2025年大學(xué)《生物信息學(xué)》專業(yè)題庫——生物信息學(xué)在代謝途徑調(diào)控穩(wěn)態(tài)測量中的作用考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分）1.下列哪個數(shù)據(jù)庫主要以結(jié)構(gòu)單元和反應(yīng)信息為核心，收錄了大量的天然產(chǎn)物和酶信息？A.STRINGB.KEGGC.BioCycD.Metacyc2.在穩(wěn)態(tài)約束分析（SSCA）中，利用哪些信息來確定代謝網(wǎng)絡(luò)中哪些反應(yīng)不可能發(fā)生？A.基因表達(dá)數(shù)據(jù)B.代謝物濃度測量數(shù)據(jù)C.靶向代謝物濃度D.上述所有信息3.13C標(biāo)記代謝流分析（如MFA）主要解決的核心問題是？A.鑒定未知代謝物B.確定代謝網(wǎng)絡(luò)中特定途徑的絕對通量C.構(gòu)建基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)D.預(yù)測蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)4.代謝網(wǎng)絡(luò)敏感性分析的主要目的是？A.找到網(wǎng)絡(luò)中所有可能的環(huán)路B.評估模型對參數(shù)變化的敏感程度C.比較不同物種的基因組大小D.預(yù)測基因敲除后的表型5.以下哪項技術(shù)通常不直接用于測量細(xì)胞代謝總耗能（如ATP消耗）？A.穩(wěn)態(tài)13C標(biāo)記呼吸實驗B.氮同位素標(biāo)記實驗C.核磁共振（NMR）分析糖酵解關(guān)鍵中間產(chǎn)物D.氣相色譜-質(zhì)譜（GC-MS）分析總有機酸含量6.在構(gòu)建基于通量的代謝模型時，穩(wěn)態(tài)條件通常表示為什么數(shù)學(xué)約束？A.所有反應(yīng)速率之和為零B.所有代謝物濃度之和為定值C.所有代謝物的進(jìn)出速率平衡D.所有酶的活性濃度相等7.如果一個生物信息學(xué)分析結(jié)果顯示，在某種條件下，某個代謝物的濃度持續(xù)低于檢測限，這最可能意味著什么？A.該代謝物在該條件下不參與代謝B.測量技術(shù)存在誤差，實際濃度可能較高C.該代謝物是代謝網(wǎng)絡(luò)中的瓶頸D.需要增加該代謝物的合成通量8.基于基因表達(dá)數(shù)據(jù)重建代謝通路時，通常采用什么方法來推斷酶與反應(yīng)的對應(yīng)關(guān)系？A.基于序列同源的預(yù)測B.基于蛋白質(zhì)復(fù)合物信息C.基于基因共表達(dá)模式D.上述所有方法都可能使用9.生物信息學(xué)如何幫助理解基因敲除或過表達(dá)對代謝穩(wěn)態(tài)的影響？A.通過計算模型預(yù)測穩(wěn)態(tài)通量變化B.通過比較基因敲除前后轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)C.通過分析代謝物濃度變化D.以上所有方法10.代謝物通量平衡分析（FluxBalanceAnalysis,FBA）本質(zhì)上是一種什么類型的計算？A.最小二乘法擬合B.線性規(guī)劃問題C.非線性動力學(xué)模擬D.機器學(xué)習(xí)分類二、填空題（每空2分，共20分）1.代謝穩(wěn)態(tài)通常指在恒定環(huán)境條件下，細(xì)胞內(nèi)代謝物濃度和__________通量保持相對__________的狀態(tài)。2.利用核磁共振（NMR）技術(shù)結(jié)合__________標(biāo)記底物，可以估算細(xì)胞內(nèi)關(guān)鍵代謝物的相對或絕對通量。3.代謝網(wǎng)絡(luò)可視化軟件__________常用于展示通路圖、整合基因表達(dá)和代謝物數(shù)據(jù)等。4.在通量分析中，__________分析旨在確定在給定代謝物濃度測量值下，網(wǎng)絡(luò)中所有未知通量的可能范圍。5.穩(wěn)態(tài)約束分析（SSCA）利用__________原理，結(jié)合代謝物濃度測量數(shù)據(jù)，推斷代謝網(wǎng)絡(luò)中不可能發(fā)生的反應(yīng)。6.對于簡單的代謝網(wǎng)絡(luò)，可以手算求解__________，以了解主要的代謝流分布。7.基于模型的代謝分析強調(diào)使用__________來描述生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能，并通過計算進(jìn)行推斷。