مواضيع المحاضرة:
background image

 

 

83

 

 

                                                     

Composition of DNA:

DNA, the genetic material, is found principally in the chromosomes, which are located in the 
nucleus of a cell (Small amounts of DNA are also found in mitochondria). 

 

It has three basic components:                                                                                                                  
1- 
the pentose sugar (deoxyribose)                                                                                                           
2- 
a phosphate group, and                                                                                                                           
3- 
four types of nitrogenous bases.

 

DNA (deoxyribonucleic acid)

 

 

        

                                       

Nitrogen Bases

Two of the nitrogen bases, cytosine and thymine, have single                     

   heterocyclic ring of carbon and nitrogen atoms called pyrimidines.          
* The other two bases, adenine and guanine, have double carbon-               
    nitrogen rings purines.                                                                                       
* The four bases are commonly represented by their first letters: C, T, A,    
   and G.

 

* The sugar in DNA molecule is deoxyribose, a 5 carbon sugar, and       
   successive sugar residues are linked by covalent phosphodiester       
   bonds. Covalently attached to carbon atom number 1' of each           
   sugar residue is a nitrogen base.                                                                 

 

nucleoside 

 

nucleoside. A

 

a

 

A sugar with an attached base is called

*  

                        

with a phosphate group attached at carbon atom 5' or

    

  

   

A strand.   

the basic repeat unit of DN

a nucleotide, 

 

3'constitutes

    

        

on the 2' carbon, 

lacks a hydroxyl group 

deoxyribose sugar 

* The 
   hence deoxy.                                                                                                 

     

that position in

 

presence of a hydroxyl at

* This is in contrast to the 

  

The composition of RNA molecules 

 .

RNA

sugar found in 

 

ribose

the 

  

 
   is similar to that of DNA molecules, but differs in that they contain    
   uracil (U) 
instead of thymine.  

  


background image

 

 

84

 

                                             

  

                                    

DNA structure:

alternating sugar 

of a DNA molecule and of a RNA molecule consists of 

linear backbone 

The 

In each case the bond linking an individual sugar residue to the 

 

residues and phosphate groups.
neighboring sugar residue is a 5' - 3' phosphodiester bond. This means that a phosphate group 
links carbon atom 3' of a sugar to carbon atom 5' of the neighboring sugar. So the polynucleotide 
chain is formed by linking nucleotides through 5‘, 3' -phosphodiester bonds. 

 

* The structure of DNA is double helix in which two DNA molecules (DNA strand) are held 
together by weak hydrogen bonds to form a DNA duplex. Hydrogen bonding occurs between 

 

-

DNA duplex according to Watson

aterally opposed bases, base pairs of the two strands of the 

l

          

                                          

bonds.

 

-

T) base pair share two H

-

Thymine (A

-

Adenine

:  

Crick rules
                      Guanine-Cytosine (G-C) base pair share three H- bonds.                                                 
*  G:C- rich regions of DNA are more stable.                                                                                              
*  Because of base pairing, the polynucleotide chains in double-stranded DNA are                          
    complementary to each other
.                                                                                                                

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

 

85

 

* As a result, the base composition of DNA from different cellular sources is not  random:            
   the amount of adenine equals that of thymine, and the amount of cytosine equals that of         
   guanine, [A] = [T] and [G] = [C] [purines] = [pyrimidines]. For example, if a source of DNA is       
   quoted as being 42% GC, the base composition can be inferred to be: G 21%,C 21%,   A 29%,    
   T 29%.

 

        

double helix. 

three base pairs in the DNA 

* This slide shows a side view of 
   Note the base-pair stacking interactions, the hydrophobic interior, and the      
   phosphates on the exterior.

 

* The DNA double helix can be envisioned as a twisted ladder, the bases           
   make up the rungs of the ladder.                                                                                
* The two sides of the ladder are composed of the sugar projecting from each   
   side of the ladder, at regular intervals.                                                                     
* The nitrogen base projecting from one side is bound to the base projecting     
   from other side by relatively weak hydrogen bonds, the phosphate                   
   components held together by strong phosphodiester bonds

 

 

 

     

               

DNA has different types of helical structure

* A-DNA and B- DNA are both right- handed helices (ones in which the helix    
   spirals in a clockwise direction as it moves away from the observer). They     
   have respectively 11 and 10 base pairs per turn.                                                   
* Z- DNA is a left- handed helix which has 12 base pairs per turn.                      
* Under physiological conditions, most of the DNA in a bacterial or                    
   eukaryotic genome is of the B- DNA form in which each helical strand            
   has a pitch (the distance occupied by a single turn of the helix of 3.4 nm).

