CHAPTER.16: [NUCLEIC ACID AND INHERITANCE] · CHAPTER.16: [NUCLEIC ACID ANDINHERITANCE] 1 |P a g e...

CHAPTER.16: [NUCLEIC ACID AND INHERITANCE]

1 | P a g e

Introduction: Life's operating instruction

James Watson and Francis Crick shook the

scientific world by proposing an elegant double-

helical model for the structure of DNA "deoxyribonucleic acid"

Nucleic acids are unique in their ability to direct their own

replication from monomers

The resemblance of offspring to their parents has its basis in the

accurate replication of DNA and its transmission from one

generation to the next

Heredity information in DNA directs the development of your

biochemical, anatomical, physiological, and, to some extent,

behavioral traits

In this chapter >> you will discover how biologists deduced that DNA is the genetic material and how Watson and Crick worked out its structure

You will also learn how a molecule of DNA is copied during DNA replication and how cells repair their DNA

اقترح العالمانJames Watson&Francis Crick لالحلزوني المزدوج ل تركيبالنموذج يوضحDNA

الاحماض النوويةnucleic acids المونمرات( وحدات البناء ف الذاتي لديها باستخدامفريدة من نوعها من حيث قدرتها على توجيه التضاعتعتبر(

ء و الاباء اساسه التضاعف الدقيق للالتشابه بين الابناDNA و انتقاله من جيل لاخر

المعلومات الوراثية الموجودة في ال DNAوجه تطور الشخص من نواحي متعددةت

double-helical model = النموذج الحلزوني المزدوج

unique = فريد - Resemblance = التشابه

Directs = يوجه

أن ال العلماءسوف تكتشف كيف استنتج >>شابتر في هذا ال DNA على تصميم نموذج يوضح تركيب ة وكيف عمل واتسون وكريك هو المادة الوراثي

DNAال

تتم عملية مضاعفة جزيئات ال سوف تتعلم أيضا كيف وDNA و كيف تقوم الخلايا باصلاح الDNA الخاص بها خلال عملية التضاعف


2 | P a g e

Concept 16.1: DNA is the genetic material

Early in the 20th century, the identification of the molecules of inheritance was a major

challenge to biologists

o The search for the genetic material:

Scientific inquiry

T.H. Morgan's group showed that genes exist as parts of

chromosomes >> the two chemical components of

chromosomes (DNA & protein) emerged as the leading

candidates for the genetic material

The role of DNA in heredity was first discovered by studying

bacteria and the viruses that infect them

Evidence that DNA can transform bacteria

Frederick Griffith was studying Streptococcus pneumonia

>> "a bacterium that causes pneumonia in mammals"

Griffith had two strains (varieties) of the bacterium >> one pathogenic (disease-causing)

and one nonpathogenic (harmless) – “see the experiment in the next page”

He was surprised to find that when he killed the pathogenic bacteria with heat and then

mixed the cell remains with living bacteria of the nonpathogenic strain >> some of the

living cells became pathogenic >> this newly acquired trait was inherited by all the

descendants

المكونين الكيمائيين للكروموسومات و هما ال كما //الكروموسومات من أجزاء عبارة عن هي الجينات أن مورغان مجموعة أظهرت(DNA والبروتين )

هما المادة الوراثية مرشحان بارزان لان يكونا يعتبران

تم اكتشاف دور الDNA في الوراثة من خلال دراسات اجريت على البكتيريا و الفيروسات

في بدايت القرن العشرين كان التحدي الرئيسي الى واجه العلماء هو تحديد ما هي الجزيئات الوراثية بالزبط التي تنتقل من جيل لاخر

leading = رئيسي

candidates = مرشحين

emerged = برز

كان العالمFrederick Griffith يدرس الStreptococcus pneumonia الثدييات في الرئوي الالتهاب تسبب وهي بكتيريا

و اخرى غير مسببة واحدة مسببة للمرض >>صنفين من البكتيريا هذا العالم استخدم

فوجد بان بعض افراد البكتيريا الحية >--ثم مزج ما تبقى منها مع البكتيريا الغير مسببة )الحية( >--قام هذا العالم بقتل البكتيريا المسببة للمرض بالحرارة

للمرض كما تم توريث هذه الصفة لجميع نسل هذه البكتيريا المتحولة )الغير مسببة( اصبحت مسببة

pneumonia = التهاب رئوي

Pathogenic = مسببة للمرض

Nonpathogenic = غير مسسبة للمرض

acquired trait = مكتسبة صفة


3 | P a g e

some chemical component of the dead pathogenic cells caused

this heritable change >> the identity of the substance was not

known

Griffith called the phenomenon transformation >> now defined as a change in genotype and phenotype due to the assimilation of external DNA by a cell)

Later work by Oswald Avery, Maclyn McCarty, and Colin Macleod identified the transforming

substance as DNA

o Evidence that viral DNA program cell

Additional evidence that DNA was the genetic material came

from studies of bacteriophages or phages >> viruses that infect

bacteria

Viruses are much simpler than cells A viruses >> is DNA or RNA enclosed

by protective coat, which is often simply protein

A virus must infect a cell and take over the cell’s metabolic machineryto

produce more viruses

: التجربة تتلخص باربع عمليات حقن للبكتيريا في الفئران

فان الفار سيموت >>عند حقن الفار بخليط من البكتيريا الممرضة المقتولة حراريا و البكتيرا الغير ممرضة >>الحالة الاولى (1

فان الفار سيعيش >>عند حقن الفار بالبكتيريا الممرضة المقتولة حراريا >>الحالة الثانية (2

فان الفار سيعيش >>عند حقن الفار بالبكتيريا الغير ممرضة >>الحالة الثالثة (3

فانه سيموت >>عند حقن الفار بالكتيريا الممرضة >>الحالة الرابعة (4

لاحقا العلماء لكن هوية هذه المكونات لم تكون معروفة بعد, حيث حددها و سبب ذلك ان احد المكونات الكيميائية للبكتيريا المسببة ادى الى هذا التغير

(Oswald Avery, Maclyn McCarty, and Colin Macleodعلى انه )ال اDNA

دعاالعالم Frederick Griffith هذه الظاهرة بظاهرة التحولtransformation الوراثي التركيب تغييرفي و التي اصبحت تعرف الان على انها

خارجي DNAالخليه ل امتصاص بسبب الظاهري والنمط

Identity = هوية

Transformation = التحول

Assimilation = امتصاص

ال أن على إضافي دليلDNAدراسات على ال من جاء الوراثية المادة هي bacteriophages او ال

phages البكتيريا تصيب وهي فيروسات

هي عبارة عنفالفيروسات أبسط بكثيرمن الخلايا<< DNA اوRNA محاطة بغلاف بروتيني , و لتتكاثر

الايض فيهاعمليات ان تسيطر على الفيروسات فان عليها ان تصيب الخلايا و

Bacteriophages = فيروسات تهاجم البكتيريا

Infect = تصيب - take over = تستولي


4 | P a g e

Alfred Hershey and Martha Chase performed experiments showing

that >> DNA is the genetic material of a phage known as T2

T2 This is one of many phages that infect Escherichia coli (E.coli)

>> "E.coli = a bacterium that normally lives in the intestine of mammals and is a model organism for

molecular biologists"

T2 was composed almost entirely of DNA & protein

The T2 phage could quickly turn an E.coli cell into a T2-producing factory that released many

copies of new phages when the cell ruptured

Somehow, T2 could reprogram its host cell to produce viruses. But which viral component—

protein or DNA—was responsible??????

Hershey and Chase answered this question by devising an experiment showing that only one of the two components of T2 actually enters the E. coli cell during infection – the experiment is shown below

In their experiment >> they used a radioactive isotope of sulfur (35S)

to tag protein in one batch of T2 and a radioactive isotope of

phosphorus (32P) to tag DNA in a second batch

❶Protein contains sulfur radioactive sulfur atoms were incorporated only into the

protein of the phage.

