2025年大學(xué)《化學(xué)生物學(xué)》專業(yè)題庫——生物系統(tǒng)動力學(xué)與調(diào)控考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、名詞解釋1.系統(tǒng)生物學(xué)2.房室模型3.負(fù)反饋調(diào)控4.生物網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)5.噪聲魯棒性二、簡答題1.簡述系統(tǒng)生物學(xué)研究范式與傳統(tǒng)還原論研究范式的區(qū)別。2.描述代謝網(wǎng)絡(luò)中酶促反應(yīng)速率方程（米氏方程）的基本形式及其物理意義。3.以信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路為例，說明正反饋和負(fù)反饋在信號傳遞過程中的不同作用。4.解釋什么是生物系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)？簡述化學(xué)平衡和生物系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)之間的異同。5.什么是生物系統(tǒng)動力學(xué)模型？建立動力學(xué)模型時需要考慮哪些關(guān)鍵因素？三、填空題1.生物系統(tǒng)通常具有________、________和________等特征。2.常見的生物系統(tǒng)動力學(xué)模型包括________模型和________模型。3.在房室模型中，物質(zhì)從一個房室轉(zhuǎn)移到另一個房室的速率通常與該房室中物質(zhì)的________成正比。4.細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，第二信使的積累和降解通常體現(xiàn)了信號的________特性。5.基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的________回路可以增強對初始信號的響應(yīng)幅度。6.________是指生物系統(tǒng)在受到擾動后能夠恢復(fù)到原始狀態(tài)或附近的能力。7.系統(tǒng)生物學(xué)研究強調(diào)從________的層面理解生命現(xiàn)象。8.建立生物系統(tǒng)動力學(xué)模型時，參數(shù)的________和________是模型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。9.噪聲在生物系統(tǒng)中可能產(chǎn)生________和________兩種效應(yīng)。10.分子層面的相互作用通過________和________等機制，最終決定了生物系統(tǒng)的整體行為。四、推導(dǎo)與計算題1.考慮一個簡單的酶促反應(yīng)，底物S和產(chǎn)物P的濃度隨時間(t)變化。假設(shè)反應(yīng)由單個不可逆酶E參與且服從米氏動力學(xué)，初始時刻[S]?,[E]?，[P]?=0。推導(dǎo)以產(chǎn)物濃度[P]隨時間變化的微分方程，并說明其初始條件。2.對于一個簡單的兩房室模型（中央房室和周邊房室），中央房室體積為Vc，含有溶質(zhì)C，周邊房室體積為Vp，通過血管與中央房室相連，溶質(zhì)在兩房室間的交換系數(shù)為k。初始時刻中央房室濃度為C?，周邊房室濃度為0。推導(dǎo)中央房室濃度C隨時間變化的微分方程，并分析其穩(wěn)態(tài)解。五、論述題以細(xì)胞周期調(diào)控為例，結(jié)合信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和反饋調(diào)控的機制，論述如何通過系統(tǒng)動力學(xué)的視角理解細(xì)胞周期進(jìn)程的動態(tài)性和精確性。請討論其中可能涉及的分子網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵調(diào)控節(jié)點、正負(fù)反饋回路以及噪聲對周期進(jìn)程的影響。試卷答案一、名詞解釋1.系統(tǒng)生物學(xué):系統(tǒng)生物學(xué)是一門研究生物系統(tǒng)（如細(xì)胞、組織、器官）的整體行為及其組成元件之間相互作用的學(xué)科，它旨在通過整合多層面數(shù)據(jù)，建立數(shù)學(xué)模型來理解生命現(xiàn)象。2.房室模型:房室模型是動力學(xué)模型的一種，將復(fù)雜的生物系統(tǒng)簡化為幾個假設(shè)的“房室”（或隔室），每個房室內(nèi)物質(zhì)濃度均勻，物質(zhì)在不同房室之間的轉(zhuǎn)移遵循特定速率。3.負(fù)反饋調(diào)控:負(fù)反饋調(diào)控是指系統(tǒng)中的輸出信號抑制或減弱輸入信號的過程，這種機制有助于維持系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定性和平衡。4.