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9.1: Die Struktur der DNA - Biologie

9.1: Die Struktur der DNA - Biologie


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In den 1950er Jahren arbeiteten Francis Crick und James Watson an der University of Cambridge, England, zusammen, um die Struktur der DNA zu bestimmen. Auch andere Wissenschaftler wie Linus Pauling und Maurice Wilkins erforschten dieses Gebiet aktiv. Pauling hatte mittels Röntgenkristallographie die Sekundärstruktur von Proteinen entdeckt. Röntgenkristallographie ist ein Verfahren zur Untersuchung der molekularen Struktur durch Beobachten der Muster, die durch Röntgenstrahlen gebildet werden, die durch einen Kristall der Substanz geschossen werden. Die Muster geben wichtige Informationen über die Struktur des interessierenden Moleküls. In Wilkins’ Labor verwendete die Forscherin Rosalind Franklin Röntgenkristallographie, um die Struktur der DNA zu verstehen. Watson und Crick konnten mit Franklins Daten das Puzzle des DNA-Moleküls zusammensetzen (Abbildung 9.1.1). Watson und Crick verfügten auch über wichtige Informationen anderer Forscher, wie beispielsweise die Regeln von Chargaff. Chargaff hatte gezeigt, dass von den vier Arten von Monomeren (Nukleotiden), die in einem DNA-Molekül vorhanden sind, immer zwei Arten in gleichen Mengen vorhanden waren und die verbleibenden zwei Arten ebenfalls immer in gleichen Mengen vorhanden waren. Das bedeutete, dass sie immer irgendwie gepaart waren. 1962 erhielten James Watson, Francis Crick und Maurice Wilkins den Nobelpreis für Medizin für ihre Arbeiten zur Bestimmung der DNA-Struktur.

Betrachten wir nun die Struktur der beiden Arten von Nukleinsäuren, Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA). Die Bausteine ​​der DNA sind Nukleotide, die aus drei Teilen bestehen: einer Desoxyribose (5-Kohlenstoff-Zucker), einer Phosphatgruppe und einer stickstoffhaltigen Base (Abbildung 9.1.2). Es gibt vier Arten von stickstoffhaltigen Basen in der DNA. Adenin (A) und Guanin (G) sind doppelringige Purine, und Cytosin (C) und Thymin (T) sind kleinere, einringige Pyrimidine. Das Nukleotid wird nach der enthaltenen stickstoffhaltigen Base benannt.

Abbildung 9.1.2: (a) Jedes DNA-Nukleotid besteht aus einem Zucker, einer Phosphatgruppe und einer Base. (b) Cytosin und Thymin sind Pyrimidine. Guanin und Adenin sind Purine.

Die Phosphatgruppe eines Nukleotids bindet sich kovalent an das Zuckermolekül des nächsten Nukleotids und so weiter, wodurch ein langes Polymer aus Nukleotidmonomeren gebildet wird. Die Zucker-Phosphat-Gruppen reihen sich in einem „Rückgrat“ für jeden einzelnen DNA-Strang an, und die Nukleotidbasen ragen aus diesem Rückgrat heraus. Die Kohlenstoffatome des Zuckers mit fünf Kohlenstoffatomen sind vom Sauerstoff aus im Uhrzeigersinn nummeriert als 1', 2', 3', 4' und 5' (1' wird als "eine Primzahl" gelesen). Die Phosphatgruppe ist am 5'-Kohlenstoff eines Nukleotids und am 3'-Kohlenstoff des nächsten Nukleotids befestigt. In seinem natürlichen Zustand besteht jedes DNA-Molekül tatsächlich aus zwei Einzelsträngen, die entlang ihrer Länge mit Wasserstoffbrücken zwischen den Basen zusammengehalten werden.

Watson und Crick schlugen vor, dass die DNA aus zwei Strängen besteht, die umeinander verdreht sind, um eine rechtsgängige Helix zu bilden, die als Doppelhelix bezeichnet wird. Eine Basenpaarung findet zwischen Purin und Pyrimidin statt: nämlich A-Paare mit T und G-Paaren mit C. Mit anderen Worten, Adenin und Thymin sind komplementäre Basenpaare, und Cytosin und Guanin sind ebenfalls komplementäre Basenpaare. Dies ist die Grundlage für die Regel von Chargaff; Aufgrund ihrer Komplementarität befindet sich in einem DNA-Molekül so viel Adenin wie Thymin und ebenso viel Guanin wie Cytosin. Adenin und Thymin sind durch zwei Wasserstoffbrücken verbunden und Cytosin und Guanin sind durch drei Wasserstoffbrücken verbunden. Die beiden Stränge sind von Natur aus antiparallel; das heißt, ein Strang hat den 3'-Kohlenstoff des Zuckers in der „aufwärts“ Position, während der andere Strang den 5'-Kohlenstoff in der nach oben gerichteten Position hat. Der Durchmesser der DNA-Doppelhelix ist durchgehend einheitlich, da sich ein Purin (zwei Ringe) immer mit einem Pyrimidin (ein Ring) paart und ihre kombinierten Längen immer gleich sind. (Abbildung 9.1.3).

Die Struktur der RNA

In allen Zellen gibt es eine zweite Nukleinsäure, die Ribonukleinsäure oder RNA genannt wird. Wie DNA ist RNA ein Polymer von Nukleotiden. Jedes der Nukleotide in der RNA besteht aus einer stickstoffhaltigen Base, einem Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen und einer Phosphatgruppe. Im Fall von RNA ist der Zucker mit fünf Kohlenstoffatomen Ribose, nicht Desoxyribose. Ribose hat am 2'-Kohlenstoff eine Hydroxylgruppe, im Gegensatz zu Desoxyribose, die nur ein Wasserstoffatom besitzt (Abbildung 9.1.4).

RNA-Nukleotide enthalten die stickstoffhaltigen Basen Adenin, Cytosin und Guanin. Sie enthalten jedoch kein Thymin, das stattdessen durch Uracil ersetzt wird, das durch ein „U“ symbolisiert wird. RNA existiert eher als einzelsträngiges Molekül als als doppelsträngige Helix. Molekularbiologen haben verschiedene Arten von RNA aufgrund ihrer Funktion benannt. Dazu gehören Boten-RNA (mRNA), Transfer-RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA) – Moleküle, die an der Herstellung von Proteinen aus dem DNA-Code beteiligt sind.

Wie DNA in der Zelle angeordnet ist

DNA ist ein Arbeitsmolekül; es muss repliziert werden, wenn eine Zelle zur Teilung bereit ist, und es muss „gelesen“ werden, um die Moleküle wie Proteine ​​zu produzieren, die die Funktionen der Zelle erfüllen. Aus diesem Grund wird die DNA auf sehr spezifische Weise geschützt und verpackt. Außerdem können DNA-Moleküle sehr lang sein. Aneinander gestreckt würden die DNA-Moleküle in einer einzelnen menschlichen Zelle eine Länge von etwa 2 Metern erreichen. Daher muss die DNA für eine Zelle in einer sehr geordneten Weise verpackt werden, damit sie in eine Struktur (die Zelle) passt und darin funktioniert, die mit bloßem Auge nicht sichtbar ist. Die Chromosomen von Prokaryoten sind in vielen ihrer Merkmale viel einfacher als die von Eukaryoten (Abb. 9.1.5). Die meisten Prokaryonten enthalten ein einzelnes, kreisförmiges Chromosom, das sich in einem Bereich im Zytoplasma befindet, der als Nukleoid bezeichnet wird.