❷nearly all the phage's phosphorus is in its DNA the atoms of radioactive phosphorus labeled only the DNA

In the experiment, separate samples of nonradioactive E.coli cells were infected with the

protein-labeled and DNA- labeled batches of T2

The researchers then tested the two samples shortly after the onset infection to see which

type of molecule—protein or DNA—had entered the bacterial cells and would therefore be

capable of reprogramming them

قام العالمان Alfred Hershey & Martha Chaseتبين أن ال بعدة تجاربDNA هوالمادة الوراثية في الفيروس المعروف باسمT2

T2 << لتي تصيب ال اهو واحد من العديد من الفيروساتE.coli و هي نوع من البكتيريا التي تعيش عادة في أمعاء الثدييات

ال T2 بالكامل يتكون منDNA بروتيناتو

الT2 ة برمجة هذه الخلية المضيفة )الخلية حيث انه يقوم باعاد يحول الخلية البكتيرية التي هاجمها الى مصنع يقوم بانتاج العديد من نسخ هذا الفيروس

( بدخل لداخل البكتيريا و يتسبب DNAاحد مكوناته )البروتين او –يعني الفيروس بهاجم البكتيريا >>المضيفة = الخلية التي هاجمها = خلية البكتيريا(

بعد ذلك تنفجر خلية البكتيريا و تطلق النسخ الفيروسية نحو الخارج –في جعل الخلية تنتج العديد من نسخ هذا الفيروس

ولكن السؤال المطروح هو ان اي جزء من الT2 هو المسؤول عن ذلك البروتين ام الDNA قيام هاذين العالمين بتجربتهما تمت اجابة السوال من خلال

التجربة مشروحة في الاسفل –ية البكتيرية التي تبين ان واحد فقط من مكوني الفيروس قد دخل الى داخل الخل

Factory = مصنع

Ruptured = منفجرة

host cell = الخلية المضيفة

البكتيريا و ال( في هذه التجربة استخدم العالمان نظائر مشعة من اجل صبع مكونات الفيروسDNA )<< حيث تم صبغ البروتينات ياستخدام نظائر

يحتوي على معظم فسفور DNA)لان البنظائر الفسفور المشعة DNAو تم صبغ ال // (البروتين يحتوي على الكبريت)لان الكبريت المشعة

فيها بعد ذلك تم DNAمجموعة تم صبغ البروتينات فيها و مجموعة اخرى تم الصبغ ال >>بالتالي اصبح لديهم مجموعتين من الفيروس – الفيروس(

تمت مهاجمتها من قبل 2العينة –تمت مهاجمتها من الفيروس الذي يحمل بروتينات مصبوغة 1العينة >>من البكتيريا احضار عينيتين منفصلتين

مصبوغة DNAالفيروس الذي يمتلك

ال ماختبرالباحثون العينتين بعد فترة وجيزة من الإصابة لمعرفة فيما اذا كان البروتين اDNA و كان قادرا على اعادة هو من دخل الخلايا البكتيرية

برمجتها

Batch = مجموعة

Tag = وضع علامة

Incorporated = يتحد

Onset = بدء


5 | P a g e

Hershey and Chase found that the phage DNA entered the host cells but the phage protein did not

Moreover, when these bacteria were returned to a culture medium and the infection ran its course, the E. coli released phages that contained some radioactive phosphorus. This result further showed that the DNA inside the cell played an ongoing role during the infection process

They concluded that the DNA injected by the phage must be the molecule carrying the genetic information that makes the cells produce new viral DNA and proteins

شرح التجربة<<< :

تم صبغ ال 2تم صبغ بروتيناتها // مجموعة 1مجموعة >--في التجربة لدينا مجموعتين من الفيروساتDNA فيها

الثانية من الفيروسات تهاجم الخلية من افيرزسات تهاجم احدى الخليتين // ثم سنجعل المجموعة 1سنجعل المجموعة –ايضا لدينا خليتين بكتيريا

)جهاز centrifugeبعد ذلك نفصل هذا الخليط بواسطة ال –في كلا العمليتين سوف نستخدم الخلاط لخلط البكتيريا و الفيروس >>البكتيرية الاخرى

ة السائئلةتمثل المادة التي لم تدخل للبكتيريا // المادة الطبق >>( pellet( و طبقة راسبة )liquidطبقة سائلة ) >>الطرد المركزي( ليتكون لدينا طبقتين

الراسبة تمثل المادة التي دخلت للبكتيريا

مجموعة الفيروسات الاولى )التي تمتلك بروتينات مصبوغة( هاجمت الخلية البكتيرية الاولى بعد ذلك تم –القسم الاول >--التجربة مقسمومة لقسمين

–بعد ذلك وضعنا الخليط في انبوب –)جهاز الطرد المركزي( centrifugeبعد ذلك تم فصل الخليط الى طبقتين بواسطة ال --خلطهما داخل خلاط

اذن البروتينات هي ليست المكون >>البروتينات المصبوعة بلون مميز كانت موجودة في الطبقة السائلة >>راسبة تكون طبقيتن: طبقة سائلة و طبقة

نمر بنفس –مصبوغة( هاجمت الخلية البكتيرية الاخرى DNAالمجموعة الثانية من الفيروسات )التي تمتلك –الذي دخل البكتيريا // القسم الثاني

المصبوغة بلون مميز موجودة في الطبقة DNAفي نهاية نشاهد طبقتين في الانبوب و نلاحظ وجود ال >>في القسم الاول الخطوات التي مررنا بها

هو المكون الذي دخل الخلية البكتيرية DNAالراسبة و بذلك تم استنتاج ان ال

Hershey & Chase ال أن وجداDNA و ليس البروتين هو من تمكن من دخول الخلايا المضيفة

فان ال و اخذت العدوى مسارها وسط النموهذه البكتيريا إلى عندما تم اعادةعلاوة على ذلكE.coli اطلقت نسخ فيروسية تحتوي على الفسفور المشع

خلال العدوى وهذه النتيجة أظهرت أيضا أن الحمض النووي داخل الخلية لعب دورا مستمرا

ان ال >>اسنتنج هاذان العالمان ايضاDNA الفيروس التي تم دخلت الى داخل الخلية البكتيرية يجب ان تحمل كل المعلومات الوراثية اللازمة لصناعة

جديدة )يعني صناعة نسخ جديدة من الفيروس( DNAبروتينات جديدة و


6 | P a g e

o Additional evidence that DNA is the genetic material

DNA is a polymer of nucleotides, each consisting of three

components: ❶a nitrogenous base, ❷a pentose sugar

called deoxyribose, and ❸a phosphate group

The base can be adenine (A), thymine (T), guanine (G), or

cytosine (C)

Chargaff analyzed the base composition of DNA from a number of different organisms -- In 1950 Erwin Chargaff reported that:

1) The base composition of DNA varies from one species to another >>For example, he found that 32.8% of sea urchin DNA nucleotides have the base A, whereas 30.4% of human DNA nucleotides have the base A and only 24.7% of the DNA nucleotides from the bacterium E. coli have the base A.

2) For each species, the percentage of A & T bases is roughly equal and the percentage of G &

C bases also is roughly equal >> (% A = % T --- % C = % G)

These two findings (1 & 2) became known as Chargaff's rules

The basis for these rules remained unexplained until the discovery of the double helix

ال DNA سكر خماسي و 2-قاعدة نيتروجينية و 1- :عناصر و هيهوعبارة عن مجموعة كبيرة من النيوكليوتيدات و كل نيوكليوتيد يتألف من ثلاثة

(C) أوالسيتوسين(G) اوجوانين (T) اوثايمين (A) أدينينالقواعد النيتروجينية = مجموعة فوسفات ,, 3-

قام العالمErwin Chargaff بتحليل مكونات القاعدة النيتروجينية للDNA لعدد من الكائنات الحية المختلفة

توصل 1950 في عامChargaff مكونات ال( 1:الى نقطتينDNA مثلا نسبة الادنين من حيث نسبة القواعد النيتروجينية تختلف من نوع إلى آخر(

نواع الابالنسبة لكل ( 2 -- 24.75اما نسبتها في البكتيريا فتساوي %30.4اما نسبة الادنين في الانسان فتبلغ %32.8في القنافذ البحرية تبلغ حوالي

متساوية تقريبا G & Cمتساوية تقريبا والنسبة بين A & T بشكل منفصل فان النسبة بين القاعدتين

أصبحت تعرف باسم قواعد ( 2 و 1)هذه النتائجChargaff هذه القواعد بقيت غير واضحة حتى تم اكتشاف النموذج الحلزوني المزدوج الخاص للDNA

sea urchin = القنفذ البحري


7 | P a g e

o Building a structural model of DNA—Scientific inquiry—

Maurice Wilkins and Rosalind Franklin were using a

technique called X-ray crystallography to study molecular

structure

Images produced by X-ray crystallography aren't actually

pictures of molecules

The spots and smudges (in the figure) were produced by X-rays that

were diffracted as they passed through aligned fibers of purified DNA

Watson was familiar with the type of X-ray diffraction pattern that

helical molecules produce an examination of the photo confirmed

that DNA was helical in shape

The X-ray images also enabled Watson to deduce the width of the

helix and the spacing of the nitrogenous bases

The pattern in this photo implied that the helix was made up of two strands, contrary to a

three-stranded model that Linus Pauling had proposed a short time earlier

The presence of two strands accounts for the now-familiar term double helix

Watson and Crick began building models of a double helix that would conform to the X-ray measurements and what was then known about the chemistry of DNA

قام العالمانMaurice Wilkins & Rosalind Franklin بدراسة البنية التركيبية للجزيئات باستخدام تقنية

