(Unit II) Chapter 6: The Structure of DNA Introduc;on to - PDF document

8/29/11 ¡ (Unit ¡II) ¡Chapter ¡6: ¡The ¡Structure ¡of ¡ DNA ¡ Introduc;on ¡to ¡DNA ¡Structure: ¡The ¡ Importance ¡of ¡DNA ¡Structure ¡ • DNA, ¡since ¡it ¡carries ¡all ¡the ¡informa;on ¡for ¡a ¡ given ¡organism, ¡must ¡be ¡a ¡molecule ¡that ¡ contains ¡an ¡incredible ¡amount ¡of ¡ informa;on ¡ ¡ • Contains ¡informa;on ¡for ¡proper ¡ development ¡of ¡an ¡organism ¡ Allows ¡the ¡proper ¡structures ¡to ¡form ¡at ¡the ¡ – appropriate ¡;me ¡ Allows ¡appropriate ¡growth ¡at ¡the ¡ – appropriate ¡;me ¡ • Contains ¡the ¡informa;on ¡for ¡proper ¡cellular ¡ func;on ¡ DNA ¡encodes ¡the ¡informa;on ¡to ¡produce ¡ – proteins ¡involved ¡in ¡respira;on ¡ DNA ¡encodes ¡the ¡informa;on ¡to ¡produce ¡ – proteins ¡that ¡are ¡important ¡in ¡sending ¡and ¡ receiving ¡signals ¡between ¡cells ¡ • All ¡the ¡appropriate ¡informa;on ¡is ¡also ¡ passed ¡on ¡to ¡subsequent ¡genera;ons ¡ – Cellular ¡reproduc;on ¡(asexual) ¡ Organismal ¡reproduc;on ¡(sexual ¡or ¡asexual) ¡ – 1 ¡

8/29/11 ¡ Introduc;on ¡to ¡DNA ¡Structure: ¡How ¡It ¡ Holds ¡The ¡Informa;on ¡of ¡Heredity ¡ • The ¡ability ¡of ¡DNA ¡to ¡hold ¡all ¡of ¡this ¡ informa;on ¡lies ¡in ¡both ¡its ¡chemistry ¡and ¡3-­‑ Dimensional ¡structure ¡ ¡ • DNA ¡contains ¡only ¡five ¡different ¡types ¡of ¡ atoms ¡ ¡ Carbon ¡ – – Phosphorous ¡ – Nitrogen ¡ Hydrogen ¡ – Oxygen ¡ – • When ¡Watson ¡and ¡Crick ¡(1952) ¡discovered ¡ that ¡the ¡3-­‑Dimensional ¡structure ¡of ¡DNA ¡ Found ¡that ¡the ¡molecule ¡takes ¡the ¡shape ¡ – double ¡helix ¡ More ¡importantly ¡understood ¡how ¡the ¡ – different ¡atoms ¡found ¡in ¡DNA ¡are ¡covalently ¡ linked ¡together ¡and ¡how ¡these ¡linkages ¡are ¡ viewed ¡in ¡3-­‑dimensions ¡ Watson ¡and ¡Crick ¡saw ¡that ¡DNA ¡was ¡a ¡ • polymer ¡made ¡of ¡repea;ng ¡building ¡blocks ¡ known ¡as ¡nucleo;des ¡ Building ¡the ¡DNA ¡Molecule: ¡The ¡Chemical ¡ Structure ¡of ¡Deoxyribonucleic ¡Acid ¡ • Each ¡nucleo;de ¡consists ¡of ¡three ¡ basic ¡components ¡ – Phosphate ¡group ¡ – A ¡five ¡carbon ¡sugar ¡(deoxyribose) ¡ – A ¡nitrogenous ¡base ¡ The ¡phosphate ¡group ¡and ¡the ¡ • deoxyribose ¡are ¡part ¡of ¡the ¡DNA ¡ backbone, ¡whereas ¡the ¡nitrogenous ¡ bases ¡are ¡located ¡towards ¡the ¡ interior ¡of ¡the ¡DNA ¡molecule ¡ More ¡specifically, ¡it ¡is ¡the ¡sequence ¡ • and ¡number ¡of ¡these ¡nitrogenous ¡ bases ¡(which ¡are ¡part ¡of ¡nucleo;des) ¡ that ¡give ¡each ¡gene ¡its ¡own ¡iden;ty ¡ – Genes ¡differ ¡in ¡the ¡number ¡of ¡bases ¡ – Genes ¡differ ¡in ¡the ¡sequence ¡of ¡bases ¡ 2 ¡

