audioplayaudiobaraudiotime

background image

1

 

 

 

 

 

Microbial Genetics 

       The  science  of  genetics  defines  and  analyzes  heredity  of  the  vast  array  of 

structural and physiologic functions that form the properties of organisms.

 

The basic unit of heredity is the gene, a segment of deoxyribonucleic acid (DNA

that  encodes  in  its  nucleotide  sequence  information  for  a  specific  physiologic 

property.

 

DNA as the fundamental element of heredity was suggested in the 1930s 

from  a  seminal  experiment  performed  by  Frederick  Griffith.  MacLeod,  and 

McCarty discovered that DNA was the transforming agent. 

 

Nucleic acid Structure 

Genetic  information  in  bacteria  is  stored  as  a  sequence  of  DNA  bases,  The 

orientation  of  the  two  DNA  strands  is  antiparallel.  One  strand  is  chemically 

oriented  in  a  5′→3′  direction,  and  its  complementary  strand  runs  3′→5′.  The 

complementarity of the bases enables one strand (template strand) to provide the 

information for copying or expression of information in the other strand (coding 

strand). 

Microbiology

 

Medical bacteriology

 

  Dr. Zainab D. Degaim 

 

 


background image

2

 

 

  Nucleic acids are large polymers consisting of repeating nucleotide units. 

  Each  nucleotide  contains  one  phosphate  group,  one  pentose  or 

deoxypentose sugar, and one purine or pyrimidine base.  

  In DNA the sugar is D-2-deoxyribose; in RNA the sugar is D-ribose.  

  In  DNA  the  purine  bases  are  adenine  (A)  and  guanine  (G),  and  the 

pyrimidine bases are thymine (T) and cytosine (C).  

  In RNA, uracil (U) replaces thymine.  

  The  repeating  structure  of  polynucleotides  involves  alternating  sugar  and 

phosphate  residues,  with  phosphodiester  bonds  linking  the  3'-hydroxyl 

group  of  one  nucleotide  sugar  to  the  5'-  hydroxyl  group  of  the  adjacent 

nucleotide  sugar.  A  purine  or  pyrimidine  base  is  linked  at  the  1'-carbon 

atom of each sugar residue and projects from the repeating sugarphosphate 

backbone.  

  Double-stranded  DNA  is  helical,  and  the  two  strands  in  the  helix  are 

antiparallel.  The  double  helix  is  stabilized  by  hydrogen  bonds  between 

purine and pyrimidine bases on the opposite strands.  

  A on one strand pairs by two hydrogen bonds with T on the opposite strand, 

or  G  pairs  by  three  hydrogen  bonds  with  C.  The  two  strands  of  double-

helical DNA are, therefore, complementary.  

  Ribonucleic  acid  (RNA)  most  frequently  occurs  in  single-stranded  form. 

The  uracil  base  (U)  replaces  thymine  base  (T)  in  DNA,  so  the 

complementary bases that determine the structure of RNA are A-U and C-

G.  

  The  most  general  function  of  RNA  is  communication  of  DNA  gene 

sequences  in  the  form  of  messenger  RNA  (mRNA)  to  ribosomes.  These 

processes are referred to as transcription and translation. mRNA (referred 

to as +ssRNA) is transcribed as the RNA complement to the coding DNA 

strand. This mRNA is then translated by ribosomes. The ribosomes, which 

contain both ribosomal RNA (rRNA) and proteins, translate this message 

Figure 2

 


background image

3

 

 

into  the  primary  structure  of  proteins  via  aminoacyl-transfer  RNAs 

(tRNAs). 

 

The Eukaryotic Genome 

  The genome is the totality of genetic information in an organism. Nearly all 

of  the  eukaryotic  genome  is  carried  on  two  or  more  linear  chromosomes 

separated from the cytoplasm within the membrane of the nucleus.  Diploid 

eukaryotic cells contain two homologues (divergent evolutionary copies) of 

each chromosome.  

  Eukaryotic  cells  contain  mitochondria  and,  in  the  case  of  plants, 

chloroplasts. Within each of these organelles is a circular molecule of DNA 

that contains a few genes whose function relates to that particular organelle. 

  Many  yeast  contain  an  additional  genetic  element,  an  independently 

replicating  2-μm  circle  containing  about  6.3  kbp  of  DNA.  Such  small 

circles  of  DNA,  termed  plasmids,  are  frequently  associated  with 

prokaryotes. 

