DNA分子结构课件(公开课)

DNA分子结构概述DNA是一种核酸，是遗传信息的载体。它由脱氧核苷酸组成，每个脱氧核苷酸包含一个磷酸基团、一个脱氧核糖和一个含氮碱基。DNA双螺旋结构由两条反向平行的脱氧核苷酸链组成，通过碱基配对连接在一起。碱基配对遵循A与T配对，G与C配对的规则。DNA的基本结构核苷酸DNA是核苷酸聚合物，每个核苷酸包含一个磷酸基团、一个脱氧核糖和一个碱基。核苷酸的组成11.磷酸基团磷酸基团带负电荷，与核糖连接在一起，形成核苷酸的骨架。22.五碳糖DNA中的五碳糖是脱氧核糖，与磷酸基团和碱基连接在一起。33.碱基碱基是核苷酸的遗传信息载体，共有四种：腺嘌呤(A)、鸟嘌呤(G)、胞嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。碱基对的形成1碱基之间的氢键腺嘌呤(A)与胸腺嘧啶(T)形成两个氢键,鸟嘌呤(G)与胞嘧啶(C)形成三个氢键。2碱基配对原则A与T配对,G与C配对,称为碱基配对原则。3遗传信息传递碱基对的形成是DNA复制和转录的关键,确保了遗传信息的准确传递。碱基对的形成是DNA双螺旋结构的基础,也是遗传信息传递的关键。双螺旋结构DNA双螺旋结构是由两条反向平行的脱氧核苷酸链构成，它们以右手螺旋方式缠绕在一起。两条链之间以氢键相连，形成碱基配对关系。腺嘌呤（A）与胸腺嘧啶（T）配对，鸟嘌呤（G）与胞嘧啶（C）配对。双螺旋结构的直径约为2纳米，每圈螺旋包含10个碱基对，螺旋上升高度为3.4纳米。DNA的3D结构DNA的3D结构是双螺旋结构。双螺旋结构是由两条反向平行的多核苷酸链相互缠绕形成的。两条链之间的碱基通过氢键相互连接。双螺旋结构的形成使得DNA能够稳定地保存遗传信息，并能够进行复制和转录。DNA的手性DNA双螺旋结构具有手性，如同我们的左右手一样，镜像对称却无法重叠。DNA的双螺旋结构是右手螺旋，碱基对以顺时针方向旋转，形成一个螺旋形的结构。与右手螺旋结构相反，左手螺旋结构的碱基对以逆时针方向旋转，形成一个镜像结构。氢键作用吸引力氢键是分子间的一种弱相互作用，由极性分子之间氢原子与电负性较强的原子（如氧、氮）之间形成。双螺旋结构在DNA双螺旋结构中，碱基对之间通过氢键连接，形成A-T和G-C两种配对方式，维持着DNA的稳定性。复制过程氢键在DNA复制过程中起着重要作用，当DNA复制时，氢键断裂，两个单链分离，然后作为模板合成新的DNA链。范德华力作用弱相互作用范德华力是分子之间的一种弱相互作用力。分子间距离范德华力的作用范围很短，仅在分子间距离很近时才会产生。稳定双螺旋范德华力在保持DNA双螺旋结构的稳定性方面起着重要作用。磷酸骨架磷酸基团磷酸骨架是DNA分子的主链结构，由磷酸基团连接脱氧核糖组成。每个磷酸基团连接两个脱氧核糖，形成一个磷酸二酯键。负电荷磷酸基团带负电荷，使DNA分子整体带负电荷。负电荷相互排斥，有助于保持DNA双螺旋结构的稳定性。水合作用磷酸骨架与水分子之间形成氢键，使DNA分子具有亲水性。这一特性有助于DNA分子在细胞核内溶解和运动。糖环的构象构象异构体糖环的构象是指环状结构中原子在空间的排列方式，存在不同的异构体。椅式构象DNA中脱氧核糖的糖环主要以椅式构象存在，这种构象更稳定。扭转角糖环构象由多个扭转角决定，这些角决定了原子之间的相对位置。影响因素糖环构象受到碱基和磷酸基团的影响，这些相互作用影响构象的稳定性。DNA分子的尺寸长度从几百碱基对到数百万碱基对不等宽度约2纳米螺旋间距约3.4纳米碱基对间距约0.34纳米DNA分子大小受其碱基对数量影响。例如，人类基因组包含约30亿个碱基对，长度约为2米。DNA的聚合过程核苷酸单体DNA聚合反应的起始材料是脱氧核苷酸三磷酸(dNTP)DNA聚合酶DNA聚合酶催化dNTP的连接，形成磷酸二酯键模板链DNA聚合酶以已有的DNA链为模板，按照碱基配对原则进行复制能量来源dNTP提供能量，驱动DNA聚合反应，并释放焦磷酸新链合成按照模板链的顺序，不断添加新的核苷酸，形成新的DNA链DNA复制的过程1解旋DNA双螺旋结构解开2引物合成RNA引物作为复制起点3延伸DNA聚合酶添加新核苷酸4连接连接酶连接DNA片段DNA复制是一个复杂的过程，需要多种酶参与。复制过程中，DNA双螺旋解开，并以一条链为模板合成新的互补链。DNA复制的酶11.DNA解旋酶DNA解旋酶在复制起始点打开DNA双螺旋结构，形成复制叉。22.DNA聚合酶DNA聚合酶沿着解开的DNA单链移动，添加新的核苷酸，合成新的DNA链。33.引物酶引物酶合成短的RNA引物，为DNA聚合酶提供一个起始点。44.连接酶连接酶将新的DNA片段连接在一起，形成完整的DNA链。DNA复制的误差修复1校对机制DNA聚合酶本身具有校对功能，可以识别并纠正复制过程中的错误。2错配修复系统错配修复系统可以识别和修复复制过程中产生的碱基配对错误，确保遗传信息的准确传递。