معلومة

المحاضرة 16: تكرار الحمض النووي - علم الأحياء

المحاضرة 16: تكرار الحمض النووي - علم الأحياء


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

المحاضرة 16: تكرار الحمض النووي

المحاضرة 16: تكرار الحمض النووي - علم الأحياء

C2005 / F2401 '06 - محاضرة 1 6 - آخر تعديل: 11/01/2006 06:28 مساءً
حقوق النشر لعام 2006 لديبورا موشوفيتز ولورنس شاسين قسم العلوم البيولوجية جامعة كولومبيا ، نيويورك ، نيويورك.

I. كيف يتم تمرير الحمض النووي البكتيري؟ (هذا تكرار للموضوع الرابع من المحاضرة 15.)

أ. مقدمة عن انقسام الخلية - كيف تصنع خلية واحدة 2؟

1. كيف تضاعف محتويات الخلية؟ ضع في اعتبارك العقيدة المركزية - لقد غطينا كل شيء - كيفية مضاعفة الحمض النووي ، والحمض النووي الريبي والبروتين ، وكيفية تنظيم تخليق البروتين. بمجرد مضاعفة البروتين (الإنزيمات) ، يسمح ذلك بمضاعفة كل شيء آخر ، مثل الكربوهيدرات ، والدهون ، وما إلى ذلك ، لذا افترض أنك تضاعف كل شيء في الخلية. كيف تحصل على خليتين من 1؟

2. لماذا توزيع الحمض النووي هو القضية الحاسمة - صنع خليتين من خلية واحدة ينزل إلى & quot؛ يتضاعف البرنامج ، كيف يتم توزيع النسختين على الخلايا الوليدة؟ & quot ومشكلة البيض ، يجب أن يكون هناك بعض في كل زنزانة ابنة. (تحتاج إلى بعض الريبوسومات وبوليميراز الحمض النووي الريبي وما إلى ذلك في كل خلية. ولكن طالما أن لديك بعضًا منها والمواد الوراثية ، يمكنك دائمًا إنتاج المزيد من الريبوسومات والإنزيمات وما إلى ذلك)

ب. كيف بدائيات النوى تفعل ذلك؟ الانشطار الثنائي - الفصل المنتظم للكروموسوم الدائري المرتبط بالغشاء

1. كيف يبدو الحمض النووي (المعلومات الجينية) للبكتيريا؟ تحتوي كل بكتيريا على جزيء DNA واحد دائري مزدوج تقطعت به السبل = كروموسوم متصل بغشاء الخلية.

2. كيف يتم توزيع الحمض النووي الكروموسومي.

أ. للبدء ، لديك خلية واحدة بها دائرة DNA مزدوجة مجدولة تعلق على الغشاء.

ب. يتكاثر الحمض النووي عن طريق تكرار الحمض النووي ثنائي الاتجاه (تبدأ شوكتان من أصل واحد) - & gt دائرتان مزدوجتان مجدولتان ، وكلاهما متصلان بالغشاء. (انظر بيكر شكل 19-5 (17-5)).

ج. تتباعد الدوائر عن بعضها عندما يتم وضع الغشاء بين نقاط ربط الحمض النووي بالغشاء - & gt يتم دفع دائرتين إلى طرفي نقيض للخلية. (هناك أيضًا عملية نشطة ، بخلاف نمو الغشاء ، تدفع أصلي تكرار الحمض النووي بعيدًا عن بعضهما البعض. وقد تم اكتشاف هذا مؤخرًا فقط).

د. في النهاية ، ما عليك سوى وضع غشاء (والجدار) بين نصفي الخلية ، يحتوي كل منهما على دائرة واحدة (= كروموسوم مزدوج مجدول كامل). هذا & # 8594 2 خلية كاملة.

ه. لاحظ أن هذا ليس الانقسام أو الانقسام الاختزالي إنها عملية مختلفة (انشطار ثنائي). يحدث الانقسام المتساوي والانقسام الاختزالي فقط في حقيقيات النوى وسيتم مناقشتهما لاحقًا.

F. كيف ستتم مقارنة المادة الوراثية في الخليتين البنت؟ إذا لم تكن هناك طفرات ، فستكون هي نفسها ، وسيكون جميع المتحدرين متطابقين. يُطلق على جميع الأحفاد الذين تم إنتاجهم بهذه الطريقة (عن طريق التكاثر اللاجنسي لمؤسس واحد) استنساخًا. (لا يهم ما إذا كانت & quotfounder & quot هي خلية أو جزيء أو كائن حي.) هل هناك أي طريقة (إلى جانب الطفرة) للحصول على توليفات جديدة من الجينات؟ لخلط الجينات من مستنسخات منفصلة؟ هذا يتطلب ممارسة الجنس البكتيري.

II. مقدمة في الجنس البكتيري وإعادة التركيب

أ. ما هو التعريف البيولوجي للجنس؟ أي طريقة لتبادل الجينات و / أو تمرير الحمض النووي من كائن حي إلى كائن حي. ينتج عن الطفرة متغيرات التكاثر الجنسي (إعادة) خلطها وإنتاج تركيبات جديدة.

للصور ، انظر Purves 13.9 to 13.11 أو Becker 20-19 to 20-21 (18-19 to 18-21 in 5th ed.)

تعطي المسألة 11-1 ، التجارب (1) إلى (3) ، أمثلة على الطرق الثلاثة. (عليك أن تعرف أيهما).

جيم البلازميدات مقابل شظايا. انظر النشرة 16 ب ، أسفل.

1. كيف تبدو قطع الحمض النووي المنقولة؟ احتمالان:

أ. البلازميدات = كروموسومات صغيرة دائرية صغيرة مع أصلها الخاص من النسخ المتماثل.

ب. فتات = DNA خطي قصير مع (دائمًا تقريبًا) لا يوجد أصل للنسخ المتماثل.

2. ما الفرق الذي تحدثه؟ انظر النشرة 16B، bottom - & quotplasmid vs fragment. & quot

أ. البلازميدات موروثة - تحصل النسل على نسخ من الكروموسوم و القطعة المضافة (البلازميد). لذلك فإن النسل عبارة عن مضاعفات جزئية. تتكاثر البلازميدات عمومًا وتنتقل إلى جميع النسل ، مثل الكروموسوم العادي (ولكن ليس بكفاءة انظر أدناه).

ب. شظايا ليست موروثة - القطعة المضافة (الجزء) لا تتكرر ، وعادة ما تتحلل ، لذلك يتم فقط تمرير الكروموسوم. ذرية هي أحاديات.

ثالثا. مصائر الحمض النووي المنقول - تفاصيل البلازميدات مقابل الشظايا

أ. ماذا يحدث للبلازميدات؟

1 . أهمية الأصول. البلازميدات لها أصول تكرار الحمض النووي. لذلك يتم تكرارها ونقلها إلى جميع الأحفاد تقريبًا. (من ناحية أخرى ، لا يتم تكرار أجزاء الحمض النووي بشكل عام ، ويتم فقدها و / أو تدهورها بسرعة إلى حد ما كما هو موضح أدناه).

2. المصطلحات (تذكير): تسمى البكتيريا التي تحتوي على بلازميد تحمل عددًا قليلاً من الجينات "ثنائية الصبغيات". يحتوي الثنائي الجزئي على نسختين من الجينات & quotextra & quot - نسخة واحدة على البلازميد وواحدة على الكروموسوم.

3. لماذا تميل البلازميدات إلى الضياع. قد لا يكون التحكم في الازدواجية والتوزيع للبلازميدات محكمًا كما هو الحال بالنسبة للكروموسومات ، و / أو عواقب الخسارة ليست خطيرة. (ضع في اعتبارك: ماذا يحدث لخلية لا تحتوي على كروموسوم؟ لا بلازميد؟) بسبب أخطاء في تكرار و / أو توزيع البلازميدات ، لا يحصل السليل أحيانًا على نسخة من البلازميد. يعد الخسارة حدثًا نادرًا ، ولكن تميل البلازميدات إلى الضياع طويلفترات زمنية - مع نمو البكتيريا ، يزداد عدد البكتيريا الخالية من البلازميدات تدريجياً - ما لم يكن هناك اختيار ضد فقدان البلازميد.