生物網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué):生物網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵W(xué)研究生物網(wǎng)絡(luò)（如代謝網(wǎng)絡(luò)、蛋白質(zhì)相互作用網(wǎng)絡(luò)）的結(jié)構(gòu)特征，如連接模式、模塊化、中心性等，而不考慮具體的生物學(xué)功能或參數(shù)。5.噪聲魯棒性:噪聲魯棒性是指生物系統(tǒng)在存在隨機fluctuations（噪聲）的情況下，仍能保持其核心功能或穩(wěn)定狀態(tài)的能力。二、簡答題1.系統(tǒng)生物學(xué)研究范式與傳統(tǒng)還原論研究范式的區(qū)別:*還原論范式傾向于將復(fù)雜系統(tǒng)分解為其組成部分進(jìn)行獨立研究，側(cè)重于理解單個分子或單元的功能，假設(shè)整體等于部分之和。*系統(tǒng)生物學(xué)范式則強調(diào)從整體層面研究系統(tǒng)，關(guān)注組分之間的相互作用和反饋，認(rèn)為系統(tǒng)的整體行為不能簡單由其組成部分的性質(zhì)推導(dǎo)得出，而是涌現(xiàn)（emergence）的屬性。系統(tǒng)生物學(xué)利用高通量技術(shù)和數(shù)學(xué)建模整合多層面信息。2.描述代謝網(wǎng)絡(luò)中酶促反應(yīng)速率方程（米氏方程）的基本形式及其物理意義:*基本形式:v=(Vmax*[S])/(Km+[S])，其中v是反應(yīng)速率，Vmax是最大反應(yīng)速率，[S]是底物濃度，Km是米氏常數(shù)。*物理意義:Km代表當(dāng)反應(yīng)速率達(dá)到Vmax/2時底物的濃度。它反映了酶與底物的親和力：Km值越小，表示酶與底物的親和力越強；Km值越大，表示親和力越弱。Vmax代表酶在飽和底物條件下能達(dá)到的最大催化速率。3.以信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路為例，說明正反饋和負(fù)反饋在信號傳遞過程中的不同作用:*負(fù)反饋:通常用于抑制信號傳遞，防止信號過度放大或持續(xù)存在。例如，激酶磷酸化一個激酶的同時，也可能磷酸化一個抑制該激酶的磷酸酶，從而降低信號強度，使信號幅度可控并有助于恢復(fù)細(xì)胞穩(wěn)態(tài)。*正反饋:通常用于加速信號傳遞或增強信號效果。例如，在細(xì)胞分裂的早期階段，某種轉(zhuǎn)錄因子可以促進(jìn)其自身的合成，形成正反饋回路，快速啟動細(xì)胞周期進(jìn)程。正反饋有助于快速響應(yīng)特定刺激或達(dá)到特定的細(xì)胞狀態(tài)。4.解釋什么是生物系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)？簡述化學(xué)平衡和生物系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)之間的異同:*生物系統(tǒng)穩(wěn)態(tài):指生物系統(tǒng)在受到內(nèi)部或外部擾動后，能夠通過自身的調(diào)節(jié)機制恢復(fù)或維持其生理參數(shù)（如濃度、pH、溫度）相對恒定的狀態(tài)。穩(wěn)態(tài)是一種動態(tài)平衡，需要持續(xù)的能量輸入和物質(zhì)交換。*相同點:兩者都描述了系統(tǒng)的一種平衡狀態(tài)，即變化率趨于零。*不同點:化學(xué)平衡通常指在一個封閉體系中，正逆反應(yīng)速率相等，各物質(zhì)濃度不再隨時間變化；而生物系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)通常存在于開放體系中，需要不斷與外界環(huán)境進(jìn)行物質(zhì)和能量交換以維持，且其調(diào)節(jié)機制是主動的、動態(tài)的。5.什么是生物系統(tǒng)動力學(xué)模型？建立動力學(xué)模型時需要考慮哪些關(guān)鍵因素？*生物系統(tǒng)動力學(xué)模型:使用數(shù)學(xué)方程（通常是微分方程）來描述生物系統(tǒng)中各組分（如分子濃度）隨時間變化的動態(tài)過程，旨在理解系統(tǒng)的行為、預(yù)測系統(tǒng)響應(yīng)、揭示調(diào)控機制。*關(guān)鍵因素:需要考慮系統(tǒng)的組成元件、各元件間的相互作用（如反應(yīng)速率、交換速率）、初始條件、系統(tǒng)所處的環(huán)境（如參數(shù)值隨時間或條件的變化）以及可能的噪聲因素。三、填空題1.生物系統(tǒng)通常具有復(fù)雜性、非線性和相互作用等特征。2.常見的生物系統(tǒng)動力學(xué)模型包括確定性模型和隨機模型。3.在房室模型中，物質(zhì)從一個房室轉(zhuǎn)移到另一個房室的速率通常與該房室中物質(zhì)的濃度成正比。4.細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程中，第二信使的積累和降解通常體現(xiàn)了信號的時序性特性。5.基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)中的正反饋回路可以增強對初始信號的響應(yīng)幅度。6.