第二章 生物信息学的生物学基础
生物信息计算生物学的入门学习路线(下)(二)2024
生物信息计算生物学的入门学习路线(下)（二）引言：生物信息计算生物学是将计算机科学和生物学相结合的学科领域。
在这个领域中，人们利用计算机和相关技术来处理、分析和解释生物学数据，以帮助研究生物学问题。
在本文的上一篇中，我们介绍了生物信息计算生物学的入门学习路线的前五个大点。
在本文中，我们将继续介绍下五个大点，以帮助您更好地入门学习生物信息计算生物学。
正文：一、生物信息学和计算生物学的基本概念1. 生物信息学和计算生物学的定义和关系2. 生物信息学和计算生物学在生物研究中的作用和意义3. 生物信息学和计算生物学的研究内容和方法4. 生物信息学和计算生物学的发展历程和现状5. 生物信息学和计算生物学的未来发展趋势和前景二、生物信息学的数据处理和分析方法1. 生物学数据库的概念和分类2. 基因组、转录组和蛋白质组数据的获取和处理3. 基因功能注释和基因表达分析的方法和工具4. 生物序列比对和比较的方法和算法5. 生物物种分类和系统发育分析的方法和软件三、计算生物学的算法和模型1. 生物序列分析和基因预测的算法和模型2. 蛋白质结构预测和功能注释的算法和模型3. 代谢通路分析和调控网络建模的方法和策略4. 生物大数据分析和机器学习的算法和技术5. 生物信息计算工具和平台的开发和应用四、生物信息学在生物研究中的应用领域1. 基因组学和遗传学研究中的生物信息学应用2. 转录组学和表观遗传学研究中的生物信息学应用3. 蛋白质组学和代谢组学研究中的生物信息学应用4. 疾病研究和药物设计中的生物信息学应用5. 人类健康和环境保护中的生物信息学应用五、发展生物信息学/计算生物学的个人学习和职业发展建议1. 学习生物信息学/计算生物学的基础知识和技能2. 深入理解生物学和计算机科学的交叉领域知识3. 积极参与生物信息学/计算生物学的实践项目和科研工作4. 继续学习和了解最新的生物信息学/计算生物学发展动态5. 探索生物信息学/计算生物学的职业发展路径和机会总结：通过学习生物信息计算生物学的入门学习路线，我们可以了解到生物信息学和计算生物学的基本概念、数据处理和分析方法，以及算法和模型等方面的知识。
生物信息学习题
第六章 分子系统发生分析（问题与练习）
1、构建系统发生树，应使用
A、BLAST
B、FASTA
C、UPGMA
D、Entrez
2、构建系统树的主要方法有
、
、
等。
3、根据生物分子数据进行系统发生分析有哪些优点？
4、在 5 个分类单元所形成的所有可能的有根系统发生树中，随机抽取一棵树是反映真实关
系的树的可能性是多少？从这些分类单元所有可能的无根系统发生树中，随机选择一棵
库
8、TreeBASE 系统主要用于
A、发现新基因 B、系统生物学研究 C、类群间系统发育关系研究 D、序列比对
二、 问答题
1、 为什么说 SWISS-PROT 是最重要的蛋白质一级数据库？
2、 构建蛋白质二级数据库的基本原则是什么？
3、 构建蛋白质二级数据库的主要方法有哪些？
4、 叙述 SCOP 数据库对蛋白质分类的主要依据
第八章 后基因组时代的生物信息学（问题与练习）
1、 比较生物还原论与生物综合论的异同 2、 简述“后基因组生物信息学”的基本研究思路 3、 后基因组生物信息学的主要挑战是什么？ 4、 功能基因组系统学的基本特征是什么？ 5、 说明后基因组生物信息学对信息流动的最新理解 6、 列举几种预测蛋白质-蛋白质相互作用的理论方法 7、 解释从基因表达水平关联预测蛋白质-蛋白质相互作用的理论方法 8、 解释基因保守近邻法预测蛋白质-蛋白质相互作用的理论方法 9、 解释基因融合法预测蛋白质-蛋白质相互作用的理论方法 10、解释种系轮廓发生法预测蛋白质-蛋白质相互作用的理论方法
1、蛋白质得分矩阵类型有 、
、、
和
等。
2、对位排列主要有局部比对和 三、运算题 1、画出下面两条序列的简单点阵图。将第一条序列放在 x 坐标轴上，将第二条序列放在 y
生物信息学的基础知识与分析方法
生物信息学的基础知识与分析方法生物信息学是一门综合性的学科，旨在通过信息学方法和计算机技术来解决生命科学中的问题。
