Джефферсон - Сборник упражнений и задач - 2000 / Student Guide19

Глава 19: ДНК - структура и локализация в клетках

137

Глава 19

ДНК - структура и локализация в клетках

Резюме главы

Эта глава открывает четвертую часть книги, в которой рассматривается хранение и использование генетической информации. В главе описывается структура молекулы ДНК и ее организация в клетке. Обсуждаются особенности строения четырех главных азотистых оснований, обнаруженных в ДНК, их способность образовывать водородные связи, а также структурные различия остатков сахаров в ДНК и РНК. Знания о структуре ДНК в клетке сопоставлены с некоторыми аспектами ее строения, на которые пока еще нет ответа.

Цели урока

♦Структурное различие между сахарами, входящими в состав РНК и ДНК.

♦Tаутомерныt формы гетероциклических азотистых оснований и их значение.

♦Различия в полярности между фосфатами, сахарами и гетероциклическими основаниями.

♦Природа фосфодиэфирной связи между нуклеотидами.

♦Первичная структура нуклеиновых кислот.

♦Почему ДНК более стабильна, чем РНК.

♦Типы внутримолекулярных сил, стабилизирующих двойную спираль ДНК.

♦Код спаривания оснований по Уотсону и Крику А-Т и G-C, включающий один пурин и один пиримидин.

♦Значение процессов плавления и отжига для гибридизации

♦Характерные свойства структуры различных форм двойной спирали.

♦Антипараллельность цепей ДНК

♦Правило записи последовательности оснований в ДНК в направлении 5′ → 3′.

♦Приблизительное число пар оснований в ДНК человека.

♦Природа хроматина, нуклеосом и гистонов в структуре упакованной ДНК.

138	Глава 19: ДНК - структура и локализация в клетках

♦Сходство и различия в структуре ДНК эукариот и прокариот.

♦Знакомство с некоторыми терминами, относящимися к процессу деления клеток, и их связь с описанием структуры ядра: метафазные и интерфазные хромосомы, центромера, комплекс кинетохора и гетерохроматин.

♦Природа информации, содержащейся в последовательности оснований ДНК, и определение понятия гена.

♦Подвижные (прышающие гены)

Прогулка по главе

Полинуклеотиды

Полинуклеотиды образуются из …………..…….(1). Несмотря на гидрофобность гетероциклических оснований, фосфатные остатки ДНК придают молекуле сильный

……….…….(2) заряд, который и обусловливает ее высокую .......……………(3). Поскольку два атома кислорода у каждого атома фосфора являются кислородами спиртовых заместителей,.......………………..(4) связи участвуют в формировании остова полимера. Они располагаются между …….…….(5) группой одного нуклеотида и 5′-ОН группой соседнего. Остов содержит чередующиеся фосфатно-сахаро-фосфатные группы; последовательность оснований, присоединенных к каждому остатку сахара, известна как …………..…..(6) структура. Уникальность дезоксисахаров в ДНК обусловлена отсутствием ……………..(7) группы в ДНК, благодаря чему структура ДНК (в отличие от РНК) является химически более стабильной. Присутствие 2′-ОН группы оказывает действие, подобное внутримолекулярному катализатору гидролитической реакции расщепления полимера нуклеиновой кислоты до ее мономеров. Двойная спираль ДНК удерживается комплементарными парами оснований, известными как пары оснований

……………(8): основание А соединяется с …………...(9) ……………(10) водородными связями, а основание G соединяется с ………………(11) …………………(12) водородными связями. Обратите внимание, что каждая пара включает один пурин и один ………….(13). Процесс для разделения двух цепей с использованием нагревания называется плавлением, а обратный процесс - ……………..(14). Процесс, в ходе которого образуется правильная последовательность оснований в результате комплементарных взаимодействий называется ………….(15). Наиболее стабильной трехмерной структурой полимеров со спаренными основаниями является спираль примерно с.......………….(16) парами оснований на каждый ее оборот. Спираль является правозакрученной и имеет две ………….(17) - большую и малую. Такая конфигурация ДНК известна как

……………..(18) форма. Существуют и другие формы ДНК, такие как А- и Z-формы, имеющие свои особенности строения. Структура двойной спирали необходима для достижения гибкости при упаковке длинной молекулы ДНК в относительно малом ядре клетки. Как уже было сказано, цепи ДНК антипараллельны, поскольку они идут в …..……………(19) направлениях и имеют

Глава 19: ДНК - структура и локализация в клетках	139

противоположную …………………..(20). Направленность цепей ДНК обусловлена тем, что на одном конце молекулы имеется нуклеотид со свободной 5′-ОН-группой, а на противоположном - со свободной ……………(21) группой. Последовательность каждой цепи записывается в направлении ……………(22) и таким образом, если одна цепь записана вверх по странице, то другая - вниз. Запись от 5′ ê 3′ относится к направлению, в котором связи “прошивают” остаток сахара.

Ответы: (1) мономеров; (2) отрицательный; (3) гидрофильность; (4) фосфодиэфирные; (5) 3′- ОН; (6) первичная; (7) 2′-ОН; (8) Уотсона-Крика; (9) Т; (10) двумя; (11) С; (12) тремя; (13) пиримидин; (14) отжигом; (15) гибридизацией; (16) 10; (17) бороздки; (18) В; (19) противоположных; (20) полярность; (21) 3′-ÎÍ; (22) 5′ → 3′.

