УДК 532
Интернет-магазин
http://shop.rcd.ru
• ф и з и к а
• м а т е м а т и к а
• б и о л о г и я
• т е х н и к а
Компьютеры и суперкомпьютеры в биологии / Под редакцией В. Д.Лахно
и М.Н.Устинина. — Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований,
2002, 528 стр.
Книга посвящена применению компьютеров и суперкомпьютеров в молекулярной
биологии, биофизике, экологии и медицине. Коллектив авторов книги —
исследователи, обладающие уникальным опытом суперкомпьютерных вычислений
в биологических задачах. Материал книги содержится в 2-х частях: «Структура
и физические свойства ДНК и белков, перенос заряда в ДНК, реакционный центр
фотосинтеза» (часть 1) и «Биоинформатика, компьютерная экология и медицина»
(часть 2).
Исключительно широкий охват проблем и строгий стиль изложения помогут
исследователям из других областей точных наук, а также аспирантам и студентам
старших курсов естественнонаучных специальностей включиться в решение актуальных
задач современной биологии.
-Институт компьютерных исследований, 2002
http://rcd.ru
ISBN 5-93972-188-5
c
Стр.4
Оглавление
ЧАСТЬ I. СТРУКТУРАИФИЗИЧЕСКИЕСВОЙСТВАДНКИБЕЛКОВ,
ПЕРЕНОС ЗАРЯДА В ДНК, РЕАКЦИОННЫЙ ЦЕНТР ФОТОСИНТЕЗА
13
Предисловие
к первой части . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
ГЛАВА 1. В.Д.Лахно. Вычислительные задачи компьютерной биологии
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.2. Задачи компьютерной биологии . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3. Первичные структуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4. Рентгеноструктурный анализ белков . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.5. Фолдинг белков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.6. Моделирование структуры и динамики макромолекул . . . . . 27
1.7. Прикладные задачи компьютерной биологии . . . . . . . . . . 29
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
ГЛАВА 2. А. А. Зимин, В. Д. Лахно, Н. Н. Назипова. Биологические
макромолекулы: структура, формы и функции . . . . . . . . . 35
2.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.2. Нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3. Белки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.4. Пространственные структуры молекул биополимеров и методы
их исследования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.5. Методы определения первичных структур молекул ДНК,
РНК и белков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Стр.5
6
Оглавление
ГЛАВА 3. В.Ю.Лунин. Определение пространственной структуры
биологических макромолекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1.1. Основы рентгеноструктурного анализа . . . . . . . . . 55
3.1.2. Современные проблемы макромолекулярной кристаллографии
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.1.3. Основные стадии рентгеноструктурного анализа . . . 59
3.1.4. Различные уровни описания структуры белковых молекул
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
3.1.5. Основные этапы расшифровки структуры по данным
рентгеновского рассеяния . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.1.6. Как «увидеть» функцию трех переменных . . . . . . . 65
3.1.7. Фазовая проблема рентгеноструктурного анализа . . . 67
3.2. Фазовая проблема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
3.2.1. Терминология и обозначения . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.2. Дополнительная информация об исследуемом объекте 75
3.3. Прямое определение фаз при низком разрешении . . . . . . . 86
3.3.1. Основные определения . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
3.3.2. Процедура ab-initio определения фаз . . . . . . . . . . 88
3.3.3. Использование гистограмм синтезов Фурье . . . . . . 91
3.3.4. Определение фаз на основе свойств связности . . . . . 96
3.3.5. Определение фаз на основе максимизации правдоподобия
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.3.6. Использование псевдо-моделей . . . . . . . . . . . . . 103
3.3.7. Комбинация методов. Определение низкоугловых фаз
для рибосомальной частицы T50S . . . . . . . . . . . . 106
3.3.8. Определение структуры частицы липопротеина низкой
плотности (LDL) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.4. Методы модификации электронной плотности . . . . . . . . . 108
3.4.1. Запись ограничений в виде функционального уравнения109
3.4.2. Уравнения для структурных факторов . . . . . . . . . . 111
3.4.3. Итерационная процедура уточнения значений фаз . . . 112
3.4.4. Определение значений фаз как проблема минимизации 113
3.5. Н. Л. Лунина. Использование метода FAM . . . . . . . . . . . 114
3.5.1. Основные положения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
3.5.2. Описание FAM-метода и результаты его тестирования 117
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Стр.6
Оглавление
7
ГЛАВА 4. В. Д. Лахно. Динамика переноса дырки в нуклеотидных
последовательностях . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.2. Квантово-механическая модель . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.3. Параметры модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.4. Перенос дырки из состояния, близкого к релаксированному . 146
4.5. Перенос дырки из нерелаксированного состояния . . . . . . . 155
4.6. Сравнение теории с экспериментом . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.7. Осциллирующая природа переноса заряда в ДНК . . . . . . . 161
4.8. Обобщение модели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
4.9. Сравнение с другими подходами . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
4.10. Перспективы развития теории . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
ГЛАВА 5. В. Д. Лахно, Н. С.Фиалко. Перенос заряда в ДНК на большое
