Download Лекция 1

Лекции по молекулярната биология
„Молекулярна биология“, II курс
Проф. Иван Минков - 2011
Гените са ДНК
Част 1
1.1. Въведение
Фигура 1
2
1.2. ДНК е генетичен материал на бактериите
• Бактериалната трансформация дава първото
доказателство, че ДНК генетичният материал на
бактериите.
Фигура 1.3
.
3
• Генетичните свойства могат да бъдат
прехвърляни от един бактериален щам на друг
• ДНК се екстрахира от един щам и се добавя в друг щам
Фигура 1.4
4
1.3. ДНК е генетичен материал на вирусите
• Фаговата инфекция
доказва, че ДНК е
генетичен материал
на вирусите.
• Когато ДНК и
белтъчните части на
бактериофагите се
бележат с различни
радиоактивни
изотопи:
Само ДНК се
прехвърля в
поколението на
фагите, което се
получава след
инфекция на
бактериите.
Фигура 1.5
5
1.4. ДНК е генетичен материал на животинските клетки
• ДНК може да се
използва, за да се
въведат нови
генетични белези в
животинските клетки
или в самите животни.
• В някои вируси
генетичният материал
е РНК
Фигура 1.6
6
1.5. Полинуклеотидните вериги имат азотни бази,
свързани със захар-фосфатен скелет
Фигура 1.7
• Един нуклеозид се състои от пуринова или пиримидинова база,
7
свързана в позиция 1 за една пентозна захар.
• Нуклеотидът се състои
от нуклеозид, свързан с
фосфатна група на
позиция 5′ или 3′ в
(дезокси)рибозата.
• Местата в пентозния
пръстен се означават с
прим (′), което означава
мястото им.
• Разликата между ДНК и
РНК е в групата на
позиция 2′ в пентозния
пръстен.
8
• Първична структура на
ДНК – (дезокси)рибозните
групи са свързани във
верига от фосфатните
групи
• Между 3′ Р-група в едната
пентоза и 5′ Р групата в
другата пентоза
• Тази връзка се означава
като 3‘-5‘ фосфодиестерна
връзка
• Единия край веригата
(обикновени дясната) има
5′ край
• Другата верига има
свободен 3′ край
9
• ДНК съдържа базите аденин, гуанин, цитозин и тимин,
• РНК съдържа урацил, вместо тимин,
• РНК съдържа рибоза, вместо дезоксирибоза.
10
1.6. ДНК е двойноспирална молекула
• B-формата на ДНК е двойна верига, състояща се от две
полинуклеотидни вериги, които са антипаралелни.
Figure 1.8
11
• Азотните бази на всяка верига са плоски пуринови и
пиримидинови пръстени
• Те са насочени навътре в двойната спирала
• Те се свързват помежду си с водородни връзки, за да образуват
само двойките A-T или G-C.
12
13
14
• Диаметърът на
двойната верига е
20 Å
• Дължината на един
оборот е 34 Å
• Има 10 бази в един
оборот
• Двойната верига
образува:
• Голяма (широка) бразда
• Ширина - 22 Å
• Малка (тясна) бразда
• Ширина - 12 Å
Фигура 1.10
15
DNA is like Coke
DNA is like Coca-Cola
Coke
DNA
Water
Water
Sugar
(sucrose)
Sugar
(deoxyribose)
Phosphate
(PO4- acid)
Phosphate
Caffeine
Bases
(A,T,C,G)
1.7 DNA Replication Is Semiconservative
• The Meselson–Stahl experiment used density
labeling to prove that:
– The single polynucleotide strand is the unit of DNA
that is conserved during replication
• Each strand of a DNA duplex acts as a
template to synthesize a daughter strand.
17
• The sequences of the daughter strands are
determined by complementary base pairing with
the separated parental strands.
Figure 1.11
18
1.8 DNA Strands Separate at the Replication
Fork
• Replication of DNA is undertaken by a complex
of enzymes that:
– separate the parental strands
– synthesize the daughter strands
• The replication fork is the point at which the
parental strands are separated.
Figure 1.13
19
• The enzymes that synthesize DNA are called DNA
polymerases
• The enzymes that synthesize RNA are called RNA
polymerases
• Nucleases are enzymes that degrade nucleic acids
– They include DNAases and RNAases
– They can be divided into endonucleases and exonucleases.
Figure 1.14
Figure 1.15
20
1.9 Genetic Information Can Be Provided by DNA
or RNA
• Cellular genes are DNA
– Viruses and viroids may
have genomes of RNA
• DNA is converted into
RNA by transcription
– RNA may be converted
into DNA by reverse
transcription
Figure 1.16
• The translation of RNA
into protein is
unidirectional.
21
1.10 Nucleic Acids Hybridize by Base Pairing
• Heating causes the two strands of a DNA duplex to separate.
• The Tm is the midpoint of the temperature range for denaturation.
• Complementary single strands can renature when the temperature
is reduced.
• Denaturation and renaturation/hybridization can occur with the
combinations:
• DNA–DNA
• DNA–RNA
• RNA–RNA
– They can be intermolecular or intramolecular
Figure 1.20
22
• The ability of two single-stranded nucleic acid
preparations to hybridize is a measure of their
complementarity.
Figure 1.21
23
1.11 Mutations Change the Sequence of DNA
• All mutations
consist of changes
in the sequence of
DNA.
• Mutations may:
– occur
spontaneously
– be induced by
mutagens
Figure 1.22
24
1.12 Mutations May Affect Single Base Pairs or
Longer Sequences
• A point mutation changes a single base pair.
• Point mutations can be caused by:
– the chemical conversion of one base into another
– mistakes that occur during replication
25
• A transition replaces a G-C base pair with an
A-T base pair or vice versa.
26
Figure 1.23
Figure 1.24
• A transversion replaces a purine with a
pyrimidine
– such as changing A-T to T-A
• Insertions are the most common type of
mutation
– They result from the movement of transposable
elements
27
1.13 The Effects of Mutations Can Be Reversed
• Forward mutations inactivate a
gene
– Back mutations (or revertants)
reverse their effects
• Insertions can revert by deletion
of theinserted material
– Deletions cannot revert
• Suppression occurs when a
mutation in a second gene
bypasses the effect of mutation
in the first gene.
28
Figure 1.25
1.14 Mutations Are Concentrated at Hotspots
• The frequency of mutation at any particular base pair
is determined by statistical fluctuation…
• Except for hotspots
– The frequency is increased by at least an order of
magnitude
29
Figure 1.26
1.15 Many Hotspots Result from Modified Bases
• A common cause of hotspots is the modified
base 5-methylcytosine
– It is spontaneously deaminated to thymine
Figure 1.27
30
1.16 Some Hereditary Agents Are Extremely
Small
• Some very small hereditary agents do not
code for protein
– They consist of RNA or of protein that has
hereditary properties.
31
Figure 1.29