ÄÍÊ è ÿäðî

Молекулы ДНК могут быть огромными. ДНК человека содержит ……………(1) пар оснований. Упаковка ДНК в ядре до конца невыяснена. Общая длина ДНК в клетке человека около

…………….(2). Ядро имеет диаметр примерно в миллион раз меньше. В эукариотических клетках ДНК существует в виде комплекса с белками, названного …..………..(3), главными белками которого являются ……..………..(4), содержащие большое количество ……………..(5) заряженных аминокислот. Существуют …………(6) сердцевина, представляющая собой комплекс из восьми молекул белка, вокруг которого цепь ДНК делает два витка. Нуклеосомы, отделенные друг от друга последовательностью из ……………(7) пар оснований, упаковываются с образованием нитей, которые далее формируют петли, прикрепляющиеся к центральному ………………….(8)

белку хромосом. Эти петли упаковываются в структуры, которые пока еще до конца не охарактеризованы. В процессе деления эукариотической клетки ДНК принимает вид компактных структур, называемых …………………(9) хромосомами. Эти структуры содержат ……………..(10) представляющую собой участок ДНК, к которому посередине присоединен комплекс белков

…………….(11). После окончания деления клетки хромосома распаковывается в

………………….(12) хромосому, хотя некоторые участки ДНК остаются в виде высококонденсированной структуры ………………….…(13). Менее конденсированные функциональные участки называются …………..……(14). Степень упаковки ДНК в хроматине имеет отношение к экспрессии генов.

Ответы: (1) 6 миллиардов; (2) 1-2 метров; (3) хроматином; (4) гистоны; (5) положительно; (6) нуклеосомная; (7) 30-40; (8) поддерживающему; (9) метафазными; (10) центромеру; (11) кинетохора; (12) интерфазную; (13) гетерохроматина; (14) эухроматином.

140	Глава 19: ДНК - структура и локализация в клетках

Заполните следующее

Гены и другие элементы ДНК

В ……………(1) оснований ДНК содержится информация о последовательности………………(2) в белках. Каждый сегмент ДНК, несущий информацию о структуре полипептида, называется

………….(3). Существует множество копий одного и того же гена и гены могут …………………(4)

структуры, отличные от белков. Хромосомы могут также иметь подвижные ……..………….(5), способные к перемещению из одного участка ДНК в другой; их называют ………….(6). Не вся клеточная ДНК образует гены; например, функция участков ДНК, названных ……………..(7) последовательностями, пока не установлена. Кроме того, существует сателлитная ДНК; она является частью структуры .......………..(8), и имеет характерные свойства, обусловленные

..................…………(9), а также короткими последовательно расположенными сегментами ДНК повторов.

Ответы: (1) последовательности; (2) аминокислот; (3) геном; (4) кодировать; (5) элементы; (6) подвижными генами; (7) Alu; (8) гетерохроматина; (9) гигантскими размерами.

141	Глава 19: ДНК - структура и локализация в клетках

Обзор вопросов в конце главы 19

∙Все сахара, входящие в структуру РНК и ДНК, имеют 3′ è 5′ ОН-группу. При образовании фосфодиэфирной связи атом кислорода этих групп связывается непосредственно с атомом фосфора. Обратите внимание, что когда изображается структура сахаров, то часто допускаются определенные вольности, например, написание связей без групп на конце, соответствующих атомам водорода; в более строгом химическом смысле связи без указания специфической группы на конце должны соответствовать метильным группам.

∙ДНК химически более стабильна, чем РНК.

∙Спиральная структура минимизирует взаимодействие гидрофобных оснований с полярными молекулами воды.

∙Правозакрученная спираль называется В-формой ДНК, на один виток которой приходится 10 пар оснований.

∙Цепи ДНК в двойной спирали имеют противоположную направленность.

∙Нумерация 5′ → 3′ отражает положение гидроксильной группы на свободном конце цепи. Последовательность нуклеотидов условились записывать в направлении от 5′ конца к 3′ концу. Обратите внимание, что вследствие стереохимической конфигурации сахара для того, чтобы показать полную структуру, одна из цепей пишется на бумаге сверху вниз.

∙При спаривании оснований G образует водородные связи с C, а А - с Т. Пары читаются от 5′- ê 3′ - концу.

∙Нуклеосомы представляют собой комплексы гистон-ДНК, которые защищают ДНК от воздействия ферментов ДНКаз.

∙Alu-последовательности - многократно повторяющиеся последовательности оснований, обнаруживаемые на хромосоме.

Дополнительные вопросы к главе 19

1.Какая гидроксильная группа основания G связана с фосфатом А в последовательности 5′ AGTC 3′ ?

2.Что мы еще понимаем в структуре ДНК?

3.Какой еще продукт образуется при формировании фосфодиэфирной связи между 5′-фосфатом одного нуклеотида с 3′-ОН группой второго?

4.Какая структура образуется в том случае, если 2′-ОН группа нуклеиновой кислоты участвует

âрасщеплении фосфатной связи между двумя основаниями?

5.Сколько Н-связей между основаниями А-Т и G-C?

6.Сколько пар оснований ДНК связано вместе в нуклеосомах?

7.Сколько примерно пар оснований в ДНК человека?

8.Если ДНК из одной клетки человека вытянуть по прямой, то какую длину она составит?

9.Что означает последовательность оснований в ДНК?

10.Напишите последовательность, комплементарную 5′ GGATTCCATGC 3′?