расстояние . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5.2. Математическая модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
5.3. Некоторые частные случаи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5.4. Рассматриваемая система . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
5.5. Стоячая уединенная волна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
5.6. Движущийся солитон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
5.7. Моделирование переноса в однородной цепочке . . . . . . . . 184
5.8. Моделирование донора и акцептора . . . . . . . . . . . . . . . 186
5.9. Обсуждение результатов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
ГЛАВА 6. В. Д.Лахно.Моделирование первичных процессов переноса
заряда в реакционном центре фотосинтеза . . . . . . . . . . 195
6.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
6.2. Первичные процессы переноса в фотореакционном центре
фотосинтеза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.3. Математическая модель . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.4. Параметры электронного переноса . . . . . . . . . . . . . . . 199
6.5. Результаты численных расчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.6. Возможности более детального учета структурных и динамических
свойств фотореакционного центра . . . . . . . . . . 202
6.7. Дальнейшие обсуждения и сравнение с другими подходами . 205
Стр.7
8
Оглавление
6.8. Заключительные замечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
ГЛАВА 7. Д. А.Тихонов. Метод интегральных уравнений теории
жидкости для изучения гидратации макромолекул . . . . . . . 209
7.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
7.2. Уравнения RISM для исследования сольватации (гидратации)
макромолекул . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.3. Численная схема . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.4. Дальнейшие приближения в методе RISM, делающие его более
эффективным в вычислительном отношении . . . . . . . . 221
7.5. Алгоритм решения уравнений RISM методом Ньютона–
Крылова . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.6. Результаты расчетов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
7.7. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Приложение. Нестационарные итерационные методы решения
СЛАУ «Методы подпространств Крылова» . . . . . . . . . . . 230
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
ГЛАВА 8. А. В.Теплухин, Ю.С.Лемешева. Изучение строения водной
оболочки двуспиральных фрагментов В-ДНК poly(dA):poly(dT)
с помощью моделирования на параллельных вычислительных
системах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
8.2. Состояние проблемы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
8.3. Методы и алгоритмы для компьютерных экспериментов . . . 236
8.4. Результаты исследований . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
Цветные иллюстрации
ЧАСТЬ II. БИОИНФОРМАТИКА, КОМПЬЮТЕРНАЯ ЭКОЛОГИЯ
И МЕДИЦИНА
241
Предисловие ко второй части . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
ГЛАВА 1. Ю.Е. Елькин. Волны возбуждения в биологических системах
и кинематический подход к их изучению . . . . . . . . . . 247
Стр.8
Оглавление
9
1.1. Введение: автоколебания и автоволны в природе . . . . . . . . 247
1.2. Автоволновые образы на плоскости и работа сердца . . . . . 250
1.2.1. Пейсмекер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
1.2.2. Два пейсмекера . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
1.2.3. Спиральная волна . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
1.3. О математических методах исследования автоволн . . . . . . 253
1.4. Кинематический подход . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
1.4.1. Геометрическое описание волн возбуждения . . . . . . 255
1.4.2. О точном решении стационарных кинематических
уравнений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
1.4.3. Некоторые результаты применения геометрических
методов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
1.4.4. Сравнение альтернативных геометрических подходов . 265
1.4.5. О распространении обобщенной кинематики на трехмерный
случай . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
1.5. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
ГЛАВА 2. А.Р.Сковорода. Ранняя неинвазивная диагностика тканевых
аномалий как задача вычислительной математики . . . . 274
2.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
2.2. Основные соотношения, механические характеристики и экспериментальные
данные . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
2.3. Реконструкция модуля сдвига объекта исследования по данным
о его деформированном состоянии . . . . . . . . . . . . . 283
2.4. Заключительные замечания . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
А. Н.Клишко. Методы количественной оценки упругих характеристик
мягких биологических тканей . . . . . . . . . . . . . . . 294
2.5. Оценка упругих свойств тканей методом вдавливания штампа,
на основе тестирования послеоперационных образцов . . 294
2.6. Резонансный метод определения модуля сдвига упругого слоя 299
2.6.1. Задача о динамическом равновесии пластинки, нагруженной
осесимметричными периодическими внешними
силами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
2.6.2. Задача о динамическом равновесии упругого слоя при
осесимметричном нагружении одной из его границ . . 301
Стр.9
10
Оглавление
2.6.3. Определение резонансных частот тонкой пластинки,
лежащей на упругом слое и нагруженной периодической
внешней силой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
ГЛАВА 3. М.Н.Устинин, С. А.Махортых, А.М.Молчанов, М.М.Ольшевец,
А. Н.Панкратов, Н.М.Панкратова, В. И. Сухарев, В. В.Сычев.