4. تفاصيل الاختيار. يعني الانتقاء أن هناك ميزة (للبكتيريا) تتمثل في الاحتفاظ بالبلازميد (أو من عيوب فقدانه) بحيث تميل البكتيريا التي تحتوي على البلازميد إلى البقاء على قيد الحياة وتميل البكتيريا التي لا تحتوي على البلازميد إلى الموت. الشروط الانتقائية (مثل وجود مضاد حيوي ، عدم وجود حمض أميني ، إلخ) لاتفعل تؤثر على فرصة أن خلية فردية سوف تفعل ذلك تخسر بلازميد ، ولكن الشروط الانتقائية فعل تؤثر على فرصة نجاة لبكتيريا فقدت بلازميدها.
على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك مقاومة المضادات الحيوية. تم العثور على العديد من الجينات التي تمنح المقاومة للمضادات الحيوية (عن طريق الترميز للبروتينات التي تدمر المضادات الحيوية ، وتمنع امتصاصها ، وما إلى ذلك) في البلازميدات ، وليس على الكروموسوم. عندما تنمو البكتيريا (التي تحمل جينات المقاومة على البلازميد) في وجود مضاد حيوي ، يكون هناك اختيار ضد البكتيريا التي لا تقاوم لأنها فقدت بلازميداتها. تموت البكتيريا التي لا تحتوي على البلازميدات وتنمو البكتيريا التي احتفظت بالبلازميدات فقط. لذلك فإن جميع البكتيريا الموجودة في المزرعة تحتوي على البلازميدات ، جيلًا بعد جيل.
إذا لم يكن هناك مضاد حيوي ، فلا يوجد اختيار ضد الخلايا التي فقدت بلازميدها (ستستمر في النمو) وستفقد البكتيريا الموجودة في المزرعة بلازميداتها تدريجياً. (قد يكون هناك اختيار للخسارة من البلازميدات - في حالة عدم وجود دواء ، قد تنمو الخلايا التي لا تحتوي على البلازميدات بشكل أسرع.) لاحظ أن اختيار البكتيريا التي تحمل البلازميدات المقاومة للعقاقير قد تم بالصدفة (بكفاءة عالية) في المستشفيات.

لمراجعة البلازميدات ، حل المشكلة 11-2.

ب. ماذا يحدث لشظايا الحمض النووي التي يتم نقلها / تمريرها؟

1. السؤال - ما فائدة الشظايا ؟ يمكن استنساخ البلازميدات ونقلها إلى جميع المتحدرين (انظر أعلاه) ولكن ماذا يحدث للشظايا؟ لا تحتوي الأجزاء بشكل عام على أصل النسخ المتماثل ، لذلك لا يتم تكرارها. (انظر النشرة 16B السفلية - & quotplasmid vs fragment. & quot) بالإضافة إلى ذلك ، تتحلل الشظايا الخطية عمومًا بواسطة الإنزيمات ، لذلك لا يتم تكرارها فحسب - بل تتحلل ويعاد تدوير النيوكليوتيدات. إذن ما فائدة الشظايا؟

2. الجواب - إعادة التركيب. يمكن تقطيع أجزاء من جزء في الحمض النووي للكروموسوم واستبدال القطعة المكافئة (المتجانسة). (انظر أسفل النشرة 16 أ.) تسمى هذه العملية & quotcrossing over & quot أو & quot؛ إعادة التركيب الجيني & quot - وهي تنتج كروموسومًا بمجموعة جديدة من الجينات. وبالتالي فإن الكروموسوم أو البكتيريا الجديدة تسمى & quotrecombinant. & quot (Purves 13.9)

أ. كيف يعمل إعادة التركيب؟ يتطلب شيئين.

  • إنزيمات لإقران ، وقطع ، ولصق الحمض النووي المتضمن.

  • التنادد بين الحمضين النوويين.

(1). تعريف: يجب أن تكون الحمض النووي متماثلًا من أجل الاقتران بحيث يمكن أن يحدث العبور. ماذا يعني التنادد؟ إنه يعني متشابهًا جدًا ولكن ليس بالضرورة نفس الشيء. تسمى الحمض النووي التي تحمل نفس الجينات (التي ترمز لنفس البروتينات) متجانسة. يحمل الحمض النووي المتماثل نفس الجينات في نفس الترتيب (على سبيل المثال بيتا غالاكتوزيداز ، أو إنزيم التربتوفان سينثيتاز ، إلخ) ولكن ليس بالضرورة نفس الشيء الإصداراتمن الجينات.

(2). مثال: يمكن أن يحمل أحد الحمض النووي المعلومات لصنع (على سبيل المثال) شكل واحد من تركيبة الترب أو & # 946-galactosidase ويمكن للحمض النووي المتماثل أن يحمل المعلومات لصنع نسخة مختلفة قليلاً من نفس الإنزيم. سيكون شكلا الحمض النووي تقريبًا ، ولكن ليس تمامًا ، وسيكون شكلا البروتين متشابهين جدًا أيضًا.

مثال آخر: ضع في اعتبارك الجين (جزء من الحمض النووي) الذي يرمز لسلسلة بيتا من الهيموجلوبين. نسخة واحدة من الجين (& # 946أ) يحمل المعلومات لصنع سلسلة بيتا من الهيموغلوبين A (الجلوتاميك في الموضع 6) بينما نسخة أخرى من نفس الجين (& # 946س) يحمل المعلومات لصنع سلسلة بيتا من الهيموغلوبين S (فالين في الموضع 6). هذان الإصداران من الجين (& # 946أ و & # 946س) متجانسة. إنهم لا يرمزون لبروتينين مختلفين - رمز الحمض النووي لنسختين مختلفتين من نفس البروتين - نوعان مختلفان من سلاسل بيتا يختلفان في واحد أو اثنين فقط من الأحماض الأمينية من بين المئات. (ملاحظة: البكتيريا لا تصنع الهيموجلوبين ، وقد استخدم هذا المثال لأن HbA و HbS قد تمت مناقشتهما مسبقًا.)

(3) . الأليلات. تُعرف الإصدارات البديلة المختلفة لنفس الجين بالأليلات. على سبيل المثال ، & # 946أ و & # 946س هما أليلين مختلفين من نفس الجين. في الرسم التخطيطي أسفل 16 أ ، تمثل & quotD & quot و & quotd & quot أليلين من الجين & quotDee & quot ، & quotB & quot و & quotb & quot ، من أليلين & quotBee & quot ، وما إلى ذلك. يمكن أن يرمز D و d لنسختين مختلفتين من بعض الإنزيمات ، على سبيل المثال ، يمكن أن يرمز & # 946-galactosidase B و b لنسختين مختلفتين من إنزيم آخر ، وهكذا. يجب أن يكون شكلا الإنزيم المشفر بواسطة & quotD & quot و & quotd 'متشابهين جدًا في تسلسل الأحماض الأمينية وقد يكونان أو لا يكونان متشابهين جدًا في الوظيفة.

(4). لماذا التنادد مطلوب؟ إن العبور بين الجينات غير المتجانسة من شأنه أن يؤدي إلى تدافع المعلومات الجينية التي تعبر بين الجينات المتماثلة ، لأنها تتبادل أجزاء متكافئة من المعلومات. يجب أن ترتبط بروتينات إعادة التركيب بالحمض النووي المتماثل ومواءمتها قبل حدوث القطع والتضفير.

ج. الانزيمات. الإنزيمات التي تساعد في الاقتران والقطع واللصق مطلوبة لإعادة التركيب. لاحظ أن الأمر يتطلب حدثين قص ولصق لتبديل قسم على هذا الجزء لقسم على الكروموسوم.

د. متى يحدث إعادة التركيب؟

رابعا. كيف يتم نقل الحمض النووي من بكتيريا إلى أخرى

أ- التحول (يُطلق عليه أيضًا ترنسفكأيشن ، لا سيما في حقيقيات النوى)

1. الأهمية التاريخية. أوضحنا في وقت سابق بكثير (المحاضرة 10) أن التحول يحدث كان التحول عن طريق الحمض النووي أحد الخطوط الأولى للدليل على أن الحمض النووي هو المادة الجينية. كيف يقوم الحمض النووي من خلية واحدة (لنقل PS + - انظر المحاضرة 10) بتحويل أو تحويل خلية أخرى ، لنقل من PS- إلى PS +؟

2. العملية الأساسية - انظر Purves 13.10 (a) أو Becker 20-19 (a) [18-19 (a)]

أ. تموت خلية واحدة (المتبرع) وتطلق الحمض النووي الصبغي (الذي ينقسم إلى شظايا خطية). يتم إطلاق الحمض النووي وتكسيره إما بشكل طبيعي أو بواسطة العالم الذي يقوم بالتجربة.

ب. خلية أخرى (المتلقي) تأخذ الحمض النووي الذي تم إطلاقه من الوسيط ، وبالتالي فإن المتلقي لديه كروموسوم كامل بالإضافة إلى جزء. (انظر النشرة 16A أسفل - & quot؛ تكامل الشظية & quot) لاحظ أن التحويل (كما هو موضح هنا) يتضمن نقل الأجزاء الخطية من الحمض النووي مقابل نقل البلازميد. يمكن نقل البلازميدات عن طريق التحول في التجارب المعملية ، ولكن غالبًا لا يتم نقلها بهذه الطريقة في الطبيعة.

ج. كيف يتم الكشف عن التحول؟ عن طريق تغيير النمط الظاهري للمتلقي. في مثال 16A ، يحمل DNA المتبرع الأليل B والمتلقي الأصلي لديه الأليل b. في حالة حدوث التحول ، سيتم تحويل المستلم من b إلى B. لكي يتم اكتشاف التحول ، يجب أن يتسبب التغيير في التركيب الوراثي من b إلى B في حدوث بعض التغيير في النمط الظاهري الذي يمكن قياسه - على سبيل المثال ، يجب أن يمنح القدرة على النمو في ظل الجديد الظروف ، أو القدرة على تكوين مستعمرات مختلفة الشكل و / أو القدرة على إحداث المرض (مثل PS- إلى PS +) إلخ.

لمراجعة التحول ، راجع المشكلة 11-1.