Die Größe des Genoms in einem der am besten untersuchten Prokaryonten, Escherichia coli, beträgt 4,6 Millionen Basenpaare, was sich über eine Strecke von etwa 1,6 mm erstrecken würde, wenn sie gestreckt würde. Wie passt das in eine kleine Bakterienzelle? Im sogenannten Supercoiling wird die DNA über die Doppelhelix hinaus verdreht. Von einigen Proteinen ist bekannt, dass sie am Supercoiling beteiligt sind; andere Proteine ​​und Enzyme helfen bei der Aufrechterhaltung der Supercoiled-Struktur.

Eukaryoten, deren Chromosomen jeweils aus einem linearen DNA-Molekül bestehen, verwenden eine andere Verpackungsstrategie, um ihre DNA in den Zellkern einzupassen (Abbildung 9.1.6). Auf der grundlegendsten Ebene ist die DNA um Proteine, die als Histone bekannt sind, gewickelt, um Strukturen zu bilden, die Nukleosomen genannt werden. Die DNA ist fest um den Histonkern gewickelt. Dieses Nukleosom ist durch einen kurzen, histonfreien DNA-Strang mit dem nächsten verbunden. Dies ist auch als „Perlen an einer Schnur“-Struktur bekannt; die Nukleosomen sind die „Perlen“ und die kurzen DNA-Längen zwischen ihnen sind die „Schnur“. Die Nukleosomen, mit ihrer DNA um sie gewickelt, stapeln sich kompakt aufeinander, um eine 30 nm breite Faser zu bilden. Diese Faser wird weiter zu einer dickeren und kompakteren Struktur gewickelt. Im Metaphase-Stadium der Mitose, wenn die Chromosomen im Zentrum der Zelle aufgereiht sind, sind die Chromosomen am stärksten verdichtet. Sie sind etwa 700 nm breit und werden in Verbindung mit Gerüstproteinen gefunden.

In der Interphase, der Phase des Zellzyklus zwischen Mitosen, in der die Chromosomen dekondensiert werden, haben eukaryotische Chromosomen zwei unterschiedliche Regionen, die durch Färbung unterschieden werden können. Es gibt einen dicht gepackten Bereich, der sich dunkel färbt, und einen weniger dichten Bereich. Die dunkel gefärbten Regionen enthalten normalerweise nicht aktive Gene, die in den Regionen des Zentromers und der Telomere zu finden sind. Die leicht gefärbten Regionen enthalten normalerweise aktive Gene, wobei die DNA um Nukleosomen herum verpackt, aber nicht weiter verdichtet ist.

KONZEPT IN AKTION

Sehen Sie sich diese Animation der DNA-Verpackung an.

Zusammenfassung

Das Modell der Doppelhelix-Struktur der DNA wurde von Watson und Crick vorgeschlagen. Das DNA-Molekül ist ein Polymer von Nukleotiden. Es gibt vier stickstoffhaltige Basen in der DNA, zwei Purine (Adenin und Guanin) und zwei Pyrimidine (Cytosin und Thymin). Ein DNA-Molekül besteht aus zwei Strängen. Jeder Strang besteht aus Nukleotiden, die kovalent zwischen der Phosphatgruppe des einen und dem Desoxyribose-Zucker des nächsten verbunden sind. Von diesem Rückgrat erstrecken sich die Basen. Die Basen des einen Strangs binden über Wasserstoffbrücken an die Basen des zweiten Strangs. Adenin bindet immer an Thymin und Cytosin bindet sich immer an Guanin. Die Bindung bewirkt, dass sich die beiden Stränge in einer Form, die als Doppelhelix bezeichnet wird, umeinander winden. Ribonukleinsäure (RNA) ist eine zweite Nukleinsäure, die in Zellen vorkommt. RNA ist ein einzelsträngiges Polymer von Nukleotiden. Es unterscheidet sich auch von DNA dadurch, dass es den Zucker Ribose anstelle von Desoxyribose und das Nukleotid Uracil anstelle von Thymin enthält. Verschiedene RNA-Moleküle wirken bei der Bildung von Proteinen aus dem genetischen Code in der DNA.

Prokaryoten enthalten ein einzelnes, doppelsträngiges zirkuläres Chromosom. Eukaryoten enthalten doppelsträngige lineare DNA-Moleküle, die in Chromosomen verpackt sind. Die DNA-Helix ist um Proteine ​​gewickelt, um Nukleosomen zu bilden. Die Proteinspiralen werden weiter gewunden, und während der Mitose und Meiose werden die Chromosomen noch stärker gewunden, um ihre Bewegung zu erleichtern. Chromosomen haben zwei unterschiedliche Regionen, die durch Färbung unterschieden werden können, die unterschiedliche Verpackungsgrade widerspiegeln und dadurch bestimmt werden, ob die DNA in einer Region exprimiert wird (Euchromatin) oder nicht (Heterochromatin).

Glossar

Desoxyribose
ein Zuckermolekül mit fünf Kohlenstoffatomen mit einem Wasserstoffatom anstelle einer Hydroxylgruppe in der 2'-Position; die Zuckerkomponente von DNA-Nukleotiden
Doppelhelix
die molekulare Form der DNA, bei der sich zwei Nukleotidstränge spiralförmig umeinander winden
Stickstoffbase
ein stickstoffhaltiges Molekül, das als Base fungiert; bezieht sich oft auf eine der Purin- oder Pyrimidinkomponenten von Nukleinsäuren
Phosphatgruppe
eine Molekülgruppe bestehend aus einem zentralen Phosphoratom, das an vier Sauerstoffatome gebunden ist

Beschreiben Sie die Struktur der DNA? (6mrks) gcse edexcel 9-1

DNA-Struktur. DNA besteht aus Molekülen, die Nukleotide genannt werden. Jedes Nukleotid enthält eine Phosphatgruppe, eine Zuckergruppe und eine Stickstoffbase. Die vier Arten von Stickstoffbasen sind Adenin (A), Thymin (T), Guanin (G) und Cytosin (C).

Frage: Welche Aussage beschreibt die unterschiedlichen Eigenschaften von Metallen am besten?

Antwort: Sie sind glänzend und biegen sich, ohne zu brechen.

Da Metalle bestimmte charakteristische Eigenschaften haben, umfassen sie Folgendes: Sie sind duktil, formbar, glänzend, hart, glänzend, flexibel und sie sind gute Wärme- und Stromleiter. Daher sind Metalle nicht stumpf und sie sind nicht wie aufgeführt unflexibel. stattdessen sind sie glänzend und flexibel.


Der Aufbau des Checkpoint-Clamp 9-1-1-Komplexes und des Clamp-Loaders Rad24-RFC in Saccharomyces cerevisiae

Der 9-1-1-Komplex ist ein kreisförmiger heterotrimerer Komplex, der aus Rad9-Hus1-Rad1 besteht. Als Reaktion auf DNA-Schäden wird der 9-1-1-Komplex durch den Clamp-Loader Rad24-RFC auf die DNA-Schädigungsstelle geladen, um den Zellzyklus-Checkpoint zu aktivieren. Das C-Terminal von Ddc1/Rad9 ist für die Checkpoint-Aktivierung entscheidend. Allerdings gibt es nur wenige strukturelle Informationen über den intakten 9-1-1-Komplex und die Interaktion mit Rad24-RFC. Hier haben wir die Struktur des intakten 9-1-1-Komplexes in S. cerevisiae mittels Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) bestimmt und erstmals das Ddc1-C-Schwanzmodul identifiziert. Wir fanden, dass der C-Terminus von Ddc1 strukturelle Flexibilität besitzt und eine kritische Rolle für die Mec1/Ddc2-Aktivierung in der G1/G2-Phase spielt. Gleichzeitig erhielten wir einen Einblick in die Struktur von Rad24-RFC und erfassten die Interaktion zwischen dem 9-1-1-Komplex und Rad24-RFC. Die strukturellen Informationen haben uns sehr geholfen, den Prozess des Klemmens zu verstehen.

