1. Beschreiben Sie die Arten von chemischen Bindungen und Kräften der DNA-Doppelhelix.
Die DNA-Doppelhelix hat zwei Arten von Bindungen, kovalente und Wasserstoff. Kovalente Bindungen bestehen innerhalb jedes linearen Strangs und binden Basen, Zucker und Phosphatgruppen (sowohl innerhalb der einzelnen Komponenten als auch zwischen den Komponenten) fest. Wasserstoffbrückenbindungen bestehen zwischen den beiden Strängen und bilden sich zwischen einer Base des einen Strangs und einer Base des zweiten Strangs in komplementärer Paarung. Diese Wasserstoffbrückenbindungen sind einzeln schwach, aber zusammen ziemlich stark.
2. Erkläre, was mit den Begriffen konservative und halbkonservative Replikation gemeint ist.
3. Was versteht man unter einem Primer, und warum sind Primer für die DNA-Replikation notwendig?
Ein Primer ist ein kurzes RNA-Segment, das von der Primase unter Verwendung der DNA als Vorlage während der DNA-Replikation synthetisiert wird. Nachdem der Primer synthetisiert wurde, fügt die DNA-Polymerase dann DNA an das 3′-Ende der RNA an. Primer sind erforderlich, weil die Haupt-DNA-Polymerase, die die DNA-Replikation katalysiert, nicht in der Lage ist, die DNA-Synthese zu initiieren, sondern ein 3′-Ende benötigt. Die RNA wird anschließend entfernt und durch DNA ersetzt, so dass keine Lücken im Endprodukt entstehen.
4. Was sind Helikasen und Topoisomerasen?
5. Warum ist die DNA-Synthese auf einem Strang kontinuierlich und auf dem gegenüberliegenden Strang diskontinuierlich?
Weil die DNA-Polymerase nur am 3′-Ende eines DNA-Strangs neue Nukleotide anfügen kann und weil die beiden Stränge antiparallel sind, müssen mindestens zwei Moleküle der DNA-Polymerase an der Replikation eines bestimmten DNA-Bereichs beteiligt sein. Wenn eine Region einzelsträngig wird, haben die beiden Stränge eine entgegengesetzte Ausrichtung. Stellen Sie sich einen einsträngigen Bereich vor, der von links nach rechts verläuft. Am linken Ende zeigt das 3′-Ende des einen Strangs nach rechts, und die Synthese kann beginnen und zum rechten Ende dieses Bereichs hin fortgesetzt werden. Der andere Strang hat ein 5′-Ende, das nach rechts zeigt, und die Synthese kann nicht am 5′-Ende der einzelsträngigen Region beginnen und zum rechten Ende hin fortgesetzt werden. Stattdessen muss die Synthese irgendwo rechts vom linken Ende der einzelsträngigen Region beginnen und sich in Richtung des linken Endes der Region bewegen. Da der erste Strang die Synthese fortsetzt (kontinuierliche Synthese), dehnt sich der einzelsträngige Bereich nach rechts aus. Dadurch bleibt der zweite Strang in dieser neuen einzelsträngigen Region nicht repliziert, und es muss eine zweite Initiierung der DNA-Synthese erfolgen, die sich vom gegenwärtigen rechten Ende der einzelsträngigen Region zum ersten Initiierungspunkt auf diesem Strang hin bewegt. Dies führt zu einer diskontinuierlichen Synthese entlang dieses Stranges.
6. Wenn Thymin 15 % der Basen in einem bestimmten DNA-Molekül ausmacht, wie viel Prozent der Basen ist dann Cytosin?
7. Wenn der GC-Gehalt eines DNA-Moleküls 48 % beträgt, wie hoch ist dann der prozentuale Anteil der vier Basen (A, T, G und C) in diesem Molekül?
Die Häufigkeit von A und T beträgt (52%) = 26%.
8. E. coli-Chromosomen, bei denen jedes Stickstoffatom markiert ist (d.h. jedes Stickstoffatom ist das schwere Isotop 15N anstelle des normalen Isotops 14N), können sich in einer Umgebung replizieren, in der der gesamte Stickstoff 14N ist. Skizzieren Sie unter Verwendung einer durchgezogenen Linie für eine schwere Polynukleotidkette und einer gestrichelten Linie für eine leichte Kette Folgendes:
a.