ب- الاقتران - نوع من التزاوج بين نوعين من البكتيريا. انظر Purves 13.11 أو Becker fig. 20-20 أمبير 20-21 (18-20 أمبير 18-21).

4. يتم نقل نسخة من الحمض النووي وليس الأصلي . إذا تم نقل النسخة الوحيدة من الحمض النووي ، فقد يكون ذلك بمثابة انتحار. لذلك يتم نقل نسخة ، إما نسخة من البلازميد أو نسخة من جزء من الكروموسوم. لذلك يمكن للمتلقي الحصول على جزء (من نسخة من جزء من كروموسوم المتبرع) أو بلازميد. انظر بيكر الشكل. 20-21 (18-21).

5. مطلوب اتصال خلية إلى خلية. يتطلب الاقتران ، بخلاف التحول ، اتصالًا بالخلية الخلوية ويتم تمرير الحمض النووي (نسخة) عبر جسر يتشكل مؤقتًا بين زوج من الخلايا المتزاوجة. لاحظ أن النقل يكون دائمًا من F + أو Hfr إلى F- ، وليس العكس أبدًا أو من F + إلى F + ، F- إلى F- إلخ. للصور ، انظر شكل Becker. 20-20 (18-20) أو Purves 13.8.

6 كيف تلتقط البلازميدات الجينات ، مثل تلك التي ترمز لمقاومة الأدوية؟ ربما عن طريق العبور مع الكروموسوم. حدث القطع واللصق الفردي بين دائرتين (مثل الكروموسوم البكتيري والبلازميد) يولد دائرة واحدة كبيرة. يحدث هذا النوع من إعادة التركيب من خلال الانضمام إلى الدائرتين. يمكن عكس العملية ، وإعادة إنشاء الدائرتين الفرديتين. في حالة حدوث أخطاء أثناء & quotreverse & quot ، حدث القطع واللصق ، فإن بعض الحمض النووي الذي كان موجودًا على الكروموسوم سينتهي به المطاف في البلازميد (أو العكس). يُعتقد أن هذه العملية (الانضمام ثم إلغاء الانضمام إلى الدائرتين) هي ما ينقل الجينات من الكروموسوم إلى البلازميد. يمكن أن ينقل الاقتران بعد ذلك نسخة من البلازميد (مع الجينات المضافة) ، ويمرر الجينات المضافة من البكتيريا إلى البكتيريا كما في (3) أعلاه.

تم عرض نتائج تجربة التزاوج النموذجية في المشكلة 11-9 . تذكر أنه في Hfr ، يبدأ نسخ الكروموسوم في منتصف F المدمج ، ويذهب في اتجاه واحد. يتم تحديد الجين الكروموسومي الذي يتم نسخه (ونقله) أولاً من خلال مكان دمج العامل F في الكروموسوم. يعتمد ترتيب النسخ والنقل على اتجاه F في الكروموسوم. (يمكن إدخال الحرف F & quot في كلتا الحالتين. من حيث نموذج الأنابيب المطاطية ، يمكن أن يشير السهم الموجود في منتصف الحرف F في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة حول الدائرة الكبيرة.)

لمقارنة التحويل والتصريف ، جرب المسألة 11-3. هناك مشكلة إضافية تنطوي على التحول وهي 11-15 ، الجزءان أ و ب.

جيم- التنبيغ ودورة الحياة الفيروسية: (لدورة الحياة الفيروسية ، انظر النشرة 16 أ أو Purves 13.2). للتوصيل ، انظر شكل بيكر. 20-19 ب (18-19 ب). النقاط الرئيسية التي يجب ملاحظتها حول دورة الحياة هي كما يلي:

1. الهيكل & أمبير ؛ الخمول - الفيروسات لها نوع واحد من الحمض النووي (DNA أو RNA ، فردي أو مزدوج الذين تقطعت بهم السبل) والذي يعمل كمعلومات وراثية ، وقشرة بروتينية (أو رأس). تحتوي الفيروسات على معلومات وراثية ولكن لا توجد وسيلة للتعبير عنها - لا ريبوسومات ، ولا توجد طريقة لتوليد ATP. انظر Purves 13.2 للتعرف على بعض نماذج هياكل الفيروسات.

2. خصوصية المضيف يعتمد على بروتين القشرة - يتطلب ارتباط الفيروس بسطح الخلية المضيفة التطابق بين الهياكل التكميلية على بروتين الرأس وسطح الخلية التي يتم تحديد الخلايا التي سيهاجمها الفيروس إلى حد كبير من خلال هذه التفاعلات.

3. كيف يتولى الفيروس السيطرة . في العديد من الفيروسات ، يدخل الحمض النووي فقط الخلية المضيفة. بمجرد دخوله ، يستخدم الحمض النووي الفيروسي إنزيمات (و ATP) للمضيف لنسخ وترجمة المعلومات الجينية الخاصة به. توجه المعلومات الوراثية الفيروسية توليف المواد (معظمها بروتينات) لصالح تكاثرها على حساب تكاثر العائل. تصنع بعض الفيروسات البروتينات التي تفكك الحمض النووي للمضيف ، والبعض الآخر يصنع الإنزيمات التي تساعد على فتح (فتح) الخلية المضيفة ، وما إلى ذلك. الفيروسات.

4. استنساخ خط التجميع. تتكاثر الفيروسات عمومًا بطريقة خط التجميع - فهي تبني إمدادات من جميع الأجزاء (الحمض النووي والبروتينات الهيكلية للأمبير) ثم تجمعها كخطوة أخيرة. لا يتضاعف حجمها ثم تنقسم إلى نصف الطريقة التي تنقسم بها الخلايا. تعني طريقة التجميع الذاتي هذه أنه يمكن تجميع الفيروسات المؤتلفة في أنبوب اختبار من مصادر منفصلة للبروتينات + الحمض النووي (المعدل في المختبر).

5. دورة Lytic ولوحات أمبير.

أ. إن تكاثر الفيروس عبارة عن دورة. يصيب جسيم فيروسي خلية ما ، ويتكاثر الفيروس داخل الخلية ، وتطلق الخلية المصابة جزيئات الفيروس التي تصيب الخلايا المجاورة ، وهكذا دواليك. تقتل العديد من الفيروسات خلاياها المضيفة ويقتلها البعض الآخر لا يقتل الخلية المضيفة ولكنه يتسبب في إطلاق جزيئات الفيروس.

ب. تحلل. عندما تنفتح الخلايا المضيفة (تنفتح) وتطلق جزيئات الفيروس ، فإن الدورة الناتجة تسمى الدورة اللايتية. إذا كانت الفيروسات تنمو فوق طبقة صلبة من البكتيريا (& quota law & quot) ، تكون النتيجة لوحة - ثقب في العشب مليء بالفيروسات المتولدة. تشكل بكتيريا واحدة على طبق بتري مستعمرة (كتلة) - فيروس بكتيري واحد يهبط على عشب من البكتيريا يشكل لوحة (ثقب).

ج. اكتشاف "فج". تم اكتشاف الفيروسات البكتيرية لأول مرة من خلال قدرتها على تكوين لويحات. لقد تم تسميتهم & quot؛ quotbacteriophage & quot لأنهم كانوا & quot؛ يقطنون & & quot؛ ثقوبًا في حديقة البكتيريا. (ملاحظة: مصطلح العاثية - أو اختصار العاثية - يستخدم فقط للإشارة إلى الفيروسات البكتيرية. تسمى الفيروسات التي تصيب الكائنات الحية الأخرى بالفيروسات، ليس العاثيات.)

6 . التوضيح - بسبب طريقة خط التجميع للتكاثر الفيروسي ، يمكن أحيانًا أن يتم تغليف قطع من الحمض النووي البكتيري بطريق الخطأ داخل طبقة فيروسية. مثل هذا الفيروس هو "فجوة زائفة" - إنه في الحقيقة غلاف فيروسي يحتوي على الحمض النووي البكتيري وليس الفيروسي. إذا أصاب جسيم الفيروس (الزائف) مضيفًا آخر ، فإنه يسلم الحمض النووي البكتيري إلى المضيف الثاني ولا يدمر الخلية المستقبلة. هذه حالة انتقال - لقد عمل الفيروس كعامل غير مقصود لنقل الحمض النووي البكتيري. (Purves 13.10 (b))

لمراجعة الدورة اللايتية ، راجع المشكلة 11-4.

7. دورة Lysogenic

أ. اندماج. يمكن أن تصبح بعض الفيروسات جزءًا من كروموسوم المضيف عن طريق العبور بين الحمض النووي الفيروسي والحمض النووي البكتيري - تكون العملية موازية للطريقة التي ينضم بها البلازميد مثل عامل F إلى الكروموسوم البكتيري. (يمكن للفيروسات ، مثل البلازميدات ، التقاط الجينات البكتيرية عن طريق عكس هذه العملية).

ب. ليسوجيني. يمكن أن يظل الفيروس المتكامل كامنًا لفترات طويلة من الزمن. تُعرف هذه الحالة النائمة باسم lysogeny ، ويقال إن البكتيريا ذات الفيروس المتكامل النائم ليستوحدة (قادرة على الدخول في الدورة اللايتية). ما الذي يمنع الفيروس من صنع البروتينات الفيروسية والدخول في الدورة اللايتية؟ بروتين مثبط يصنعه الفيروس نفسه. (هذا البروتين المثبط ليس خيفيًا يجب تدميره حتى يصبح غير نشط. يسمح تحلل البروتين المكبِط للفيروس بمغادرة حالة الخمول والدخول في الدورة اللايتية.) حصل جاكوب ، و Lwoff ، و amp Monod على جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء في عام 1965 عن اكتشاف كيف تتحكم المكبّعات في كل من الأوبرا اللايسوجيني والأوبرا.

ج. الفيروسات القهقرية. هذه فيروسات (ليست بالضرورة من بدائيات النوى) تحتوي على الحمض النووي الريبي في الجسيم الفيروسي. عندما يدخل RNA الخلية ، فإنه يستخدم إنزيمًا خاصًا يصنعه الفيروس ، وهو النسخ العكسي ، لعمل نسخة DNA من الحمض النووي الريبي. (يتم نقل النسخ العكسي إلى العائل داخل الجسيم الفيروسي). ثم يُدرج الحمض النووي في كروموسوم المضيف ويبقى كامنًا ، تمامًا مثل الفيروس اللايسوجيني. فيروس نقص المناعة البشرية ، الفيروس الذي يسبب الإيدز ، هو فيروس ارتجاعي بشري. يتم استخدام النسخ العكسي التي تم الحصول عليها من الفيروسات القهقرية في المختبر كأداة مهمة لعمل نسخ الحمض النووي من الحمض النووي الريبي. (ستتم مناقشة الأمثلة في المرة القادمة.) للاطلاع على دورة حياة فيروس نقص المناعة البشرية ، انظر Purves 13.5. مُنحت جائزة نوبل في علم وظائف الأعضاء لعام 1975 إلى دولبيكو وتيمين وأم بالتيمور في عام 1975 لاكتشاف إنزيم النسخ العكسي في الفيروسات المسببة للورم.

8. الصلبان الفيروسية - إذا أصيبت خلية في وقت واحد بمتغيرين (طفرات) من نفس الفيروس ، فيمكن أن يحدث العبور و / أو التكامل بين الفيروسين أثناء الإصابة. انظر بيكر الشكل. 20-18 لإعادة التركيب. (قد تحدث إعادة التجميع أيضًا في حالة فيروس الأنفلونزا ، الذي يحتوي على جينوم RNA مقسم إلى 8 أجزاء. راجع صفحة CDC لمزيد من التفاصيل. للاطلاع على دورة حياة فيروس RNA ، راجع Purves 13.4) لقد ناقشنا كيفية حدوث العبور ، ولكن ما هو التكميل وكيف تميزه عن التأشيب؟

V. التكامل وإعادة التركيب - عواقب وجود & quotextra & quot DNA.

1. الإعداد المادي: أنت بحاجة إلى نسختين من الجينات التي تريد اختبارها. الخلية البكتيرية العادية هي أحادية العدد - تحتوي على نسخة واحدة من كل جين أو امتداد من الحمض النووي. لذلك أنت بحاجة إلى ثنائي الصبغة الجزئي مع بعض & quotextra & quot الحمض النووي. يمكن أن يحدث هذا نتيجة للهندسة الوراثية ، والتصريف ، والتحول ، وما إلى ذلك ، ويمكن أن تكون القطعة & quotextra & quot عبارة عن بلازميد أو جزء. (لذلك يمكن أن تكون ثنائية الصبغة الجزئية حالة دائمة أو مؤقتة.) يحتوي ثنائي الصبغة الجزئي على نسخة واحدة من معظم الجينات (على الكروموسوم) ولكن له نسختان من عدد قليل من الجينات. بالنسبة لهذه الجينات القليلة ، توجد نسخة واحدة من الجين (الجينات) على الكروموسوم ونسخة واحدة على الحمض النووي الإضافي.

2. السؤال: لنفترض الآن أن كل نسخة من الحمض النووي ثنائية الصبغة (موجودة في نسختين) بها طفرة ، لذلك لا يوجد لدى الحمض النووي وحده معلومات وراثية صحيحة تعمل للقيام ببعض الوظائف. (أي أنه لا يمكن للحمض النووي أن يرمز للبروتينات و / أو الحمض النووي الريبي اللازم لأداء بعض الوظائف). هل ستتمكن الخلية ذات النسختين المختلفتين من تنفيذ الوظيفة التي نتحدث عنها؟

انظر النشرة 16B لأربع حالات محتملة ، من A إلى D. في A و C ، يوجد جين واحد فقط يجب مراعاته (أو أن عدد الجينات غير ذي صلة) في الحالتين B و D ، هناك جينان يجب مراعاتهما.

لاحظ أن كل سطر في الرسم التخطيطي في النشرة يمثل جزيء DNA مزدوج الشريطة ، وأن الحمض النووي الموضح في كل حالة يجب أن يكون متماثلًا. الخطان في كل حالة ليسا خيوط اللولب المزدوج. هذا يعني أن العبور (إعادة التركيب) يتطلب قطع وإعادة الانضمام إلى جزيئات الحمض النووي المزدوجة التي تقطعت بها السبل ، ونحن نتجاهل تفاصيل كيفية عمل ذلك. (نوقش هذا باستفاضة في علم الوراثة.)

ب. كيف يمكنك استعادة الوظيفة؟

أ. كيف تعمل: إذا كان يمكن أن يحدث العبور بين الحمضين النوويين ، فيمكنك تجديد الحمض النووي الذي لا يحتوي على طفرات عن طريق قطع وتقسيم الحمض النووي. سيعمل هذا طالما أن الطفرتين في أماكن مختلفة على الحمض النووي (غير متداخلة) كما في الحالات A و B و D. لا يهم إذا كانت الطفرتان في نفس الجين أم لا - طالما نظرًا لأنها غير متداخلة ، يمكن أن ينتج عن العبور مادة مؤتلفة طبيعية بدون طفرات.

ب. متى تحتاج إلى إعادة التركيب (مقابل التكملة) لاستعادة الوظيفة؟ عادة ما تكون إعادة التركيب هي الطريقة الوحيدة لاستعادة الوظيفة (على المدى الطويل) إذا كان لديك طفرة واحدة في الكروموسوم وواحدة على جزء. يجب أن ينتج عن العبور كروموسوم غير متحور. (لا يساعد وجود جزء غير متحور ، حيث سيتم فقد الجزء إذا لم يتم دمجه.) لاحظ أنه قد يستغرق الأمر أكثر من حدث قص ولصق لتوليد كروموسوم مؤتلف.

ج. تكرر. إذا كانت الطفرتان قريبتان من بعضهما البعض على الحمض النووي ، فسيكون العبور بينهما نادرًا. (المزيد عن تواتر العبور في محاضرة أو محاضرتين.) ومع ذلك ، فمن الممكن عادةً تحديد واكتشاف حتى المؤتلفات النادرة جدًا من خلال تهيئة الظروف التي ينمو فيها المؤتلف فقط. (لاحظ أن التكملة لا تعتمد على حدث نادر.)

أ. كيف تعمل: إذا كان بإمكان كل من الحمض النووي البقاء في الخلية ، وكان لكل منهما طفرة في وحدة وظيفية مختلفة (الحالة ب) ، فيجب أن تكون الخلية ذات الحمض النووي المتحولين قادرة على العمل بشكل طبيعي. بعبارة أخرى ، إذا كان لكل DNA طفرة في جين مختلف ، فإن الحمض النووي بينهما يحتوي على نسخة جيدة واحدة على الأقل من كل جين ، ويمكن أن يصنع كل الحمض النووي الريبي الضروري والببتيدات ، ويمكنه القيام بالمهمة التي يجب القيام بها. في هذه الحالة ، يقال أن الحمضين النوويين الطافرين يكملان بعضهما البعض. (الجين العلوي الأيسر & quotcovers & quot للجزء السفلي الأيسر ، وهو متحور ، وأغطية الجينات السفلية اليمنى أعلى اليمين ، وهي متحولة.)

ب. عندما لا تعمل: في حالة وجود اثنين من الحمض النووي ، ولكن كلاهما لديه طفرات في نفس الجين (ليس بالضرورة في نفس المكان) ، كما في الحالة D ، فلن يعيد التكميل الوظيفة. تحتوي الخلية على نسختين معيبتين (ولا توجد نسخ جيدة) من جين واحد ولن يتم إنجاز المهمة المقابلة.

ج. تكرر: لا يلزم هنا حدث نادر - طالما أن كلا الحمضين النوويين موجودان ، ولهما عيوب تكميلية ، فسيتم استعادة الوظيفة.

  • مع البلازميد: يحدث التكميل عادة بين طفرة على الكروموسوم وطفرة على البلازميد لأن كلا الحمض النووي يمكن أن يظل إلى أجل غير مسمى - يمكن تكرار البلازميد والكروموسوم ونقلهما إلى النسل.
  • مع جزء: عابر يمكن أن يحدث التكامل بين طفرة على الكروموسوم وطفرة على جزء من الحمض النووي المضاف. لا يستمر التكميل مع جزء طويلاً ، ولا ينتقل إلى النسل ، لأن القطعة متدهورة و / أو لا تتكرر.

لمزيد من التفاصيل حول كيفية التمييز بين التكملة وإعادة التركيب ، راجع الرسم البياني في النشرة 16 ب ، وجرب المشكلات المتبقية في مجموعة المشكلات 11. أفضل مكان للبدء هو المشكلات 11-5 و 11-6.

3. يمكن أن يحدث التكميل وإعادة التركيب مع الفيروسات وكذلك البكتيريا. يمكن لطفلين من نفس الفيروس أن يصيبوا خلية في نفس الوقت. يسمح لك هذا باختبار حدوث التكامل و / أو إعادة التركيب بين الحمضين النوويين الطافرين.

للحصول على مثال ، انظر المشكلة 11-8. (لمزيد من المشاكل التي تنطوي على الشكوى وإعادة التركيب في الفيروسات ، انظر 11-10 إلى 11-13.)

4. المصطلحات. قد لا يتم تناول هذا في الفصل ، ولكنه مفيد في فهم التكامل.
أ. سيسترون. يستخدم المصطلح & quotgene & quot بأكثر من طريقة. يستخدم المصطلح & quotcistron & quot (كمصطلح أكثر تحديدًا من الجين) للإشارة إلى امتداد الحمض النووي الذي يرمز إلى مكون واحد من الوظيفة (مكون واحد = بولي ببتيد واحد ، أو tRNA واحد ، وما إلى ذلك) جميع الطفرات التي لا تكمل كل منها يتم تعيين الأخرى لنفس المجموعة & quotComplementation group & quot (انظر d أدناه) ويجب أن تكون موجودة في نفس cistron.

ب. النمط الجيني والنمط الظاهري. قد يكون لطفلين نفس المظهر و / أو الوظيفة (على سبيل المثال ، كلاهما - أو غير قادر على صنعه) ولهما طفرات مختلفة في الحمض النووي الخاص بهما. لذلك عليك التمييز بين النمط الجيني (حالة الحمض النووي) والنمط الظاهري (حالة الوظيفة و / أو المظهر). تسمح لك الاختبارات الموصوفة هنا بالحصول على معلومات حول الأنماط الجينية لطفرتين لهما نفس النمط الظاهري (قل له - للبكتيريا ، أو الفشل في تكوين لويحات في حالة الفيروسات). هل للطفرات عيوب في نفس الجين؟ إذا كان الأمر كذلك ، فهل توجد العيوب في نفس المكان في الحمض النووي؟ انظر إلى المشاكل للحصول على أمثلة.

ج. تكملة. عادةً ما يستخدم المصطلح & quotcomplementation & quot للإشارة إلى استعادة الوظيفة عند وجود نسختين متحورتين منفصلتين من الحمض النووي في خلية واحدة. (هذه هي الطريقة التي يتم استخدامها في جميع المشكلات.) ومع ذلك ، يُستخدم المصطلح أحيانًا للإشارة إلى حالة مختلفة قليلاً يتم فيها استعادة الوظيفة عن طريق إضافة حمض نووي (طبيعي) إضافي إلى خلية بها طفرة. في هذه الحالات ، يتم إضافة قطع مختلفة من الحمض النووي ، لمعرفة أي واحد (ق) & quot يكمل & quot أو استعادة الوظيفة. فقط قطع من الحمض النووي المضاف مع نسخ جيدة من الجين الطافرة ستغطي & quot أو تكمل & quot الطفرة. يستخدم هذا النوع من التجارب للتعرف على قطعة من الحمض النووي تحمل نسخة طبيعية من الجين.

د. المجموعات التكميلية. غالبًا ما يتم تعيين المسوخات التي لها نفس النمط الظاهري إلى مجموعات التكملة & quot. & quot يتم تعيين جميع المسوخات التي لا تكمل بعضها البعض إلى نفس المجموعة. يجب أن تحتوي جميع الطفرات في مجموعة تكميلية واحدة على طفرات في نفس الجين ، وعادة ما يكون لها عيب في عديد الببتيد نفسه. يتيح لك ذلك معرفة عدد الجينات / عديد الببتيدات اللازمة لأداء وظيفة معينة. لنفترض أن لديك الكثير من الطفرات بنمط ظاهري معين - كلها معيبة في نفس الوظيفة العامة ، ولكن ليس بالضرورة في نفس الخطوة. (على سبيل المثال ، لديك العديد من - المسوخات - كلهم ​​غير قادرين على تخليق الهيستيدين.) يمكنك تعيين المتحولات لمجموعات التكميل ، ومن عدد المجموعات يمكنك معرفة عدد الجينات / عديد الببتيدات اللازمة لأداء الوظيفة (القدرة على توليف له).

في المرة القادمة: اختتم علم الوراثة الفيروسية والبكتيرية (إذا لزم الأمر) ثم انتقل إلى تقييد الإنزيمات والهندسة الوراثية.

حقوق النشر لعام 2006 لديبورا موشوفيتز ولورنس شاسين قسم العلوم البيولوجية جامعة كولومبيا نيويورك ، نيويورك.


الفصل السادس عشر - الأساس الجزيئي للوراثة

  • كان الاقتران المحدد للقواعد النيتروجينية في الحمض النووي هو وميض الإلهام الذي قاد واطسون وكريك إلى الحلزون المزدوج الصحيح.
  • كانت الآلية المحتملة للخطوة التالية ، وهي التكرار الدقيق للحمض النووي ، واضحة لواتسون وكريك من نموذج اللولب المزدوج.

أثناء تكرار الحمض النووي ، يتيح الاقتران الأساسي لخيوط الحمض النووي الموجودة أن تكون بمثابة قوالب لسلاسل تكميلية جديدة.

  • في ورقة ثانية ، نشر واتسون وكريك فرضيتهما حول كيفية تكاثر الحمض النووي.
    • بشكل أساسي ، نظرًا لأن كل خصلة مكملة للآخر ، يمكن لكل منها تشكيل قالب عند الفصل.
    • يمكن استخدام ترتيب القواعد على خيط واحد لإضافة قواعد تكميلية وبالتالي تكرار أزواج القواعد تمامًا.
    • تصطف النيوكليوتيدات ، واحدة تلو الأخرى ، على طول شريط القالب وفقًا لقواعد الاقتران الأساسي.
    • ترتبط النيوكليوتيدات لتشكيل خيوط جديدة.
    • في تجاربهم ، قاموا بتسمية نيوكليوتيدات الخيوط القديمة بنظير نيتروجين ثقيل (15N) ، بينما تمت الإشارة إلى أي نيوكليوتيدات جديدة بنظير أخف (14N).
    • يمكن فصل الخيوط المتماثلة حسب الكثافة في جهاز طرد مركزي.
    • كل نموذج - النموذج شبه المحافظ ، والنموذج المحافظ ، والنموذج التشتت - قدم تنبؤات محددة حول كثافة خيوط الدنا المتكاثرة.
    • أنتج النسخ المتماثل الأول في وسط 14N نطاقًا من الحمض النووي الهجين (15N-14N) ، مما أدى إلى القضاء على النموذج المحافظ.
    • أنتج النسخ المتماثل الثاني كلاً من الحمض النووي الخفيف والهجين ، مما أدى إلى القضاء على النموذج المشتت ودعم النموذج شبه المحافظ.

    يقوم فريق كبير من الإنزيمات والبروتينات الأخرى بتكرار الحمض النووي.

    • يستغرق الأمر 25 دقيقة لنسخ كل من 5 ملايين زوج قاعدي في كروموسومها الفردي وتنقسم لتشكيل خليتين ابنتيتين متطابقتين.
    • A human cell can copy its 6 billion base pairs and divide into daughter cells in only a few hours.
    • This process is remarkably accurate, with only one error per ten billion nucleotides.
    • More than a dozen enzymes and other proteins participate in DNA replication.
    • Much more is known about replication in bacteria than in eukaryotes.
      • The process appears to be fundamentally similar for prokaryotes and eukaryotes.
      • These enzymes separate the strands, forming a replication “bubble.”
      • Replication proceeds in both directions until the entire molecule is copied.
      • At the origin sites, the DNA strands separate, forming a replication “bubble” with replication forks at each end.
      • The replication bubbles elongate as the DNA is replicated, and eventually fuse.
      • The rate of elongation is about 500 nucleotides per second in bacteria and 50 per second in human cells.
      • Each has a nitrogenous base, deoxyribose, and a triphosphate tail.
      • ATP is a nucleoside triphosphate with ribose instead of deoxyribose.
      • The exergonic hydrolysis of pyrophosphate to two inorganic phosphate molecules drives the polymerization of the nucleotide to the new strand.
      • Each DNA strand has a 3’ end with a free hydroxyl group attached to deoxyribose and a 5’ end with a free phosphate group attached to deoxyribose.
      • The 5’ --> 3’ direction of one strand runs counter to the 3’ --> 5’ direction of the other strand.
      • A new DNA strand can only elongate in the 5’ --> 3’ direction.
      • The DNA strand made by this mechanism is called the leading strand.
      • Unlike the leading strand, which elongates continuously, the lagging stand is synthesized as a series of short segments called Okazaki fragments.
      • They can only add nucleotides to the 3’ end of an existing chain that is base-paired with the template strand.
      • The primer is 5–10 nucleotides long in eukaryotes.
      • RNA polymerases can start an RNA chain from a single template strand.
      • Another DNA polymerase, DNA polymerase I, replaces the RNA nucleotides of the primers with DNA versions, adding them one by one onto the 3’ end of the adjacent Okazaki fragment.
      • This untwisting causes tighter twisting ahead of the replication fork, and topoisomerase helps relieve this strain.
      • The lagging strand is copied away from the fork in short segments, each requiring a new primer.
      • For example, helicase works much more rapidly when it is in contact with primase.

      Enzymes proofread DNA during its replication and repair damage in existing DNA.

      • Mistakes during the initial pairing of template nucleotides and complementary nucleotides occur at a rate of one error per 100,000 base pairs.
      • DNA polymerase proofreads each new nucleotide against the template nucleotide as soon as it is added.
      • If there is an incorrect pairing, the enzyme removes the wrong nucleotide and then resumes synthesis.
      • The final error rate is only one per ten billion nucleotides.
      • DNA molecules are constantly subject to potentially harmful chemical and physical agents.
        • Reactive chemicals, radioactive emissions, X-rays, and ultraviolet light can change nucleotides in ways that can affect encoded genetic information.
        • DNA bases may undergo spontaneous chemical changes under normal cellular conditions.
        • Each cell continually monitors and repairs its genetic material, with 100 repair enzymes known in E. coli and more than 130 repair enzymes identified in humans.
        • A hereditary defect in one of these enzymes is associated with a form of colon cancer.
        • DNA polymerase and ligase fill in the gap.
        • These individuals are hypersensitive to sunlight.
        • Ultraviolet light can produce thymine dimers between adjacent thymine nucleotides.
        • This buckles the DNA double helix and interferes with DNA replication.
        • In individuals with this disorder, mutations in their skin cells are left uncorrected and cause skin cancer.

        The ends of DNA molecules are replicated by a special mechanism.

        • Limitations of DNA polymerase create problems for the linear DNA of eukaryotic chromosomes.
        • The usual replication machinery provides no way to complete the 5’ ends of daughter DNA strands.
          • Repeated rounds of replication produce shorter and shorter DNA molecules.
          • In human telomeres, this sequence is typically TTAGGG, repeated between 100 and 1,000 times.
          • Telomeric DNA tends to be shorter in dividing somatic cells of older individuals and in cultured cells that have divided many times.
          • If the chromosomes of germ cells became shorter with every cell cycle, essential genes would eventually be lost.
          • There is now room for primase and DNA polymerase to extend the 5’ end.
          • It does not repair the 3’-end “overhang,” but it does lengthen the telomere.
          • Telomere length may be a limiting factor in the life span of certain tissues and of the organism.
          • Cells from large tumors often have unusually short telomeres, because they have gone through many cell divisions.
          • This overcomes the progressive shortening that would eventually lead to self-destruction of the cancer.
          • Immortal strains of cultured cells are capable of unlimited cell division.

          Lecture Outline for Campbell/Reece Biology, 7th Edition, © Pearson Education, Inc. 16-1


          Sign up for free to view:

          • This document and 3 million+ documents and flashcards
          • High quality study guides, lecture notes, practice exams
          • Course Packets handpicked by editors offering a comprehensive review of your courses
          • Better Grades Guaranteed

          GEN 3022 1st Edition Lecture 16 Outline of Last Lecture I Structure of bacterial chromosomes a Location b Overall shape structure i Loop domains ii DNA supercoiling II Organization of Eukaryotic chromosomes a Chromosome replication and segregation i Three types of DNA sequences b Compaction of DNA i Process interphase and metaphase ii Heterochromatin iii Euchromatin III Nucleosomes a Definition b Components i Histone proteins ii DNA Outline of Current Lecture I Overview of DNA replication These notes represent a detailed interpretation of the professor s lecture GradeBuddy is best used as a supplement to your own notes not as a substitute II III IV V VI VII VIII IX a Replication patterns i Antiparallel ii Chargraff s rule iii Semiconservative b Summary Proposed models of DNA replication a Conservative model b Semiconservative model c Dispersive model Experiment a E coli growth b Light and half heavy DNA types Origin of bacterial DNA replication a Origin of replication oriC b Patterns of bacterial DNA replication Synthesis of new DNA strands a DNA helicase b Topoisomerase II DNA gyrase c Primase d DNA Polymerases e Ligase Synthesis a Leading strands b Lagging strands c DNA polymerase I action d DNA ligase action Fidelity mechanisms a High fidelity in DNA replications i Three reasons b Proofreading activity of DNA polymerase Eukaryotic genomes Telomeres and DNA replication a Telomeric sequences b Telomerase c Telomere length and cancer Current Lecture I Overview of DNA replication a Replication patterns i Antiparallel one strand runs 5 to 3 and the other 3 to 5 ii Chargraff s rule A T C G iii Semiconservative one parent strand and one daughter strand II III IV V VI b Summary i Two complementary strands of DNA separate ii Each serves as a template strand for the synthesis of new complementary daughter DNA strands Proposed models of DNA replication a Conservative model both parental strands stay together after DNA replication b Semiconservative model the double stranded DNA contains one parental and one daughter strand following replication c Dispersive model parental and daughter DNA segments are interspersed in both strands following replication Experiment a E coli growth Meselson and Franklin Stahl investigated DNA replication using E coli i E coli was grown in the presence of a heavy isotope of nitrogen so that the population of cells all had heavy labeled DNA ii E coli was switched to a medium with only light isotope of nitrogen iii Density of resulting generations was analyzed to determine the pattern of replication b Light and half heavy DNA types i The first generation s DNA types were consistent with the dispersive model and semiconservative model but the second generation s types were only consistent with the semi conservative model Origin of bacterial DNA replication a Origin of replication oriC since bacterial chromosomes are circular there is only one origin of replication called the origin of Chromosomal replication oriC b Patterns of bacterial DNA replication synthesis of DNA proceeds bidirectionally around the chromosome until the replication forks meet and replication is terminated Synthesis of new DNA strands a DNA helicase responsible for separating the two template strands into a replication fork b Topoisomerase II DNA gyrase unwinds negative supercoiling of DNA so that it can be separated for replication c Primase creates RNA primer segments that covalently link to the template strand and are later removed by DNA polymerase I d DNA Polymerases responsible for DNA synthesis work in the 5 to 3 direction only and cannot initiate transcription DNA polymerase III is responsible for the most synthesis e Ligase covalently links Okazaki fragments of lagging strand by catalyzing formation of the phosphodiester bond Synthesis VII VIII IX a Leading strand strand that gets synthesized continuously using one RNA primer from 5 to 3 towards replication fork b Lagging strand strand that gets synthesized in fragments from 5 to 3 away from the replication fork c DNA polymerase I action removes RNA primer and fills in the gaps with newly synthesized DNA d DNA ligase action covalently links Okazaki fragments after DNA polymerase I fills in the gaps that are created by the removal of RNA primer Fidelity mechanisms a High fidelity in DNA replications mistakes during DNA replication are extremely rare DNA polymerase III makes only one mistake per every 108 bases made i Three reasons stability of base pairing structure of DNA polymerase active site proofreading function of DNA polymerase b Proofreading activity of DNA polymerase DNA polymerases can identify a mismatched nucleotide and remove it from the daughter strand The enzyme uses a 3 to 5 exonuclease activity to digest the newly made strand until the mismatched nucleotide is removed Eukaryotic genomes a Unlike bacterial genomes eukaryotic chromosomes are long and linear as opposed to circular b As a result they also have many origins of replication about every 100 000 base pairs Telomeres and DNA replication a Telomeric sequences i Sequences at the end of a chromosome that codes for the stop of replication ii Typically consist of moderately repetitive tandem arrays with a 3 overhang that is 12 16 nucleotides in length These nucleotides are generally many guanine and thymine b Telomerase i Since DNA polymerases can only work in the 5 to 3 direction and cannot initiate DNA synthesis a special enzyme telomerase is needed to complete replication ii There is not enough DNA at the end of a strand to allow for RNA primer to attach which prevents DNA replication from completion iii Telomerase builds on to the end of a DNA strand to allow for RNA primer to bind and for replication to finish c Telomere length and cancer i Telomere DNa is about 8 000 at birth and can shorten to 1 500 bp in an elderly person ii Telomeres shorten in actively dividing cells which makes some cells senescent loss of ability to divide Insertion of highly active telomeres can block senescence iii Cancer cells commonly carry mutations increasing activity of telomerase which prevents telomere shortening and senescence May be a target for anti cancer drug treatments


          AP Lecture Guide 16 – The Molecular Basis of Inheritance

          search was on for the chemical mechanism of inheritance. What are the two components of the chromosome?

          2. From initial logic, which component would be the most likely candidate for the genetic

          3. What did Griffith, Avery, and others accomplish with bacteria?

          4. Define transformation. _______________________________________________________

          5. What did the experiments done by Alfred Hershey and Martha Chase show?

          6. What are Chargaff’s rules?

          7. If a species has 35% adenine in its DNA, determine the percent of the other three bases.

          8. What was the role of Maurice Wilkins and Rosalind Franklin in determining the structure of

          9. Use the diagram to describe the structure of DNA. Include several comments.

          10. What is the advantage of the double stranded aspect of the DNA? ____________________

          11. Which model of DNA replication is accepted? ____________________________________

          12. What happens at the DNA replication fork?

          13. Make a list of the enzymes involved in replication and their role.

          14. Why does the DNA have to add nucleotides in the 5’ to 3’ direction?

          15. Label the diagram of DNA replication. Include the directions and the terms.

          16. Describe the “priming of the DNA” before replication. _______________________________

          17. List some of the steps involved in DNA repair. ____________________________________

          18. What is the problem that occurs at the ends of the chromosome during replication?

          19. What is a telomere and its role in cell division. ____________________________________

          20. Why was there no selection pressure for prokaryotes to evolve a telomere-like solution on

          their chromosome? _________________________________________________________

          21. Why is telomerase an active area in cancer research? _____________________________


          Lecture 16: DNA replication - Biology

          Chapter 7 --- DNA Replication

          Read about the complications involved in trying to replicate double-stranded DNA

          • The two strands are anti-parallel and this polarity has to be maintained
          • Requires energy for unwinding in addition to the reactions of adding the nucleotides
          • Single-stranded DNA will hybridize with itself if there is any complementarity
          • There are a number of reactions involved, thus it must require an number of enzymes
          • Replication errors occur, thus there have to be correction mechanisms
          • Some DNA is circular, some is linear and very, very long, so there are major physical constraints on how this can proceed.

          What is semi-conservative replication?

          • See figures 7-1 and 7-2.
          • Note the need for un-winding and then re-winding of the strands
          • Remember that DNA polymerase only moves in one direction: 5 3

          Replication of Circular DNA theta replication -- q replication

          • See figure 7-3 and 7-4
          • Helicase is the basic un-winding enyme, but this introduces significant super-coiling effects
          • Supercoiling is corrected by Topoisomerase
            • Topoisomerase I nicks one strand and relaxes the supercoil
            • Topoisomerase II Gyrase cuts both strands

            The picture you see is a three-dimensional reconstruction of a topoisomerase determined using data from X-ray crystallographic studies (blue, red, and yellow regions) from these data researchers can pinpoint the location of nearly every atom in the protein. The topoisomerase is modeled in the process of gripping a broken DNAduplex (shown in green) and transporting a second duplex (the multicolored rosette). This is part of the work carried out in the laboratory of JamesBerger in the Department of Molecular and Cell Biology .

            Once thought to be mere laboratory curiosities, topoisomerases are now known to be essential for the livelihood of all organisms, from viruses and bacteria to humans. Moreover, it is now known that topoisomerases are targets for a large number of clinically used drugs, including anticancer agents and antibiotics. These drugs block the enzyme after it has cleaved the DNA, causing lethal breaks in the organism's chromosome. Understanding the molecular mechanisms behind the drug's action remains an important research goal, one in which the power of X-ray crystallography will play a critical role to resolve drug/topoisomerase interactions at atomic resolution.

            Photo submitted by James Berger

            • Replication starts at the Origin of Replication Ori
            • Two types of replication (Figure 7-6)
              • De Novo which needs primers (RNA primers)
              • Rolling circle Covalent Extension (Figure 7-9)
                • OriC (Chromosomal origin of replication) is about 250 bp long see fig 7-7
                • It contains recognition sites for DNA binding proteins: Dna A and ATP
                  • This binding causes the denaturation of A+T rich sections of the ori and opens a bubble
                  • Unwinding in both directions is accomplished by helicase
                  • ssb single-stranded DNA binding proteins bind to the single strands and keep them from re-annealing
                  • RNA Primers are made:
                    • RNA polymerase on the leading strand
                    • RNA primase on the lagging strand

                    o Polymerase I and II can be largely thought of as repair enzymes

                    o Polymerase III is the major replication enzyme

                    Require a primer which provides a free 3 -OH group to hook the next nucleotide onto

                    Look over fig 7-11 to see the significance of a primer

                    Note that synthesis occurs 5 3 (fig 7-12)

                    Both pol I and pol III have proofreading ability

                    Called 3 5 exonuclease activity

                    If wrong base inserted, i.e., no base-pairing after synthesis, the pol goes backwards and chews out the mis-matched base and tries again. (See fig 7-13)

                    pol I only: has 5 3 exonuclease activity: It can chew up any DNA that it bumps into AS it is synthesizing new DNA.

                    This is important in a technique known as nick-translation (See fig. 7-14).

                    Compare the differences between pol I and pol III in table 7-1, page 131.

                    The Mechanics of Replication

                    o Study figure 7-15 and note that this scheme is impossible because:

                    All the known DNA replicating enzymes use the 3 -OH group as the growing end. (The 5 -PO4 end does not grow or elongate!)

                    o Instead, the scenario shown in figure 7-16 is believed to be the most common DNA replication mechanism. This is called the discontinuous model :

                    Lagging strand with many start sites. The direction of synthesis is away from the crotch of the replication fork.

                    Many fragments called Okazaki fragments

                    Leading strand with one start site. The direction of synthesis is towards the crotch of the replication fork

                    o Pulse and pulse-chase experiments showed that new DNA consisted of two populations: Short and long, consistent with this model (fig 7-17 and below):

                    o Short pieces of RNA (1 to 60 bases long) serve as the primer for DNA synthesis. The primer is made by one of two enzymes:

                    RNA polymerase (rifampicin sensitive) makes the primer for the leading strand

                    Primase (rifampicin resistant) makes the primer for the lagging strand

                    Primase forms a complex with the helicase called the Primosome

                    Pol III continues to synthesize until it hits a previously made piece of RNA

                    Pol III drops off and Pol I takes over: since it has 5 3 exonuclease activity, it can chop out the RNA primer until it gets to the DNA.

                    Pol I drops off and ligase seals the gap.

                    Note that the process is Bidirectional! See fig 7-22 and fig 7-24.

                    In E. coli, replication proceeds at 10 5 nucleotides per minute. That is 1667 nucleotides per second.


                    16.5. DNA Replication in Eukaryotes

                    Eukaryotic genomes are much more complex and larger in size than prokaryotic genomes. The human genome has three billion base pairs per haploid set of chromosomes, and 6 billion base pairs are replicated during the S phase of the cell cycle. There are multiple origins of replication on the eukaryotic chromosome humans can have up to 100,000 origins of replication. The rate of replication is approximately 100 nucleotides per second, much slower than prokaryotic replication. In yeast, which is a eukaryote, special sequences known as Autonomously Replicating Sequences (ARS) are found on the chromosomes. These are equivalent to the origin of replication in بكتريا قولونية .

                    The number of DNA polymerases in eukaryotes is much more than prokaryotes: 14 are known, of which five are known to have major roles during replication and have been well studied. They are known as pol α , pol β , pol γ , pol δ , and pol ε .

                    The essential steps of replication are the same as in prokaryotes. Before replication can start, the DNA has to be made available as template. Eukaryotic DNA is bound to basic proteins known as histones to form structures called nucleosomes. The chromatin (the complex between DNA and proteins) may undergo some chemical modifications, so that the DNA may be able to slide off the proteins or be accessible to the enzymes of the DNA replication machinery. At the origin of replication, a pre-replication complex is made with other initiator proteins. Other proteins are then recruited start the replication process.

                    A helicase using the energy from ATP hydrolysis opens up the DNA helix. Replication forks are formed at each replication origin as the DNA unwinds. The opening of the double helix causes over-winding, or supercoiling, in the DNA ahead of the replication fork. These are resolved with the action of topoisomerases. Primers are formed by the enzyme primase, and using the primer, DNA pol can start synthesis. While the leading strand is continuously synthesized by the enzyme pol δ , the lagging strand is synthesized by pol ε . A sliding clamp protein known as PCNA (Proliferating Cell Nuclear Antigen) holds the DNA pol in place so that it does not slide off the DNA. RNase H removes the RNA primer, which is then replaced with DNA nucleotides. The Okazaki fragments in the lagging strand are joined together after the replacement of the RNA primers with DNA. The gaps that remain are sealed by DNA ligase, which forms the phosphodiester bond (Figure 16.15).

                    Figure 16.15. Eukaryotic DNA replication is similar to that of baterial prokaryotes.

                    Telomere replication

                    Unlike prokaryotic chromosomes, eukaryotic chromosomes are linear. As you’ve learned, the enzyme DNA pol can add nucleotides only in the 5′ to 3′ direction. In the leading strand, synthesis continues until the end of the chromosome is reached. On the lagging strand, DNA is synthesized in short stretches, each of which is initiated by a separate primer. When the replication fork reaches the end of the linear chromosome, there is no place for a primer to be made for the DNA fragment to be copied at the end of the chromosome. These ends thus remain unpaired, and over time these ends may get progressively shorter as cells continue to divide.

                    Figure 16.16. The telomeres, colorized pink in this electronmicrograph, are non-gene repetative sequences at the ends of chromosomes. Telomeres are sometimes called the DNA’s aglets after the plastic ends of shoe laces since they both have a protective function.

