 2014 - 31 мая 2015 Коваленко Илья Борисович
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет
- обязательная, базовой части, семинары, 96 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- с 7 февраля 2014 Устинин Дмитрий Михайлович
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет, Кафедра биофизики
- обязательная, базовой части, практические занятия, 64 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- 7 февраля 2014 - 21 апреля 2014 Беляева Наталья Евгеньевна
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет
- обязательная, базовой части, семинары, 127 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- с 1 февраля 2014 Зленко Дмитрий Владимирович
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет
- обязательная, базовой части, семинары, 72 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- с 1 февраля 2014 Нестеренко Алексей Михайлович
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет
- обязательная, базовой части, семинары, 24 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- 1 февраля 2014 - 23 апреля 2014 Маслаков Алексей Сергеевич
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет, Кафедра биофизики
- обязательная, базовой части, семинары, 22 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- с 7 октября 2013 Терлова Лада Джураевна
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет
- обязательная, базовой части, практические занятия, 300 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- 1 сентября 2013 - 31 мая 2014 Коваленко Илья Борисович
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет
- обязательная, базовой части, лабораторные занятия, 12 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- 7 февраля 2013 - 31 мая 2013 Устинин Дмитрий Михайлович
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет
- обязательная, базовой части, семинары, 64 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- 7 февраля 2013 - 24 апреля 2013 Беляева Наталья Евгеньевна
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет
- обязательная, базовой части, семинары, 84 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.
- с 7 февраля 2010 Плюснина Татьяна Юрьевна
- МГУ имени М.В. Ломоносова, Биологический факультет
- обязательная, базовой части, практические занятия, 136 часов
- Автор: Ризниченко Г.Ю.