3核苷酸切除修复核苷酸切除修复可以修复DNA链上的损伤，包括紫外线照射引起的嘧啶二聚体。DNA转录的过程DNA转录是遗传信息从DNA传递到RNA的过程，是基因表达的第一步。1起始RNA聚合酶识别启动子序列并结合。2延伸RNA聚合酶沿着DNA模板移动，合成RNA链。3终止RNA聚合酶识别终止子序列，并从DNA模板上解离。RNA聚合酶酶RNA聚合酶是一种催化RNA合成的酶。DNA模板它利用DNA作为模板，读取DNA序列信息。RNA合成根据DNA序列信息，合成RNA分子。蛋白质合成RNA分子作为蛋白质合成的模板，引导蛋白质的合成。转录调控机制转录因子转录因子是一类蛋白质，它们能够与DNA结合并调控基因的转录。它们可以激活或抑制基因表达。调控序列DNA上有特定的序列，称为调控序列，可以与转录因子结合。这些序列可以位于基因的启动子上游或下游。环境因素环境因素，如温度、营养物质和激素，可以影响转录因子的活性，从而影响基因表达。表观遗传修饰表观遗传修饰，如DNA甲基化和组蛋白修饰，可以改变染色质结构，影响转录因子的结合，从而调控基因表达。翻译过程mRNA与核糖体结合mRNA中的起始密码子与核糖体的结合位点结合，开始翻译。tRNA带领氨基酸携带特定氨基酸的tRNA与mRNA上的密码子配对，将氨基酸送至核糖体。肽链连接核糖体连接氨基酸，形成肽链，逐步延长。终止密码子当mRNA上遇到终止密码子时，翻译停止，蛋白质合成完成。核糖体的结构核糖体是细胞中负责蛋白质合成的机器，由两个亚基组成：大亚基和小亚基。大亚基负责催化肽键的形成，小亚基负责识别信使RNA(mRNA)并将它与转移RNA(tRNA)结合。氨基酸的结合1密码子与反密码子tRNA携带特定的氨基酸，与mRNA上的密码子配对。2氢键作用反密码子与密码子之间形成氢键，确保准确配对。3核糖体结合位点tRNA在核糖体上的A位点结合，并与mRNA上的密码子配对。4肽键形成肽酰转移酶催化氨基酸之间形成肽键，合成蛋白质链。蛋白质的折叠蛋白质折叠是指多肽链从无规则的线形结构转变为具有特定三维结构的过程。1一级结构氨基酸序列2二级结构α螺旋和β折叠3三级结构单条多肽链的空间结构4四级结构多个多肽链的组合蛋白质的折叠过程受到多种因素的影响，包括氨基酸序列、环境温度、溶液pH值等。DNA损伤与修复DNA损伤原因多种因素可造成DNA损伤，包括紫外线、电离辐射、化学物质和代谢副产物。DNA损伤会导致基因突变，甚至导致细胞死亡。DNA损伤可能导致癌症、衰老和遗传疾病。及时修复DNA损伤对于维持细胞功能和机体健康至关重要。DNA修复机制细胞拥有多种DNA修复机制，包括直接修复、碱基切除修复、核苷酸切除修复和错配修复。这些机制可以识别并修复各种DNA损伤。DNA修复机制在保持基因组完整性和稳定性方面发挥着重要作用，保证了遗传信息的准确传递。复杂生命活动的基础光合作用植物利用阳光、水和二氧化碳合成有机物，为生物提供能量和物质基础。遗传信息传递DNA承载遗传信息，通过复制和转录翻译过程，实现生命信息的传递和表达，确保物种延续。细胞分化由受精卵发育成各种类型的细胞，形成不同的组织和器官，最终构成完整复杂的生物体。生态系统生物与环境相互作用，形成复杂的生态系统，维持生物多样性和生态平衡。DNA技术在医疗上的应用疾病诊断DNA检测可帮助识别遗传疾病，如癌症和罕见病，早期诊断有利于治疗。个性化治疗根据患者的基因信息制定针对性的治疗方案，提高治疗效果，降低副作用。药物研发DNA技术可以用于筛选药物靶点，加速药物研发进程，开发更有效和更安全的药物。基因治疗通过基因修饰或替换，治疗遗传疾病，未来可能用于治疗癌症和其他疾病。DNA技术在农业上的应用作物改良提高产量和抗病性，改善营养价值，以及适应环境变化的品种。抗虫害作物利用转基因技术，培育出能够抵抗特定虫害的作物品种。抗除草剂作物转入抗除草剂基因，使作物能够耐受除草剂，便于除草管理。动物育种通过基因检测和选育，培育出具有优良性状的畜禽品种。DNA数据库的建立11.存储海量信息收集和存储大量生物体的DNA序列数据，构建庞大的基因库。22.研究疾病和治疗利用DNA数据库，研究基因突变与疾病之间的关系，探索新的治疗方法。33.生物技术发展为基因工程、生物制药、农业育种等领域提供基础数据支持。44.人类演化研究通过比较不同物种的基因序列，了解人类演化的历程和生物多样性。基因组测序技术的发展基因组测序技术经历了三个阶段:第一代测序技术，第二代测序技术，第三代测序技术。第一代测序技术采用Sanger法，成本高，效率低，但精度高，适用于单个基因的测序。第二代测序技术是高通量测序技术，包括Illumina，Roche454，ABISOLiD等，显著降低了测序成本，提高了测序效率，但读长较短。第三代测序技术以PacBio和OxfordNanopore为主，可以获得超长读长，但精度相对较低，适用于复杂基因组的测序。19771977第一代测序技术诞生20012001人类基因组计划完成20052005第二代