                    The ends of the linear chromosomes are known as telomeres (Figure 16.16), which have repetitive sequences that code for no particular gene. In a way, these telomeres protect the genes from getting deleted as cells continue to divide. In humans, a six base pair sequence, TTAGGG, is repeated 100 to 1000 times. The discovery of the enzyme telomerase (Figure 16.17) helped in the understanding of how chromosome ends are maintained. ال telomerase enzyme contains a catalytic part and a built-in RNA template. It attaches to the end of the chromosome, and complementary bases to the RNA template are added on the 3′ end of the DNA strand. Once the 3′ end of the lagging strand template is sufficiently elongated, DNA polymerase can add the nucleotides complementary to the ends of the chromosomes. Thus, the ends of the chromosomes are replicated.

                    Telomerase is typically active in germ cells and adult stem cells. It is not active in adult somatic cells. For her discovery of telomerase and its action, Elizabeth Blackburn (Figure 16.18) received the Nobel Prize for Medicine and Physiology in 2009.


                    • The two DNA strands run in opposite or antiparallel directions, and therefore to continuously synthesize the two new strands at the replication fork requires that one strand is synthesized in the 5’to3′ direction while the other is synthesized in the opposite direction, 3’to 5′.
                    • However, DNA polymerase can only catalyze the polymerization of the dNTPs only in the 5’to 3’direction.
                    • This means that the other opposite new strand is synthesized differently. But how?
                    • By the joining of discontinuous small pieces of DNA that are synthesized backward from the direction of movements of the replication fork. These small pieces or fragments of the new DNA strand are known as the Okasaki Fragments.
                    • The Okasaki fragments are then joined by the action of DNA ligase, which forms an intact new DNA strand known as the lagging strand.
                    • The lagging phase is not synthesized by the primer that initiates the synthesis of the leading strand.
                    • Instead, a short fragment of RNA serves as a primer (RNA primer) for the initiation of replication of the lagging strand.
                    • RNA primers are formed during the synthesis of RNA which is initiated de novo, and an enzyme known as primase synthesizes these short fragments of RNA, which are 3-10 nucleotides long and complementary to the lagging strand template at the replication fork.
                    • The Okazaki fragments are then synthesized by the extension of the RNA primers by DNA polymerase.
                    • However, the newly synthesized lagging strand is that it contains an RNA-DNA joint, defining the critical role of RNA in DNA replication.

                    Figure: Okazaki fragments. Image Source: David O Morgan.


                    DNA Replication in Prokaryotes

                    Prokaryotic DNA is replicated by DNA polymerase III in the 5′ to 3′ direction at a rate of 1000 nucleotides per second.

                    أهداف التعلم

                    Explain the functions of the enzymes involved in prokaryotic DNA replication

                    الماخذ الرئيسية

                    النقاط الرئيسية

                    • Helicase separates the DNA to form a replication fork at the origin of replication where DNA replication begins.
                    • Replication forks extend bi-directionally as replication continues.
                    • Okazaki fragments are formed on the lagging strand, while the leading strand is replicated continuously.
                    • DNA ligase seals the gaps between the Okazaki fragments.
                    • Primase synthesizes an RNA primer with a free 3′-OH, which DNA polymerase III uses to synthesize the daughter strands.

                    الشروط الاساسية

                    • تكرار الحمض النووي: a biological process occuring in all living organisms that is the basis for biological inheritance
                    • helicase: an enzyme that unwinds the DNA helix ahead of the replication machinery
                    • origin of replication: a particular sequence in a genome at which replication is initiated

                    DNA Replication in Prokaryotes

                    DNA replication employs a large number of proteins and enzymes, each of which plays a critical role during the process. One of the key players is the enzyme DNA polymerase, which adds nucleotides one by one to the growing DNA chain that are complementary to the template strand. The addition of nucleotides requires energy this energy is obtained from the nucleotides that have three phosphates attached to them, similar to ATP which has three phosphate groups attached. When the bond between the phosphates is broken, the energy released is used to form the phosphodiester bond between the incoming nucleotide and the growing chain. In prokaryotes, three main types of polymerases are known: DNA pol I, DNA pol II, and DNA pol III. DNA pol III is the enzyme required for DNA synthesis DNA pol I and DNA pol II are primarily required for repair.

                    There are specific nucleotide sequences called origins of replication where replication begins. في بكتريا قولونية, which has a single origin of replication on its one chromosome (as do most prokaryotes), it is approximately 245 base pairs long and is rich in AT sequences. The origin of replication is recognized by certain proteins that bind to this site. An enzyme called helicase unwinds the DNA by breaking the hydrogen bonds between the nitrogenous base pairs. ATP hydrolysis is required for this process. As the DNA opens up, Y-shaped structures called replication forks are formed. Two replication forks at the origin of replication are extended bi-directionally as replication proceeds. Single-strand binding proteins coat the strands of DNA near the replication fork to prevent the single-stranded DNA from winding back into a double helix. DNA polymerase is able to add nucleotides only in the 5′ to 3′ direction (a new DNA strand can be extended only in this direction). It also requires a free 3′-OH group to which it can add nucleotides by forming a phosphodiester bond between the 3′-OH end and the 5′ phosphate of the next nucleotide. This means that it cannot add nucleotides if a free 3′-OH group is not available. Another enzyme, RNA primase, synthesizes an RNA primer that is about five to ten nucleotides long and complementary to the DNA, priming DNA synthesis. A primer provides the free 3′-OH end to start replication. DNA polymerase then extends this RNA primer, adding nucleotides one by one that are complementary to the template strand.

                    DNA Replication in Prokaryotes: A replication fork is formed when helicase separates the DNA strands at the origin of replication. The DNA tends to become more highly coiled ahead of the replication fork. Topoisomerase breaks and reforms DNA’s phosphate backbone ahead of the replication fork, thereby relieving the pressure that results from this supercoiling. Single-strand binding proteins bind to the single-stranded DNA to prevent the helix from re-forming. Primase synthesizes an RNA primer. DNA polymerase III uses this primer to synthesize the daughter DNA strand. On the leading strand, DNA is synthesized continuously, whereas on the lagging strand, DNA is synthesized in short stretches called Okazaki fragments. DNA polymerase I replaces the RNA primer with DNA. DNA ligase seals the gaps between the Okazaki fragments, joining the fragments into a single DNA molecule.

                    The replication fork moves at the rate of 1000 nucleotides per second. DNA polymerase can only extend in the 5′ to 3′ direction, which poses a slight problem at the replication fork. As we know, the DNA double helix is anti-parallel that is, one strand is in the 5′ to 3′ direction and the other is oriented in the 3′ to 5′ direction. One strand (the leading strand), complementary to the 3′ to 5′ parental DNA strand, is synthesized continuously towards the replication fork because the polymerase can add nucleotides in this direction. The other strand (the lagging strand), complementary to the 5′ to 3′ parental DNA, is extended away from the replication fork in small fragments known as Okazaki fragments, each requiring a primer to start the synthesis. Okazaki fragments are named after the Japanese scientist who first discovered them.

                    The leading strand can be extended by one primer alone, whereas the lagging strand needs a new primer for each of the short Okazaki fragments. The overall direction of the lagging strand will be 3′ to 5′, while that of the leading strand will be 5′ to 3′. The sliding clamp (a ring-shaped protein that binds to the DNA) holds the DNA polymerase in place as it continues to add nucleotides. Topoisomerase prevents the over-winding of the DNA double helix ahead of the replication fork as the DNA is opening up it does so by causing temporary nicks in the DNA helix and then resealing it. As synthesis proceeds, the RNA primers are replaced by DNA. The primers are removed by the exonuclease activity of DNA pol I, while the gaps are filled in by deoxyribonucleotides. The nicks that remain between the newly-synthesized DNA (that replaced the RNA primer) and the previously-synthesized DNA are sealed by the enzyme DNA ligase that catalyzes the formation of phosphodiester linkage between the 3′-OH end of one nucleotide and the 5′ phosphate end of the other fragment.

                    The table summarizes the enzymes involved in prokaryotic DNA replication and the functions of each.

                    Prokaryotic DNA Replication: Enzymes and Their Function: The enzymes involved in prokaryotic DNA replication and their functions are summarized on this table.


                    Bruce Alberts

                    Bruce Alberts is currently the Chancellor’s Leadership Chair in Biochemistry and Biophysics for Science and Education at the University of California, San Francisco, and served as Editor-in-Chief of Science Magazine (2008-2013), President of the National Academy of Sciences (1993-2005), and United States Science Envoy (2009-2011). Alberts, who has dedicated his career to promoting science education and international… Continue Reading


                    DNA Replication Summary

                    Francis Leroy / Getty Images

                    DNA replication is the production of identical DNA helices from a single double-stranded DNA molecule. Each molecule consists of a strand from the original molecule and a newly formed strand. Prior to replication, the DNA uncoils and strands separate. A replication fork is formed which serves as a template for replication. Primers bind to the DNA and DNA polymerases add new nucleotide sequences in the 5′ to 3′ direction.

                    This addition is continuous in the leading strand and fragmented in the lagging strand. Once elongation of the DNA strands is complete, the strands are checked for errors, repairs are made, and telomere sequences are added to the ends of the DNA.


                    شاهد الفيديو: Lecture 5 Eukaryotic DNA Replication تضاعف DNA لحقيقية النواة (شهر نوفمبر 2022).