Das schwere elterliche Chromosom und die Produkte der ersten Replikation nach dem Transfer in ein 14N-Medium, unter der Annahme, dass das Chromosom eine DNA-Doppelhelix ist und die Replikation semikonservativ erfolgt.
b.
Wiederholen Sie Teil a, aber nehmen Sie an, dass die Replikation konservativ ist.
c.
Wiederholen Sie Teil a, aber nehmen Sie an, dass das Chromosom tatsächlich aus zwei nebeneinander liegenden Doppelhelixen besteht, von denen sich jede halbkonservativ repliziert.
d.
Wiederholen Sie Teil c, aber nehmen Sie an, dass jede Seite-an-Seite-Doppelhelix sich konservativ repliziert und dass die gesamte Chromosomenreplikation semikonservativ ist.
e.
Wiederholen Sie Teil d, aber nehmen Sie an, dass die gesamte Chromosomenreplikation konservativ ist.
f.
Wenn die Tochterchromosomen aus der ersten Teilung in 14N in einem Cäsiumchlorid (CsCl)-Dichtegradienten gesponnen werden und eine einzige Bande erhalten wird, welche der Möglichkeiten in den Teilen a bis e können dann ausgeschlossen werden?
Überdenken Sie das Meselson-Stahl-Experiment: was beweist es?
9. R. Okazaki fand heraus, dass die unmittelbaren Produkte der DNA-Replikation in E. coli einzelsträngige DNA-Fragmente mit einer Länge von etwa 1000 Nukleotiden umfassen, nachdem die neu synthetisierte DNA extrahiert und denaturiert (geschmolzen) wurde. Als er die DNA-Replikation über einen längeren Zeitraum laufen ließ, stellte er eine geringere Häufigkeit dieser kurzen Fragmente und langer einzelsträngiger DNA-Ketten nach der Extraktion und Denaturierung fest. Erläutern Sie, wie dieses Ergebnis mit der Tatsache zusammenhängen könnte, dass alle bekannten DNA-Polymerasen die DNA nur in der Richtung 5′ → 3′ synthetisieren.
Die Ergebnisse legen nahe, dass die DNA in kurzen Abschnitten repliziert wird, die anschließend durch enzymatische Maßnahmen (DNA-Ligase) verbunden werden. Da die DNA-Replikation in zwei Richtungen abläuft, weil es mehrere Punkte entlang der DNA gibt, an denen die Replikation eingeleitet wird, und weil DNA-Polymerasen nur in 5′ → 3′-Richtung arbeiten, ist ein Strang der DNA immer in der falschen Ausrichtung für das Enzym. Dies erfordert eine Synthese in Bruchstücken.
10. Wenn pflanzliche und tierische Zellen zu verschiedenen Zeitpunkten des Zellzyklus Thymidinimpulse erhalten, zeigt sich, dass heterochromatische Regionen auf den Chromosomen immer „spät replizierend“ sind. Können Sie uns sagen, ob und welche biologische Bedeutung diese Beobachtung hat?
11. Auf dem Planeten Rama besteht die DNA aus sechs Nukleotidtypen: A, B, C, D, E und F. A und B werden Marzin genannt, C und D sind Dorsine, und E und F sind Pirine. Die folgenden Regeln gelten für alle Raman-DNAs:
a.
Erstelle ein Modell für die Struktur der Raman-DNA.
b.
Auf Rama entstehen bei der Mitose drei Tochterzellen. Schlage unter Berücksichtigung dieser Tatsache ein Replikationsmuster für dein DNA-Modell vor.
c.
Betrachte den Prozess der Meiose auf Rama. Welche Bemerkungen oder Schlussfolgerungen können Sie vorschlagen?
12. Wenn Sie die DNA des Coliphagen øX174 extrahieren, stellen Sie fest, dass ihre Zusammensetzung 25 Prozent A, 33 Prozent T, 24 Prozent G und 18 Prozent C beträgt. Wie würden Sie dieses Ergebnis interpretieren? Wie könnte ein solcher Phage seine DNA replizieren?
