Химический состав и удвоение хромосом

Каждая хромосома содержит длинную двойную спиральную структуру, называемую молекулой дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). Молекулы ДНК имеют разную длину в зависимости от того, в какой хромосоме они находится. ДНК является генетическим материалом клетки.

В состав молекулы ДНК входят: углевод дезоксирибоза, фосфатный остаток, азотистые основания – аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Согласно правилу Чаргаффа в ДНК содержание аденина равно содержанию тимина, а содержание гуанина равно содержанию цитозина.

Каждая цепочка ДНК представляет собой линейное соединение дезоксирибозы и фосфатных остатков. К дезоксирибозе присоединяется одно из четырех азотистых оснований. При этом азотистые основания распологаются в ДНК со строгой комплементарностью – если в одной цепочке ДНК к дезоксирибозе присоединяется аденин (А), то во второй цепочке, напротив, будет расположен тимин (Т); если в одной цепочке гуанин (Г), во второй - цитозин (Ц) (рис.35).

Рис.35 Схематическое изображение строения ДНК.

Азотистые основания соединяются между собой с помощью водородных связей. Соединение, состоящее из одной дезоксирибозы, одного фосфатного остатка и азотистого основания, называют нуклеотидом.

От степени спирализации или деспирализации ДНК зависит компактность хромосомы.

Одни молекулы ДНК отличаются от других соотношением, комбинацией и последовательностью расположения четырех азотистых оснований.

Реализация правила удвоения хромосом происходит за счет репликации (удвоения) ДНК. Схематически этот процесс происходит следующим образом: перед делением клетки хромосомы максимально удлиняются путем деспирализации, находящихся в них молекул ДНК. При этом водородные связи между азотистыми основаниями рвутся и цепи расходятся, с соблюдением комплементарности азотистых оснований. С участием специфических ферментов на каждой из цепочек ДНК синтезируются новые цепочки (рис.36).

Рис.36. Схематическое изображение удвоения хромосом

В результате репликации молекул ДНК в хромосоме образуются две молекулы ДНК аналогичного строения между собой и сходные с материнской.

Работа 2. Анализ нуклеотидного состава и нуклеотидныхпоследовательностей фрагментов молекул нуклеиновых кислот.

Изучите диаграммы («лестничные» схемы), изображающие структуру трех фрагментов двухцепочечных молекул ДНК (рис. 37. А, В, С), каждый из которых содержит по 14 пар нуклеотидов. Стороны «лестницы» представляют собой сахарофосфатный «каркас», а «ступеньки» образованы парами комплементарных азотистых оснований (А–Т, Г–Ц). Помечены края полинуклеотидных цепочек, содержащие 5'-фосфаты.

Подсчитайте общее число каждого из четырех типов нуклеотидов (А, Т, Г, Ц) и число пар А–Т и Г–Ц, имеющихся в состав фрагментов А, В и С. Определите для каждого фрагмента количественные соотношения: А/Т, Г/Ц и (А + Т)/(Г + Ц).

Обратите внимание на то, что фрагменты В и С имеют одинаковый суммарный нуклеотидный состав (сравните общее число нуклеотидов каждого типа и число пар А–Т, Г–Ц в этих фрагментах).

Рис. 37.Структура фрагментов трех условных молекул ДНК

(«лестничные модели»)

Вместе с тем, они различаются специфичностью чередований отдельных нуклеотидов в своих цепочках (специфичностью нуклеотидных последовательностей). Следовательно, суммарный нуклеотидный состав и нуклеотидная последовательность – два совершенно различных свойства молекулы ДНК.

Для дальнейшего анализа сделанного заключения составьте и сравните последовательную запись триплетов кодирующих (3'-5') нитей для фрагментов В и С.

По аналогии со схемой на рисунке 37 составьте и зарисуйте собственные диаграммные изображения двух двухцепочечных фрагментов ДНК, каждый из которых имеет по 15 нуклеотидных пар и соотношение (А + Т)/(Г + Ц) = 2, но отличается от другого специфичностью нуклеотидных последовательностей. Маркируйте края всех полинуклеотидных цепочек знаками 3' или 5' (соответственно). Сделайте последовательную запись триплетов кодирующих нитей составленных фрагментов ДНК.

Постройте и зарисуйте диаграммные изображения фрагментов двух молекул РНК, являющихся комплементарными кодирующим нитям составленных вами фрагментов ДНК. Проанализируйте нуклеотидный состав этих фрагментов. Сделайте последовательную запись триплетов фрагментов РНК и сравните ее с ранее сделанной записью для триплетов соответствующей нити ДНК.

2. Определение степени гомологии нитей из различных молекул ДНК при их денатурации и ренатурации. Рассмотрите вкачестве примера условные изображения процессов денатурации и ренатурации фрагментов двух молекул ДНК (рис. 38). Полинуклеотидные цепочки фрагментов маркированы цифрами 1, 2 и 3, 4 (соответственно).

Денатурация может происходить при повышении температуры (нагревании) раствора ДНК. Это увеличивает нестабильность водородных связей между азотистыми основаниями в параллельных цепях молекулы и приводит к их разделению, т.е. к образованию одноцепочечных структур. Денатурацию можно осуществить также обработкой ДНК сильной щелочью, которая нарушает водородные связи между основаниями. Если раствор, содержащий денатурированную ДНК, затем медленно охлаждать (либо нейтрализовать щелочь), становится возможным повторное образование водородных связей между комплементарными основаниями разных цепочек, т.е. формирование новых двухцепочечных структур (процесс ренатурации). С помощью физико-химических методов можно изолировать отдельные цепочки денатурированных молекул ДНК, а затем смешать их попарно в новых сочетаниях и провести процесс ренатурации. При этом степень ренатурации (размеры формирующихся двухцепочечных участков) будет зависеть от степени гомологии (комплементарного соответствия нуклеотидных последовательностей) двух исследуемых одноцепочечных структур.

Рис. 38.Изображение процессов денатурации и ренатурации

фрагментов двух молекул ДНК

Постройте и зарисуйте диаграммные изображения, иллюстрирующие принципы денатурации и ренатурации ДНК, для фрагментов А, В и С из предыдущей работы (см. рис. 37).

По аналогии со схемой на рисунке 38 постройте и зарисуйте собственные диаграммные изображения и определите степень гомологии (в %) для двух одноцепочечных структур с одинаковой ориентацией нуклеотидных последовательностей (3´-5´) из разных фрагментов молекул ДНК, составленных вами при выполнении работы.

Вклейка