8/29/11 ¡ Building ¡the ¡DNA ¡Molecule: ¡Nucleo;de ¡ Structure ¡and ¡The ¡Pentose ¡Sugars ¡ To ¡start, ¡each ¡nucleo;de ¡will ¡ • contain ¡a ¡central ¡pentose ¡(5 ¡ carbon) ¡sugar ¡ • The ¡sugar ¡that ¡is ¡used ¡in ¡DNA ¡is ¡ deoxyribose ¡ Within ¡the ¡ring, ¡there ¡are ¡four ¡ • carbon ¡atoms ¡(labeled ¡1’, ¡2’, ¡3’ ¡ etc) ¡joined ¡by ¡an ¡oxygen ¡atom ¡ • The ¡fi[h ¡carbon ¡(the ¡5’ ¡carbon) ¡ projects ¡upward ¡from ¡the ¡ring ¡ To ¡build ¡the ¡nucleo;de, ¡we ¡are ¡ • going ¡to ¡a\ach ¡other ¡chemically ¡ reac;ve ¡groups ¡to ¡specific ¡ carbons ¡in ¡the ¡pentose ¡sugar ¡ Building ¡the ¡DNA ¡Molecule: ¡The ¡ Nitrogenous ¡Base ¡Component ¡ ¡ The ¡presence ¡of ¡the ¡nitrogenous ¡ • bases ¡in ¡nucleic ¡acids ¡was ¡ discovered ¡by ¡Friedrich ¡Miecher ¡ a[er ¡he ¡started ¡to ¡determine ¡the ¡ chemistry ¡of ¡his ¡nuclein ¡ They ¡are ¡called ¡nitrogenous ¡ • bases ¡due ¡to ¡the ¡fact ¡that ¡they ¡ are ¡have ¡a ¡high ¡nitrogen ¡content ¡ • They ¡are ¡considered ¡a ¡base ¡due ¡ to ¡the ¡fact ¡that ¡they ¡have ¡the ¡ proper;es ¡of ¡a ¡base ¡(proton ¡ acceptors) ¡ ¡ • By ¡and ¡large, ¡the ¡structure ¡of ¡ DNA ¡the ¡nitrogenous ¡bases ¡are ¡ non-­‑polar, ¡which ¡is ¡important ¡for ¡ DNA ¡structure ¡ – The ¡bases ¡are ¡hydrophobic ¡ – The ¡bases ¡are ¡located ¡towards ¡the ¡ interior ¡of ¡a ¡molecule ¡of ¡DNA ¡ 3 ¡

8/29/11 ¡ Building ¡the ¡DNA ¡Molecule: ¡The ¡ Nitrogenous ¡Base ¡Component ¡ ¡ There ¡are ¡four ¡common ¡nitrogenous ¡ • bases ¡found ¡in ¡DNA ¡ – Adenine ¡ Guanine ¡ ¡ – Cytosine ¡ ¡ – – Thymine ¡ • Adenine ¡and ¡Guanine ¡are ¡known ¡as ¡ purines ¡and ¡have ¡a ¡double ¡ring ¡ • Cytosine, ¡Thymine ¡are ¡known ¡as ¡ pyrimidines ¡and ¡have ¡a ¡single ¡ring ¡ Building ¡the ¡DNA ¡Molecule: ¡The ¡ Nitrogenous ¡Base ¡Component ¡ ¡ • In ¡nature, ¡each ¡nitrogenous ¡base ¡can ¡take ¡one ¡of ¡ two ¡conforma;ons ¡ • For ¡the ¡nitrogenous ¡bases, ¡there ¡are ¡two ¡ conforma;ons ¡ – Conven;onal ¡form ¡ Tautomeric ¡state ¡ – Defini;on ¡of ¡Tautomers: ¡ ¡ • Tautomers ¡are ¡isomers ¡that ¡readily ¡interconvert ¡at ¡ – equilibrium ¡ Tautomeriza;on ¡results ¡in ¡the ¡migra;on ¡of ¡a ¡proton ¡ – and ¡a ¡resul;ng ¡shi[ ¡from ¡single ¡to ¡double ¡bond, ¡or ¡ vice ¡versa ¡ The ¡two ¡states ¡in ¡equilibrium ¡with ¡each ¡other ¡ • – Conven;onal ¡ Tautomeric ¡ – • For ¡all ¡of ¡the ¡nitrogenous ¡bases, ¡the ¡equilibrium ¡ strongly ¡favors ¡the ¡conven;onal ¡form ¡ 4 ¡

8/29/11 ¡ Building ¡the ¡DNA ¡Molecule: ¡Nucleo;de ¡ Structure ¡and ¡The ¡Phosphate ¡Group ¡ The ¡chemistry ¡of ¡the ¡phosphate ¡group ¡ • is ¡important ¡in ¡allowing ¡DNA ¡to ¡be ¡a ¡ polymer ¡(i.e. ¡the ¡phosphate ¡group ¡is ¡ important ¡in ¡linking ¡nucleo;des ¡ together) ¡ The ¡phosphate ¡group ¡consists ¡of ¡a ¡ • phosphorus ¡and ¡four ¡oxygen ¡atoms ¡ ¡ • The ¡phosphorous ¡is ¡located ¡centrally ¡in ¡ the ¡phosphate ¡group, ¡and ¡each ¡of ¡the ¡ four ¡oxygen ¡atoms ¡are ¡bound ¡to ¡the ¡ phosphorous ¡ • The ¡bonds ¡between ¡the ¡phosphorous ¡ and ¡each ¡oxygen ¡atom ¡is ¡unequal ¡ They ¡share ¡electrons ¡unequally ¡ – Oxygen ¡atoms ¡are ¡slightly ¡nega;ve ¡ – – Phosphate ¡is ¡slightly ¡posi;ve ¡ Building ¡the ¡DNA ¡Molecule: ¡Nucleo;de ¡ Structure ¡and ¡The ¡Phosphate ¡Group ¡ • At ¡physiological ¡pH, ¡the ¡phosphate ¡group ¡is ¡ a ¡proton ¡donor ¡ – Phosphate ¡group ¡is ¡polar ¡ Phosphate ¡group ¡has ¡a ¡slight ¡nega;ve ¡charge ¡ ¡ – • Ester ¡bonds ¡link ¡the ¡phosphate ¡to ¡the ¡rest ¡of ¡ the ¡nucleo;de ¡ They ¡have ¡the ¡property ¡of ¡being ¡extremely ¡ – stable ¡ These ¡bonds ¡are ¡easily ¡broken ¡by ¡enzyma;c ¡ – hydrolysis ¡(by ¡adding ¡water) ¡ • The ¡chemistry ¡of ¡the ¡phosphate ¡group ¡also ¡ allows ¡for ¡linking ¡of ¡nucleo;des ¡together ¡ • Phosphate ¡bonds ¡are ¡stable, ¡yet ¡easily ¡ broken ¡ – Allows ¡for ¡polymeriza;on ¡of ¡nucleo;des ¡ Allows ¡for ¡synthesis ¡of ¡DNA ¡(or ¡RNA) ¡chains ¡ – 5 ¡