Schlüsselwörter: 9-1-1 Komplexe DNA-Schadensantwort Ddc1 C-Schwanz Mec1/Ddc2 Rad24-RFC.


Poster zur Überarbeitung der DNA-Struktur (Genetik und Evolution) [AQA GCSE Biology Double and Triple 9-1]

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Ein Überarbeitungsposter zur DNA-Struktur in Papier 2 von AQA Biology für Doppel- und Dreifachstudenten.

Diese handgeschriebenen Poster wurden unter Verwendung der AQA-Spezifikation, MyGCSEScience und Revisionslehrbüchern erstellt, um den Inhalt der Poster zu maximieren. Sie decken die in 4.6.1.5 der AQS Biology-Spezifikation geforderten Inhalte ab und sind für Überarbeitungszwecke nützlich. Sie sind sehr nützlich, um die Überarbeitung der Schüler zu unterstützen, indem sie alles, was sie wissen müssen, in perfekter Detailtreue abdecken, und können auf vielfältige Weise verwendet werden.

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Vererbung, Variation und Evolution (Papier 2) Revisionsposter [AQA GCSE Biology Double and Triple 9-1]

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DNA-Struktur (nur Biologie) - Neuer AQA Biology GCSE

Lektion für Vererbung, Variation und Evolution Kapitel im neuen AQA Biology GCSE.

LO:
Beschreiben Sie die Struktur der DNA anhand von Diagrammen.
Erklären Sie, wie die Basen der beiden Stränge miteinander verbunden sind.
HT: Beschreiben Sie in einfachen Worten, wie ein Protein synthetisiert wird.
HT: Erklären Sie die Bedeutung der Form eines Proteins für die Enzymwirkung und -funktion.
HT: Beschreiben Sie, was eine Mutation ist und wie eine Mutation die Bildung eines Proteins beeinflussen könnte.
HT: Erklären Sie, dass die meisten Mutationen nur geringe Auswirkungen haben, einige jedoch schwerwiegendere Auswirkungen auf die Funktion des Proteins haben.

Es dauert 2-3 Lektionen, um dieses Thema zu behandeln.

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Wie DNA in der Zelle angeordnet ist

DNA ist ein Arbeitsmolekül, das repliziert werden muss, wenn eine Zelle zur Teilung bereit ist, und es muss „gelesen“ werden, um die Moleküle, wie Proteine, zu produzieren, die die Funktionen der Zelle erfüllen. Aus diesem Grund wird die DNA auf sehr spezifische Weise geschützt und verpackt. Außerdem können DNA-Moleküle sehr lang sein. Von Ende zu Ende gestreckt, würden die DNA-Moleküle in einer einzigen menschlichen Zelle zu einem Länge von ca. 2 Metern. Daher muss die DNA für eine Zelle in einer sehr geordneten Weise verpackt werden, damit sie in eine Struktur (die Zelle) passt und darin funktioniert, die mit bloßem Auge nicht sichtbar ist. Die Chromosomen von Prokaryoten sind in vielen ihrer Merkmale viel einfacher als die von Eukaryoten (Abbildung 9.6). Die meisten Prokaryonten enthalten ein einzelnes, kreisförmiges Chromosom, das sich in einem Bereich im Zytoplasma befindet, der als Nukleoid bezeichnet wird.

Abbildung 9.6 Ein Eukaryont enthält einen wohldefinierten Kern, während bei Prokaryonten das Chromosom im Zytoplasma in einem Bereich liegt, der als Nukleoid bezeichnet wird.

Die Größe des Genoms in einem der am besten untersuchten Prokaryonten, Escherichia coli, beträgt 4,6 Millionen Basenpaare, was sich über eine Strecke von etwa 1,6 mm erstrecken würde, wenn sie gestreckt würde. Wie passt das in eine kleine Bakterienzelle? Im sogenannten Supercoiling wird die DNA über die Doppelhelix hinaus verdreht. Von einigen Proteinen ist bekannt, dass sie am Supercoiling beteiligt sind, andere Proteine ​​und Enzyme helfen bei der Aufrechterhaltung der Supercoiling-Struktur.

Eukaryoten, deren Chromosomen jeweils aus einem linearen DNA-Molekül bestehen, verwenden eine andere Verpackungsstrategie, um ihre DNA in den Zellkern einzupassen. Auf der grundlegendsten Ebene ist die DNA um Proteine, die als Histone bekannt sind, gewickelt, um Strukturen zu bilden, die Nukleosomen genannt werden. Die DNA ist fest um den Histonkern gewickelt. Dieses Nukleosom ist durch einen kurzen, histonfreien DNA-Strang mit dem nächsten verbunden. Dies ist auch als "Perlen an einer Schnur" bekannt. Die Nukleosomen sind die "Perlen" und die kurzen DNA-Längen zwischen ihnen sind die "Schnur". Die Nukleosomen, mit ihrer DNA um sie gewickelt, stapeln sich kompakt aufeinander, um eine 30 nm breite Faser zu bilden. Diese Faser wird weiter zu einer dickeren und kompakteren Struktur gewickelt. Im Metaphase-Stadium der Mitose, wenn die Chromosomen im Zentrum der Zelle aufgereiht sind, sind die Chromosomen am stärksten verdichtet. Sie sind etwa 700 nm breit und werden in Verbindung mit Gerüstproteinen gefunden.

In der Interphase, der Phase des Zellzyklus zwischen Mitosen, in der die Chromosomen dekondensiert werden, haben eukaryotische Chromosomen zwei unterschiedliche Regionen, die durch Färbung unterschieden werden können. Es gibt einen dicht gepackten Bereich, der sich dunkel färbt, und einen weniger dichten Bereich. Die dunkel gefärbten Regionen enthalten normalerweise nicht aktive Gene, die in den Regionen des Zentromers und der Telomere zu finden sind. Die leicht gefärbten Regionen enthalten normalerweise aktive Gene, wobei die DNA um Nukleosomen herum verpackt, aber nicht weiter verdichtet ist.

Abbildung 9.7 Diese Abbildungen veranschaulichen die Verdichtung des eukaryotischen Chromosoms.


9.1: Die Struktur der DNA - Biologie

SC hool Biologie Anmerkungen: Wie Proteine ​​synthetisiert werden - Rolle von DNA und RNA

Die Funktionen von DNA und RNA in der Proteinsynthese

Doc Browns Schulbiologie-Revisionsnotizen: GCSE-Biologie, IGCSE-Biologie, O-Level-Biologie,

US-Klassen 8, 9 und 10 naturwissenschaftliche Schulkurse oder gleichwertige für

14-16 jährige Biologiestudenten

Diese Seite hilft Ihnen bei der Beantwortung von Fragen wie . Was ist ein Nukleotid? Wie ist seine Struktur? Wie ist die DNA-Struktur? Warum wird es als Polymer eingestuft? Wie kodiert die DNA für Aminosäuren und damit Proteine? Welche Funktion hat die DNA? Wie werden Proteine ​​synthetisiert? Was ist RNA? Welche Funktion hat RNA? Was ist ein Triplett-Code? Wie können wir DNA aus Zellen extrahieren? Wie produzieren Zellen Proteine ​​im Zytoplasma? Welche Funktionen haben Proteine ​​in lebenden Organismen?

(a) Wie wurde die Struktur der DNA entdeckt?

DNA (Desoxyribonukleinsäure) wurde erstmals 1869 von dem Schweizer Wissenschaftler Friedrich Miescher aus weißen Blutkörperchen isoliert.

Vor der entscheidenden Röntgenaufnahme von Rosalind Franklin zeigte die chemische Analyse, dass vier Basen im Verhältnis 1 : 1 für ein Paar und 1 : 1 für ein anderes Paar vorkommen.

Welche Rolle spielten die Wissenschaftler Watson, Crick, Franklin und Wilkins?