X-ray crystallographyالاشعة السينية و التي تدعى بال

الصورالتي تنتجها البلورات بالأشعة السينية في الواقع هي ليست صور للجزيئات

السينية ظهرت بواسطة الأشعة( الشكل في الاعلىكما هو موضح في ) البقع واللطخات التي ظهرت في الصورة

المتراصة DNAالتي حادت )انحرفت( اثناء مرورها من خلال الياف ال

spots and smudges = بقع و لطخات

diffracted = حادت / انحرفت

aligned fibers = الياف متراصة

العالم كانWatsonتأكد من أن الصور الاشعة السينية و بتحليل حلزونية من جزيئات تنتج التي السينية حيودالأشعة نمط بنوع دراية على DNA كانت

حلزونية الشكل

الصور السينية ايضا مكنت العالمWatson من استنتاج عرض الhelix في ال لقواعد النيتروجينةالمسافة الفاصلة بين او كذلكhelix

نمط هذه الصورة يعني ضمنا أن الحلزون يتكون من سلسلتين،خلافا للنموذج الثلاثي السلاسل الذي اقترحه العالمLinus Pauling لفترة قصيرة في

double helixيوصف بانه DNA,, و لهذا السبب )وجود سلسلتين( فان ال ابق الس

بعد ذلك بدا العالمانWatson & Crick ببناء النموذج الحلزوني المزدوج للDNA بما يتلائم بين المعلومات التي تم استنتاجها مع صور الاشعة

DNAالسينية و طبيعة كيمياء ال

Familiar = مالوف

Deduce = استنتج

Implied = تضمن

Contrary = عكس


8 | P a g e

Franklin had concluded that there were two outer sugar-phosphate backbones, with the

nitrogenous bases paired in the molecule’s interior

Franklin's arrangement was appealing because it put the relatively hydrophobic

nitrogenous bases in the molecule's interior, away from the surrounding aqueous solution,

and the negatively charged phosphate groups wouldn't be forced together in the interior

Watson construct a model in which the two sugar-phosphate backbones are antiparallel—

that is, there subunits run in opposite direction

>>You can imagine the overall arrangement as a rope ladder with rigid rungThe side ropes

represent the sugar-phosphate backbones, and the rungs represent pairs of nitrogenous bases.

Now imagine twisting the ladder to form a helix

Franklin's X-ray data indicated that the helix makes one full turn every 3.4 nm along its

length

With the bases stacked just 0.34 nm apart, there are ten 10 layers of base pairs in each full

turn of the helix

استنتجتFranklin ان هيكلي السكر و الفوسفات المكونان للDNA الجزيء يكونان موجودان في الخارج بينما تترتب القواعد النيتروجينة في داخل

لأنها وضعت القواعد النيتروجينية الكارهة للماء في المناطق الداخلية من الجزيء بعيدا عن منطقيا Franklinكان هذا الترتيب الذي وضعته >>>

مائي المحيط به و حتى لا يحدث تنافر بين مجموعات الفوسفات السالبة الشحنة اذا وضعت بالداخلالالمحلول

قام العالم Watson ببناء نموذجه الخاص للDNA السلسلتين المكونتين من سكر و فوسفات يكونان متوازيتين و تسيران و الذي ينص على ان

باتجاهين متعاكسين

الحبال عل ىجانبي السلم تمثل الهيكلين المكونين من سكر و فوسفات والدرجات تمثل >>حبلي مع درجات يمكن تخيل الترتيب العام كما لو انه سلم

أزواج من القواعد النيتروجينية, وبتخيل التواء السلم يظهر الشكل الحلزوني

وأشارت بيانات الأشعة السينية ل Franklin طوله نانو متر من 3.4 كاملة فيكل يكمل دورة النموذج أن

نانومتر عن بعضها البعض فان في كل دورة من النموذج يكون هنالك عشر طبقات من ازواج 0,34بما ان القواعد النيتروجينيه تكون على بعد

القواعد النيتروجينة


9 | P a g e

The nitrogenous bases of the double helix are paired in specific combination: adenine(A)

with thymine(T),,,,, and guanine(G) with cytosine(C)

At first, Watson imagined that the bases paired like with

like—For Ex, A with A and C with C but this model didn't

fit the X-ray data, which suggest that the double helix had a uniform diameter

Each base has chemical side groups that can form H-bonds with

its appropriate partner >>: (A) can form two H-bonds with (T)

and only (T), (G) forms three H-bonds with (C) and only (C)

In the DNA of any organism the amount of adenine equals the amount of thymine, and

the amount of guanine equals the amount of cytosine

The linear sequence of the four bases can be varied in countless ways, and each gene has a

unique base sequence

في ال double helix في تركيبة محددة فالأدينين يرتبط بالثايمين والجوانين مع السيتوسين ترتبط ببعضها ينيةالنيتروج القواعد

في البداية كان Watson يتصوران الارتباط يكون بين القواعد المتماثلة ولكن هذاالنموذج لم يكن يتناسب مع بيانات الأشعة السينية التي تشير إلى أن

تناسقله قطر م double helixال

ال الأدينين والجوانين تصنف منهو ان >>سبب عدم صلاح النموذج السابقpurines اي انها تمتلك حلقتين عضويتين( في حين ان السيتوسين(

ال من اوسع مرتين تكون حواليpurines (A&G )ال بالتالي فان واحدة( حلقة ان لها )ايpyrimidines والثايمين تصنفان من ال

pyrimidines(C&T) ال زوجلذلكpurine-purine وزوج ال جدا واسعpyramidine-pyramidine فالمنطقي لذلك دائما << جدا ضيق

"انظر للرسمة في الاعلى" موحد قطر و ينتج عنهpyrimidine مع purine الارتباط يكون بين

Why is this requirement inconsistent with like-with-like pairing of

bases?

Adenine and guanine are purines >> "nitrogenous bases with two

organic rings", while cytosine and thymine are nitrogenous bases called

pyrimidines>>"which have a single ring" thus purines (A and G) are

about twice as wide as pyrimidines (C and T)

A purine-purine pair is too wide and a pyramidine-pyramidine pair too

narrow to account for the 2-nm diameter of the double helix >> always

pairing a purine with a pyrimidine, results in a uniform diameter

uniform diameter = قطر موحد متناسق

inconsistent = تتعارض

مع شريكها المناسبروابط هيدروجينية كل قاعدة لديها مجموعة كيميائية يمكن أن تشكل( :A ) يمكن

( C)مع ال روابط هيدروجينية تشكل ثلاثة G))فقط , ال (T) مع الأن يشكل رابطتين هيدروجينتين

فقط مما يفسر ارتباط كل زوج من هؤلاء معا

في الDNA من أي كائن كمية الأدينين تساوي كمية الثايمين وكذلك كمية الجوانين تساوي كمية السيتوسين

تحصى وكل جين يكون لديه تسلسل خاص في هذه القواعد تلف و يتنوع بطرق لا تعد ولايختسلسل الأربع قواعد يمكن أن


10 | P a g e


11 | P a g e


1 | P a g e

Concept 16.2: Many proteins work together in DNA replication and repair

o The basic principle: Base pairing to a template

strand

Watson & Crick stated their hypothesis for how DNA

replicates:

Our model for DNA is, in effect, a pair of templates, each of which is complementary to the

other

We imagine that prior to duplication the hydrogen bonds are broken, and the two chains

unwind and separate

Each chain then acts as a template for the formation on to itself of a new companion chain,

so that eventually we shall have two pairs of chains, where we only had one before >>

moreover, the sequence of the pairs of bases will have been duplicated exactly

العالمان وضعWatson & Crick فرضية عن كيفية تضاعف الDNA --- نموذج الDNA ةكل منها مكملعبارة عن سلسلتين في الواقع الذي لدينا هو

و تنفصلان البعض عن بعضهما بين هاتين السلسلتين و تتباعد قبل التضاعف تتكسر الروابط الهيدروجينية >>>ى للاخر

واحد فقط بحيث في النهاية سيكون لدينا زوجين من السلاسل حيث كان لدينا >>مماثلة و مرافقة لها جديدة تعمل كقالب لتكوين سلسلة منفصلة كل سلسلة

))تسلسل أزواج القواعد المتضاعفة سيكون مطابق للاصل (( من قبل

في البداية يكون جزيء ال >>الرسمةDNA كل سلسلة عبارة عن تسلسل معين من القواعد النيتروجينية و تكون هاتين السلستين –عبارة عن سلسلتين

لهيدروجينية تنفصل السلسلتين اولا بتكسر الروابط ا >>مربوطتين معا بواسطة روابط هيدروجينية بين هذه القواعد )و كل سلسلة تكون مكملة للاخرى(

كل منهما عبارة DNAفي النهاية سيتنج لدينا جزيئين >>بينها فيصبح لدينا سلسلتين منفصلتين كل منهما ستعمل كقالب يتم بناء سلسلة جديدة مكملة له

عن سلسلتين )سلسلة قديمة عملت كقالب و سلسلة جديدة مكملة للقالب( و هاذين الجزيئين مماثلين تماما للجزيء الاصلي قبل التضاعف

Prior = قبل

unwind and separate = تنفصل

template = قالب

companion chain = سلسلة مرافقة


2 | P a g e

Look at this figure again ↓↓↓↓↓↓

When a cell copies a DNA molecule, each strand serves as a template

for ordering nucleotides into a new complementary strand

Nucleotides line up along the template strand according to the base-

pairing rules and are linked to form the new strands

Where there was one double-stranded DNA molecule at the beginning of the process, there

are soon two, each an exact replica of the "parental" molecule

Three alternative models of DNA replication:

❶ Conservative mode >> the two parental strands

somehow come back together after the process (that is, the

parental molecule is conserved)

❷ Semi-conservative model (Watson & Crick

model) >> when a double helix replicates, each of the

two daughter molecules will have one old strand, from the

parental molecule, and one newly made strand

❸ Dispersive model >> all four strands of DNA

following replication have a mixture of old and new DNA

تقوم خلية بمضاعفة جزيء ال عندماDNA الخاص بها فان كل سلسلة من سلسلتي الDNA تعمل كقالب يساعد في ترتيب نيوكليوتيدات في السلسلة

الجديدة المكملة لها

كما يبين الشكل في الاعلىالنيوكليوتيدات تترتب في السلسة المكملة حسب ترتيب النيوكليوتيدات في القالب وفقا لقواعد الارتباط

في البداية كان لدينا جزيءDNA لى نسختين يتكون من سلسلتين بعد التضاعف نحصل عDNA اربع سلاسل" وكل نسخة تكون مطابقة للجزيء الاصلي"

Strand = سلسلة

line up = تسطف / تترتب

replica = نسخة مطابقة

يوجد ثلاث فرضيات لعملية تضاعف الDNA :

تجتمعان بطريقة او باخرى بعد عملية التضاعف DNAلل الاصليتين نسلسلتيالان ينص على –"النموذج المحافظ" conservative modelال .1

الجزيئين الناتجين يكون يمتلك سلسلتين واحدة من كل فان double helixعند تضاعف ال --"الشبه المحافظ" Semi-conservative model ال .2

Watson & Crick"جديدة" و هذا هو نموذج اخرى وليدة سلسلةاصلية و

DNAالسلاسل من مزيج لديها عف يكونعملية التضا بعدالناتجة DNAال من الأربعةالجزيئات جميع --"نموذج التشتت" dispersive modelال .3

ةوالجديدة القديم


3 | P a g e

Matthew Meselson and Franklin Stahl devised a clear experiment that distinguished

between the three models – the exp. is described below

The results of their experiment supported the semi-conservative model of DNA replication,

as predicted by Watson and Crick

Experiment: Matthew Meselson and Franklin Stahl cultured E. coli for several generations in a medium containing nucleotide precursors labeled with a heavy isotope of nitrogen, 15N. They then transferred the bacteria to a medium with only 14N, a lighter isotope. They took one sample after the first DNA replication and another after the second replication. They extracted DNA from the bacteria in the samples and then centrifuged each DNA sample to separate DNA of different densities

Conclusion: Meselson and Stahl compared their results to those predicted by each of the three models of replication. The first replication in the 14N medium produced a band of hybrid (15N-14N) DNA. This result eliminated the conservative model. The second replication produced both light and hybrid DNA, a result that refuted the dispersive model and supported the semi-conservative model. They therefore concluded that DNA replication is Semi-conservative

قام العالمان Mathew Meselson & Franklin Stahl تميزبين النماذج الثلاثة للتضاعف بتجربة

نتائج تجربتهم دعمت الSemi-conservative model الذي افترضه العالمانWatson & Crick

شرح التجربة<<

( القارورة الثانية تحتوي على نظير 2 ---)ويتميز بانه ثقيل( 15( القارورة الاولى تحتوي على نظير النيتروجين المشع رقم 1 :يوجد لدينا قارورتين

)و يتميز بانه خفيف( 14النيتروجين المشع رقم

ملية التضاعف الاول لهالتمر بعالقارورة الثانية قارورة الاولى و من ثم تم نقلها الىفي البداية تم تنمية البكتيريا في ال

عينة من و بعد ذلك قاموا باخذDNA جهاز الفصل المركزي و من ثم تم وضع بفصلها باستخدام ورها بعملية التضاعف الاول و قامواالبكتيريا بعد مر

تكون موجودة في الانبوب على شكل قطعة تكون موجودة في المنتصف DNAان ال الخليط في انبوب فلاحظوا

ك رجعوا و اخذوا عينة من البعد ذلDNA بعد مرورها بعملية التضاعف الثاني و فصلوها بالطرد المركزي و وضعوها في انبوب فلاحظوا ان الانبوب

احدهما في الاعلى و الاخرى في المنتصف DNAيحتوي على قطعتين من ال

ئج المحتمل ظهورها في نماذج التكاثر الثلاثقام هاذان العالمان بمقارنة نتائج تجربتهما مع النتا >>النتيجة

نتج لديهم قطعة من ال >>في التضاعف الاولDNA تمتلك خليط من النظير الثقيل و النظير الخفيف و هذا الشي يلغى تماما الconservative

model ) انظر للرسمات لتفهم اكثر(

من ال في التضاعف الثاني نتج قطعتينDNA احدهما في المنتصف )تكون خليطة من النظير الثقيل و الخفيف( و الاخرى في الاعلى )تكون مصبوغة

semi-conservative modelبالنظير الخفيف( و هذا يدعم و يؤكد نظرية ال


4 | P a g e

o DNA replication: A close look

The bacterium E.coli has a single chromosome of about 4.6 million nucleotide pairs >> In a favorable environment, an E. coli cell can copy all of this DNA and divide to form two genetically identical daughter cells in considerably less than an hour

Each of your somatic cells has 46 DNA molecules in its nucleus (1 molecule per chromosome).

In all, that represents about 6 billion nucleotide pairs yet it takes one of your cells just a

few hours to copy all of this DNA

This replication of this enormous amount of genetic information is achieved with very few

errors—only about one per 10 billion nucleotide

The copying of DNA is remarkable in its speed & accuracy

More than a dozen enzymes and other proteins participate in DNA replication

Getting started

The replication of a chromosome begins at particular

sites called origins of replication>> "short stretches

of DNA having a specific sequence of nucleotides"

Note: The E.coli chromosome is circular and has a single origin

Proteins that initiate DNA replication recognize this

sequence and attach to the DNA, separating the two

strands and opening up a replication ''bubble''

Replication of DNA then proceeds in both directions

until the entire molecule is copied

ال E.coli ال هذا كل ان تتم عملية نسخ ويمكن نيوكليوتيد زوج مليون 4.6 يتألف من واحد كروموسوم على تحتويDNA وليدتين خليتين وتشكيل

ساعة من أقل في وراثيا متطابقتين

جزيء 46الخلايا الجسمية بالانسان تمتلك من كلDNA بليون زوج نيوكليوتيد و تستغرق عملية مضاعفة واحدة من هذه 6 حواليما يمثل في نواتها

DNAالخلايا بضع ساعات فقط لنسخ كل ال

بليون 10عملية التضاعف بوجود كمية هائلة من المعلومات الوراثية مع عدد قليل جدا من الأخطاء فقط حيث تبلغ نسبة الخطأ خطأ واحد لكل حدثت

نيوكليوتيد

فة الو بذلك فان عملية مضاعDNA كما انها تتضمن وجود عدد كبير من الانزيمات المشاركة في عملية التضاعف هذه //تتميز بسرعتها و دقتها

favorable environment = البيئة المفضلة

enormous amount = كمية هائلة

accuracy = الدقة

تبدأ عملية تضاغف الكروموسوم في مواقع معينة تسمى بالorigin of replication وهي مسافات قصيرة من الDNA تمتلك تسلسل معين من

ةواحد origin منطقة العديد من الكروموسومات البكتيرية الأخرى حلقي ولهمثل E.coliكروموسوم ال // النيوكليوتيدات

تسلسل نيوكليوتيدات في ال التسلسل " المسؤولة عن بدء عملية التضاعف تميزهذا البروتيناتorigin of replication "و ترتبط بالDNA لنتفصل

replication bubblesتسمى بال )انتفاخ( السلسلتين عن بعضهما و تتشكل منطقة انفتاح

تستمر عملية تضاعف الDNA بالكامل الجزيء نسخ يتم حتى الاتجاهين كلا في


5 | P a g e

In contrast to bacterial chromosome, a eukaryotic

chromosome may have hundreds or even a few

thousand replication origins

Multiple replication bubbles form and eventually

fuse, thus speeding up the copying of the very

long DNA molecules

As in bacteria, eukaryotic DNA replication

proceeds in both directions from each origins

ال مناطق من آلاف بضعة حتى أو مئات النواة الخلية الحقيقية كروموسوم يمتلك ،قد البكتيريا كروموسوم من النقيض وعلىreplication origin

يتشكل عدد من الreplication bubbles )و التي تلتحم مع بعضها في نهاية المطاف الامر الذي يؤدي الى تسريع عملية نسخ )عدد من الانتفاخات

originفي الخلايا الحقيقية النواة تستمرفي كلا الاتجاهين من كل منطقة DNAالطويلة , و كما في البكتيريا عملية تضاعف ال DNAجزيئات ال

NOTE: at each end of a replication bubble is a replication fork>> "a Y-shaped regoin

where the parental strands of DNA are being unwound" (each bubble has 2 forks) – see the

yellow colored regoin in the figure below

الreplication fork (هي منطقة على شكل حرف شوكة التضاعف = )Y و هي التي تنفصل عندها سلسلتي الDNA الاصليتين عن بعضهما البعض

"انظر للون الاصفر في الرسمة في الاسفل" --واحدة على كل جانب forks 2يكون لديه bubbleكل --


6 | P a g e

Several kinds of proteins participate in the unwinding:

❶ Helicasesare enzymes that untwist the double helix at the

replication forks, separating the two parental strands and making

them available as template strands

❷ Single-strand binding proteinsafter the parental strands

separate, these proteins bind to the unpaired DNA strands,

keeping them from re-pairing

❸ Topoisomerasethe untwisting of

the double helix causes tighter twisting

and strain ahead of the replication fork.

This protein helps relieve this strain by

breaking, swiveling, and rejoining DNA

strands

أنواع من البروتينات التي تشارك في عملية فك سلاسل ال هناك عدةDNA:

الHelicases وهي انزيمات تعمل على فك الdouble helix عند الreplication forks مما يؤدي الى انفصال سلسلتي ال DNA تصبح كل ل

لتبى عليها سلسلة جديدة سلسلة متاحة لتعمل كقالب

مجموعة من البروتينات تدعى بالsingle-strand binding proteins بسلاسل ال ترتبطDNA بعد انفصالها و تمعنها من ان تعود للارتباط

ببعضها

الdouble helix )ال اماميسبب التواء وتوتر شديد الغير مجدول )السلاسل المفكوكةreplication fork << بروتين يدعىTopoisomerase

انظر للصورة في الاسفل --- DNAاعادة ربط سلاسل ال تدوير و و طريق عمليات كسر يساعد على تخفيف هذا الضغط عن

Untwist = فك

tighter twisting = التواء شديد

strain = ضغط

relieve = يخفف

swiveling = تدوير


7 | P a g e

o Synthesizing a new DNA strand

The enzymes that synthesize DNA can't initiate the synthesis of a polynucleotide; they can only

add DNA nucleotides to the end of an already existing chain that is base-paired with the

template strand

The initial nucleotide chain that is produced during DNA synthesis is actually a short stretch of

RNA, not DNA this RNA chain is called a primer and is synthesized by the enzyme primase

Primase starts a complementary RNA chain from a single RNA nucleotide, adding more RNA

nucleotides one at a time, using the parental DNA strand as a template

The completed primer, generally 5—10 nucleotides long, is thus base-paired to the template

strand

The new DNA strand will start from the 3' end of the RNA primer >> the 3′ end of the primer

serves as the starting point for the new DNA strand

تبني ال التي الانزيماتDNA على نيوكليوتيدات تضيفما تقوم به فقط هو انها , وكليوتيديالن عديدتستطيع بدء عملية صناعة سلسلة لا

قطعة جاهزة تكون مرتبطة بطرف سلسلة القالب )يعني انزيم الصناعة يحتاج لوجود قطعة صغيرة تكون مربوطة مع سلسلة القالب الاصلية

تيدات على هذه القطعة و بالتالي بناء سلسلة جديدة مكملة للقالب( لتاتي انزيمات التصنيع لتقوم باضافة نيوكليو

هذه القطعة الصغيرة تسمى >> ما هي هذه القطعة الصغيرة ؟؟؟primer و هي عبارة عن سلسلة اولية قصيرة من الRNA تصنع

مفرد و يقوم باضفة نيوكليوتيدات RNAحيث ان هذا الانزيم يصنع هذه السلسلة القصيرة من نيوكليوتيد primaseبواسطة انزيم يدعى بال

حيث ان هذه السلسلة ضرورية لبدء عمل انزيمات التصنيع primerاخرى عليه حتى نحصل على سلسلة قصيرة و التي اطلقنا عليها اسم

عليها

الprimer نيوكليوتيدات و تكون هذه القطعة مرتبطة مع سلسلة القالب الاصلية 10 – 5من المكتمل يكون عبارة عن سلسلة

سلسلة الDNA 3الجديدة المكملة تبدأ من طرف ال'end من الRNA primer <<<<<<<< ال(primer عبارة ن سلسلة قصيرة مكونة من

منها هو الذي تعمل عليه انزيمات ’3الطرف >> ’3وطرف ’5القصيرة مثلها مثل اي سلسلة لها طرفين: طرف هذه السلسلة >>نيوكليوتيدات 5-10

و لهذا يعتبر هذا الطرف بانه نقطة البدء لصناعة السلسة primerمن سلسلة ال ’3التصنيع يعني انزيم التصنيع يضيف النيوكليوتيدات على الطرف

الجديدة المكملة(


8 | P a g e

Enzymes called DNA polymerases catalyze the synthesis of new DNA by adding nucleotides

to the 3’ end of a preexisting chain

In E.coli >>> there are several DNA polymerases, but only two play the major roles in DNA

replication: DNA polymerase III and DNA polymerase I

In Eukaryotes >>> the situation is more complicated, with at least 11 different DNA

polymerases discovered so far; however, the general principles are the same

Most DNA polymerases require a primer and a DNA template strand, along which

complementary DNA nucleotides are lined up

In the E.coli, DNA polymerase III adds a DNA nucleotide to the RNA primer and then

continues adding DNA nucleotides, complementary to the parental DNA template strand, to

the growing end of the new DNA strand

The rate of elongation is about 500 nucleotides per second in bacteria and 50 per second in

human cells

انزيمات تدعى بالDNA polymerases تحفز صناعةDNA اي سلسلة موجودة من قبل ل ’3طرف الىجديد عن طريق اضافة نيوكليوتيدات(

(primerمن سلسلة ال ’3طرف

في الE.coli يوجد العديد من الDNA polymerases و لكن نوعين منه الذين يقومان بالادوار الرئيسية في عملية تضاعف الDNA و هماDNA

polymerase I & III

نوع من ال 11 وجود عملية التضاعف تتضمن على الاقلفي حقيقيات النوى الوضع اكثر تعقيدا حيث انDNA polymerase و لكن المبادئ العامة

للتضاعف تبقى نفسها

معظم الDNA polymerase يتطلب وجودprimer بالاضافة الى سلسلةDNA ليتم انشاء سلسلة تحمل نيوكليوتيدات مكملة لها و اصلية تعمل كقالب

ترتبط بها

في الE.coli <<< الDNA polymerase III يقوم باضافة نيوكليوتيد الى الRNA primer و من ثم يستمر باضافة المزيد من النيوكليوتيدات

و بهذا تستمر السلسلة الجديدة بالاستطالة و النمو الاصلية التي تعمل كقالب DNAالمكملة لسلسلة ال

يد في الثانيةنيوكليوت 50نيوكليوتيد في الثانية بينما في خلايا الانسان يبلغ 500معدل الاستطالة في البكتيريا يبلغ حوالي


9 | P a g e

Each nucleotide to be added to a growing DNA strand consists of a sugar attached to a base and to three phosphate groups this complex is called nucleoside triphosphate

Nucleoside triphosphate = dXTP >>> d = deoxyribose sugar /// TP = tri-phosphate = 3 phosphate group /// X = nitrogenous base >>> so the nucleoside triphosphate can be one of the following : dATP , dGTP, dCTP, dTTP

dATP for example supplies adenine to

DNA and is similar to the ATP of energy metabolism

The only difference between the ATP of energy metabolism and dATP is the sugar component >>> which is deoxyribose in the building block of DNA but ribose in ATP.

Like ATP, the nucleotides used for DNA synthesis are chemically reactive, partly because their triphosphate tails have an unstable cluster of negative charge.