Задачи анализа данных магнитной энцефалографии . . . 327
3.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
3.2. Моделирование биомагнитной активности мозга . . . . . . . . 331
3.3. Решение прямых и обратных задач магнитной энцефалографии338
3.3.1. Решение обратной задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
3.3.2. Процедура подгонки момента . . . . . . . . . . . . . . 340
3.3.3. Подгонка амплитуды диполя . . . . . . . . . . . . . . . 341
3.4. Исследование динамических характеристик данных МЭГ . . 342
3.4.1. Вычисление корреляционной размерности сигнала . . 342
3.4.2. Алгоритм вычисления размерности аттрактора . . . . . 345
3.5. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
ГЛАВА 4. Л.Г. Ханина, А. С.Комаров, В. Э. Смирнов, М.В. Бобровский,
И. Е. Сизов, Е.М.Глухова. Вычислительная экология . . . . . 350
4.1. Введение. Вычислительная экология: определение, основные
задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
4.2. Базы данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
4.3. Динамическое моделирование . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
4.3.1. Методологические аспекты создания имитационных
моделей сложных систем . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
4.3.2. Моделирование лесных экосистем . . . . . . . . . . . . 359
4.3.3. Математическая демография растений . . . . . . . . . 365
4.4. Многомерный анализ экологических данных . . . . . . . . . . 371
4.4.1. Основные методы многомерного анализа экологических
данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
4.4.2. Классификация описаний растительности . . . . . . . 372
4.4.3. Выделение функциональных групп видов . . . . . . . 374
4.5. Пространственный анализ экологических данных . . . . . . . 376
4.5.1. Основные методы пространственного анализа экологических
данных . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
Стр.10
Оглавление
11
4.5.2. Применение ГИС-технологий для оценки биоразнообразия
растительности . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
4.6. Визуализация . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
4.7. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
ГЛАВА 5. Н. Н.Назипова, М.Н.Устинин. Решение задач расшифровки
генетической информации, заложенной в биологических последовательностях
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
5.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392
5.2. Выделение на протяженной генетической последовательности
белок-кодирующих областей . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
5.2.1. Постановка задачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
5.2.2. Методы распознавания кодирующих участков, использующие
статистические характеристики кодирующих
участков геномов . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
5.2.3. Меры кодирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
5.2.4. Эффективность мер кодирования . . . . . . . . . . . . 412
5.2.5. Математические методы распознавания генов, используемые
в современных программах . . . . . . . . . 413
5.3. Приписывание функции генам . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
5.4. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
ГЛАВА 6. Т. В.Астахова, Н. В. Олейникова, М.А.Ройтберг. Сравнительный
анализ информационных биополимеров . . . . . . . 433
6.1. Введение. Развитие методов анализа биополимеров . . . . . . 433
6.2. Другой подход к проблеме выравнивания аминокислотных
последовательностей. Парето-оптимальные выравнивания . . 439
6.3. Распознавание белок-кодирующих областей в последовательностях
ДНК — важная задача анализа биологических последовательностей
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
6.4. Современные задачи сравнительного анализа биологических
последовательностей, предпосылки для применения параллельных
вычислений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
6.5. Исследование достоверности выравнивания аминокислотных
последовательностей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
6.5.1. Источник структурно адекватных выравниваний . . . . 449
Стр.11
12
Оглавление
6.5.2. Мера сходства последовательностей . . . . . . . . . . . 450
6.5.3. Мера сходства выравниваний. Понятие «острова» . . . 451
6.5.4. Зависимость степени сходства структурного и последовательностного
выравнивания от степени сходства
исследуемых белков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452
6.5.5. Детальное изучение выравниваний. Угаданые «острова»453
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
ГЛАВА 7. М.Н.Устинин, И. А.Никонов, М.М.Ольшевец. Цифровая
диагностика и телемедицина . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
7.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
7.2. Цифровая рентгенография . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
7.3. Программное обеспечение цифровой рентгеновской приставки462
7.4. Основные операции обработки цифровых рентгеновских
снимков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
7.5. Аппроксимация цифровых рентгеновских снимков в базисах
всплесков . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
ГЛАВА 8. С. В. Филиппов, Е. В.Соболев. Использование технологий
профессиональной компьютерной графики для визуализации
результатов научных исследований . . . . . . . . . . . . . . . 476
8.1. Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
8.2. Компоузинг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
8.2.1. Adobe After Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
8.2.2. Discreet Combustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
8.3. 3D-моделирование и анимация . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
8.4. Рендеринг . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495
8.5. Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
Литература . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
Глоссарий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
Стр.12