DNA分子結(jié)構(gòu)課件(公開課)

DNA分子結(jié)構(gòu)概述DNA是一種核酸，是遺傳信息的載體。它由脫氧核苷酸組成，每個(gè)脫氧核苷酸包含一個(gè)磷酸基團(tuán)、一個(gè)脫氧核糖和一個(gè)含氮堿基。DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)由兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈組成，通過堿基配對(duì)連接在一起。堿基配對(duì)遵循A與T配對(duì)，G與C配對(duì)的規(guī)則。DNA的基本結(jié)構(gòu)核苷酸DNA是核苷酸聚合物，每個(gè)核苷酸包含一個(gè)磷酸基團(tuán)、一個(gè)脫氧核糖和一個(gè)堿基。核苷酸的組成11.磷酸基團(tuán)磷酸基團(tuán)帶負(fù)電荷，與核糖連接在一起，形成核苷酸的骨架。22.五碳糖DNA中的五碳糖是脫氧核糖，與磷酸基團(tuán)和堿基連接在一起。33.堿基堿基是核苷酸的遺傳信息載體，共有四種：腺嘌呤(A)、鳥嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。堿基對(duì)的形成1堿基之間的氫鍵腺嘌呤(A)與胸腺嘧啶(T)形成兩個(gè)氫鍵,鳥嘌呤(G)與胞嘧啶(C)形成三個(gè)氫鍵。2堿基配對(duì)原則A與T配對(duì),G與C配對(duì),稱為堿基配對(duì)原則。3遺傳信息傳遞堿基對(duì)的形成是DNA復(fù)制和轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵,確保了遺傳信息的準(zhǔn)確傳遞。堿基對(duì)的形成是DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),也是遺傳信息傳遞的關(guān)鍵。雙螺旋結(jié)構(gòu)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)是由兩條反向平行的脫氧核苷酸鏈構(gòu)成，它們以右手螺旋方式纏繞在一起。兩條鏈之間以氫鍵相連，形成堿基配對(duì)關(guān)系。腺嘌呤（A）與胸腺嘧啶（T）配對(duì)，鳥嘌呤（G）與胞嘧啶（C）配對(duì)。雙螺旋結(jié)構(gòu)的直徑約為2納米，每圈螺旋包含10個(gè)堿基對(duì)，螺旋上升高度為3.4納米。DNA的3D結(jié)構(gòu)DNA的3D結(jié)構(gòu)是雙螺旋結(jié)構(gòu)。雙螺旋結(jié)構(gòu)是由兩條反向平行的多核苷酸鏈相互纏繞形成的。兩條鏈之間的堿基通過氫鍵相互連接。雙螺旋結(jié)構(gòu)的形成使得DNA能夠穩(wěn)定地保存遺傳信息，并能夠進(jìn)行復(fù)制和轉(zhuǎn)錄。DNA的手性DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)具有手性，如同我們的左右手一樣，鏡像對(duì)稱卻無法重疊。DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)是右手螺旋，堿基對(duì)以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)螺旋形的結(jié)構(gòu)。與右手螺旋結(jié)構(gòu)相反，左手螺旋結(jié)構(gòu)的堿基對(duì)以逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，形成一個(gè)鏡像結(jié)構(gòu)。氫鍵作用吸引力氫鍵是分子間的一種弱相互作用，由極性分子之間氫原子與電負(fù)性較強(qiáng)的原子（如氧、氮）之間形成。雙螺旋結(jié)構(gòu)在DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)中，堿基對(duì)之間通過氫鍵連接，形成A-T和G-C兩種配對(duì)方式，維持著DNA的穩(wěn)定性。復(fù)制過程氫鍵在DNA復(fù)制過程中起著重要作用，當(dāng)DNA復(fù)制時(shí)，氫鍵斷裂，兩個(gè)單鏈分離，然后作為模板合成新的DNA鏈。范德華力作用弱相互作用范德華力是分子之間的一種弱相互作用力。分子間距離范德華力的作用范圍很短，僅在分子間距離很近時(shí)才會(huì)產(chǎn)生。穩(wěn)定雙螺旋范德華力在保持DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性方面起著重要作用。磷酸骨架磷酸基團(tuán)磷酸骨架是DNA分子的主鏈結(jié)構(gòu)，由磷酸基團(tuán)連接脫氧核糖組成。每個(gè)磷酸基團(tuán)連接兩個(gè)脫氧核糖，形成一個(gè)磷酸二酯鍵。負(fù)電荷磷酸基團(tuán)帶負(fù)電荷，使DNA分子整體帶負(fù)電荷。負(fù)電荷相互排斥，有助于保持DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。水合作用磷酸骨架與水分子之間形成氫鍵，使DNA分子具有親水性。這一特性有助于DNA分子在細(xì)胞核內(nèi)溶解和運(yùn)動(dòng)。糖環(huán)的構(gòu)象構(gòu)象異構(gòu)體糖環(huán)的構(gòu)象是指環(huán)狀結(jié)構(gòu)中原子在空間的排列方式，存在不同的異構(gòu)體。椅式構(gòu)象DNA中脫氧核糖的糖環(huán)主要以椅式構(gòu)象存在，這種構(gòu)象更穩(wěn)定。扭轉(zhuǎn)角糖環(huán)構(gòu)象由多個(gè)扭轉(zhuǎn)角決定，這些角決定了原子之間的相對(duì)位置。影響因素糖環(huán)構(gòu)象受到堿基和磷酸基團(tuán)的影響，這些相互作用影響構(gòu)象的穩(wěn)定性。DNA分子的尺寸長(zhǎng)度從幾百堿基對(duì)到數(shù)百萬堿基對(duì)不等寬度約2納米螺旋間距約3.4納米堿基對(duì)間距約0.34納米DNA分子大小受其堿基對(duì)數(shù)量影響。例如，人類基因組包含約30億個(gè)堿基對(duì)，長(zhǎng)度約為2米。DNA的聚合過程核苷酸單體DNA聚合反應(yīng)的起始材料是脫氧核苷酸三磷酸(dNTP)DNA聚合酶DNA聚合酶催化dNTP的連接，形成磷酸二酯鍵模板鏈DNA聚合酶以已有的DNA鏈為模板，按照堿基配對(duì)原則進(jìn)行復(fù)制能量來源dNTP提供能量，驅(qū)動(dòng)DNA聚合反應(yīng)，并釋放焦磷酸新鏈合成按照模板鏈的順序，不斷添加新的核苷酸，形成新的DNA鏈DNA復(fù)制的過程1解旋DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)解開2引物合成RNA引物作為復(fù)制起點(diǎn)3延伸DNA聚合酶添加新核苷酸4連接連接酶連接DNA片段DNA復(fù)制是一個(gè)復(fù)雜的過程，需要多種酶參與。復(fù)制過程中，DNA雙螺旋解開，并以一條鏈為模板合成新的互補(bǔ)鏈。DNA復(fù)制的酶11.DNA解旋酶DNA解旋酶在復(fù)制起始點(diǎn)打開DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)，形成復(fù)制叉。22.DNA聚合酶DNA聚合酶沿著解開的DNA單鏈移動(dòng)，添加新的核苷酸，合成新的DNA鏈。33.引物酶引物酶合成短的RNA引物，為DNA聚合酶提供一個(gè)起始點(diǎn)。44.連接酶連接酶將新的DNA片段連接在一起，形成完整的DNA鏈。DNA復(fù)制的誤差修復(fù)1校對(duì)機(jī)制DNA聚合酶本身具有校對(duì)功能，可以識(shí)別并糾正復(fù)制過程中的錯(cuò)誤。2錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)錯(cuò)配修復(fù)系統(tǒng)可以識(shí)別和修復(fù)復(fù)制過程中產(chǎn)生的堿基配對(duì)錯(cuò)誤，確保遺傳信息的準(zhǔn)確傳遞。3核苷酸切除修復(fù)核苷酸切除修復(fù)可以修復(fù)DNA鏈上的損傷，包括紫外線照射引起的嘧啶二聚體。DNA轉(zhuǎn)錄的過程DNA轉(zhuǎn)錄是遺傳信息從DNA傳遞到RNA的過程，是基因表達(dá)的第一步。1起始RNA聚合酶識(shí)別啟動(dòng)子序列并結(jié)合。2延伸RNA聚合酶沿著DNA模板移動(dòng)，合成RNA鏈。3終止RNA聚合酶識(shí)別終止子序列，并從DNA模板上解離。RNA聚合酶酶RNA聚合酶是一種催化RNA合成的酶。DNA模板它利用DNA作為模板，讀取DNA序列信息。RNA合成根據(jù)DNA序列信息，合成RNA分子。蛋白質(zhì)合成RNA分子作為蛋白質(zhì)合成的模板，引導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成。轉(zhuǎn)錄調(diào)控機(jī)制轉(zhuǎn)錄因子轉(zhuǎn)錄因子是一類蛋白質(zhì)，它們能夠與DNA結(jié)合并調(diào)控基因的轉(zhuǎn)錄。它們可以激活或抑制基因表達(dá)。調(diào)控序列DNA上有特定的序列，稱為調(diào)控序列，可以與轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合。這些序列可以位于基因的啟動(dòng)子上游或下游。環(huán)境因素環(huán)境因素，如溫度、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和激素，可以影響轉(zhuǎn)錄因子的活性，從而影響基因表達(dá)。表觀遺傳修飾表觀遺傳修飾，如DNA甲基化和組蛋白修飾，可以改變?nèi)旧|(zhì)結(jié)構(gòu)，影響轉(zhuǎn)錄因子的結(jié)合，從而調(diào)控基因表達(dá)。翻譯過程mRNA與核糖體結(jié)合mRNA中的起始密碼子與核糖體的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，開始翻譯。tRNA帶領(lǐng)氨基酸攜帶特定氨基酸的tRNA與mRNA上的密碼子配對(duì)，將氨基酸送至核糖體。肽鏈連接核糖體連接氨基酸，形成肽鏈，逐步延長(zhǎng)。終止密碼子當(dāng)mRNA上遇到終止密碼子時(shí)，翻譯停止，蛋白質(zhì)合成完成。核糖體的結(jié)構(gòu)核糖體是細(xì)胞中負(fù)責(zé)蛋白質(zhì)合成的機(jī)器，由兩個(gè)亞基組成：大亞基和小亞基。大亞基負(fù)責(zé)催化肽鍵的形成，小亞基負(fù)責(zé)識(shí)別信使RNA(mRNA)并將它與轉(zhuǎn)移RNA(tRNA)結(jié)合。氨基酸的結(jié)合1密碼子與反密碼子tRNA攜帶特定的氨基酸，與mRNA上的密碼子配對(duì)。2氫鍵作用反密碼子與密碼子之間形成氫鍵，確保準(zhǔn)確配對(duì)。3核糖體結(jié)合位點(diǎn)tRNA在核糖體上的A位點(diǎn)結(jié)合，并與mRNA上的密碼子配對(duì)。4肽鍵形成肽酰轉(zhuǎn)移酶催化氨基酸之間形成肽鍵，合成蛋白質(zhì)鏈。蛋白質(zhì)的折疊蛋白質(zhì)折疊是指多肽鏈從無規(guī)則的線形結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂刑囟ㄈS結(jié)構(gòu)的過程。1一級(jí)結(jié)構(gòu)氨基酸序列2二級(jí)結(jié)構(gòu)α螺旋和β折疊3三級(jí)結(jié)構(gòu)單條多肽鏈的空間結(jié)構(gòu)4四級(jí)結(jié)構(gòu)多個(gè)多肽鏈的組合蛋白質(zhì)的折疊過程受到多種因素的影響，包括氨基酸序列、環(huán)境溫度、溶液pH值等。DNA損傷與修復(fù)DNA損傷原因多種因素可造成DNA損傷，包括紫外線、電離輻射、化學(xué)物質(zhì)和代謝副產(chǎn)物。DNA損傷會(huì)導(dǎo)致基因突變，甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡。DNA損傷可能導(dǎo)致癌癥、衰老和遺傳疾病。及時(shí)修復(fù)DNA損傷對(duì)于維持細(xì)胞功能和機(jī)體健康至關(guān)重要。DNA修復(fù)機(jī)制細(xì)胞擁有多種DNA修復(fù)機(jī)制，包括直接修復(fù)、堿基切除修復(fù)、核苷酸切除修復(fù)和錯(cuò)配修復(fù)。這些機(jī)制可以識(shí)別并修復(fù)各種DNA損傷。DNA修復(fù)機(jī)制在保持基因組完整性和穩(wěn)定性方面發(fā)揮著重要作用，保證了遺傳信息的準(zhǔn)確傳遞。復(fù)雜生命活動(dòng)的基礎(chǔ)光合作用植物利用陽光、水和二氧化碳合成有機(jī)物，為生物提供能量和物質(zhì)基礎(chǔ)。遺傳信息傳遞DNA承載遺傳信息，通過復(fù)制和轉(zhuǎn)錄翻譯過程，實(shí)現(xiàn)生命信息的傳遞和表達(dá)，確保物種延續(xù)。細(xì)胞分化由受精卵發(fā)育成各種類型的細(xì)胞，形成不同的組織和器官，最終構(gòu)成完整復(fù)雜的生物體。生態(tài)系統(tǒng)生物與環(huán)境相互作用，形成復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，維持生物多樣性和生態(tài)平衡。DNA技術(shù)在醫(yī)療上的應(yīng)用疾病診斷DNA檢測(cè)可幫助識(shí)別遺傳疾病，如癌癥和罕見病，早期診斷有利于治療。個(gè)性化治療根據(jù)患者的基因信息制定針對(duì)性的治療方案，提高治療效果，降低副作用。藥物研發(fā)DNA技術(shù)可以用于篩選藥物靶點(diǎn)，加速藥物研發(fā)進(jìn)程，開發(fā)更有效和更安全的藥物?；蛑委熗ㄟ^基因修飾或替換，治療遺傳疾病，未來可能用于治療癌癥和其他疾病。DNA技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用作物改良提高產(chǎn)量和抗病性，改善營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，以及適應(yīng)環(huán)境變化的品種?？瓜x害作物利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)，培育出能夠抵抗特定蟲害的作物品種?？钩輨┳魑镛D(zhuǎn)入抗除草劑基因，使作物能夠耐受除草劑，便于除草管理。動(dòng)物育種通過基因檢測(cè)和選育，培育出具有優(yōu)良性狀的畜禽品種。DNA數(shù)據(jù)庫的建立11.存儲(chǔ)海量信息收集和存儲(chǔ)大量生物體的DNA序列數(shù)據(jù)，構(gòu)建龐大的基因庫。22.研究疾病和治療利用DNA數(shù)據(jù)庫，研究基因突變與疾病之間的關(guān)系，探索新的治療方法。33.生物技術(shù)發(fā)展為基因工程、生物制藥、農(nóng)業(yè)育種等領(lǐng)域提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。44.人類演化研究通過比較不同物種的基因序列，了解人類演化的歷程和生物多樣性?；蚪M測(cè)序技術(shù)的發(fā)展基因組測(cè)序技術(shù)經(jīng)歷了三個(gè)階段:第一代測(cè)序技術(shù)，第二代測(cè)序技術(shù)，第三代測(cè)序技術(shù)。第一代測(cè)序技術(shù)采用Sanger法，成本高，效率低，但精度高，適用于單個(gè)基因的測(cè)序。第二代測(cè)序技術(shù)是高通量測(cè)序技術(shù)，包括Illumina，Roche454，ABISOLiD等，顯著降低了測(cè)序成本，提高了測(cè)序效率，但讀長(zhǎng)較短。第三代測(cè)序技術(shù)以PacBio和OxfordNanopore為主，可以獲得超長(zhǎng)讀長(zhǎng)，但精度相對(duì)較低，適用于復(fù)雜基因組的測(cè)序。19771977第一代測(cè)序技術(shù)誕生20012001人類基因組計(jì)劃完成20052005第二代