8.評估代謝模型準(zhǔn)確性的常用方法包括比較模型預(yù)測的__________與實驗測量的__________。9.基因調(diào)控網(wǎng)絡(luò)與代謝網(wǎng)絡(luò)的整合分析，有助于理解基因表達(dá)變化如何通過影響__________來調(diào)節(jié)代謝穩(wěn)態(tài)。10.高通量代謝物組學(xué)數(shù)據(jù)（如GC-MS,LC-MS）的分析通常需要用到__________等生物信息學(xué)工具進(jìn)行預(yù)處理和統(tǒng)計分析。三、簡答題（每題5分，共15分）1.簡述利用穩(wěn)態(tài)13C標(biāo)記呼吸實驗數(shù)據(jù)分析代謝流的基本思路。2.解釋什么是代謝網(wǎng)絡(luò)的瓶頸反應(yīng)，并說明其在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中的可能作用。3.比較穩(wěn)態(tài)約束分析（SSCA）和代謝物通量平衡分析（FBA）在研究代謝穩(wěn)態(tài)方面的主要異同點。四、計算題/分析題（共15分）假設(shè)一個簡化的糖酵解通路包含以下反應(yīng)（R1-R6），以及測量的穩(wěn)態(tài)代謝物濃度（以摩爾/升為單位，假設(shè)細(xì)胞體積為1L）：*R1:Glucose->Glucose-6-P(G6P)*R2:G6P->Fructose-6-P(F6P)*R3:F6P->Fructose-1,6-BP(FBP)*R4:FBP->DHAP+G3P*R5:G3P->1,3-BisPG(1,3-BPG)*R6:1,3-BPG->ATP+3PG測得穩(wěn)態(tài)濃度：[Glucose]=5,[G6P]=2,[F6P]=1.5,[FBP]=1,[DHAP]=0.8,[G3P]=0.7,[1,3-BPG]=1.2,[ATP]=5,[3PG]=2.5。假設(shè)所有反應(yīng)均為不可逆且速率與濃度成正比（v=k*[S]），忽略R4的分支。請基于上述信息：(1)寫出描述該系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)的平衡方程（質(zhì)量作用定律）。（6分）(2)如果已知反應(yīng)R1的速率常數(shù)k1=0.5，請計算其他各反應(yīng)的速率常數(shù)（或速率比）。（9分）五、論述題（15分）論述生物信息學(xué)在整合多組學(xué)數(shù)據(jù)（如基因表達(dá)、代謝物組學(xué)、蛋白質(zhì)豐度）以全面解析代謝途徑調(diào)控穩(wěn)態(tài)過程中的作用和挑戰(zhàn)。請結(jié)合具體分析策略或研究實例進(jìn)行說明。試卷答案一、選擇題1.D2.D3.B4.B5.B6.C7.B8.D9.D10.B二、填空題1.代謝；穩(wěn)定2.13C標(biāo)記3.Cytoscape4.敏感性5.質(zhì)量作用6.線性方程組7.數(shù)學(xué)模型8.代謝物濃度；代謝物濃度9.代謝通量10.MetaboAnalyst/MATLAB/Python(或其他常用工具)三、簡答題1.解析思路：首先說明13C標(biāo)記呼吸實驗的原理，即向細(xì)胞提供13C標(biāo)記的底物（如葡萄糖），然后追蹤13C原子在不同代謝物中的分布。通過測量不同時間點或不同代謝物中13C的富集比例（或相對含量），可以利用碳平衡方程或動力學(xué)模型（如MFA）來反推各代謝途徑的通量。基本思路是：標(biāo)記底物輸入->追蹤13C分布->建立碳平衡模型->計算各途徑通量。2.解析思路：首先定義代謝瓶頸反應(yīng)，即在代謝網(wǎng)絡(luò)中，其正向通量遠(yuǎn)低于其他相鄰反應(yīng)通量的反應(yīng)，如同水流中的閘門，限制了整個網(wǎng)絡(luò)或下游途徑的通量。然后說明其在穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)中的作用：瓶頸反應(yīng)的存在可以限制總代謝速率，防止中間產(chǎn)物過度積累或不足；它可以作為代謝調(diào)控的關(guān)鍵節(jié)點，通過調(diào)節(jié)瓶頸反應(yīng)的速率（如酶活性）來控制整個代謝網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，從而適應(yīng)環(huán)境變化或維持內(nèi)部穩(wěn)態(tài)。3.解析思路：首先分別解釋SSCA和FBA的基本概念和目的。SSCA主要利用質(zhì)量作用定律和測量的穩(wěn)態(tài)代謝物濃度，通過邏輯推理（如MetabolicControlAnalysis原理）排除不可能發(fā)生的反應(yīng)，從而獲得反應(yīng)通量的約束范圍，側(cè)重于“否定”和“約束”。FBA則是在給定的代謝網(wǎng)絡(luò)模型和穩(wěn)態(tài)假設(shè)下，通過求解線性規(guī)劃問題，尋找使某個目標(biāo)函數(shù)（如生物量合成或ATP產(chǎn)生）最大化的通量分布，側(cè)重于“推斷”和“優(yōu)化”。相同點在于都基于穩(wěn)態(tài)假設(shè)和代謝網(wǎng)絡(luò)模型，都用于推斷代謝通量。不同點在于SSCA提供的是通量范圍約束，而FBA提供一個具體的通量分布解（除非引入額外約束）；SSCA不需要動力學(xué)參數(shù)，而FBA通常需要速率常數(shù)或酶活性。四、計算題/分析題(1)解析思路：根據(jù)質(zhì)量作用定律，在穩(wěn)態(tài)下，每個代謝物的凈生成率為零，即流入速率等于流出速率。對于每個代謝物（除葡萄糖外），列出其所有流入反應(yīng)的速率乘以其速率常數(shù)（或速率比，設(shè)為k）之和，等于所有流出反應(yīng)的速率乘以其速率常數(shù)（或速率比，設(shè)為k）之和。例如，對于G6P：k1*([Glucose]-[G6P])=k2*[G6P]；對于F6P：k2*[G6P]=k3*[F6P]；依此類推，直到3PG：k5*[1,3-BPG]=k6*[ATP]*[3PG]。列出所有這些平衡方程即可。平衡方程組：k1*([Glucose]-[G6P])=k2*[G6P]k2*[G6P]=k3*[F6P]k3*[F6P]=k4*[DHAP]+k4*[G3P]k4*[DHAP]=k5*[1,3-BPG]k5*[1,3-BPG]=k6*[ATP]*[3PG]k6*[ATP]*[3PG]=([ATP]-[3PG])(2)解析思路：首先利用已知的反應(yīng)R1速率（v1=k1*[Glucose]）和葡萄糖濃度，計算k1的倒數(shù)（即k1=v1/[Glucose]）。然后利用平衡方程組，將已知的濃度值代入，解聯(lián)立方程，目標(biāo)是將所有未知速率常數(shù)表示為k1的倍數(shù)或直接求解。已知：v1=k1*[Glucose]=k1*5設(shè)v2=k2*[G6P],v3=k3*[F6P],v4=k4*[F6P],v5=k5*[1,3-BPG],v6=k6*[ATP]*[3PG]方程1:5-2=v2/k2=>v2=3k2方程2:v2=v3/k3=>3k2=v3/k3=>v3=3k2k3方程3:v3=(v4+v4)/k4=>3k2k3=2v4/k4=>v4=(3/2)k2k3k4方程4:v4=v5/k5=>(3/2)k2k3k4=v5/k5=>v5=(3/2)k2k3k4k5方程5:v5=v6/(k6*[3PG])=>(3/2)k2k3k4k5=v6/(k6*2.5)=>v6=(15/2)k2k3k4k5方程6:v6=([ATP]-[3PG])=>(15/2)k2k3k4k5=(5-2)=>(15/2)k2k3k4k5=3=>k2k3k4k5=2/5計算k2,k3,k4,k5相對于k1的比值：v1=k1*5=>v1/k1=5v2=3k2=>v2/k2=3v3=3k2k3=>v3/k3=3k2v4=(3/2)k2k3k4=>v4/k4=(3/2)k2k3v5=(3/2)k2k3k4k5=>v5/k5=(3/2)k2k3k4v6=(15/2)k2k3k4k5=>v6/k6=(15/2)k2k3k4由v5/v6=2/15=>(3/2)k2k3k4k5/((15/2)k2k3k4k5)=2/15=>1/(15/2)=2/15=>2/15=2/15(驗證一致性)利用v5/k5=(3/2)k2k3k4和v5/v6=2/15=>(3/2)k2k3k4/((15/2)k2k3k4)=2/15=>1/(15/2)=2/15=>2/15=2/15(驗證一致性)計算具體比值：k5=v5/((3/2)k2k3k4)=(2/5)/((3/2)k2k3k4)=(4/15)/k2k3k4k4=v4/((3/2)k2k3)=((3/2)k2k3k4)/((3/2)k2k3)=k4k3=v3/(3k2)=(3k2k3)/(3k2)=k3k2=v2/3=(3k2)/3=k2無法直接解出各常數(shù)，但可以表示速率比：v2/v1=3/5v3/v1=(3k2k3)/(k1*5)=(3/5)*(k3/k1)v4/v1=((3/2)k2k3k4)/(k1*5)=((3/10)*(k2k3k4/k1))v5/v1=((3/2)k2k3k4k5)/