Chargaffs Regeln besagen, dass A = T und G = C. Da diese Zusammensetzung nicht beobachtet wird, ist die wahrscheinlichste Interpretation, dass die DNA einsträngig ist. Der Phage müsste erst einen komplementären Strang synthetisieren, bevor er beginnen könnte, mehrere Kopien von sich selbst herzustellen.
13. Anhand der Temperatur, bei der eine DNA-Probe denaturiert, kann der Anteil der Nukleotidpaare, die G-C sind, geschätzt werden. Was wäre die Grundlage für diese Bestimmung, und worauf würde eine hohe Denaturierungstemperatur für eine DNA-Probe hindeuten?
Erinnern Sie sich daran, dass zwischen A und T zwei Wasserstoffbrückenbindungen bestehen, während es zwischen G und C drei Wasserstoffbrückenbindungen gibt. Die Denaturierung erfordert das Aufbrechen dieser Bindungen, was Energie erfordert. Je mehr Bindungen aufgebrochen werden müssen, desto mehr Energie muss zugeführt werden. Die Temperatur, bei der ein bestimmtes DNA-Molekül denaturiert, hängt also von seiner Basenzusammensetzung ab. Je höher die Denaturierungstemperatur ist, desto höher ist der Anteil der G-C-Paare.
14. Nehmen Sie an, Sie extrahieren DNA aus einem kleinen Virus, denaturieren sie und lassen sie mit DNA aus anderen Stämmen, die entweder eine Deletion, eine Inversion oder eine Duplikation tragen, wieder erstarren. Was würden Sie bei der Untersuchung mit einem Elektronenmikroskop erwarten?
15. Die aus einem Säugetier extrahierte DNA wird durch Hitze denaturiert und dann langsam abgekühlt, um ein Wiedererwärmen zu ermöglichen. Das folgende Diagramm zeigt die erhaltenen Ergebnisse. In der Kurve sind zwei „Schultern“ zu sehen. Die erste Schulter deutet auf das Vorhandensein eines sehr schnell annealenden Teils der DNA hin – und zwar so schnell, dass das Annealing stattfindet, bevor Stranginteraktionen stattfinden.
a.
Was könnte dieser Teil der DNA sein?
b.
Die zweite Schulter ist ebenfalls ein schnell wieder annealender Teil. Worauf deutet dieser Beweis hin?
16. Entwerfen Sie Tests, um den physikalischen Zusammenhang zwischen stark repetitiven und einmaligen DNA-Sequenzen in Chromosomen zu bestimmen. (Hinweis: Es ist möglich, die Größe von DNA-Molekülen durch das Ausmaß der Scherung, der sie ausgesetzt sind, zu variieren.)
17. Es ist bekannt, dass Viren bei Mäusen Krebs verursachen können. Sie haben ein reines Präparat von Virus-DNA, ein reines Präparat von DNA aus den Chromosomen von Mäusekrebszellen und reine DNA aus den Chromosomen von normalen Mäusezellen. Die Virus-DNA verbindet sich spezifisch mit der DNA von Krebszellen, aber nicht mit der DNA von normalen Zellen. Untersuchen Sie die mögliche genetische Bedeutung dieser Beobachtung, ihre Bedeutung auf molekularer Ebene und ihre medizinische Bedeutung.
18. Ruth Kavenaugh und Bruno Zimm entwickelten eine Technik zur Messung der maximalen Länge der längsten DNA-Moleküle in Lösung. Sie untersuchten DNA-Proben aus den drei rechts abgebildeten Drosophila-Karyotypen. Sie fanden heraus, dass die längsten Moleküle in den Karyotypen a und b ähnlich lang sind und etwa doppelt so lang wie das längste Molekül in Karyotyp c. Interpretieren Sie diese Ergebnisse.
Die Daten deuten darauf hin, dass jedes Chromosom aus einem einzigen kontinuierlichen DNA-Molekül besteht und dass Translokationen seine Größe verändern können. In Teil c scheint es, dass ein Teil des längsten Chromosoms auf das kürzeste Chromosom transloziert wurde.
19. Bei der Harlekin-Chromosomen-Technik lassen Sie drei Replikationsrunden in Bromdesoxyuridin zu und färben dann die Chromosomen an. Welches Ergebnis erwarten Sie?
