蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和比較的優(yōu)化研究.pdf

1、自上世紀(jì)80年代生物信息學(xué)成為一門(mén)新的交叉學(xué)科以來(lái)，受到科學(xué)界的高度重視，其中最引人注目的是結(jié)構(gòu)生物學(xué)。它的發(fā)展使得運(yùn)籌學(xué)受到了建立數(shù)學(xué)模型分析復(fù)雜生物規(guī)律和從海量生物信息中提取有用知識(shí)兩個(gè)方面的挑戰(zhàn)。在生物系統(tǒng)本質(zhì)上的復(fù)雜性和缺乏完備的生命組織理論的背景下，建立有效的數(shù)學(xué)模型和尋找合理的優(yōu)化算法成為生物信息學(xué)研究的一個(gè)核心內(nèi)容。本論文主要是從數(shù)學(xué)優(yōu)化的角度著手，以蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)問(wèn)題和蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)比較問(wèn)題為研究對(duì)象，建立各問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型并

2、構(gòu)造相應(yīng)的優(yōu)化算法，目的是更好地探究這兩類問(wèn)題的一些規(guī)律以及得到更好的數(shù)值模擬結(jié)果。全文共分為五個(gè)部分，具體內(nèi)容概述如下： 第一章概述了生物信息學(xué)的發(fā)展?fàn)顩r并介紹了目前生物信息學(xué)領(lǐng)域的主要研究對(duì)象，說(shuō)明了生物信息學(xué)研究的理論意義及實(shí)用價(jià)值。簡(jiǎn)要地總結(jié)了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)與蛋白質(zhì)序列和功能之間的關(guān)系，綜述了目前生物信息學(xué)中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)研究的五個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題：蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的確定、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的比較、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的分類和蛋白質(zhì)的相互作用

3、。 第二章作為預(yù)備知識(shí)，介紹了本論文解決蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測(cè)和比較問(wèn)題所需要的優(yōu)化方法：彈性網(wǎng)算法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法和完全信息集方法的主要內(nèi)容與記號(hào)說(shuō)明。 第三章討論了蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)折疊的一個(gè)簡(jiǎn)化問(wèn)題-HP格點(diǎn)模型。以往學(xué)者更多關(guān)注的是算法構(gòu)造和數(shù)值模擬。本章主要基于數(shù)學(xué)優(yōu)化理論的思想，依據(jù)熱力學(xué)原則，分別建立了二維和三維HP格點(diǎn)數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，證明了可行域的非空性、目標(biāo)函數(shù)值的有界性和最優(yōu)化問(wèn)題的最優(yōu)解的存在性。 第四章針對(duì)H

4、P格點(diǎn)模型，改進(jìn)彈性網(wǎng)算法來(lái)求解氨基酸序列在網(wǎng)格上折疊的最優(yōu)構(gòu)象。為了克服彈性網(wǎng)算法本身的一些局限性和進(jìn)一步提高數(shù)值模擬結(jié)果的精度，構(gòu)造了局部搜索方法和網(wǎng)格剖分策略。分別在二維緊致、二維非緊致和三維HP格點(diǎn)模型下，對(duì)一些基本測(cè)試題進(jìn)行了數(shù)值模擬，數(shù)值結(jié)果表明本文的算法可以找到氨基酸序列在網(wǎng)格上的更低能量狀態(tài)。這些方法的組合可以推廣到一般的離散匹配問(wèn)題。最后分析了在緊致和非緊致兩種情況下蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的可設(shè)計(jì)性． 第五章基于數(shù)學(xué)優(yōu)化思