 

 

 

  

 

    

A major groove and a minor

 

has two kinds of grooves in a helix.

DNA 

-

B


    groove, and has 10 base pairs per one turn of the double helix.                       
* The "tops" of the bases line the "floor" of the major groove  may provide:                                     
 - a binding sites, so that the regulatory proteins (transcription factors) can recognize the            
   pattern of bases - and also H-bonding possibilities in the major groove

 

* DNA that is overwind or underwind, with fewer than or more than 10 base pairs per turn,  is    

.  

supercoiled

"

  

said to be

   

    

 

 

 

 


background image

 

 

86

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Why a helix? Why not a ladder?

 

The heterocyclic bases have flat surfaces which          

are hydrophobic                                                                  
* To exclude water from between the rings, we             
 should bring the bases closer together                          
* One way to model them closer together is to              
“twist” the ladder into a helix. The base-pair                  
spacing in Ladder is 0.6 nm, while in case of                  
Helix, the base-pair spacing is 0.34 nm. 

 

 

escribe a DNA sequence by writing the sequence of bases of 

It is usual to d
one strand only, and in the 5'       3' direction

 

* As the phosphodiester bonds link carbon atoms number 3' and number 5' of successive sugar 
residues, one end of each DNA strand, the so- called 5‘ end, will have a terminal sugar residue 
in which carbon atom number 5' is not linked to a neighboring sugar residue. The other end is 
defined as the 3' end because of a similar absence of phosphodiester bonding at carbon atom 
number 3' of the terminal sugar residue. The two strands of a DNA duplex are said to be 

because they always associate (anneal) in such way that the 5'        3' direction of 

 

antiparallel
one DNA strand is   the opposite to that of its partner.                                                                            
* This is the direction of synthesis of new DNA molecules during DNA replication, and also of      
   the nascent RNA strand production during transcription. 

 


background image

 

 

87

 

DNA Packaging

 

 

. To package all of this DNA into a tiny cell nucleus, it 

DNA total length is ~2 meters

* The human 

       

. This 

nucleus that is ~ 5 microns in diameter

is coiled at several levels. It is packaged into a 

   
   represents a compression of more than 100,000 fold.                                                                          
* DNA is packed inside the nucleus in association with a number of proteins, which are                 

. Each nucleosome is made up a histone. 

nucleosomes

extensively coiled and folded forming 

   

      

 

* Histone octamer mainly made up     of histones H2A, H2B, H3 and H4. The DNA is wound          
   around a histone protein. About 140-150 DNA bases are wound around each histone core and 

                      

  

next 50 bp  form a spacer element to links one nucleosome to another.

 

e

th

then 

   
* Also interacting with another histone (H1) forming a thicker fibre consisting of six                       
   nucleosomes, known as the solenoid.  

         

 

* The solenoids themselves are organized into chromatin loops, which are attached to a              
   protein scaffold (one of these proteins is the enzyme topoisomerase type II).                             
* Each of these loops contains approximately 100,000 bp or 100 kb of DNA.                                     
* So DNA is a tightly coiled structure. This coiling occurs at several levels:                                          
   -
 the nucleosome,    - the solenoid, and - the 100- kb loops. 

 

       
       
       

    

 

 

 

 


background image

 

 

88

 

Replication of DNA

 

As cells divide, identical copies of DNA must be made and incorporated into the new cells. 

 

During this process of DNA replication:                                                                                                          
- the two DNA strands of each chromosome are unwound by a helicase enzyme                                   
- Each DNA strand directs the synthesis of a complementary DNA strand to generate two daughter 
  DNA duplexes, each of which is identical to parent molecule.                                                                   
-
 Hence, the newly replicated chromosome consists of one old and one new DNA strand.                 
-
 Because each strand of DNA serves as a template for the production of a complementary strand,  
  DNA replication is called semiconservative. 