In den 1950er Jahren untersuchte Rosalind Franklin, die für Maurice Wilkins arbeitete, DNA-Stränge mit einer Technik namens Röntgenbeugungsanalyse.

Die zu untersuchende Probe, z.B. ein DNA-Kristallstränge, wird mit Röntgenstrahlen beschossen und die Atomschichten verhalten sich wie ein Beugungsgitter und streuen die Röntgenstrahlen in einem bestimmten Muster, das von der 3D-Anordnung der Atome im Molekül abhängt. Der Weg der gestreuten Röntgenstrahlen wird auf einer Fotoplatte aufgezeichnet.

Rosalind Franklin starb tragisch jung an Krebs und erhielt nie den Nobelpreis, den sie zweifellos erhalten hätte, ABER in einem der letzten Dinge, die sie in ihr Laborheft schrieb, spekulierte sie, dass die DNA eine Helixstruktur hatte.

Später sammelten Frances Crick und James Watson diese Röntgendaten (Crick hatte Zugang zu Rosalind Franklins "klassischer" Röntgenaufnahme von kristallisierter DNA, die für eine helikale Struktur charakteristisch ist) mit anderen Informationen zusammen.

z.B. die chemische Analyse der DNA, insbesondere die Verhältnisse der vier Basen (Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin), die Form der vier Basenmoleküle .

und dann ein Modell gebaut und daraus abgeleitet, was wir heute als Doppelhelix-Struktur der DNA erkennen – brillante Erkenntnisse, weitere Nobelpreisträger zusammen mit Maurice Wilkins.

Wichtig ist, dass die experimentellen Beobachtungen aus der chemischen und strukturellen Analyse in das evidenzbasierte Modell passten.

Rosalind Franklin, Physikerin und Biologin, stirbt auf tragische Weise jung an einer Kombination aus Lungenentzündung und Krebs im fortgeschrittenen Stadium. Alle anderen drei oben genannten Wissenschaftler erhielten die höchste Auszeichnung eines Nobelpreises. Rosalind Franklin hätte auch einen Nobelpreis bekommen, wäre sie nicht so tragisch jung gestorben.

(b) Die Struktur von Nukleotiden und DNA - Desoxyribonukleinsäure

Einführung in die DNA und ihre Funktion

DNA (DesyribonUcleic eincid) ist ein großes Molekül, das für das Leben und die Zellreplikation essentiell ist und ist ein weiteres Beispiel für a natürliches Polymer.

Seine Struktur wurde in den 1950er Jahren vor allem von den Nobelpreisträgern Crick und Watson ausgearbeitet, obwohl mehrere andere bemerkenswerte Wissenschaftler wichtige Beiträge leisteten.

DNA, ein natürliches Polymer besteht aus einer Reihe von sich wiederholenden Einheiten (dem Monomer), genannt Nukleotide.

Die DNA bildet zwei verbundene Stränge zusammengerollt in Form eines a Doppelhelix (mehr DNA-Struktur später).

DNA-Moleküle enthalten das gesamte genetische Material eines Organismus, das sind alle chemischen Anweisungen für das Wachstum und die Entwicklung einzelner Zellen und komplexer Organismen.

All die Anweisungen die für das Wachstum, die Entwicklung und die Fortpflanzung eines Organismus benötigt werden, ist codiert in der DNA.

Der Inhalt Ihrer DNA bestimmt direkt, was Ihr vererbt Eigenschaften sind.

Die DNA ist in lange zusammengerollte Abschnitte unterteilt, die als bezeichnet werden Chromosomen im Zellkern, und innerhalb der chromosomalen DNA gibt es kürzere Abschnitte namens Gene.

Jedes Chromosom besteht aus vielen kurzen DNA-Abschnitten, genannt Gene, von denen einer oder mehrere Codes für ein Merkmal eines Organismus, z.B. Blutgruppe, Augenfarbe oder Haarfarbe.

Die Gene haben die Codes für die Herstellung all der verschiedenen Proteine, von denen viele Enzyme sind, und wie große wichtige Moleküle wie Hämoglobin hergestellt werden.

Ihre gesamte DNA, d. h. der vollständige Inhalt Ihrer Gene, wird als bezeichnet Genom.

Chromosomen kommen normalerweise rein Paare und die beiden haben die gleiche Art von Genen in der gleichen Reihenfolge entlang ihrer sehr langen Länge (im molekularen Sinne!).

Zur Erinnerung – ein Chromosom von jedem Elternteil bildet das Paar, und menschliche diploide Zellen haben 46 Chromosomen (23 Paare).

Abgesehen vom Zellkern können bestimmte andere Teile der Zelle DNA enthalten, z. Mitochondrien (Atmungsorte).

Bakterien können freie Ringe/Stränge von DNA enthalten, genannt Plasmide.

Plasmide sind nicht Teil des Chromosoms einer Bakterien und tragen nicht zum Funktionieren der Zelle bei, aber z.B. sie enthalten Gene, die ihnen helfen, Resistenzen gegen Antibiotika zu entwickeln und so ihr Überleben zu sichern.

DNA kodiert genetische Anweisungen für die Entwicklung und das Funktionieren von lebenden Organismen und Viren.

z.B. jeden Proteinmolekül die von einem lebenden Organismus bis auf die Ebene einzelner Zellen benötigt werden, wird von anderen Molekülen synthetisiert Lesen des genetischen DNA-Codes und Kombinieren der richtigen Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge.

Dies bedeutet, dass jedes Protein seine eigene spezifische Anzahl und genaue Reihenfolge der Aminosäuren hat.

Nach der Synthese faltet sich das Proteinmolekül (Polymerkette von Aminosäuren) in seine eigene spezifische einzigartige Form, um seine eigene einzigartige Funktion zu erfüllen, z. ein Enzym, das eine spezifische biochemische Reaktion katalysiert.

Ein DNA-Abschnitt, der für ein bestimmtes Protein kodiert, heißt a Gen und es ist die Reihenfolge der Basen in einem Gen, das die Reihenfolge der Aminosäuren im Protein bestimmt, daher seine Struktur und Funktion.

Die DNA kodiert nicht nur für alle notwendigen Proteine, sie bestimmt auch, welcher Typ eine Zelle wird z.B. Blutzelle, Gehirnzelle, Muskelzelle, Hautzelle etc.

Proteine ​​sind Polymere von Aminosäuren. DNA ist ein Polymer von Nukleotiden.

Aminosäuren und Nukleotide sind also Monomere.

Jedes Protein hat eine spezifische Struktur für eine bestimmte Funktion, einschließlich Enzymen, und die meisten werden in DNA kodiert.

Die Struktur der Nukleotide und des DNA-Moleküls

Die meisten DNA-Moleküle bestehen aus zwei Polymerketten, die aus vier verschiedenen Monomere namens Nukleotide, verbunden in Form von a Doppelhelix.

Im Gegensatz zu künstlich hergestelltem Poly(ethen) aus dem Monomer Ethen usw. DNA ist ein natürlich vorkommendes Polymer - lange Molekülketten aus verbundenen Monomer-(Einzel-)Molekülen.

Das Nukleotid ist die kleine molekulare Grundeinheit - das Monomer von dem die Polymer gebildet.

Nukleotide bilden die Bausteine ​​der DNA (Desoxyribonukleinsäure) und RNA (Ribonukleinsäure). Ein einzelnes Nukleotid besteht aus drei molekularen Bits, die miteinander kombiniert werden - das gleiche Phosphat Gruppe, eine Variable Base (Adenin, Cytosin, Guanin oder Thymin) und die gleiche Pentose Zucker (Pentose bedeutet nur, einen Ring aus 5 Atomen zu haben). Die Phosphatgruppe und Base sind an den Zucker gebunden (siehe linkes Diagramm eines einzelnen Nukleotids).