 

 


background image

4

 

 

The Prokaryotic Genome 

  Most prokaryotic genes are carried on the bacterial chromosome. And with 

few exceptions, bacterial genes are haploid.  

  The  most  prokaryotic  genomes  (>90%)  consist  of  a  single  circular  DNA 

molecule.  A  few  bacteria  (eg,  Brucella  melitensis,  Burkholderia 

pseudomallei,  and  Vibrio  cholerae)  have  genomes  consisting  of  two 

circular DNA molecules.  

  Many bacteria contain additional genes on plasmids that range in size from 

several  to  100  kbp.  In  contrast  to  eukaryotic  genomes,  98%  of  bacterial 

genomes are coding sequences. 

  Covalently  closed  DNA  circles  (bacterial  chromosomes  and  plasmids), 

which contain genetic information necessary for their own replication, are 

called replicons or episomes

  Some bacterial species are efficient at causing disease in higher organisms 

because  they  possess  specific  genes  for  pathogenic  determinants.  These 

genes  are  often  clustered  together  in  the  DNA  and  are  referred  to  as 

pathogenicity islands

  Transposons  are  genetic  elements  that  contain  several  genes,  including 

those necessary for their migration from one genetic locus to another.  

  The short transposons (0.75–2.0 kbp long), known as insertion elements

produces  the  majority  of  insertion  mutations.  These  insertion  elements 

(also known as insertion sequence [IS] elements) carry only the genes  for 

enzymes  needed  to  promote  their  own  transposition  to  another  genetic 

locus but cannot replicate on their own. 

Replication 

  The  replication  of  bacterial  DNA  begins  at  one  point  and  moves  in  both 

directions (bidirectional replication).  

  In  the  process,  the  two  old  strands  of  DNA  are  separated  and  used  as 

templates to synthesize new strands (semiconservative replication).  


background image

5

 

 

  The structure where the two strands are separated and the new synthesis is 

occurring is referred to as the replication fork.  

  Replication  of  the  bacterial  chromosome  is  controlled,  and  the  number  of 

each chromosomes (when more  than one is present)  per growing cell  falls 

between one and four.  

  The replication of circular double-stranded bacterial DNA begins at the ori 

locus and involves interactions with several proteins. In E coli, chromosome 

replication terminates in a region called ter. The two daughter chromosomes 

are separated, before cell division, so that each progeny cell gets one of the 

daughter DNAs.  

  Similar processes used in the replication of bacterial chromosomes are used 

in the replication of plasmid DNA.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gene expression 

  In both eukaryotic and prokaryotic genomes, genetic information is encoded 

in  DNA,  transcribed  into  mRNA,  and  translated  on  ribosomes  through 

tRNA into the structure of proteins. The mechanism by which the sequence 

of nucleotides in a gene determines the sequence of amino acids in a protein 

is largely similar in prokaryotes and eukaryotes and is as follows: 


background image

6

 

 

1. RNA polymerase forms a single polyribonucleotide strand, called mRNA, using 

DNA  as  a  template;  this  process  is  called  transcription.  The  mRNA  has  a 

nucleotide sequence complementary to a template strand in the DNA double helix 

if read in the 3′–5′ direction. Thus, an mRNA is oriented in a 5′–3′ direction. 

2.  Amino  acids  are  enzymatically  activated  and  transferred  to  specific  adapter 

molecules  of  RNA,  called  tRNA.  Each  adapter  molecule  has  a  triplet  of  bases 

(anticodon)  complementary  to  a  triplet  of  bases  on  mRNA,  and  at  one  end  its 

specific amino acid. The triplet of bases on mRNA is called the codon specific for 

that amino acid. 

3. mRNA and tRNA come together on the surface of the ribosome. As each tRNA 

finds its complementary nucleotide triplet on mRNA, the amino acid that it carries 

is put into peptide linkage with the amino acid of the preceding tRNA molecule. 

The  ribosome  moves  along  the  mRNA  with  the  nascent  polypeptide  growing 

sequentially  until  the  entire  mRNA  molecule  has  been  translated  into  a 

corresponding sequence of amino acids. This process, called translation

Genes of higher eukaryotes are interrupted by introns, (long sequences that do not 

code  for  proteins)  which  are  spliced  out  of  the  RNA  before  translation  (post-

transcription process). 

 

 

 


background image

7

 

 

Mechanisms of Gene Transfer 

The  maintains  of  genetic  variability  in  microbes  through  the  exchange  and 

recombination of allelic forms of genes. Recombination refers to the acquisition 

of  new  segments  of  DNA  from  the  local  environment  or  provided  by  another 

microorganism.  When  the  recombination  takes  place,  new  genes  or  new 

recombination are added to those already present in a microorganism. 

