1. Descrivi i tipi di legami chimici e le forze della doppia elica del DNA.
La doppia elica del DNA ha due tipi di legami, covalenti e idrogeno. I legami covalenti esistono all’interno di ogni filamento lineare e legano fortemente le basi, gli zuccheri e i gruppi fosfato (sia all’interno di ogni componente che tra i componenti). I legami a idrogeno esistono tra i due filamenti e si formano tra una base di un filamento e una base del secondo filamento nell’accoppiamento complementare. Questi legami a idrogeno sono individualmente deboli ma collettivamente abbastanza forti.
2. Spiega cosa si intende per replicazione conservativa e semiconservativa.
3. Cosa si intende per primer, e perché sono necessari per la replicazione del DNA?
Un primer è un breve segmento di RNA che viene sintetizzato dalla primasi usando il DNA come modello durante la replicazione del DNA. Dopo che il primer è stato sintetizzato, la DNA polimerasi aggiunge il DNA all’estremità 3′ dell’RNA. I primer sono necessari perché la principale DNA polimerasi che catalizza la replicazione del DNA non è in grado di avviare la sintesi del DNA e, piuttosto, richiede un’estremità 3′. L’RNA viene successivamente rimosso e sostituito con DNA in modo che non ci siano lacune nel prodotto finale.
4. Cosa sono le elicasi e le topoisomerasi?
5. Perché la sintesi del DNA è continua su un filamento e discontinua sul filamento opposto?
Perché la DNA polimerasi è capace di aggiungere nuovi nucleotidi solo all’estremità 3′ di un filamento di DNA e perché i due filamenti sono antiparalleli, almeno due molecole di DNA polimerasi devono prendere parte alla replicazione di ogni specifica regione di DNA. Quando una regione diventa a singolo filamento, i due filamenti hanno un orientamento opposto. Immaginate una regione a singolo filamento che corre da sinistra a destra. All’estremità sinistra, l’estremità 3′ di un filamento punta a destra, e la sintesi può iniziare e continuare verso l’estremità destra di quella regione. L’altro filamento ha un’estremità 5′ che punta verso destra, e sintesi cannotinitiate e continuare verso l’estremità destra della regione a singolo filamento al 5′ fine. Invece, sintesi deve iniziare da qualche parte a destra dell’estremità sinistra della regione a singolo filamento e spostare verso l’estremità sinistra della regione. Come thefirst strand continua sintesi (sintesi continua), il single-strandedregion si estende verso destra. Questo lascia ora il secondo filamento non replicato in questa nuova regione a filamento singolo, e ci deve essere un secondo inizio di sintesi del DNA che si muove dall’attuale estremità destra della regione a filamento singolo verso il primo punto di inizio su quel filamento. Questo si traduce in una sintesi discontinua lungo quel filamento.
6. Se la timina costituisce il 15 per cento delle basi in una specifica molecola di DNA, quale percentuale delle basi è citosina?
7. Se il contenuto di GC di una molecola di DNA è il 48 per cento, quali sono le percentuali delle quattro basi (A, T, G e C) in questa molecola?
La frequenza di A e T è (52%) = 26%.
8. I cromosomi di E. coli in cui ogni atomo di azoto è etichettato (cioè, ogni atomo di azoto è l’isotopo pesante 15N invece dell’isotopo normale 14N) possono replicarsi in un ambiente in cui tutto l’azoto è 14N. Usando una linea solida per rappresentare una catena polinucleotidica pesante e una linea tratteggiata per una catena leggera, disegnare il seguente:
a.
Il cromosoma parentale pesante e i prodotti della prima replicazione dopo il trasferimento in un mezzo 14N, assumendo che il cromosoma è una doppia elica di DNA e che la replicazione è semiconservativa.
b.
Ripetere la parte a, ma supponendo che la replicazione sia conservativa.
c.
Ripetere la parte a, ma supponendo che il cromosoma sia in realtà due doppie eliche affiancate, ciascuna delle quali si replica in modo semiconservativo.
d.
Ripetere la parte c, ma assumere che ogni doppia elica laterale si replichi in modo conservativo e che la replicazione complessiva del cromosoma sia semiconservativa.
e.
Ripetere la parte d, ma assumere che la replicazione complessiva del cromosoma sia conservativa.
f.
Se i cromosomi figli della prima divisione in 14N arespun in un gradiente di densità di cloruro di cesio (CsCl) e si ottiene una singola banda, quale delle possibilità nelle parti da a ad e può essere esclusa? Riconsiderare l’esperimento Meselson-Stahl: cosa dimostra? R. Okazaki ha scoperto che i prodotti immediati della replicazione del DNA in E.coli includono frammenti di DNA a singolo filamento di circa 1000nucleotidi di lunghezza dopo che il DNA appena sintetizzato viene estratto e denaturato (sciolto). Quando ha permesso alla replicazione del DNA di procedere per un periodo di tempo più lungo, ha trovato una frequenza inferiore di questi brevi frammenti e lunghe catene di DNA a singolo filamento dopo l’estrazione e la denaturazione. Spiega come questo risultato potrebbe essere legato al fatto che tutte le DNA polimerasi conosciute sintetizzano il DNA solo in una direzione 5′ → 3′.