 

* DNA replication is initiated at specific points called "origins of replication". Starting from          
   such origin, the initiation of DNA replication results in a replication fork, where the parental    
   DNA duplex bifurcates into two daughter DNA duplex.                                                                       

               

, but act individually as 

antiparallel

* As the two strands of the parental DNA duplex are 
   templates for the synthesis of complementary antiparallel daughter strand

 

* The rate of DNA replication in humans about 40-50 nucleotides per second, it is slow.                
* In bacteria the rate is much higher, reaching 500 to 1,000 nucleotide per second.                        
* The human chromosomes have as many as 250 million nucleotides, so it is time-consuming      
   process if it processed linearly, (because in a chromosome of this size, a single round of           
   replication would take almost two months).
 

       

 

- Instead DNA replication in mammalian chromosomes precedes bidirectionally at many             
  different points along the chromosome, the resulting multiple separations of the DNA strands  
  called replication bubbles.                                                                                                                          
- The distance between adjacent replication origins is about 150 kb.                                                  
- The resulting "replication bubbles" then fuse together or merge completing the synthesis of     
   the daughter chromosomes. 

 


background image

 

 

89

 

* The direction of chain growth         
   leading strand
 synthesis and the     
   other daughter strand synthesis      
  (both are in a 5' to 3' direction).    
* DNA polymerase is one of the key 
   replication enzymes. DNA                 
   polymerase 
moves continuously     
   along the leading strand.                 
All DNA polymerases require a        
   primer
 (or a growing DNA chain)     
   with a free 3' OH. 

 

 

The requirements of DNA replication:

 

                                

                                                                                                          

Helicase enzyme

 

1.

       

                 

(or a growing DNA chain) with a free 3' OH.                                            

 

DNA primer

 

2.

                 

phosphate,                        

5’ 

-

includes:  (deoxyadenosin

 

Triphosphate polynucleotides

3. 
    deoxythymidin-5’ phosphate, deoxyguanosine-5’ phosphate, deoxycytidine-5’ phosphate).      
    The triphosphate nucleotides first is cleaved to monophosphate, then added to the end of       
    the new strand.                                                                                                                                            

DNA polymerase enzyme

 

4.

 

 

DNA-Modifying Enzymes

 

1. Nucleases: are enzymes that cut DNA strands by catalyzing the hydrolysis of the                         

                       

                                                                  

, there are two types:

phosphodiester bonds 

    
* Exonucleases: that hydrolyses nucleotides from the ends of DNA strands.                                      
* Endonucleases: 
cut within strands.

 

2. DNA ligases: can rejoin cut or broken DNA strands. Ligases are particularly important in 
lagging strand in bacterial DNA replication, as they join together the short segments of DNA 
produced at the replication fork into a complete copy of the DNA template. They are also used 
in DNA repair and genetic recombination.

  

3. Topoisomerases: are enzymes with both nuclease and ligase activity.                                          
* These enzymes change the amount of supercoiling in DNA.                                                             
* Some of these enzymes work by cutting the DNA helix and allowing one section to                      
   rotate, thereby reducing its level of supercoiling; the enzyme then seals the DNA break.             
* Topoisomerases are required for many processes involving DNA, such as DNA                              
   replication and transcription.

 


background image

 

 

91

 

4. Helicases: are proteins that are a type of molecular motor. They use the chemical energy in 
nucleoside triphosphates, predominantly ATP, to break hydrogen bonds between bases and 
unwind the DNA double helix into single strands.                                                                                    
* These enzymes are essential for most processes where enzymes need to access the DNA 
bases.

 

5. Polymerases: the key replication enzymes ,that synthesize polynucleotide chains from 
nucleoside triphosphates.

 

                                                                      

                   

                                

These enzymes function by:
A. It travels along the single DNA strand (template), adding free nucleotides to the 3' end of the 
new strand. Nucleotides can be added only to the 3' end of the strand, so replication always 
proceeds from the 5' to the 3' end. 

 

B. In addition to adding new nucleotides, DNA polymerase performs part of a proofreading 
activity. Here, the polymerase recognizes the occasional mistakes in the synthesis reaction by 
the lack of base pairing between the mismatched nucleotides. If a mismatch is detected, a 3′ to 
5′ exonuclease activity is done and the incorrect is repair. 