DNA  can  be  transferred  from  one  organism  to  another,  and  that  DNA  can  be 

stably incorporated in the recipient, permanently changing its genetic composition, 

this process is called horizontal gene transfer (HGT) to differentiate it from the 

inheritance  of  parental  genes,  a  process  called  vertical  inheritance.  Three  broad 

mechanisms  mediate  efficient  movement  of  DNA  between  cells:  conjugation, 

transduction, and transformation. 

Conjugation   

  is a one-way transfer of genetic material (usually plasmids) from donor to 

recipient by means of physical contact. Conjugation requires donor cell to-

recipient cell contact to transfer only one strand of DNA.  

  The recipient completes the structure of dsDNA by synthesizing the strand 

that complements the strand acquired from the donor. F

possesses a fertility 

(F)  plasmid,  mediating  the  creation  of  a  sex  pilus  necessary  for  conjugal 

transfer of the F plasmid to the recipient.  

  It  can  integrate  into  chromosomal  DNA,  creating  high-frequency 

recombination  (HFR)  donors  from  which  chromosomal  DNA  is  readily 

transferred. R factor  contain genes conferring drug resistance. Frequently, 

the  resistance  genes  are  carried  on  transposons.  express  resistance 

phenotype through natural selection.  


background image

8

 

 

 

2-  Transduction:  is  phage-mediated  genetic  recombination  in  bacteria.  DNA  is 

carried by a phage coat and is transferred into the recipient cells.  

 

 

3- Transformation: the direct uptake of “naked” donor DNA by the recipient 

cell, may be natural or forced. Forced transformation is induced in the laboratory, 

where,  after  treatment  with  high  salt  and  temperature  shock,  many  bacteria  are 

rendered competent for the uptake of extracellular plasmids. 

 

 


background image

9

 

 

 

Mutation 

       is  the  permanent  alteration  of  the  nucleotide  sequence  of  the  genome  of  an 

organism,  virus,  or  extrachromosomal  DNA  or  other  genetic  elements.  Mutation 

occurs approximately once for any gene in every 1 million cells.

 

It is an induced 

or  spontaneous  heritable  alteration  of  the  DNA  sequence.  The  spontaneous 

mutation  is  a  random  change  in  the  DNA  arising  from  errors  in  replication  that 

occur without a known cause. Induced mutations result from exposure to known 

mutagens, which are primarily physical or chemical agents that damage DNA and 

interfere  with  its  functioning. The  frequency  of  spontaneous  mutations  has  been 

measured  for  a  number  of  organisms.  It  introduces  variability  into  the  gene  and 

changes  in  the  phenotype.

 

Mutation  may  be  caused  by  various  mutagens, 

including  ultraviolet  light,  acridine  dyes,  base  analogues,  and  nitrous  acid.  The 

mutations include base substitutions, deletions, insertions, and rearrangements. 

Nucleotide substitutions: arise from mutagenic activity or the mis-pairing of 

complementary bases during DNA replication. It's often do not significantly 

disrupt the function of gene products.  

Frameshift mutations: result from the insertion or deletion of one or two base 

pairs, disrupting the phase of the triplet-encoded DNA message.

 

Rearrangements are the result of deletions that remove large portions of genes or 

even sets of genes. 


background image

11

 

 

Deletions:  are usually large excisions of DNA, dramatically altering the sequence 

of coded proteins. It may also result in frameshift mutations. 

Insertions: change genes and their products by integration of new DNA via 

transposons.

 

—  The genetic systems (genome) of different living things 

Structure 

Virus 

Bacteria 

Fungus 

Plant 

Animal 

Human 

Nucleus 

—  - 

—  - 

—  + 

—  + 

—  + 

—  + 

Nuclear membrane 

—  - 

—  - 

—  + 

—  + 

—  + 

—  + 

chromosome 

genome 

single 

multiple 

multiple 

multiple 

multiple 

Extra chromosome 

—  -

Plasmid 

mitochondria  chloroplast 

mitochondria 

mitochondria 

mRNA 

mature 

mature 

immature 

immature 

immature 

immature 

DNA 

—  +

/

—  + 

—  + 

—  + 

—  + 

—  + 

Intron 

—  - 

—  - 

—  + 

—  + 

—  + 

—  + 

Histone 

—  - 

—  - 

—  + 

—  + 

—  + 

—  + 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 72 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