I risultati suggeriscono che il DNA viene replicato in brevi segmenti che si uniscono successivamente per azione enzimatica (DNA ligasi). Poiché la replicazione del DNA è bidirezionale, perché ci sono più punti lungo il DNA dove la replicazione è iniziata, e perché le DNA polimerasi lavorano solo in una direzione 5′ → 3′, un filo del DNA è sempre nell’orientamento sbagliato per l’enzima. Questo richiede la sintesi in frammenti.
10. Quando alle cellule vegetali e animali vengono dati impulsi di timidina in tempi diversi durante il ciclo cellulare, le regioni eterocromatiche sui cromosomi si mostrano invariabilmente “replicanti in ritardo”. Può suggerire quale, se c’è, significato biologico potrebbe avere questa osservazione?
11. Sul pianeta di Rama, il DNA è di sei tipi di nucleotidi: A, B, C, D, E e F. A e B sono chiamate marzine, C e D sono le marzine, E e F sono le pirine. Le seguenti regole sono valide in tutti i DNA Raman:
a.
Prepara un modello per la struttura del DNA Raman.
b.
Su Rama, la mitosi produce tre cellule figlie. Tenendo presente questo fatto, proponi un modello di replicazione per il tuo modello di DNA.
c.
Considera il processo di meiosi su Rama. Quali commenti o conclusioni puoi suggerire?
12. Se estrai il DNA del colifago øX174, troverai che la sua composizione è del 25% A, 33% T, 24% G e 18% C. Questa composizione ha senso per quanto riguarda le regole di Chargaff? Come interpreteresti questo risultato? Come potrebbe un tale fago replicare il suo DNA?
Le regole di Chargaff sono che A = T e G = C. Poiché questa composizione non è osservata, l’interpretazione più probabile è che il DNA sia a singolo filamento. Il fago dovrebbe prima sintetizzare un filamento complementare prima di poter iniziare a fare copie multiple di se stesso.
13. La temperatura alla quale un campione di DNA si denatura può essere usata per stimare la proporzione delle sue coppie di nucleotidi che sono G-C. Quale sarebbe la base per questa determinazione, e cosa indicherebbe un’alta temperatura di denaturazione per un campione di DNA?
Ricorda che ci sono due legami idrogeno tra A e T, mentre ci sono tre legami idrogeno tra G e C. La denaturazione richiede la rottura di questi legami, che richiede energia. Più legami devono essere rotti, più energia deve essere fornita. Così la temperatura alla quale una data molecola di DNA si denatura è una funzione della sua composizione di base. Più alta è la temperatura di denaturazione, più alta è la percentuale di coppie G-C.
14. Supponiamo che estraiate il DNA da un piccolo virus, lo denaturate e lo lasciate risanare con il DNA preso da altri ceppi che portano una delezione, un’inversione o una duplicazione. Cosa ti aspetteresti di vedere all’ispezione con un microscopio elettronico?
15. Il DNA estratto da un mammifero viene denaturato a caldo e poi raffreddato lentamente per permettere la ricottura. Il seguente grafico mostra i risultati ottenuti. Ci sono due “spalle” nella curva. La prima spalla indica la presenza di una parte del DNA che si ricuce molto rapidamente – così rapidamente, infatti, che la ricottura avviene prima che avvengano le interazioni dei filamenti.
a.
Che cosa potrebbe essere questa parte del DNA?
b.
Anche la seconda spalla è una parte che si ricuce rapidamente. Cosa suggerisce questa prova?
16. Progettare test per determinare la relazione fisica tra sequenze di DNA altamente ripetitive e uniche nei cromosomi. (Suggerimento: è possibile variare la dimensione delle molecole di DNA in base alla quantità di taglio a cui sono sottoposte.)
17. I virus sono noti per causare il cancro nei topi. Avete una preparazione pura di virusDNA, una preparazione pura di DNA dai cromosomi delle cellule cancerose del topo, e DNA puro dai cromosomi delle cellule normali del topo. Il DNA virale si unirà specificamente con il DNA delle cellule tumorali, ma non con il DNA delle cellule normali. Esplora il possibile significato genetico di questa osservazione, il suo significato a livello molecolare e il suo significato medico.
18. Ruth Kavenaugh e Bruno Zimm hanno ideato una tecnica per misurare la lunghezza massima delle molecole di DNA più lunghe in soluzione. Hanno studiato campioni di DNA dai tre cariotipi di Drosophila mostrati a destra. Hanno trovato le molecole più lunghe nei cariotipi a e b di lunghezza simile e circa il doppio della lunghezza della molecola più lunga nel cariotipo c. Interpreta questi risultati.
I dati suggeriscono che ogni cromosoma è composto da una molecola continua di DNA e che le traslocazioni possono alterare le loro dimensioni. Nella parte c, sembra che una parte del cromosoma più lungo sia stata traslocata nel cromosoma più corto.
19. Nella tecnica del cromosoma arlecchino, si permettono tre cicli di replicazione in bromodeossiuridina e poi si colorano i cromosomi. Che risultato ti aspetti?
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