魯棒性是指生物系統(tǒng)在受到擾動后能夠恢復(fù)到原始狀態(tài)或附近的能力。7.系統(tǒng)生物學(xué)研究強調(diào)從整體的層面理解生命現(xiàn)象。8.建立生物系統(tǒng)動力學(xué)模型時，參數(shù)的準(zhǔn)確性和不確定性是模型準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。9.噪聲在生物系統(tǒng)中可能產(chǎn)生增強和抑制兩種效應(yīng)。10.分子層面的相互作用通過協(xié)同作用和競爭作用等機制，最終決定了生物系統(tǒng)的整體行為。四、推導(dǎo)與計算題1.推導(dǎo)以產(chǎn)物濃度[P]隨時間變化的微分方程，并說明其初始條件:*假設(shè)反應(yīng)為E+S?P，Vmax和Km如定義。產(chǎn)物[P]的生成速率等于反應(yīng)速率v，即d[P]/dt=v=(Vmax*[S])/(Km+[S])。*反應(yīng)物[S]的消耗速率等于反應(yīng)速率v，即d[S]/dt=-v=-(Vmax*[S])/(Km+[S])。*聯(lián)立反應(yīng)物和產(chǎn)物速率，消去[S]或v：*d[P]/dt=(Vmax*[S?]*e^(-kEt)+kEe^(-kEt))/([S?]+e^(-kEt))*(簡化假設(shè):E?<<Vmax*Km/[S?],e^(-kEt)<<1)*d[P]/dt≈Vmax*[S?]*e^(-kEt)/([S?]+e^(-kEt))*初始條件:t=0時,[P]=0。2.推導(dǎo)中央房室濃度C隨時間變化的微分方程，并分析其穩(wěn)態(tài)解:*系統(tǒng)描述:中央房室(C,Vc)與周邊房室(0,Vp)通過交換系數(shù)k相連。*動力學(xué)方程:中央房室溶質(zhì)的變化率等于從周邊房室流入的速率減去流入周邊房室的速率。流入/流出速率與兩房室濃度差和交換系數(shù)成正比。*d(C*Vc)/dt=k*(0-C)-k*(C-0)=-2kC*簡化為:Vc*dC/dt=-2kC*dC/dt=(-2k/Vc)*C*穩(wěn)態(tài)解:dC/dt=0，此時-2kC=0，得到穩(wěn)態(tài)濃度C_ss=0。(假設(shè)Vc≠0且k≠0)五、論述題以細(xì)胞周期調(diào)控為例，結(jié)合信號轉(zhuǎn)導(dǎo)和反饋調(diào)控的機制，論述如何通過系統(tǒng)動力學(xué)的視角理解細(xì)胞周期進(jìn)程的動態(tài)性和精確性。請討論其中可能涉及的分子網(wǎng)絡(luò)、關(guān)鍵調(diào)控節(jié)點、正負(fù)反饋回路以及噪聲對周期進(jìn)程的影響。論述:細(xì)胞周期是細(xì)胞生命活動的基本節(jié)律，其精確調(diào)控對于維持遺傳穩(wěn)定性和正常生理功能至關(guān)重要。系統(tǒng)動力學(xué)視角有助于我們理解這一復(fù)雜過程的動態(tài)性和精確性。首先，細(xì)胞周期調(diào)控構(gòu)成一個復(fù)雜的分子網(wǎng)絡(luò)，核心調(diào)控節(jié)點包括周期蛋白（Cyclins）和周期蛋白依賴性激酶（CDKs）以及它們的抑制劑（如CDK抑制劑，CKIs）。不同周期階段的推進(jìn)依賴于特定Cyclin-CDK復(fù)合物的活性峰。這個網(wǎng)絡(luò)涉及信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，例如由生長因子激活的MAPK通路可以磷酸化并激活CDK，而p53通路則在DNA損傷時通過誘導(dǎo)CKIs（如p21）表達(dá)來阻止細(xì)胞周期進(jìn)程。其次，反饋調(diào)控在細(xì)胞周期調(diào)控中扮演關(guān)鍵角色。負(fù)反饋機制確保了周期進(jìn)程的精確性。例如，在G1期，活化的CDK復(fù)合物（如CyclinD-CDK4/6）可以磷酸化并抑制Rb蛋白，釋放E2F轉(zhuǎn)錄因子，促進(jìn)G1期蛋白合成和進(jìn)入S期。但同時，E2F也反過來激活p16的表達(dá)，p16再抑制CDK4/6，形成一個負(fù)反饋回路，防止過度進(jìn)入S期。在S期后期，CDK1（與CyclinA或B結(jié)合）可以磷酸化并滅活我們剛討論的p16，解除負(fù)反饋，為G2/M期的進(jìn)程鋪平道路。這種負(fù)反饋有助于維持周期進(jìn)程的單向性和穩(wěn)定性。正反饋機制則用于加速特定階段的轉(zhuǎn)換。最典型的例子是G2/M期轉(zhuǎn)換。Wee1和Myt1這兩種激酶負(fù)責(zé)磷酸化并抑制CDK1，阻止細(xì)胞過早進(jìn)入有絲分裂。當(dāng)CDK1活性足以通過磷酸化降解Wee1和Myt1來解除自身抑制時，細(xì)胞便會快速進(jìn)入M期。這就是一個正反饋回路，確保一旦達(dá)到必要的CDK1活性閾值，細(xì)胞周期就能迅速且不可逆轉(zhuǎn)地進(jìn)入下一個階段。從系統(tǒng)動力學(xué)的角度看，這些正負(fù)反饋回路以及分子間的相互作用共同塑造了細(xì)胞周期進(jìn)程的動態(tài)特性。例如，不同反饋回路的時序作用決定了周期蛋白和CDK活性的精確峰值和持續(xù)時間。系統(tǒng)整體的穩(wěn)定