 

* When a DNA replication error is not successfully repaired, a mutation has occurred causing     
   genetic diseases.

 

 

                 

                   

Polymerases are classified according to the type of template that they use: 
* In DNA replication, a DNA-dependent DNA polymerase makes a copy of a DNA sequence.        
* RNA-dependent DNA polymerases are a specialized class of polymerases that copy the             

          

 

viral

which is a 

reverse transcriptase 

 

to DNA. They include,

sequence of an RNA strand in

   

                                  

                                 

retroviruses

enzyme involved in the infection of cells by 

   
* Telomerase: which is required for the replication of telomeres. Telomerase is an                         
   unusual polymerase because it contains its own RNA template as part of its structure. 

 


background image

 

 

91

 

Replication of Bacterial chromosome

 

* The circular E. coli chromosome has one origin of replication (ori).                                                
- Initiation of replication begins with the binding of proteins to the ori sequence act as coalesce, 
  the adjacent DNA is forced to undergo melting into single strands.                                                    
-
 This allows the DNA "helicase" or DNA unwinding enzyme to bind the single-stranded DNA      
  and further unwind the double helix.                                                                                                        
-
 Because DNA synthesis always proceeds in a 5' to 3' direction, and because the two DNA           
  strands are arranged antiparallel with respect to each other, only one of the two newly              
  synthesized strands can be made "continuously" as the DNA polymerase moves away from       
  the origin of replication and more DNA template is exposed. The other strand has to be made   
  "discontinuously
" in short pieces.  

 

* The continuously synthesized strand is called the "leading strand." while the discontinuously  
   strand called the "lagging strand“. 

  

* As further unwinding occurs, another protein "primase" synthesizes a short RNA primer of      
   about 5 nucleotides. Because the primase synthesizes an RNA strand, it is an RNA                       
   polymerase
.The primer provides a free 3' OH end    to initiate DNA synthesis

 

 

 

- Once the RNA primer has been synthesized, DNA polymerase can then bind and begin to         
  synthesize DNA
.                                                                                                                                              
- DNA polymerase catalyzes an attack by the 3' OH on the phosphate of the dGTP,  forming a 3', 
  5'-phosphodiester bond, and releasing two molecules of inorganic phosphate.                              
- All DNA polymerases require a primer (or a growing DNA chain) with a free 3' OH. The new    
  strand of DNA grows in a 5' to 3' direction.

 

* The small pieces of DNA that comprise the lagging strand are called "Okazaki fragments."        
   They are eventually ligated together forming a continuous DNA strand. 

 


background image

 

 

92

 

* As the replication fork moves further, opening up more DNA, another RNA primer has to be     
   synthesized. Each RNA primer on the lagging strand then serves as a starting point for the      
   initiation of DNA synthesis (Okazaki fragment).

 

* The main DNA polymerases required for DNA replication in E. coli are DNA polymerases I, II     
   and III
.                                                                                                                                                           
-
  Both I and III have 5' to 3' polymerizing activity and 3' to 5' proofreading activity.                        
-  DNA polymerase I 
also removes the RNA primer and is also a DNA repair enzyme, and               
   thus require a 3' to 5' exonuclease activity.

 

             

at least five DNA

 

human cells have

DNA polymerases in E.coli, 

 

three

* In contrast to just 

 

(alpha, beta, gamma, delta, epsilon).

 

polymerases

   

  

 

Plasmid

 

* Is an extra-chromosomal DNA molecule separated from the chromosomal DNA, which is          
   capable of replicating independently of the chromosomal DNA.                                                        
-
 In many cases, it is circular and double- stranded.                                                                                
-
 Plasmid usually occurs naturally in bacteria, but are sometimes found in eukaryotic organisms. 
- Plasmids are considered transferable genetic elements or ”replicons" capable of autonomous  
   replication within a suitable host.

 

The major differences between Plasmids and Chromosomes: 

 

* Plasmids have much less base pairs than chromosomes                                                                    
* Are easily transferred                                                                                                                                   
* Usually contain non- essential genes                                                                                                        
* Function can be lost or gained without harming to organism                                                           
* Are usually found in lower organisms

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 10 أعضاء و 201 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل