مواضيع المحاضرة:
background image

 

2

 

Lec.1 DNA STRUCTURE & SYNTHESIS

 

  Nucleic acids are required for the storage and expression of 

genetic information. There are two chemically distinct types of 
nucleic acids: deoxyribonucleic acid (DNA) and ribonucleic 
acid DNA, the storehouse of genetic information 

  The genetic information found in DNA is copied and 

transmitted to daughter cells through DNA replication. The 
DNA contained in a fertilized egg encodes the information 
that directs the development of an organism. This 
development may involve the production of billions of cells. 
Each cell is specialized, expressing only those functions that 
are required for it to perform its role in maintaining the 
organism. Therefore, DNA must be able to not only replicate 
precisely each time a cell divides, but also to have the 
information that it contains be selectively expressed. 
Transcription (RNA synthesis) is the first stage in the 
expression of genetic information. 

  Next, the code contained in the nucleotide sequence of 

messenger RNA molecules is translated, thus completing gene 
expression. This flow of information from DNA to RNA to 
protein is termed the "central dogma of molecular biology" 

 

The eukaryotic cell cycle  

  The events surrounding DNA replication and cell division 

(mitosis) are coordinated to produce the cell cycle. The period 
preceding replication is called the G1 phase (Gap1). 

  DNA replication occurs during the S (synthesis) phase. 

Following DNA synthesis, there is another period (G2 phase, 
Gap2) 
before mitosis (M). Cells that have stopped dividing, 
such as mature neurons, are said to have gone out of the cell 
cycle into the GO phase. 
 

STRUCTURE OF DNA  

  DNA is a polydeoxyribonucleotides that contains many 

nucleotides covalently linked by 3-5 phosphodiester bonds. 
DNA exists as a double-stranded molecule, in which the two 
strands wind around each other, forming a double helix.  

  Nucleotides are composed of a nitrogenous base, a pentose 

monosaccharide, and one, two, or three phosphate groups. The 
nitrogen-containing bases belong to two families of 
compounds: the purines and the pyrimidines.  

  Both DNA and RNA contain the same purine bases: adenine 

(A) and guanine (G). Both DNA and RNA contain the 
pyrimidine cytosine (C), but they differ in their second 
pyrimidine base: DNA contains thymine (T), whereas RNA 
contains uracil (U). DNA is found associated with various 
types of proteins (known collectively as nucleoprotein, 
present in the nucleus, 

  

  3-5phosphodiester bonds  

3-5 phosphodiester bonds bonds join the 5'-hydroxyl group of 
the deoxypentose of one nucleotide to the 3'-hydroxyl group 
of the deoxypentose of an adjacent nucleotide through a 
phosphate group 

 

  Double helix  

  The two chains of DNA are coiled around a common axis 

called the axis of symmetry. The chains are paired in an 
antiparallel manner, that is, the 5'-end of one strand is paired 
with the3'-end of the other strand 

  The spatial relationship between the two strands in the helix 

creates a major (wide) groove and a minor (narrow) groove. 
These grooves provide access for the binding of regulatory 
proteins to their specific recognition sequences along the DNA 
chain. Certain anticancer drugs, such as  actinomycin D), exert 
their cytotoxic effect by intercalating into the narrow groove 
of the DNA double helix, thus interfering with RNA and DNA 
synthesis. 
 

  Base pairing:  

  The bases of one strand of DNA are paired with the bases of 

the second strand, so that an adenine is always paired with a 
thymine and a cytosine is always paired with a guanine 
Therefore, one polynucleotide chain of the DNA double helix 
is always the complement of the other. Given the sequence of 
bases on one chain, the sequence of bases on the 
complementary chain can be determined .in any sample of 
double-stranded DNA, the amount of adenine equals the 
amount of thymine, the amount of guanine equals the amount 
of cytosine, and the total amount of purines equals the total 
amount of pyrimidines . 

  The base pairs are held together by hydrogen bonds:  

two hydrogen bonds between A and T and 
three hydrogen bonds between G and C.These hydrogen 
bonds, plus the hydrophobic interactions between the stacked 
bases, stabilize the structure of the double helix. 

 

  Separation of the two DNA strands in the double helix; 

The two strands of the double helix separate when hydrogen 
bonds between the paired bases are disrupted. 

A SYNTHESIS

  When the two strands of the DNA double helix are separated, 

each can serve as a template for the replication of a new 
complementary strand. This produces two daughter molecules, 
each of which contains two DNA strands with an antiparallel 
orientation. This process is called Semiconserative 
replication 
because, although the parental duplex is separated 
into two halves (and, therefore, is not "conserved" as an 
entity), each of the individual parental strands remains intact 
in one of the two new duplexes. 


background image

 

3

 

  The enzymes involved in the DNA replication process are 

template-directed polymerases that can synthesize the 
complementary sequence of each strand with extraordinary 
fidelity. 

A. Separation of the two complementary DNA strands  

  In order for the two strands of the parental double helical 

DNA to be replicated, they must first separate at least in a 
small region, because the polymerases use only single-
stranded DNA as a template. 

 

  Replication begins at multiple sites along the DNA helix 

(These sites include a short sequence composed almost 
exclusively of AT base pairs. [This is referred to as a 
consensus sequence, because the order of nucleotides is 
essentially the same at each site.] Having multiple origins of 
replication provides a mechanism for rapidly replicating the 
great length of the DNA molecules 
 

 

B. 

Formation of the replication fork 

 

 

As the two strands unwind and separate they form a 
"V" where active synthesis occurs. This region is called the 
replication fork.it moves along the DNA molecule as 
synthesis occurs. Replication of double-stranded DNA is 
bidirectional that is, the replication forks move in both 
directions away from the origin.

 

 

1)  Proteins required for DNA strand separation:  
Initiation of DNA replication requires the recognition of the 
origin of replication and/or the replication fork by a group of 
proteins These proteins are responsible for maintaining the 
separation of the parental strands, and for unwinding the 
double helix ahead of the advancing replication fork. These 
proteins include the following: 

a)  DnaA protein:  

Twenty to fifty monomers of dnaA protein bind to specific 
nucleotide sequences at the origin of replication, which is 
particularly rich in AT base pairs. This process causes the 
double-stranded DNA to melt and the strands separate, 
forming localized regions of single-stranded DNA. 

b)  Single-stranded DNA-binding (SSB) proteins:  

Also called helix-destabilizing proteins, these bind only 
to single-stranded DNA. These proteins have many 
functions ; they  keep the two strands of DNA separated in 
the area of the replication origin, thus providing the single-
stranded template required by polymerases, also they 
protect DNA from nucleases that cleave single-stranded 
DNA. 

c)  DNA helicases: These enzymes bind to single-stranded 

DNA near the replication fork, and then move into the 
neighboring double-stranded region, forcing the strands 
apart, unwinding the double helix. Helicases require 

energy provided by ATP. When the strands separate, SSB 
proteins bind, preventing reformation of the double helix. 

 

Figure 29.16 Elongation of the leading and lagging strands. 

 
2)  Solving the problem of supercoils:  
As the two strands of the double helix are separated, a 
problem is encountered ,which is  the appearance of positive 
supercoils 
(also called supertwists) in the region of DNA 
ahead of the replication fork. The accumulating positive 
supercoils interfere with further unwinding of the double 
helix, to solve this problem, there is a group of enzymes called 
DNA which are responsible for removing supercoils in the 
helix.  
Type I DNA topoisomerases reversibly cut a single strand of 
the double helix. They have both nuclease (strand-cutting) 
and ligase (strand-resealing) activities.  
Type II DNA topoisomerases bind tightly to the DNA double 
helix and make transient breaks in both strands. The enzyme 
then causes a second stretch of the DNA double helix to pass 
through the break and, finally, reseals the break  
 

 

C. Direction of DNA replication

 

1)  Leading strand: The strand that is being copied in the 

direction of the advancing replication fork is called the leading 
strand and is synthesized almost continuously.  

2)  Lagging strand: The strand that is being copied in the 

direction away from the replication fork is synthesized 
discontinuously,
 with small fragments of DNA being copied 
near the replication fork. These short stretches of 
discontinuous DNA, termed okazaki fragments, are 
eventually joined to become a single,continuous strand. The 
new strand of DNA produced by this mechanism is termed the 
lagging strand 
 

 

D. RNA primer  

DNA polymerases cannot initiate synthesis of a 
complementary strand of DNA on a totally single-stranded 
template. Rather, they require an RNA primer which is a 
short, double-stranded region consisting of RNA base-paired 
to the DNA template. 
 


background image

 

4

 

1)  Primase: A specific RNA polymerase, called Primase 

synthesizes the short stretches of RNA (approximately ten 
nucleotides long) that are complementary and antiparalle to 
the DNA template. in  the resulting hybrid duplex, the U in 
RNA pairs with A in DNA. These short RNA sequences are 
constantly being synthesized at the replication fork on the 
lagging strand, but only one RNA sequence at the origin of 
replication required on the leading strand.  

2)  primosome Prior to the beginning of RNA primer synthesis on 

the lagging strand, a complex of several proteins assembled 
and binds to the single strand of DNA, displacing some of the 
single-stranded DNA-binding proteins. This protein complex, 
plus primase is called the primosome. initiates Okazaki 
fragment formation by moving along the template for the 
lagging strand , periodically recognizing specific sequences of 
nucleotides that direct it  to create an RNA primer. 

 

E. Chain elongation  

DNA polymerases elongate a new DNA strand by adding 
deoxyribonucleotides, one at a time, to the 3'-end of the 
growing. The sequence of nucleotides that are addeds dictated 
by the base sequence of the template strand with which the 
incoming nucleotides are paired. 

1)  DNA polymerase  
     DNA chain elongations catalyzed by Using the 3'-hydroxy 

group of the RNA primer as the acceptor of the first 
deoxyribonucleotide, DNA polymerase  begins to add 
nucleotides along the single-stranded template that specifies 
the sequence of bases in the newly synthesized chain. 

2)  Proofreading of newly synthesized DNA:  
     Is highly important for the survival of an organism that the 

nucleotide sequence of DNA be replicated with as few errors 
as possible. Misreading of the template sequence could result 
in perhaps lethal mutations. To ensure replication fidelity, 
DNA polymerase  has, in addition to its polymerase activity, a 
"proofreading" activity, As each nucleotide is added to the 
chain, DNA polymerase checks to make certain the added 
nucleotide is, in fact, correctly matched to its complementary 
base on the template. IF it is not, the exonuclease activity edits 
the mistake.  

 

F. Excision of RNA primers and their 
replacement by DNA 
 

DNA polymerase continues to synthesize DNA on the 
lagging strand until it is blocked by proximity to an RNA 
primer. RNA primers are removed by RNASE H and the gap 
filled by DNA polymerase I 
 

 

G. DNA ligase  

The final phosphodiester linkage between the 5'-phosphate 
group on the DNA chain and the 3'-hydroxyl group on the 
chain is catalyzed by DNA ligase  
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

5

 

 

Figure 29.31 Key concept map for DNA structure, 
replication, and repair. NHEJ = nonhomologous end-
joining; HR = homologous recombination.

 
 
 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 103 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