Die Polymerkette der DNA (und RNA) wird durch eine große Anzahl von Phosphat-Zucker-Verknüpfungen gebildet. Die Base ist eine Art "Abzweig" der Hauptkette, aber dies hilft ihr, sich intermolekular mit einer Base eines anderen gegenüberliegenden DNA-Strangs zu verbinden.

Das Ergebnis ist ein vollständiges DNA-Molekül, das aus zwei "molekularen" Strängen besteht, die zusammengerollt sind, um ein Doppelhelix, aber wie wird diese Helix zusammengehalten?

Die zwei Polymerstränge der DNA sind vernetzt durch eine Reihe von komplementäre Basenpaare verbunden durch schwache intermolekulare Bindungen - Crosslinks (basenpaarende Bindungen hier wie im Diagramm gezeigt):

Es gibt vier Basen in der DNA, die die Struktur zusammenhalten und die gleiche zwei Basen werden immer zusammen gepaart - bekannt als komplementäre Basenpaarung .

Dies ist im rechten Diagramm dargestellt und hält die beiden DNA-Stränge zusammen.

Adenin (A) mit Thymin (T) BEI , und Cytosin (C) mit Guanin (G) CG .

Wobei die schwach (aber entscheidend) intermolekulare anziehende Bindungskraft zwischen den Basenpaaren. Diese schwächere intermolekulare Bindung heißt eigentlich a Wasserstoffverbindung, aber Sie müssen auf GCSE-Ebene möglicherweise keine weiteren Details kennen.

Diese vernetzenden komplementären Basenpaarbindungen halten die DNA-Moleküle fest zusammen und geben ihnen die notwendige Stabilität, um ihre genetischen Rollen zu erfüllen - aber nicht zu fest, dass sie nicht "entpackt" werden können - ein notwendiger Prozess bei der Zellreplikation!

Hier komplementär bedeutet 'übereinstimmende Paare'. A mit T und C mit G sind die verknüpften komplementären Basenpaare.

Die Doppelhelix-Struktur ist im Diagramm oben rechts dargestellt und veranschaulicht, wie die DNA durch die vernetzenden Wasserstoffbrücken zwischen den Basen zusammengehalten wird, um die Doppelhelix zusammenzuhalten.

Ein kurzer DNA-Abschnitt wird unten ausführlicher dargestellt.

Ein detaillierteres Diagramm eines sehr kurzen Abschnitts eines Doppelhelix-DNA-Moleküls, das die zwei verschiedenen Basenpaarungen zeigt, die die beiden Molekülstränge zusammenhalten.

Es ist die Reihenfolge der Basen in den DNA-Strängen eines Gens, die die Reihenfolge der Aminosäuren in einem Protein bestimmt.

(c) Details der Proteinsynthese

DNA-Code, Basen, Gene und der Triplett-Code

Wie bereits erwähnt, DNA-Polymermoleküle enthalten die genetischen Codes die bestimmen, welche Proteine ​​synthetisiert werden.

Diese synthetisierten Proteine ​​steuern die Funktion aller Zellen eines Organismus, mit anderen Worten, die DNA steuert die Produktion aller Proteine ​​- die Proteinsynthese in den Ribosomen, einer der subzellulären Strukturen im Zytoplasma der Zellen.

Ein kurzer DNA-Abschnitt, der für ein bestimmtes Protein kodiert, wird als Gen bezeichnet.

Das heisst jedes Gen kodiert für einen bestimmten Satz von Aminosäuren die ein Protein bilden.

Die Reihenfolge der Basen im Gen bestimmt die Reihenfolge der Aminosäuren im Protein.

Jedes Gen hat eine andere Basensequenz um alle Proteine ​​zu kodieren, die ein Organismus benötigt.

Nur 20 verschiedene Aminosäuren werden verwendet, um all die Tausenden von verschiedenen Proteinen zu synthetisieren.

Es sind die Gene der DNA, die die Ribosomen in Zellen die richtige Reihenfolge, um die Aminosäuren zu einem bestimmten Protein zusammenzusetzen.

Ein Ribosom, eine winzige Struktur im Zytoplasma, ist im Wesentlichen ein Proteinfabrik das macht alles aus Enzymen, Keratin, Muskelfaserzellen, roten Blutkörperchen usw. und alles basierend auf den DNA-Codes.

Jedes Protein, eine Polymerkette von Aminosäuren, hat ein einzigartige Struktur basierend auf a bestimmte Anzahl von Aminosäuren Und ein spezifische Sequenz von Aminosäuren.

Jedes Protein hat auch a spezifische 3D-Form, die für die Erfüllung ihrer besonderen Funktion unabdingbar sind, z.B. ein Enzym oder eine Gewebeart.

Die Reihenfolge der Basen in einem Gen der DNA bestimmt die Reihenfolge der Aminosäuren, die sich zu einem spezifischen Protein verbinden, das wiederum eine spezifische Funktion im lebenden Organismus ausübt.

Jede Aminosäure wird durch eine Sequenz von drei Basen kodiert im Gen, bekannt als a Triplet-Code (veranschaulicht durch das Diagramm unten für drei "fiktive" Aminosäuren).

Jedes Gen enthält eine andere Basensequenz, damit es für ein bestimmtes Protein kodieren kann.

Die Reihenfolge der Basen auf der DNA eines Organismus wird als bezeichnet genetischer Code des Genoms.

Die Genom ist das gesamte genetische Material eines Organismus. Siehe Einführung in das GENOM und die Genexpression – unter Berücksichtigung von Chromosomen, Allelen, Genotyp, Phänotyp, Variationen

Beispiele für Triplett-Basencodes für Aminosäuren

Beispiel für drei Triplett-Codes basierend auf den vier Basen: Adenin A, Thymin T, Cytosin C, Guanin G entlang des DNA-Moleküls.

Die Triplett-Basiscodes heißen Codons .

Triplettcode und Aminosäure: CCA steht für Prolin, TCG steht für Serin und AGA für Arginin

Die Aminosäuren werden zusammengefügt, um die verschiedenen Proteine ​​abhängig von der Reihenfolge der Basen im Gen zu machen.

Das obige Diagramm zeigt, wie die Triplett-Codes auf der DNA funktionieren.

Eine Sequenz von drei Basen (z. B. CCA) auf einem DNA-Einzelstrang kodiert für eine bestimmte Aminosäure. Eine Sequenz von drei Triplett-Codes kodiert für drei Aminosäuren in dieser bestimmten Sequenz in diesem Teil des Gens.

Die Verwendung von Buchstaben zur Darstellung der Basensequenz auf einem DNA-Strang ist ein Beispiel für ein wissenschaftliches Modell.

Zur Erinnerung: Die Doppelhelix-Struktur der DNA ist ein weiteres räumliches wissenschaftliches Modell und dies Modell muss ausprobiert und getestet werden im Labor und alle Beobachtungen müssen jede Hypothese untermauern, um ein brauchbares wissenschaftliches Modell zu werden.

Die Zellchemie ermöglicht das Ablesen der genetischen Triplett-Codes (Abfolge von Basen) auf dem DNA-Code zu letztlich füge diese drei Aminosäuren zusammen in der genauen Reihenfolge, die der DNA-Code vorgibt. Tatsächlich haben Sie es bei jedem Protein mit Sequenzen von Dutzenden-Hunderten von Triplett-Codes für ein bestimmtes Protein zu tun.

Im nächsten Abschnitt (nach Anmerkungen zu nicht-kodierender DNA) schauen wir uns an, wie wir von DNA-Triplett-Codes zur eigentlichen Produktion eines Proteins gelangen und leider ist es etwas komplizierter als das obige Diagramm vermuten lässt!

Hinweise zu nicht-kodierender DNA

Es gibt Teile der DNA-Stränge, die kodiere KEINE Aminosäuren, also kodiere NICHT für Proteine.

Einige dieser nicht codierenden Abschnitte Gene ein- und ausschalten, mit anderen Worten, sie kontrollieren, ob ein Gen ausgedrückt um ein Protein herzustellen.

Deswegen einige dieser nicht-kodierenden Regionen der DNA sind an der Proteinsynthese beteiligt.

Vor Transkription auftreten kann (beinhaltet das Lesen des DNA-Codes), muss die RNA-Polymerase (Enzym) an einen nicht-kodierenden Abschnitt der DNA neben dem spezifischen Gen (kodierend für ein spezifisches Protein) binden.

Wenn eine Mutation in diesem Abschnitt der DNA aufgetreten ist, kann dies die Fähigkeit der RNA-Polymerase beeinträchtigen, daran zu binden - es kann schwieriger oder einfacher sein (oder keine Wirkung).

Die Menge und Genauigkeit, wie viel mRNA transkribiert wird, hängt davon ab, wie gut diese Bindung stattfindet – und beeinflusst damit, wie gut das Protein produziert wird.

Daher kann die Produktion des Proteins beeinflusst werden, und je nach Funktion, die spezifische Phänotyp können auch betroffen sein.

Dies bedeutet, dass genetische Varianten in nicht-kodierenden Regionen der DNA können die Phänotypen eines Organismus beeinflussen, trotz der Tatsache, dass diese nicht-kodierenden Abschnitte der DNA selbst für Proteine ​​kodieren.

Beispiel für eine Mutation in einem Triplett-Code

Der ursprüngliche Triplettcode und die ursprüngliche Aminosäuresequenz waren: CCA für Prolin, TCG für Serin und AGA für Arginin.

Hat sich nur eine Base 'mutiert' verändert, z.B. mittleres Triplett von TCG bis TgG, die 2. Aminosäure ist diese Sequenz verändert.

Die Reihenfolge lautet nun: CCA für Prolin, TGG für Threonin und AGA für Arginin.

ursprüngliche Sequenz von Triplett-Codes

Die Mutation, die dazu führt, dass das Protein eine etwas andere Struktur hat, kann Folgen haben.

(i) Es kann die Funktion des Proteins überhaupt nicht beeinträchtigen.

(ii) Es kann die Funktion des Proteins verstärken.

(iii) ABER , kann es die Funktion oder Aktivität des Proteins, z.B. das Enzym kann aufgrund einer Formänderung nicht so effizient oder gar nicht arbeiten.

Effektiv wird das Gen zu a . geändert genetische Variante dieses Gens, bekannt als an Allel, und kann zu einer anderen Genexpression führen - ein anderer Phänotyp.

Diese genetischen Veränderungen in der DNA-Struktur können das Ersetzen einer Base durch eine andere, die Deletion einer Base oder das Hinzufügen einer Base beinhalten. All dies ändert die Triplett-Codesequenz.

Die Bildung von mRNA und t Die eigentliche Proteinsynthese in zytoplasmatischen Ribosomen

DNA befindet sich im Zellkern und kann sich aufgrund der Größe seiner Moleküle nicht durch die Kernmembran bewegen.

Daher muss es eine Möglichkeit geben, die genetische Information vom Zellkern zu den winzigen Strukturen zu bringen, genannt Ribosomen im Zytoplasma, in dem die Proteine ​​synthetisiert werden.

Dies wird durch ein Molekül namens . erreicht Botenstoff Ribonukleinsäure (mRNA, eine Art RNA) d.h. wie die Zelle den Code vom Zellkern zu den Ribosomen bekommt - die mRNA ist eine Art "Boten".

mRNA ist kürzer als DNA und a Einzelstrang-Molekül, aber noch ein anderer Polymer von Nukleotiden, aber klein genug, um durch die Membran des Zellkerns auszutreten.

Die mRNA ist der Code, der in den Ribosomen verwendet wird, um die Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge miteinander zu verbinden, um das Proteinmolekül zusammenzusetzen.

Beachten Sie, dass es einen wichtigen Unterschied zwischen DNA und RNA gibt.

In der RNA wird die Base Thymin (T) durch die Base Uracil (U) ersetzt., also sind die Basenpaarungen in der RNA C-G (wie in DNA) aber A-U in RNA (nicht A-T wie in DNA).

Wie oben dargestellt, enthält die DNA das dreifache Kodierungssystem des Gens für die Aminosäuren, die zu einem spezifischen Protein kombiniert werden müssen – mit spezifischen molekularen Eigenschaften, um eine bestimmte chemische Funktion in einem Organismus zu erfüllen.

Der Prozess der TRANSKRIPTION - Übertragung des genetischen Codes

Die mRNA wird hergestellt, indem die DNA-Basensequenz eines Gens kopiert wird – der Vorgang der Transkription.

Im Zellkern werden mit Hilfe von Enzymen die beiden Stränge der DNA-Doppelhelix entpacken und werde eine Matrize für die Herstellung von mRNA (Boten-Ribonukleinsäure).

Das Enzym RNA-Polymerase bindet an die nicht-kodierende DNA vor einer Gensequenz von Basen.

Die beiden DNA-Stränge der Doppelhelix entpacken und die RNA-Polymerase bewegt sich entlang eines der DNA-Stränge (siehe Abbildung rechts).

Daher verwendet die RNA-Polymerase die DNA, die ein Gen kodiert, als Vorlage um die mRNA herzustellen.

Hinweis: Im mRNA Molekül, die Base uracil (U) ersetzt die Base Thymin (T) bei der Paarung mit Adenin (EIN).

Durch die Paarung der komplementären Basen auf der DNA und RNA werden die korrekten sequentiellen Nukleotide im Kern zu einem Komplementärstrang der mRNA, ein Schritt im Gesamtprozess namens Transkription im Kern stattfindet.

Das heisst die mRNA ist komplementär zum Gen.

Das kleinere mRNA-Molekül kann nun aus dem Zellkern ins Zytoplasma wandern und sich an ein Ribosom anlagern (die eigentliche Protein-Fabrik!).

Der Prozess der ÜBERSETZUNG - Aufbau der Aminosäurekette des Proteins

Im Zytoplasma Ribosomen, das mRNA fungiert nun selbst als Vorlage von Triplett-Codes für Aminosäuren, die in der richtigen Reihenfolge für ein bestimmtes Protein zusammengefügt werden.

Damit dies geschieht, müssen die Aminosäuren im Zytoplasma werden in den Ribosomenkomplex eingezogen und der Reihe nach zusammengesetzt passend zu den komplementären Triplett-Codes.

Die richtigen Aminosäuren werden durch a . zu den Ribosomen gebracht Trägermolekül genannt Transfer-Ribonukleinsäure (tRNA).

Die Aminosäuren werden dann durch Enzyme in der korrekten Reihenfolge um ein bestimmtes Protein im Ribosom herzustellen.

Die Reihenfolge der miteinander verbundenen Aminosäuren im Ribosom entspricht der Reihenfolge der Basis-Triolen (namens Codons) auf der mRNA Molekül.

Die komplementäre Triplett-Basensequenz auf der tRNA-Struktur wird als bezeichnet Anticodon.

Diese Produktion des Proteins, diktiert durch die komplementär Triplett-Codes auf der mRNA, wird als bezeichnet Übersetzung Stadium, und dies findet im Zytoplasma statt.

So, die RNA und entsprechende Enzyme im Ribosom verbinden die Aminosäuren zum Protein - ein Polypeptid - bedeutet ein Polymer, das aus den Aminosäure-Monomereinheiten gebildet wird.

Unmittelbar nach seiner Synthese nimmt das Protein seine eigene einzigartige 3D-Struktur an – seine spezifische Form.

Das obige Diagramm zeigt die Translation im Detail, einschließlich der Rolle einer anderen Art von RNA - Transfer-Ribonukleinsäure (tRNA), die die Aminosäuren auf der mRNA zusammenbringt.

  • Zu beachtende Punkte beim Studium des obigen Übersetzungsdiagramms
  • Das Zusammenfügen der Aminosäuren auf der mRNA erfolgt mittels Transfer-Ribonukleinsäure (tRNA).
  • Diese relativ kurzen tRNA-Moleküle bringen die Aminosäuren tatsächlich zusammen, um den mRNA-Triplett-Codes zu entsprechen.
  • In other words the triplet codes of tRNA and mRNA are also complementary.
  • Note that In RNA (mRNA or tRNA) the base thymine (T) has been replaced by the base uracil (U), so complimentary base pairing is now U-A (not A-T), but C-G retained and its still all about matching complimentary base pairs.
  • Der Ablauf der Ereignisse ist wie folgt:
  • The attachment of the mRNA to the ribosome
    • The mRNA has exited from the nucleus and docks into a ribosome
    • The triplet base codes for particular amino acids and their joining up sequence can now be read from the mRNA molecules.
    • After the mRNA joins onto a ribosome, molecules of transfer RNA (tRNA) bring the amino acid that matches the code on the mRNA, the complimentary base codes of the mRNA and tRNA ensure that all proteins are synthesised with their specific protein sequence, so all proteins are completely reproducible.
    • The tRNA is then 'empty' and free to collect another set of amino acids for the ribosome to join up.
    • The ribosome then acts as the catalytic site for linking the amino acids together to synthesise a specific protein.
    • This second process is called Übersetzung because the triplet base code sequence is read and translated into the amino acid sequence of a protein.
    • A sequence of amino acids joined together in a chain is called a Polypeptid, a natural polymer or macromolecule.
    • All of these reaction are catalysed by enzymes.

    m ore on variants in non-coding DNA

    A mutation changes the base sequence in a DNA molecule in a gene.

    This produces a genetic variant that can lead to changes in an organisms phenotype - gene expression characteristics.

    Variants in non-coding sections of the DNA molecule can also affect the phenotype of an organism, despite the fact that the non-coding DNA does not code for proteins.

    This can happen because before transcription can take place, RNA polymerase needs to bind to a section of non-coding DNA in front of a gene sequence of bases.

    If a mutation occurs in the region of DNA, then it can affect the ability of RNA polymerase to bind to it - it might have no effect, promote binding or inhibit binding - there are always several possibilities in these sorts of situations - including driving evolution!

    Depending on how well RNA polymerase can bind to this non-coding section of DNA will affect how much mRNA is transcribed in the transcription process - therefore how much of the protein is synthesised.

    Therefore the structure and function of the protein is changed and the final phenotype of the organism can be affected.

    Siehe auch An introduction to genetic variation and the formation and consequence of mutations

    SUMMARY of protein synthesis

    So, to summarise, you start with DNA in the nucleus, then to complementary mRNA in the nucleus (transcription stage), mRNA moves into the cytoplasm and then the amino acids are joined together in the ribosomes via the complementary triplet codes (translation stage).

    The diagram 'sketch' below also 'attempts' to summarise what is actually a very complicated process!

    (d) How to extract DNA from plant cells - a simple experiment

    This section is illustrated by the extraction of DNA from Erdbeeren.

    Humans have 23 pairs of chromosomes (46 in total). The modern common strawberry has 8 pairs of each of the 7 chromosomes (56 in total) and is a rich 'school/college experiment' source of DNA.

    1. Sie brauchen eine appropriate source z.B. split peas, strawberries, kiwi fruit, onions or bananas etc.

    However, it is reported that the 'white strands' of DNA from fruit, may actually contain pectin too!

    Any green leaves or stalk should be removed from the Erdbeere.

    Sie können a . verwenden plastic bag or beaker in the first steps, you then need a test tube and filter funnel and filter paper.

    2. The starting plant material is well mashed, but avoid creating air bubbles in the mash.

    Squishing!

    You can crush the strawberries in a plastic bag for a few minutes.

    3. The mash is scraped into a beaker containing a solution of detergent and salt (the DNA extraction liquid).

    You can add this mixture to the plastic bag or beaker of crushed strawberry.

    With a plastic bag, its easier to do further effective crushing if you add the detergent/salt solution to the bag.

    The detergent further helps to break down the cell membranes to release the DNA from the cell nuclei.

    The salt makes the DNA strands stick together.

    4. The resulting mixture is filtered into a test tube/2nd clean beaker. I used a hand held coffee filter paper!

    Filtering!

    In school/college you can use a normal filter funnel and filter paper, as in your chemistry lessons!

    This removes the froth and the bigger insoluble bits of the plant cells.

    Kitchen style!

    Die filtrate was transferred from the 2nd clean beaker into a test tube (if not already in a test tube).

    5. Etwas ice-cooled alcohol is carefully added to the filtered mixture down the side of the test tube.

    Adding alcohol, mixture goes cloudy

    6. Eine Band von white precipitated DNA strands should form - DNA is not soluble in cold alcohol.

    White coagulated mass of DNA

    7. Du kannst dann extract the DNA from this band with a glass rod.

    (e) A summary of DNA replication

    A more detailed diagram of the base sequence replication using the DNA template.

    1. The DNA double helix molecules splits in two, and the two strands then act as Vorlagen.

    2. Freely moving Nukleotide kann sein matched up to form the weak bonds between the complimentary base pairs.

    3. Two identical strands of DNA produced, both identical in their original sequence of bases.

    The full DNA molecule consists of two 'molecular' strands coiled together to form a double helix.

    The two polymer strands of DNA are cross-linked by a series of complementary base pairs joined together by weak bonds - cross links

    There are four bases in DNA holding the structure together and the same two bases are always paired together - known as complementary base pairing.

    Complementary means 'matching pairs'. A with T und C with G Links.

    i.e. adenine (A) with thymine (T) AT, and cytosine (C) with guanine (G) CG.

    These cross linking complementary base pair bonds hold the DNA strands tightly together giving it the necessary stability to perform their genetic roles.

    (f) Examples of the different functions of proteins

    As already mentioned, protein molecules adopt a very specific folded 3D shape in order to be able to carry out their specific function - so what are these functions?

    Every protein has its own unique shape to for its specific structure and function in an organism.

    These proteins may end up in muscle cells, brain cells, enzyme catalysts, haemoglobin molecules etc.

    BUT, note that proteins, particularly enzymes, are involved in building up non-protein molecules e.g. fats, cell walls, glycogen etc.

    (ein) Enzyme are biological catalysts that control most chemical reactions in living organisms.

    Reminder: Enzymes have active sites of a specific shape that connect with substrate molecules, and this allows them to catalyse a specific chemical reaction in the biochemistry of living organisms.

    Enzymes are physiologically active proteins.

    The 'key and lock' mechanism of how an enzyme works - the correct 3D structure is crucial and that depends on the sequence and interconnection of the amino acids.

    The crucial 3D protein structure of an enzyme, and denaturing effect e.g. from a high temperature or wrong pH.

    (b) Many Gewebe are built of proteins e.g. collagen a strong structural protein (triple helix of polypeptides )that strengthens connective tissue like ligaments and cartilage of muscle systems of the joints.

    Elongated muscle cells made from the protein actin - forming the filaments in muscles.

    The strong fibres of our hair are made from the fibrous protein keratin.

    These particular tissues are partially built from structural proteins.

    (C) Carrier molecules like haemoglobin (conveys oxygen to cells) are also protein molecules.

    (d) Some Antikörper are protein molecules.

    The shape of the protein must match the antigen of a pathogen e.g. of a virus.

    These particular antibodies are physiologically active proteins.

    See notes on Keeping healthy - defence against pathogens and infections

    (e) Many Hormone are protein molecules e.g. insulin, the hormone released into the blood from the pancreas, controls blood sugar levels.

    The shape of the insulin molecule must match the shape of its receptor molecule.

    These particular hormones are physiologically active proteins.

    (Note there are many hormones which are NOT proteins e.g. some hormones involved in the menstrual cycle.)

    Sub-index of Genetics Notes - from DNA to GM and lots in between!


    DNA Forms: 7 Main Forms of DNA | Biochemie

    The most common form of DNA which has right handed helix and proposed by Watson and Crick is called B-form of DNA or B-DNA. In addition, the DNA may be able to exist in other forms of double helical structure. These are A and C forms of double helix which vary from B- form in spacing between nucleotides and number of nucleotides per turn, rotation per base pair, vertical rise per base pair and helical diameter (Table 5.3).

    1. The B-Form of DNA (B-DNA):

    Structure of B-form of DNA has been proposed by Watson and Crick. It is present in every cell at a very high relative humidity (92%) and low concentration of ions. It has antiparallel double helix, rotating clockwise (right hand) and made up of sugar- phosphate back bone combined with base pairs or purine-pyrimidine.

    The base pairs are perpendicular to longitudinal axis of the helix. The base pairs tilt to helix by 6.3°. The B-form of DNA is metabolically stable and undergo changes to A, C or D forms depending on sequence of nucleotides and concentration of excess salts.

    2. The A-Form of DNA (A-DNA):

    The A-form of DNA is found at 75% relative humidity in the presence of Na+, K+ or Cs+ ions. It contains eleven base pairs as compared to ten base pairs of B-DNA which tilt from the axis of helix by 20.2°. Due to this displacement the depth of major groove increases and that of minor groove decreases. The A-form is metastable and quickly turns to the D-form.

    3. The C-Form DNA (C-DNA):

    The C-form of DNA is found at 66% relative humidity in the presence of lithium (Lit+) ions. As compared to A-and B-DNA, in C-DNA the number of base pairs per turn is less i.e. 28/3 or 9 1/3. The base pairs show pronounced negative tilt by 7.8°.

    4. The D-Form of DNA (D-DNA):

    The D-form of DNA is found rarely as extreme vanants. Total number of base pairs per turn of helix is eight. Therefore, it shows eight-fold symmetry. This form is also called poly (dA-dT) and poly (dG-dC) form. There is pronounced negative tilt of base pairs by 16.7° as compared to C form i.e. the base pairs are displaced backwardly with respect to the axis of DNA helix.

    5. The Z-Form of DNA (Z-DNA) or Left Handed DNA:

    In 1979, Rich and coworkers at MIT (U.S.A.) obtained Z-DNA by artificially synthesizing d (C-G) 3 molecules in the form of crystals. They proposed a left handed (synistral) double helix model with zig-zag sugar-phosphate back bone running in antiparallel direction.

    Therefore, this DNA has been termed as Z-DNA. The Z-DNA has been found in a large number of living organisms including mammals, protozoans and several plant species.

    There are several similarities with B-DNA in having:

    (ii) Two antiparallel strands, and

    (iii) Three hydrogen bonds between G-C pairing.

    In addition, the Z-DNA differs from the B-DNA in the following ways:

    (a) The Z-DNA has left handed helix, while the B-DNA has right handed helix.

    (b) The Z-DNA contains zig-zag sugar phosphate back bone as compared to regular back bone of the B-DNA.

    (c) The repeating unit in Z-DNA is a dinucleotide due to alternating orientation of sugar residues, whereas in B-DNA the repeating unit is a mononucleotide, and sugar molecules do not have the alternating orientation.

    (d) In the Z-DNA one complete turn contains 12 base pairs of six repeating dinucleotide, while in B-DNA one full turn consists of 10 base pairs i.e. the 10 repeating units.

    (e) Due to the presence of high number (12) of base pairs in one turn of Z-DNA, the angle of twist per repeating unit i.e. dinucleotide is 60° as compared to 36° of B-DNA molecule.

    (f) In Z-DNA the distance of twist making one turn of 360° is 45Å as against 34Å in B-DNA.

    (g) The Z-DNA has fewer diameters (18Å) as compared to the B-DNA (20Å diameter).

    6. Single Stranded (ss) DNA:

    Almost all the organisms contain double stranded DNA except a few viruses such as bacteriophage φ × 174 which consists of single stranded circular DNA. It becomes double stranded only at the time of replication.

    The differences of ssDNA from the dsDNA are as below:

    (a) The dsDNA absorbs wavelength 2600 Å of ultra violet light constantly from 0 to 80°C, thereafter rise sharply, whereas in ssDNA absorption of UV light increases steadily from 20° to 90°C.

    (b) The dsDNA resists the action of formaline due to closed reactive site, while the ss DNA does not resist it due to exposed reactive sites.

    (c) Base pair composition in dsDNA is equal i.e. A=T and G=C, in ssDNA the composition of A, T, G, C is in proportion of 1:1.33:0.98:0.75.

    (d) The dsDNA always remains in linear helical form, while the ssDNA remains in circular form however, it becomes double stranded only during replication (i.e. replicative form).

    7. Circular and Super Helical DNA:

    Almost in all the prokaryotes and a few viruses, the DNA is organised in the form of closed circle. The two ends of the double helix get covalently sealed to form a closed circle. Thus, a closed circle contains two unbroken complementary strands. Sometimes one or more nicks or breaks may be present on one or both strands, for example DNA of phage PM2 (Fig. 5.7 A).

    Besides some exceptions, the covalendy closed circles are twisted into super helix or super coils (Fig.5.7 B) and is associated with basic proteins but not with histones found complexed with all eukaryotic DNA.

    This histone like proteins appear to help the organization of bacterial DNA into a coiled chromatin structure with the result of nucleosome like structure, folding and super coiling of DNA, and association of DNA polymerase with nucleoids. Several histones like DNA binding proteins have been described in bacteria (Table 5.4).

    These nucleoid-associated proteins include HU proteins, IHF, protein H1, Fir A, H-NS and Fis. In archaeobacteria (e.g. Archaea) the chromosomal DNA exists in protein-associated form. Histone like proteins has been isolated from nucleoprotein complexes in Thermoplasma acidophilurn and Halobacterium salinanim.

    Thus, the protein associated DNA and nucleosome like structures are detected in a variety of bacteria. If the helix coils clockwise from the axis the coiling is termed as positive or right handed coiling. In contrast, if the path of coiling is anticlockwise, the coil is called left handed or negative coil.

    Table 5.4 : Histone-like proteins of E. coli

    The two ends of a linear DNA helix can be joined to form each strand continuously. However, if one of ends rotates at 360° with respect to the other to produce some unwinding of the double helix, the ends are joined resulting in formation of a twisted circle in opposite sense i.e. opposite to unwinding direction.

    Such twisted circle appears as 8 i.e. it has one node or crossing over point. If it is twisted at 720° before joining, the resulting super helix will contain two nodes (Fig. 5.7B).

    The enzyme topoisomerases alter the topological form i.e. super coiling of a circular DNA molecule. Type I topoisomerases (e.g. E.coli Top A) relax the negatively super coiled DNA by breaking one of the phosphodiester bonds in dsDNA allowing the 3′-OH end to swivel around the 5′-phosphoryl end, and then resealing the nicked phosphodiester backbone.

    Type II topoisomerases need energy to unwind the DNA molecules resulting in the introduction of super coils. One of type II isomerases, the DNA gyrase, is apparently responsible for the negatively super coiled state of the bacterial chromosome. Super coiling is essential for efficient replication and transcription of prokaryotic DNA.

    The bacterial chromosome is believed to contain about 50 negatively super coiled loops or domains. Each domain represents a separate topological unit, the boundaries of which may be defined by the sites on DNA that limit its rotation.


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