DNA polymerase catalyzes the addition of each monomer via a dehydration reaction --- As each monomer is joined to the growing end of a DNA strand, two phosphate groups are lost as a molecule of pyrophosphate (P— Pi). Subsequent hydrolysis of the pyrophosphate to two molecules of inorganic phosphate (P i) is a coupled exergonic reaction that helps drive the polymerization reaction

كل نيوكليوتيد يتم اضافته الى سلسلة الDNA هذا المركب >>يكون يتكون من : سكر + قاعدة نيتروجينية + ثلاث مجموعات فوسفات الجديدة النامية

انظر للرسمة في الاعلى لفهم اكثر nucleoside triphosphateالمكون من هذه المكونات الثلاث نطلق عليه اسم الnucleoside triphosphate نرمز له بالرمزdXTP << d تدل على ان السكر منقوص الاكسجين )لاننا نريد بناء سلسلة :DNA فيجب ان يكون

تشير الى احد >> Xال ---مجموعات من الفوسفات 3تعني ثلاثي الفوسفات حيث ان هذا المركب متصل ب >> TP --- السكر منقوص الاكسجسن(

DNAيء ال القواعد النيتروجينة الاربع التي من الممكن ان تتواجد في جز

جزيء الdATP مثلا يقوم بتزويد سلسلة الDNA النامية بالادنين و هذا الجزيء شبيه بجزيئات الطاقة الATP

الفرق الوحيد بين جزيئات الdATP و جزيئات الATP هو مكون السكر

النيوكليوتيدات التي تستخدم في بناء الDNA و ذلك لان ال انشطة كيميائيtriphosphate tails فيها تمتلك كتلة غير مستقرة من الشحنات السالبة

انزيم الDNA polymerase يحفز اضافة هذه المونمرات من خلال تفاعلdehydration )تفاعل بلمرة(

بين الجزيئات فانه عند الطرف النامي من سلسلة ال كأي عملية ارتباطDNA يتم فقدان مجموعتين فوسفات على شكل جزيء يدعى

الى جزيئين فوسفات هو تفاعل طارد للطاقة و الطاقة الناتجة منه pyrophosphate تفاعل تحلل جزيء ال/// iP—P(pyrophosphate (بال

تستخدم في حدوث البلمرة


10 | P a g e

o Antiparallel elongation

The two ends of a DNA strand are different, giving each strand directionality

The two strands of DNA in a double helix are antiparallel, meaning that they are oriented in

opposite directions to each other like the two sides of a divided street

Therefore, the two new strands formed during DNA replication must also be antiparallel to their template strands

DNA polymerases can add nucleotides only to the

free 3' end of a primer or growing DNA strand,

never to the 5' end. Thus, a new DNA strand can

elongate only in the 5' 3' direction

one template strand, DNA pol III can synthesize a

complementary strand continuously by elongating

the new DNA in the mandatory 5' 3' direction

DNA pol III remains in the replication fork on that

template strand and continuously adds nucleotides

to the new complementary strands as the fork

progresses

The DNA strand made by this mechanism is called

the leading strand ((only one primer is required for

DNA pol III to synthesize the entire leading strand))

(the figure illustrates the process)

طرفي سلسلة الDNA مختلفين حيث ان كل طرف له اتجاهه الخاص

سلسلتي الDNA في الdouble helix )متوازيتين و تسيران باتجاهين متعاكستين )كشارع باتجاهين

السلاسل الجديدة التي تتشكل خلال عملية مضاعفة الDNA ان تكون موازية و تسير باتجاه معاكس للسلسلة القالب الاصلية يجب ايضا

ذكرنا ان انزيمات تصنيع تحتاج لوجودprimer لتبدء عملية اضافة النيوكليوتيدات و ذكرنا ايضا انزيمات التصنيع هذه تقوم باضافة النيوكليوتيدات

و بالتالي primerفقط من ال end '3طيع اضافة النيوكليتدات الى يست DNA polymerasesال >> primerفقط من سلسلة ال ’3على الطرف

يكون ثابت لا يستطيل لاننا لا نضيف عليه ’5)يعني طرف end '3الى end '5كون في اتجاه واحد وهو من يفان استطالة السلسلة الجديدة

نيوكليوتيدات(

احدى سلسلتي ال عندDNA فان ال )سلسلتي القالب المنفصلات( الاصليتينDNA pol III يتمكن من تكوين و اطالة سلسلة مكملة بشكل متتابع بالاتجاه

5’ --< 3’

الDNA pol III يبقى موجود عند الreplication fork و ى السلسلة المكملة في سلسلة القالب )السلسلة الاصلية( و يستمر باضافة النيوكليوتيدات ال

كما ان ال leading strand و هكذا فان السلسلة التي تصنع بهذه الالية تدعى بال replication forkيكون اتجاه تصنيع هذه السلسلة بنفس اتجاه ال

DNA pol III يحتاج الىprimer واحد فقط لبناء هذه السلسلة بالكامل


11 | P a g e

To elongate the other new strand of DNA in the

mandatory 5' 3' direction, DNA pol III must

work along the other template strand in the

direction away from the replication fork

The DNA strand elongating in this direction is

called the lagging strand

In contrast to the leading strand, which elongates continuously, the lagging strand is

synthesized discontinuously, as a series of segments

These segments of the lagging strand are called Okazaki fragments >> the fragments are

about 1,000—2,000 nucleotides long in E.coli and 100—200 nucleotides along in eukaryotes

Lagging strand vs. leading strand

سلسلة ال طالةلاDNA فان ال '3الى '5الجديدة الاخرى و بنفس الاتجاه الالزامي منDNA pol III سيعمل على طول سلسلة القالب الاخر بالاتجاه

lagging strand ي تبنى بهذه الطريقة تدعى بالو السلسلة الت replication forkل ل )بالاتجاه المعاكس( البعيد

على نقيض الleading strand التي تستطيل بشكل مستمر فان الlagging strand تستطيل بشكل متقطع على شكل سلسلة من القطع و هذه القطع

200—100في حقيقيات النوى حوالي نيوكليوتيد و E.coli 1.000—2.000و هذه القطع يبلغ طولها في ال Okazaki fragmentsتدعى بال

نيوكليوتيد

o Each replication bubble has 2 replication forks

#.1 = replication fork number 1

#.2 = replication fork number 2

D1 = the direction of replication fork 1

D2 = the direction of replication fork 2

>> notice that: the strand that elongates with the same direction of replication fork is called leading

strand --- while --- the strand that elongates in the opposite direction to the replication fork is called

lagging strand


12 | P a g e

The following figure illustrates the steps in the synthesis of the lagging strand at one fork:

Whereas only one primer is required on the leading strand, each Okazaki fragment on the

lagging strand must be primed separately (steps 1 & 4)

After DNA pol III forms an Okazaki fragment (steps 2—4), another DNA polymerase, DNA pol

I, replaces the RNA nucleotides of the adjacent primer with DNA nucleotides (step 5)

But DNA pol I can't join the final nucleotide of this replacement DNA segment to the first

DNA nucleotide of the adjacent Okazaki fragment

Another enzyme, DNA ligase, accomplishes this task, joining the sugar-phosphate

backbones of all the Okazaki fragments into a continuous DNA strand (step 6)

في الleading strand وجود ت تتطلب العمليةكانprimer واحد فقط بينما في الlagging strand فان كلOkazaki fragment يجب ان تهيأ

(lagging strandلبناء ال primerاكثر من يعني نحتاج بشكل مستقل )

بعد ان يقوم الDNA pol III بتشكيل الOkazaki fragment فان الDNA pol I يقوم باستبدال نيوكليوتيدات ال RNA لل primer بنيوكليوتيدات

DNA

لكن الDNA pol I وكليوتيدلا يتمكن من ربط اخر ني DNA في القطعة باول نيوكليوتيد فيDNA الOkazaki fragment لحد الان تم المجاورة(

ينجز هذه المهمة حيث انه DNA ligaseانزيم اخر يدعى بال >> ?و يجي ان ترتبطان مع بعضهما البعض كيف يتم ذلك okazakiتشكل قطعتين

)بناء هذه السلسلة يكون على شكل متصلة DNAلتتشكل سلسلة Okazaki fragmentsبين ال sugar-phosphate backbonesيقوم بربط

عدة قطع منفصلة و بالاخر ياتي انزيم يقوم بربط هذه القطع مع بعضها ليصبح لدينا سلسلة جديدة كاملة متصلة(


13 | P a g e

The following figure and table summarizes the DNA replication


14 | P a g e

o The DNA replication complex

It is traditional—and convenient—to represent DNA polymerase molecules as locomotives moving along a DNA railroad track, but such a model is inaccurate in two important ways

First, the various proteins that participate in DNA replication actually form a single large complex, a “DNA replication machine”

Second, the DNA replication complex may not move along the DNA; rather, the DNA may move through the complex during the replication process

Experimental evidence in some type of cells supports a model in which two DNA polymerase molecules, one on each template strand, “reel in” the parental DNA and extrude newly made daughter DNA molecules. In this so-called trombone model “see the figure” , the lagging strand is also looped back through the complex

Whether the complex moves along the DNA or whether the DNA moves through the complex, are still open, unresolved questions that are under active investigation. It is also possible that the process varies among species

ال تمثيل جزيئات ان يتم مريح المن التقليدي وDNA polymerase مسارات سلاسل ال قاطرات تتحرك على طول على انهاDNA ولكن مثل هذا ،

:النموذج غير دقيق بطريقتين هامتين

تضاعف العملية ، البروتينات المختلفة التي تشارك في أولا DNA يعرف بال واحد كبير مركبتشكل في الواقعDNA replication machine

سلاسل التحرك على طول يقد لا , هذا المركب الكبيرثانياDNA سلاسل ال بدلا من ذلك قد تتحرك بل DNA هذا المركب )يعني المركب من خلال

يعمل نفق تمر منه السلاسل لكي تتضاعف(

من ال جزيئين تدعم النموذج الذي يكون فيه بيةادلة تجريDNA polymerase واحد على كل سلسلةprimer ليعملان كبكرة في سلسلة الDNA

trombone modelجديدة و هذا النموذج يسمى بال DNAالاصلية لانتاج سلاسل

سلاسل ال يتحرك على طول ركب الكبيرما إذا كان المDNA ت سلاسل الأو ما إذا كان DNA الدراسة لا تزالهي التي تتحرك عبر هذا المركب

ومن الممكن أيضا أن تختلف العملية بين الأنواع // قيد التحقيق الفعليتحت يتم حلها اخرى لمأسئلة و مفتوحة، حول هذا الموضوع

Locomotives = قاطرات

reel = بكرة


15 | P a g e

o Proofreading and repairing DNA

Initial pairing errors between incoming nucleotides and those in the

template strand occur at a rate of 1 in 105 nucleotides

Errors in the completed DNA molecule amount to only one in 10 billion (1010) nucleotides

(100000 times lower) ……… Why?

This is because during DNA replication, DNA polymerases proofread each nucleotide against

its template as soon as it is covalently bonded to the growing strand

Upon finding an incorrectly paired nucleotide, the polymerases removes the nucleotide and

then resumes synthesis >>> This action is similar to fixing a texting error by deleting the

wrong letter and then entering the correct one

Mismatched nucleotides sometimes evade proofreading by a DNA

polymerase

In mismatch repair >> other enzymes remove and replace

incorrectly paired nucleotides that have resulted from replication

errors

Researchers spotlighted the importance of such repair enzymes when they found that a

hereditary defect in one of them is associated with a form of colon cancer this defect

allows cancer-causing errors to accumulate in the DNA faster than normal

نيوكليوتيد 510لكل يساوي خطا واحد الاصلية القالب سلسلة وتيدات الجديدة و نيوكليوتيدات مبدئيا يكون معدل الخطا في الارتباط بين النيوكلي

الخطأ في جزيء ال لكن نسبة DNA ال ذلك لانه خلال عملية التضاعف يقوم انزيم و 1010لكل 1تكون الكامل DNA polymerases بتصحيح كل

يقوم polymerasesخطأ في ارتباط النيوكليوتيدات فان ال اي عند اكتشافو //ربطه بالسلسلة النامية مباشرة بعدنيوكليوتيد بحسب القالب المقابل له

إصلاح خطأ الرسائل النصية عن طريق حذف الرسالة الخاطئة ثم إدخال و هذه العملية تماثل بازالة النيوكليوتيد الخاطئ و استئناف عملية التضاعف

ةصحيح ةواحد

Proofreading = تدقيق

Repairing = تصحيح

ليات التصحيح التي يقوم بها المن عم فلتالخطأ في الارتباط بين النيوكليوتيدات في بعض الاحيان يمكن ان يDNA polymerases

بال هناك اليات اصلاح اخرى تدعىmismatch repair يوجد فيها انزيمات اخرى تقوم بعمليات التصحيح لهذه الاخطاء التي تمكنت من تجاوز حيث

في حال حدوث خلل وراثي في هذه الانزيمات فان هذا يؤدي الى شكل من اشكال سرطان مهمة حيث انه // و هذه الانزيمات DNA polymerase ال

DNAالقولون حيث ان هذا الخلل الوراثي يؤدي الي تراكم الاخطاء في جزيء ال

Evade = يفلت / يهرب

Defect = خلل / خراب

Accumulate = تتراكم


16 | P a g e

Incorrectly paired or altered nucleotides can

also arise after replication

DNA molecules are constantly subjected to potentially harmful chemical and physical agents, such as X-rays

DNA bases often undergo spontaneous chemical changes under normal cellular conditions

These changes in DNA are usually corrected before they become permanent changes—

mutations—perpetuated through successive replications

Each cell continuously monitors and repairs its genetic material

Because repair of damaged DNA is so important to the survival of an organism, there are almost 100

different DNA repair enzymes known in E.coli, and about 130 have been identified in humans

In many cases of repairing incorrectly paired nucleotides , a segment of

the strand containing the damage is cut out (excised) by a DNA-cutting

enzyme—a nuclease—and the resulting gap is then filled in with

nucleotides, using undamaged strand as template

The enzymes involved in filling the gap are a DNA

polymerase and DNA ligase. One such DNA repair

system is called nucleotide excision repair

مكن ان يحدث بعد عملية التضاعفالارتباط الخاطئ بين النيوكليوتيدات م

تخضع جزيئات الDNA باستمرار لعوامل كيميائية و فيزيائية ضارة مثل الاشعة السينسة على سبيل المثال

القواعد في الDNA الطبيعية للخلية و عادة ما يتم اصلاح هذه التغيرات قبل ظروفال ظل في عفوية كيميائية الأحيان تتعرض لتغيرات كثيرمن في

خلال عمليات التضاعف المستمرةتدوم تحولها الى تغيرات دائمة )طفرات(

كل خلية تكون في وضع مستمر من المراقبة و الاصلاح لمادتها الوراثية و ذلك لان اصلاح الاضرار التي تلحق بالDNA لبقاء الكائن على قيد مهم

في الانسان( 130و E.coliانزيم اصلاح في ال 100و هذا يفسر وجود (الحياة

potentially harmful agents = عوامل ضارة و مؤذية

spontaneous = عفوي / تلقائي

perpetuated = تدوم

successive replications = عمليات تضاعف مستمرة

monitors = تراقب

طة بشكل خاطئ يتم ازالة قطعة من ال في بعض حالات اصلاح النيوكليوتيدات المرتب

DNA من السلسلة و يتم ازالتها بواسطة انزيم يسمى بال الخطا على تحتويالتي

nuclease جديدة صحيحة ,الفراغ الناتج من ازالة هذه القطع يتم سده بنيوكليتيدات

بالاستعانة بالسلسلة الغير متضررة لتعمل كقالب

عملية ملئ الفراغات التي تتركها القطع المزالة هي الالانزيمات المتضمنة فيDNA

polymerase & DNA ligase هذا النظام من اصلاح ال,DNA يدعى بال

nucleotide excision repair

Segment = قطعة

Excised = ازال

Gap = فراغ


17 | P a g e

An important function of the DNA repair enzymes in our

skin cells is to repair genetic damage caused by the

ultraviolet rays of sunlight

One type of damage, is the covalent linking of thymine

bases that are adjacent on a DNA strand such thymine

dimmers cause the DNA to buckle and interfere with DNA

replication

The importance of repairing this kind of damage is

underscored by a disorder called xeroderma pigmentosum

(XP), which in most cases is caused by an inherited defect

in a excision repair enzyme) patients will be hypersensitive to light )

o Evolutionary significance of altered DNA nucleotides

The error rate after proofreading and repair is extremely low, but rare mistakes do slip

through

Once a mismatched nucleotide pair is replicated, the sequence change is permanent

"mutation" in the daughter molecule that has the incorrect nucleotide as well as in any

subsequent copies

Mutations can change the phenotype of an organism. And if they occur in germ cells, which

give rise to gametes, mutations can be passed on from generation to generation

The vast majority of such changes either have no effect or are harmful, but in very small

percentage can be beneficial

In either case, mutations are the original source of the variation on which natural selection

operates during evolution and are ultimately responsible for the appearance of new species

ائف المهمة لانزيمات اصلاح الظاحد الوDNA في خلايا البشرة هو انها تقوم باصلاح الضرر

ultravioletالجيني الذي يحدث بسبب الاشعاعات الشمسية ال

سلسلة المثال: احد انواع الضرر هو ارتباط قواعد الثايمين المتجاورة ارتباطا تساهميا فيDNA

اثناء تضاعفه DNAهذا يسبب تداخل في ال و الارتباط الثنائي

مثل هذا النوع من الضرر اذا لم يتم اصلاحة فانه يؤدي الى مرض يعرف بالxeroderma

pigmentosum خلل في ال الذي يحدث بسبب خلل وراثي في نظام الاصلاح "excision

repair enzyme" حيث يكون المصابون بهذا المرض يعانون من حساسية مفرطة لاشعة(

الشمس(

Adjacent = مجاور

Buckle = تشبك / انبعج / التوى

Interfere = تعارض

Hypersensitive = مفرط الحساسية

معدل الخطا بعد ال proofreading و الrepair يكون منخفض جدا , لكن لا يزال احتمال حدوث اخطاء وارد

في الجزيئات الوليدة و اي جزيئات قد تنتج لاحقا" لمرتبط بشكل خاطئ فان التغير في الترتيب يكون دائم "طفرةتضاعف زوج النيوكليوتيدات ا بمجرد

تنتقل أن و كذلك فانها يمكن ان تحدث في الخلايا الجنسية التي تنتج الجاميتات و بذلك يمكن الحي للكائن الظاهري النمط للطفرات من ان تغير من يمكن

جيل إلى جيل من

في نسبة صغيرة جدا يمكن أن تكون مفيدة و ضارة ان يكون لها أي تأثير أولا الغالبية العظمى من هذه التغييرات إما أن

جديدة ظهورأنواع عن المسؤولة وهي للتنوع المصدرالأصلي هي كل الحالات فان الطفرات وفي


18 | P a g e

o Replicating the ends of DNA molecules

For linear DNA, such as the DNA of eukaryotic

chromosomes, the usual replication machinery

can't complete the 5' ends of daughter DNA

strands

This is a consequence of the fact that a DNA polymerase

can add nucleotides only to the 3' end of a preexisting

polynucleotide

Even if an Okazaki fragment can be started with an

RNA primer bound to the very end of the template

strand, once that primer is removed, it can't be

replaced with DNA because there is no 3' end

available for nucleotide addition

As a result, repeated rounds of replication produce

shorter and shorter DNA molecules with uneven ("staggered") ends

Most prokaryotes have a circular chromosome, with no ends, so the shortening of DNA

doesn't occur

What protects the genes of linear eukaryotic chromosomes from being eroded away during

successive rounds of DNA replication?

Eukaryotic chromosomal DNA molecules have special nucleotide sequence called telomeres

at their ends

Telomeres don't contain genes; instead, the DNA typically consists of multiple repetitions of

one short nucleotide sequence

In each human telomere, For EX, the six-nucleotide sequence TTAGGG is repeated between

100 and 1,000 times

بالنسبة للDNA الخطي مثلDNA 5حقيقيات النوى فان عمليات التضاعف الاعتيادية لا تستطيع اكمال ال' end لسلاسل الDNA وهذه الوليدة

من السلسلة النامية end '3يقوم باضافة نيوكليوتيدات فقط لل DNA polymeraseالنتيجة سببها ان ال

ال صناعة بالرغم من بدءOkazaki fragment معتكونRNA primer ازالة هذا ال نه عندفا >>بنهاية سلسلة القالب مرتبطةprimer لا يمكن

متاحة لعمليات اضافة النيوكليوتيدات end '3و ذلك لانه ليس هناك DNAاستبداله بجزيء

و نتيجة للجولات المتكررة من عمليات التضاعف هذه تنتج جزيئاتDNA اقصر وتكون اطرافها غير متساوية

تعاني من حدوث قصر في اللا معظم بدائيات النوى تمتلك كروموسوم حلقي اي من دون وجود اطراف لذلك فانهاDNA

اصة ما يحمي جينات الكروموسومات الخطية في حقيقيات النوى من ان تتأكل خلال الجولات المتعاقبة من عمليات التضاعف هو انها تمتلك سلسلة خ

telomeresعند اطرافها و تدعى بال من النيوكليوتيدات

الtelomeres لا تحتوي على جينات بل علىDNA يتكون من تكرارات متعددة من سلسلة قصيرة معينة من النيوكليوتيدات فمثلا في الانسان وهو

مرة 1000الى 100متكررة من (TTAGGG) نيوكليوتيدات 6يتكون من سلسلة من telomereال


19 | P a g e

Telomeres have two protective functions:

First -->> specific proteins associated with telomeric DNA

prevent the staggered ends of the daughter molecule from

activating the cell's systems monitoring DNA damage (Staggered ends of a DNA molecule, which often result from double-strand

breaks, can trigger signal transduction pathway leading to cell cycle arrest or cell death)

Second -->> telomeric DNA acts as a kind of buffer zone that provides some protection

against the organism's genes shortening. However, telomeres don't prevent the erosion of

genes near the ends of chromosomes; they merely postpone it

Telomeres ↓↓↓

Telomeres become shorter during every round of replicationso telomeric DNA tends to be

shorter in dividing somatic cells of older individuals and in cultured cells that divided many

times

It has been proposed that shortening of telomeres is somehow connected to the aging

process

الtelomeres :له وظيفتين وقائيتين

أولا: هنالك بروتينات محددة مرتبطة بDNA الtelomeres تمنع الstaggered ends في الجزيء الوليد من تفعيل انظمة خلوية لمقاربة

بالاصل بامكانها ان تنقل اشارات معينة تسبب موت للخلية staggered endاللان DNAالاضرار التي قد تحصل لل

:ثانياDNA الtelomere منطقة عازلة توفرالحماية ضد العمليات التي تسبب قصر في جينات ال يعمل ك DNAال ذلك فان ومعtelomere تمنع لا

تؤجل ذلك الكروموسومات بل نهايات قرب الجينات تآكل

Arrest = ايقاف

buffer zone = منطقة عازلة

erosion = تأكل

merely = مجرد

Postpone = تأجيل

Telomeres رة يتضاعف فيها ال تصبح اقصر بعد كل مDNA و لذلك سنجد الtelomeres اقصر في الخلايا الجسمية للانسان الاكبر عمرا او الخلايا

التي انقسمت اكثر

عمليات القصر التي تحدث للtelomeres مرتبطة بعمليات التقدم بالعمر


20 | P a g e

If the chromosomes of germ cells became shorter in every cell

cycle, essential genes would eventually be missing from the

gametes they produce

This doesn't occur: An enzyme called telomerase catalyzes the lengthening of telomeres in

eukaryotic germ cells, thus restoring their original length and compensating for the

shortening that occurs during DNA replication

So telomerase activity in germ cells results in telomeres of maximum length in the zygote

Telomerase is not active in most human somatic cells, but it activity varies from tissue to

tissue

Normal shortening of telomeres may protect organisms from cancer by limiting the number

of divisions that somatic cells can undergo

Cells from large tumors often have unusually short telomeres (expected; have undergone many

cell divisions) Further shortening would presumably lead to self-destruction of the tumor cells

Telomerase activity is abnormally high in cancerous somatic cells, suggesting that its ability

to stabilize telomere length may allow these cancer cells to persist

فقدان بعض الجينات الاساسية من الجاميتات الناتجة كل دورة لها فان ذلك سوف يتسبب ب في حال حدوث قصر في كروموسومات الخلايا الجنسية بعد

في الخلايا الجنسية لحقيقيات النوى و بالتالي الحفاظ telomeresيحفز استطالة ال telomeraseيحدث بسب وجود انزيم يدعى باللكن هذا لا //

DNAعلى طولها الاصلي و تعويض القصر الذي يحدث خلال عملية تضاعف ال

نشاط الtelomerase في الخلايا الجنسية ينتج عنه اكبر طول ممكن للtelomere في البويضة المخصبة

الtelomerase يكون غير فعال في اغلب الخلايا الجسدية للانسان كما ان نشاطه يختلف و يتنوع من نسيج لاخر

Compensating = تعويض

عمليات التقصير الطبيعية التي تحدث للtelomeres تخضع لها أن يمكن التي الانقسامات عدد من الحد طريق عن تحفظ الكائن الحي من السرطان

الجسدية الخلايا

الخلايا من الاورام نجد فيها الtelomeres الذاتي التدمير الى يؤدي أن شأنه من التقصير من عمليات قصير بسبب انقسامها لكثيرمن المرات, المزيد

السرطانية للخلايا

النشاط المرتفع لل telomerase تستمر انالسرطانية الخلايا لهذه يسمح قد السرطانية الجسمية الخلايا في غيرطبيعي بشكل


21 | P a g e


22 | P a g e


23 | P a g e


24 | P a g e

CHAPTER.16: [NUCLEIC ACID AND INHERITANCE] · CHAPTER.16: [NUCLEIC ACID ANDINHERITANCE] 1 |P a g e...

Documents

Transcript of CHAPTER.16: [NUCLEIC ACID AND INHERITANCE] · CHAPTER.16: [NUCLEIC ACID ANDINHERITANCE] 1 |P a g e...