随着科技的不断发展和生物学数据的急速增长，生物信息学的研究领域已经经过了从基因序列到蛋白质结构、生物系统等多个层面的发展。
在生命科学的应用中，生物信息学已成为研究整个生命系统的关键领域。
基础知识1. DNA序列DNA是细胞遗传信息的载体。
它由四种碱基（腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和鸟嘌呤）组成。
在细胞的核糖体中，一种三个碱基组成的序列称为密码子，它对应着一个氨基酸。
因此，DNA序列中的每一种组合都可以编码一个特定的氨基酸，最终会组成蛋白质序列。
2. RNA序列RNA是从DNA中转录出来的一条单链分子，包括mRNA、tRNA、rRNA等类型。
mRNA是传递基因信息进行翻译的重要分子，在转录过程中，它通过碱基配对与DNA序列相对应。
tRNA是将特定氨基酸与mRNA相对应的分子，rRNA则是组成细胞核糖体的分子。
3. 蛋白质序列蛋白质是生物体新陈代谢的主要调节剂和执行者。
它们由不同的氨基酸组成，并按照一定的顺序排列形成复杂的三维结构。
每个氨基酸通过化学键结合在一起，形成了肽链。
不同的肽链序列可以编码不同的氨基酸，从而形成了不同的蛋白质。
分析方法1. 基因注释基因注释是将DNA序列中所有的基因和基因元件（如启动子、转录因子结合位点等）对应到它们所编码的功能上的过程。
注释这些基因使得我们能够了解生物体中编码的所有蛋白质和非编码RNA。
2. 基因表达基因表达分析旨在测量mRNA水平从而评估基因转录程度。
这项技术通过检测组织中mRNA的浓度、不同条件下的差异表达以及对不同基因表达模式的比较来研究基因的生理功能和疾病发生的机制。
3. 蛋白质结构预测蛋白质结构预测是指通过计算机模型和实验设计来预测蛋白质的三维结构。
这项技术可以用于在生物信息学上解决复杂的生物问题，例如药物设计、疾病诊断和治疗等。
4. 基因包含关系的分析基因包含关系分析是指在基因组或基因片段中识别包含关系，并将其用来研究生物信息学中的不同问题。
生物信息学的基础理论
生物信息学的基础理论生物信息学是一门交叉性学科，涵盖了生物学、计算机科学、数学等多个学科。
它的基础理论包括分子生物学、计算机科学、统计学等多个方面。
本文将主要介绍生物信息学的基础理论。
一、分子生物学基础生物信息学最基本的理论就是分子生物学。
分子生物学是研究生命现象的分子基础的学科。
它包括核酸、蛋白质、酶等分子的结构、功能及其表达调控的机制等。
分子生物学为生物信息学提供了生命现象的基本单位，在DNA、RNA和蛋白质水平上揭示了生命的整个机理。
分子生物学理论为生物信息学发展提供了基础，是生物信息学的核心。
DNA和RNA是生命的遗传信息媒介，也是生物信息学的核心研究对象。
蛋白质是细胞内许多重要功能和过程的实际执行者，生物信息学研究蛋白质序列与结构与其功能关系。
二、计算机科学基础生物信息学是一门技术和计算密集型的学科。
计算机科学提供了工具和新方法，实现了许多生物信息学应用。
计算机科学的基础理论为生物信息学的软件、算法和模型的开发奠定了基础。
计算机科学主要研究计算机的范畴分解、计算机系统结构、操作系统、数据库系统、程序设计语言、网络技术等领域，同时将这些技术应用到各项领域。
在生物信息学中，计算机科学以其强大的运算能力和算法设计为该领域提供了重要的技术支持。
三、统计学基础生物信息学需要处理大量的数据，其中更需要解决的问题是如何从这些数据中提取有用的信息。
统计学是生物信息学的另一重要基础。
在生物信息学领域，统计学的方法可以实现基因和蛋白质的定量和定性分析，模拟分子生物学过程，如分子动力学模拟和分子对接等。
统计学常用的方法包括回归、聚类、分类和多元分析等。
这些方法为生物信息学提供了帮助，可以对大量数据进行挖掘和分析。
四、生物信息学实践生物信息学的基础理论提供了重要知识支持，是实践的基础。
在生物信息学实践中，生物学家，计算机科学家和数学家需要相互合作，才能设计出高效的算法和模型，从而更深入地了解生命的运作机制和发展。
生物信息学 第2章
使用Blosum62矩阵搜索
使用PAM30矩阵搜索
（2）蛋白质打分矩阵
（i）等价矩阵
1 i j Rij 0 i j
其中Rij代表打分矩阵元素 i、j分别代表字母表第i和第j个字符。
（ii） 遗传密码矩阵（genetic code matrix,GCM ) （iii）疏水性矩阵 （hydrophobic matrix) （iv）PAM矩阵（point accepted matrix,PAM） （v） BLOSUM矩阵
计算过程： （3）求最佳路径
子序列与完整序列的比对
----AGCT---ATGCAGCTGCTT
目标：
使S(s, i:t:j ) 最大
序列S:
序列t:
i
j
不计前缀0:t:i 的得分, 也不计删除后缀的j+1:t:|t|得分
不计删除后缀的j+1:t:|t|得分 ——处理最后一行
S(0: s :(m1) ,0 : t :( j1) ) p(sm , t j ) S(0: s :m ,0 : t :j ) max S(0: s :(m1) ,0 : t :j ) p(sm ,)
相似性得分
第二节 替换记分矩阵
（1）核酸打分矩阵设DNA序列所用的字母表为 = { A，C，G，T }
a. 等价矩阵 (unitary matrix) b. BLAST矩阵 c. 转换-颠换矩阵（transition-transversion matrix）
（嘌呤：腺嘌呤A，鸟嘌呤G；嘧啶：胞嘧啶C，胸腺嘧啶T）
于x的比对得分概率： z = (x - )/
根据z值判断两个序列相似得分的显著性 ，当z值是3.1、 4.3、5.2时，x出现的概率为10-3、10-5、10-7
chapter2-生物信息学相关的生物学基础
03
生物分子学基础
生物分子的定义与分类
总结词
生物分子是构成生命体的基本物质，包括蛋白质、核酸、糖 类、脂质等。
详细描述
生物分子是具有生物活性的有机分子，是生命活动所必需的 。根据其组成和结构，生物分子可以分为蛋白质、核酸、糖 类、脂质等不同类型。这些分子在细胞内发挥着各自独特的 作用，共同维持着生命体的正常运转。
生物学的发展历程
古典生物学
古典生物学阶段主要关注对生物体的形态和分类， 代表人物有林奈和居维叶。
实验生物学
实验生物学阶段开始使用实验方法研究生物体， 代表人物有巴斯德和孟德尔。
分子生物学
分子生物学阶段开始从分子水平研究生物体的结 构和功能，代表人物有沃森和克里克。
生物学的主要分支
动物学
微生物学
研究动物的形态、分类、生态和行为 等。
表型组学
研究生物体表型特征的学科。
生物信息学在表型组学中的应用
对表型数据进行处理、分析和解释，包括表型关联分析、表型预测 模型构建等。
表型组学与生物信息学的关系
表型组学依赖于生物信息学方法进行数据处理和解析，生物信息学 为表型组学提供了强大的技术支持和工具。
THANKS
感谢观看
核酸的结构与功能
总结词
核酸的功能主要是作为遗传信息的载体和蛋白质合成的模板。
详细描述
核酸是遗传信息的载体，负责编码生命活动所需的各种蛋白质。DNA通过转录过程将 遗传信息传递给RNA，然后RNA作为模板指导蛋白质的合成。此外，RNA还可以作为 信号分子、酶等活性物质参与细胞内的多种生化反应和信号转导过程。因此，核酸的结
Chapter2-生物信息学相关 的生物学基础
• 生物学基础概述 • 遗传学基础 • 生物分子学基础 • 细胞生物学基础 • 生物信息学在生物学中的应用
生物信息学课件
基因组组装与注释
基因组组装
01
基因组组装是将测序得到的碎片组装成一个完整的基因组序列
。
基因组注释
02
基因组注释是对基因组序列进行分析，识别出基因和其他功能
元件。
基因组组装与注释的重要性
03
基因组组装与注释是理解基因组结构和功能的基础，对于研究
生物进化、疾病发生和治疗具有重要意义。
03
生物信息学应用
• 详细描述：单基因遗传病通常是由单个基因的突变引起的，这些突变可能是显性或隐性。在研究中，生物信息 学家可以通过对患者的基因组进行测序和分析，识别与疾病相关的基因变异。他们还可以通过比较健康个体的 基因组与患病个体的基因组，发现差异并确定导致疾病的特定突变。此外，生物信息学家还可以使用计算机模 型和算法来模拟基因组变异的影响，并预测其对蛋白质功能和细胞过程的影响。这些信息有助于医生和研究人 员更好地理解疾病的病因、病理生理机制以及潜在的治疗方法。
THANK YOU
数据库建设
研究如何建立和维护生物信息学数据库， 包括数据库设计、数据存储和管理、数据 查询和可视化等技术。
02
生物信息学基础
遗传密码子
遗传密码子的定义
遗传密码子是DNA和RNA中携带遗传信息的序列 。
遗传密码子的特点
遗传密码子具有方向性、连续性、通用性和简并 性。
遗传密码子的破译
科学家们通过研究基因组序列，逐渐破译了遗传 密码子的秘密。
以单分子DNA测序为主要技术，具有读取长度长、准确率高、速度快等优点，但设备昂贵且维护成本 高。
生物信息学数据库
1 2 3
NCBI
美国国立生物技术信息中心，提供生物医学相关 信息和数据，包括基因组测序数据、基因表达谱 数据等。
生物信息学笔记
第一章绪言生物信息学的主要信息载体：DNA和蛋白质生物主要的遗传物质DNA生物的物质基础蛋白质一、生物信息学概述1、定义生物信息学（Bioinformatics）是生命科学、现代信息科学、数学、物理学以及化学等多个学科交叉结合形成的一门学科，是利用信息技术和数学方法对生命科学研究中的生物学数据进行存储、检索和分析的科学。
2、特点⁕以计算机为主要工具，以大量生物数据库和分析软件为基础⁕依赖于Internet⁕为人类揭示生命的奥秘提供了一条新的途径二、生物信息学的发展前基因组时代——生物数据库的建立、检索工具的开发、DNA和蛋白质序列分析、全局和局部的序列对位排列基因组时代——基因寻找和识别、网络数据库系统的建立、交互界面的开发后基因组时代——大规模基因组分析、蛋白质组分析三、生物信息学应用基础研究和教学：分子生物学研究的重要手段之一；生命科学的教学药物开发：新药筛选、药靶设计、分子药理学研究疾病诊断：利用疑难病症的病原DNA序列诊断疾病；遗传病的筛查其他：环境监测；食品安全检测；海关检测第二章数据库及其检索生物信息学数据库的建立及定义生物信息数据库：生物分子数据、分子结构结构及功能等实验证据一级数据库是直接来源于实验室获得的数据，即DNA和蛋白质数据库（X）在生物信息学中数据库查询是指对数据库中的注释信息进行基于关键词匹配查找，而数据库检索是指通过特定的序列相似性比对算法，在核酸或蛋白质序列数据库中获得序列信息（√）一、数据库定义数据库（database）是一类用于存储和管理数据的计算机文档，是统一管理的相关数据的集合，其存储形式有利于数据信息的检索与调用。
数据库的每一条记录（record）,也可以称为条目（entry），包含了多个描述某一类型数据特性或属性的字段（field），如基因名、来源物种、序列的创建日期等；值（value）则是指每条记录中某个字段的具体内容。
二、生物信息数据库的分类（1）按照数据来源一级数据库：数据直接来源于实验获得的原始数据，只经过简单的归类整理和注释二级数据库：对原始生物分子数据进行整理、分类的结果，是在一级数据库、实验数据和理论分析的基础上针对特定的应用目标而建立的。
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（3）某一特定生物体所拥有的核酸及蛋白质分子 决定了它的属性。
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第一节 细胞
生命活动的基本单位 是生命存在的最基本形式，是一切生命
活动的基础。
（1）一切生物都离不开细胞这一生命的基本 形态结构
（2）细胞是生命活动赖以进行的基础
代谢、生长、分裂、凋亡 生命活动建立在细胞活动的基础上
二级结构主要有以下几种形式：
（i）螺旋 （ii）折叠 – 平行折叠 反平行折叠 （iii）—转角 – 连接作用 （iv）无规卷曲-没有确定规律性的肽链构象，但仍然是紧密有
序的稳定结构
（v）无序结构
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蛋白质实的用文档螺旋结构
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蛋白质的折叠结构
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平行β-折叠
反平行β-折叠
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氨基酸
氨基酸（amino acid）是蛋白质的基本结构单位
NH2
H — C — COOH R
氨基酸通式
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氨基酸名称 甘氨酸 丙氨酸 缬氨酸
异亮氨酸 亮氨酸
苯丙氨酸 脯氨酸
甲硫氨酸 色氨酸
半胱氨酸
英文缩写 Gly Ala Val Ile Leu Phe Pro Met Trp Cys
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3、蛋白质的结构层次
（1）蛋白质的一级结构 （primary structure）
蛋白质的一级结构是指多肽链中氨基 酸的序列
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肽键的形成
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H HO
H
HO
—N—C—C—
—N—C—C—
CH2 CH2
SH S
半胱氨酸
SH S
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（2）蛋白质的二级结构 （secondary structure）
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细胞核
真核细胞中的细胞控制中心 包含遗传信息（染色质） 与细胞质中的其它细胞器通讯
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动 物 细 胞 模 式 图
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植 物 细 胞 模 式 图
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细胞分裂
• 有丝分裂
单细胞生物繁 殖
多细胞生物生 长
• 减数分裂
形成单倍体
有性繁殖
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有丝分裂
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细胞的有丝分裂
甘氨酸（Gly）的可以单作为第四类， 也可以归于第一类。
含有芳香性侧链
Phe、Tyr、Trp、His
侧链为醇或酚的氨基酸有
Ser、Thr、Tyr
可以形成氢键
Arg、Lys、Asp、Glu、Ser、Thr、Asn、Gln、His、Tyr及Trp
简写 G A V I L F P M W C
氨基酸名称 丝氨酸 苏氨酸
天冬酰胺 谷酰胺 酪氨酸 组氨酸
天冬氨酸 谷氨酸 赖氨酸 精氨酸
英文缩写 Ser Thr Asn Gln Tyr His Asp Glu Lys Arg
简写 S T N Q Y H D E K R
20种标准氨基酸的英文简写
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减数分裂
第一阶段（1）
第一阶段（2）
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遗传物质交换
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细胞的减数分裂
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原核生物
主要特点：
1.遗传物质仅一个环状DNA 2.无核膜 3.无细胞器,无细胞骨架 4.以无丝分裂或出芽繁殖
代表生物: 支原体,细菌,兰藻,螺旋藻(人类未来的蛋白质
食物新来源)
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真核生物
三大结构体系： 膜系统: 质膜,内膜系统,细胞器 细胞核系统: 遗传信息表达系统
对于20种标准的氨基酸，按照侧链化学性质 的不同，可以分为以下三组：
极性氨基酸（容易与水分子形成氢键 ）
Ser、Thr、Cys、Asn、Gln、His、Tyr、Trp
带电氨基酸
Arg、Lys（+）和Asp、Glu（-）
疏水性的氨基酸
Ala、Val、Leu、Ile、Phe、Pro和Met
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骨架系统: 细胞质, 细胞核等的骨架系统
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第二节 蛋白质的结构和功能
1、蛋白质的功能
酶的催化作用 物质运载和贮存作用 营养存贮作用 运动协调作用 机械支持作用 免疫保护作用 信号接受与传导作用 生长和分化控制作用
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2、蛋白质的分子组成
组成蛋白质的主要元素有：
碳（50%-55%） 氢（6%-8%） 氧（19%-24%） 氮（13%-19%）和硫 某些蛋白质还含有少量磷、铁、铜、碘、锌等
第二章 生物信息学的生物学基础
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普通生物学 细胞 遗传 进化
分子生物学
—— 研究核酸、蛋白质等生物大分子的结构、功 能和相互关系
—— 研究生物大分子在生命活动中的重要性、规 律性，从分子水平上真正揭开生物世界的奥秘
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关于生物大分子构成的三条基本原则：
（1）构成生物体各类有机大分子的单体在不同的 生物中都相同；
（3）蛋白质的超二级结构
（i）—环—花样 （ii）发夹花样
（—环—花样） （iii）希腊图案花样
由四条反平行片组成
（iv）——花样 -环- -环-
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（4）蛋白质的三级结构
蛋白质的三级结构
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三级结构（tertiary structure） 在二级结构基础上的肽链再折叠形成的构象。
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(5) 蛋白质的四级结构 （quaternary structure）
组成蛋白质的多条肽 链在天然构象空间上的 排列方式，多以弱键互 相连接。疏水力、氢键、 盐键
两类细胞
原核细胞：细菌、蓝细菌、原绿藻 真核细胞：如真菌
细胞的主要构成部分：
细胞膜 细胞壁 细胞核 细胞质
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细胞膜
实用文档
细胞壁
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细胞质
细胞液 细胞骨架 细胞器
线粒体 （功能：能量转换，细胞复制，生存） 叶绿体 （功能：光合作用）
内质网（功能：细胞复制，生存） 高尔基体 溶酶体 细胞骨架 核糖体
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结构域（structure domain）
- 结构域也是功能单位 - 不同的结构域是与不同的功能相关联的 -结构域是由不同的二级结构和超二级结构组合
蛋白质三级结构分类
型—主要是由螺旋所构成 型—主要由反平行的折叠所构成，折叠片之间以转角连 接 /型—由螺旋包裹的以平行链为主的——花样所构成
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1、大肠杆菌 2、念珠藻 3、小球藻 4、酵母菌 5、火丝菌 6、眼虫 7、分生组织细胞 8、栅栏组织薄壁细 胞 9、驴蹄草叶表皮细 胞和保卫细胞 10、大鼠肝细胞 11、肾近曲小管上 皮细胞 12、成纤维细胞 13、人红细胞 14、人精子 15、哺乳动物的横 纹肌细胞 16、平滑肌细胞 17、神经细胞体