Name: dna copying: leading and lagging strands
Uploaded: 2020-09-24T15:06:53.000Z
Duration: 2 min 40 s
Channel: JoVE

يحدث تضاعف الـDNA عبر تكوين سلاسل جديدة من الـDNA،باستخدام السلاسل الموجودة كقالب. يحتوي كل من اللولبين الجديدين على سلسلة قالب أصلية وسلسلة وليدة تكونت حديثًا،ولهذا يُطلق على هذه العملية،التضاعف نصف المحافظ. لبدء التضاعف،يعمد إنزيم،هو الهيليكيز،على فكك لولب الـDNA وتحطيم الروابط الهيدروجينية بين السلسلتين.بعد ذلك يفصل السلسلتين مشكلًا بنية على شكل Y،تُعرف بشوكة التناسخ،حيث يصبح باستطاعة إنزيمات إضافية الوصول إلى سلاسل القوالب. ثم يأتي إنزيم آخر هو البريميز،ليضيف قطعًRNA قصيرة،تُسمى البادئات على كل سلسلة قالب. هذه البادئات ضرورية لتكوين الـDNA،لأن بوليميراز الـDNA يستطيع أن يضيف نيوكليوتيدات فقط لسلسلة موجودة أصلًا.يُضاف بوليميراز الـDNA إلى السلاسل الوليدة،التي في طور التكوين على جانبي قالب الـDNA. إضافة النيوكليوتيدات تسترشد بالتسلسل الأصلي لسلسلة الـDNA،وفقًا لقواعد الاقتران في الـDNA. يحدث تكوين إحدى السلاسل الوليدة،و هي السلسلة المتقدمة،باتجاه حركة شوكة التناسخ.أما السلسلة الأخرى،السلسلة المتأخرة،فتتكون بالاتجاه المعاكس. يؤدي هذا إلى أن تتكون السلسلة المتقدمة على شكل بوليمر متواصل،بينما تتكون السلسلة المتأخرة على شكل قطع قصيرة. يحدث هذا لأن الـDNA يستطيع أن يتكون فقط من الاتجاه 5'إلى الاتجاه 3'قبل إضافتها إلى البوليمر الذي في طور التكوين،تتواجد النيوكليوتيدات على شكل ريبونوكليوسيد منقوص الأكسجين ثلاثي الفوسفات،بحيث تترابط ثلاث ذرات فوسفات مع ذرة الكربون الخامسة في السكر.يتفاعل النيوكليوسيد ثلاثي الفوسفات مع مجموعات الهيدروكسيل في الطرف 3'وهي مجموعة OH المرتبطة بذرة الكربون الثالثة في السكر،عند طرف السلسلة التي في طور التكوين. يتسبب التفاعل بانطلاق البيروفوسفات،وتشكيل رابطة فوسفات ثنائية الإستر بين النيوكليوتيدتين. بعد تكوين السلاسل الجديدة،فإن H الموجودة في الـ RNase،أو البدائل الاضافية من بوليميرازات الـDNA،تزيل البادئات،وتصنع الـDNA مكانها.بعد ذلك،تُغلق الفجوات بين القطع بواسطة إنزيم ليغاز الـDNA،لتكوين سلسلة متواصلة. تستمر إضافة النيوكليوتيدات إلى أن تلتقي شوكتا تناسخ،فينتج عن ذلك اكتمال التضاعف.

<ol>
	<li>Pray، L. (2008) الأحداث الجزيئية الرئيسية لتكرار الحمض النووي. تعليم الطبيعة 1(1):99 </li>
</ol>

تكرار الحمض النووي dna

DNA Replication

يتضمن تكرار DNA فصل خيطي اللولب المزدوج، حيث يعمل كل خيط كقالب يتم من خلاله نسخ الخيط التكميلي الجديد.   بعد النسخ المتماثل، يتضمن كل DNA مزدوج الشريطة أحد الوالدين أو ستراند “قديم” وستراند “جديد” . يُعرف هذا باسم النسخ المتماثل شبه المتحفظ. جزيئات DNA الناتجة لها نفس التسلسل وتنقسم بالتساوي إلى خليتين ابنتيتين. 
 النسخ المتماثل في بدائيات النوى
 يستخدم استنساخ DNA عددًا كبيرًا من البروتينات والإنزيمات. يفصل إنزيم هيليكاز شريطين من DNA. عندما يتحرك الهيليكاز على طول DNA، فإنه يفصل بين الخيوط لتشكيل هيكل على شكل Y يُعرف باسم شوكة النسخ المتماثل. بعد ذلك، يضيف إنزيم بريماز امتدادات قصيرة من RNA المعروفة باسم البادئات لبدء تخليق DNA بواسطة بوليميراز DNA، وهو الإنزيم المسؤول عن تخليق DNA. في البكتيريا، تُعرف ثلاثة أنواع رئيسية من بوليميرات DNA: DNA pol I و DNA pol II و DNA pol III. إن DNA pol III هو الإنزيم المطلوب لتخليق DNA؛ مطلوب بشكل أساسي DNA pol I و DNA pol II للإصلاح. يضيف DNA pol III ديوكسي ريبونوكليوتيدات، كل منها مكمل للنيوكليوتيدات الموجودة على شريط القالب، واحداً تلو الآخر إلى المجموعة 3’--OH من سلسلة الحمض النووي المتنامية. يمكن أن يمتد DNA بوليميراز III فقط في اتجاه 5’ إلى 3’. تتطلب إضافة هذه النيوكليوتيدات طاقة. هذه الطاقة موجودة في روابط ثلاث مجموعات فوسفاتية مرتبطة بكل نوكليوتيد، على غرار الطريقة التي يتم بها تخزين الطاقة في روابط فوسفات الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). عندما تنكسر الرابطة بين الفوسفات ويتحرر ثنائي الفوسفات، تسمح الطاقة المنبعثة بتكوين رابطة تساهمية فوسفودايستر عن طريق تخليق التجفاف. 
 الحلزون المزدوج للحمض النووي هو مضاد للتوازي. وهذا هو، حبلاً واحدة باتجاه 5’ إلى 3’ والآخر موجه في 3’ إلى 5’. أثناء النسخ المتماثل، حبلاً واحد، وهو مكمل لـ 3’ إلى 5’ يتم تصنيع حبلا DNA الأبوي بشكل مستمر باتجاه شوكة النسخ المتماثل لأن البوليميراز يمكن أن يضيف نيوكليوتيدات في هذا الاتجاه. يُعرف هذا الخيط المركب باستمرار باسم الخيط الرئيسي. الخيط الآخر ، مكمل لـ 5’ إلى 3&#8217 ينمو DNA الأبوي بعيدًا عن شوكة النسخ المتماثل، لذلك يجب أن يتحرك البوليميراز للخلف نحو شوكة النسخ المتماثل لبدء إضافة القواعد إلى مادة أولية جديدة ، مرة أخرى في الاتجاه بعيدًا عن شوكة النسخ المتماثل. يقوم بذلك حتى يصطدم بالخيط المركب مسبقًا، ثم يعود مرة أخرى. تنتج هذه الخطوات أجزاء صغيرة من تسلسل الحمض النووي المعروفة باسم شظايا أوكازاكي، يفصل كل منها عن طريق أساس RNA. تُعرف الخصلة التي تحتوي على شظايا أوكازاكي بالخيط المتأخر، ويقال أن تركيبها غير مستمر. 
 بعد التوليف بواسطة DNA بوليميراز III ، تتم إزالة البادئات بواسطة نشاط نوكلياز خارجي لبوليميراز DNA I ، ويتم ملء الفجوات. الشظايا المتبقية بين DNA المركب حديثًا (الذي حل محل RNA التمهيدي) وسابقًا يتم ختم DNA المركب بواسطة إنزيم DNA ليجاز الذي يحفز تكوين رابط تساهمي فوسفوديستر بين نهاية 3&#8217؛ -OH لجزء DNA واحد و 5&#8217؛ طرف الفوسفات للجزء الآخر، مما يؤدي إلى استقرار العمود الفقري للسكر والفوسفات في جزيء الحمض النووي. النسخ المتماثل في حقيقيات النوى 
 جينومات حقيقيات النوى أكثر تعقيداً وأكبر بكثير من جينومات بدائية النواة وتتكون عادةً من عدة كروموسومات خطية. يحتوي الجينوم البشري، على سبيل المثال، على 3 مليارات زوج أساسي لكل مجموعة أحادية الصبغيات من الكروموسومات، ويتم إدخال 6 مليارات زوج قاعدي أثناء النسخ المتماثل. هناك أصول متعددة للنسخ المتماثل على كل كروموسوم حقيقي النواة؛ يحتوي الجينوم البشري على 30.000 إلى 50.000 أصل من النسخ المتماثل. معدل التكاثر حوالي 100 نيوكليوتيد في الثانية—10 مرات أبطأ من تكاثر بدائية النواة. 
 الخطوات الأساسية للنسخ المتماثل في حقيقيات النوى هي نفسها الموجودة في بدائيات النوى. قبل أن يبدأ النسخ المتماثل، يجب توفير DNA كقالب. DNA لحقيقيات النوى شديد الالتفاف والتعبئة، وهو ما يسهله العديد من البروتينات، بما في ذلك الهستونات. بعد بدء النسخ المتماثل، في عملية مشابهة لتلك الموجودة في بدائيات النوى، يتم تسهيل الاستطالة بواسطة بوليميراز DNA حقيقي النواة. يتم تصنيع الخيط الرئيسي باستمرار بواسطة بوليميراز إنزيم بوليميراز حقيقي النواة، بينما يتم تصنيع الخيط المتأخر بواسطة إنزيم δ,. إن إنزيم ريبونوكلياز H (RNase H)، بدلاً من بوليميريز DNA كما في البكتيريا، يزيل مادة RNA التمهيدية، والتي يتم استبدالها بعد ذلك بنكليوتيدات DNA. يتم سد الثغرات المتبقية بواسطة DNA ligase. 
 كما هو الحال في بدائيات النوى، يمكن لبوليميراز الحمض النووي حقيقية النواة أن يضيف نيوكليوتيدات فقط في اتجاه 5’ إلى 3’. في الخيط الرئيسي، يستمر التوليف حتى يصل إما إلى نهاية الكروموسوم أو شوكة نسخ أخرى تتقدم في الاتجاه المعاكس. على الخيط المتأخر، يتم تصنيع الحمض النووي في امتدادات قصيرة، كل منها يبدأ بواسطة برايمر منفصل. عندما تصل شوكة النسخ إلى نهاية الكروموسوم الخطي، لا يوجد مكان لعمل تمهيدي لجزء DNAليتم نسخه في نهاية الكروموسوم. وبالتالي تظل هذه الغايات غير متزاوجة، وقد تصبح أقصر تدريجياً بمرور الوقت مع استمرار الخلايا في الانقسام. 
 هذا النص مقتبس من <a href="https://openstax.org/books/microbiology/pages/11-2-dna-replication">Openstax, Microbiology, Chapter 11.2: DNA Replication</a>.

تكرار الحمض النووي DNA

يتضمن تكرار الحمض النووي فصل خيوط اللولب المزدوج ، حيث يعمل كل خيط كقالب من خلاله ...

Education

JoVE Core

Chemistry

الكيمياء

واحد

Biochemistry

الكيمياء الحيوية

KEY TERMS AND CONCEPTS

المصطلحات والمفاهيم الأساسية

dna copying: leading and lagging strands

DNA replication copies genetic material before a cell divides. Each original DNA strand serves as a template for a new complementary strand. The result is semiconservative replication, which means each new DNA molecule contains one old strand and one new strand. The two daughter cells then receive DNA with the same sequence.

Replication starts when helicase separates the two strands of the double helix. This creates a Y-shaped replication fork. Primase then adds short RNA primers that give DNA polymerase a place to begin DNA synthesis. In bacteria, the main DNA polymerases are DNA pol I, DNA pol II, and DNA pol III. DNA pol III carries out DNA synthesis, while DNA pol I and DNA pol II mainly help with repair.

DNA pol III adds deoxyribonucleotides one at a time to the 3'-OH end of the growing strand. It can extend DNA only in the 5' to 3' direction. The energy for this process comes from the three phosphate groups on each nucleotide. When a phosphate bond is broken and diphosphate is released, that energy helps form the phosphodiester bond in the DNA backbone.

Because the DNA double helix is antiparallel, the two template strands face opposite directions. The strand copied toward the replication fork is made continuously and is called the leading strand. The other strand is copied away from the fork. It must start over with new primers as the fork opens, so it is made in short stretches called Okazaki fragments. This strand is the lagging strand, and its synthesis is discontinuous.

After DNA pol III finishes, DNA pol I removes the RNA primers in bacteria, and the gaps are filled in. DNA ligase then seals the remaining nicks by forming covalent phosphodiester bonds between adjacent DNA fragments. This step strengthens the sugar-phosphate backbone of the new DNA molecule.

Eukaryotic DNA replication follows the same basic steps, but the genome is larger and more complex. Eukaryotic chromosomes are linear and have many origins of replication. In humans, the genome has 3 billion base pairs per haploid set, and about 6 billion base pairs are copied during replication. Human chromosomes also have about 30,000 to 50,000 origins of replication, and replication occurs at about 100 nucleotides per second, which is much slower than in prokaryotes.

Before replication begins, eukaryotic DNA must be made available as a template. It is tightly packed and supercoiled, and histones help organize this packaging. After initiation, eukaryotic DNA polymerases carry out elongation. Polymerase delta (pol δ) synthesizes the leading strand, and polymerase epsilon (pol ε) synthesizes the lagging strand. RNase H removes the RNA primers, DNA nucleotides replace them, and DNA ligase seals the final gaps. Because eukaryotic DNA polymerase also works only in the 5' to 3' direction, the lagging strand is still made in short pieces. Near the ends of linear chromosomes, there is no place to add a final primer, so these ends remain unpaired and can become shorter over time as cells keep dividing.

DNA Copying: Leading and Lagging Strands

functional groups

Functional Groups in Organic Chemistry

Functional groups in organic chemistry are groups of atoms that give molecules specific properties. When these groups attach to a carbon skeleton, they can change how the molecule behaves. Some functional groups make a molecule hydrophilic, or water-attracting. Others make it hydrophobic, or water-repelling. Functional groups are a key part of organic chemistry and are also found in major biological molecules. They appear in carbohydrates, proteins, lipids, and nucleic acids. Each functional...

structure of lipids

Lipids, Fats, and Cell Membranes

Lipids are nonpolar molecules that do not mix well with water. They are hydrophobic, which means “water fearing,” because they contain mostly nonpolar carbon-carbon and carbon-hydrogen bonds. In cells, lipids store long-term energy as fats, help insulate plants and animals, and form protective water-repellent layers on feathers and fur. They are also part of cell membranes and serve as building blocks for many hormones. Common lipids include fats, oils, waxes, phospholipids, and steroids. A...

chemistry of the cell

Cell Chemistry: Water and Macromolecules

Cell chemistry includes water, organic molecules, and inorganic ions. These materials shape how cells store energy, build structures, and carry out life processes. Most cellular chemistry and metabolism happen in the watery cytoplasm. Water is a key part of the cell because it has special properties tied to its polarity. In a water molecule, hydrogen and oxygen form polar covalent bonds, so the molecule has no net charge but does have a slightly positive end and a slightly negative end. Oxygen...

dna base pairing

Chargaff’s Rules and DNA Pairing

Chargaff’s rules and DNA base pairing explain how DNA strands match up. In double-stranded DNA, adenine (A) pairs with thymine (T), and guanine (G) pairs with cytosine (C). Chargaff also found that A equals T, G equals C, and the total amount of purines (A and G) equals the total amount of pyrimidines (C and T). Watson and Crick later showed why these matches matter. A forms two hydrogen bonds with T, while G forms three hydrogen bonds with C. These pairings keep the DNA double helix a...

chemistry of carbohydrates

Carbohydrates as Energy and Storage Molecules

Carbohydrates are important energy sources in human and animal diets. Grains, fruits, and vegetables are natural sources of carbohydrates. They help provide energy to the body, especially through glucose, a simple sugar found in starch and many staple foods. Carbohydrates are identified by the stoichiometric formula (CH2O)n, where n is the number of carbons in the molecule. This means the ratio of carbon to hydrogen to oxygen is usually 1:2:1. The name carbohydrate comes from this pattern,...

protein and protein structure

How Protein Shape Controls Function

Proteins are a major class of organic molecules in living systems, and their shape helps determine what they do. They can act as structural, regulatory, contractile, or protective molecules. They also take part in transport, storage, membranes, toxins, and enzymes. All proteins are polymers of amino acids arranged in a linear sequence. A protein’s function depends on its three-dimensional form. For example, an enzyme works when its active site can bind a specific substrate. If local changes or...

amino acids

Amino Acids and Protein Building

Amino acids are the building blocks of proteins. Each amino acid has the same basic structure. A central carbon atom, called the alpha carbon, is bonded to an amino group, a carboxyl group, and a hydrogen atom. Each amino acid also has an R group, or side chain, attached to the central carbon. The R group is different for every amino acid. It helps determine whether an amino acid is acidic, basic, polar, or nonpolar. Scientists call these molecules amino acids because they contain both amino...

peptide bonds

Peptide Bond Formation and Shape

Peptide bonds join amino acids into peptides and polypeptides. They form when the carboxyl group of one amino acid reacts with the amino group of another. This dehydration reaction releases a water molecule and creates a covalent link. As more amino acids are added, the chain becomes a polypeptide. Each polypeptide has a free amino group at one end. This end is the N-terminal, or amino-terminal. The other end has a free carboxyl group. This end is the C-terminal, or carboxyl-terminal. The...

nucleic acids

DNA and RNA: Genetic Instructions

DNA and RNA are the nucleic acids that store genetic information and help direct cell activity. These macromolecules carry the cell’s genetic blueprint and the instructions it uses to function. DNA is the genetic material in all living organisms, from single-celled bacteria to multicellular mammals. In eukaryotic cells, DNA is found in the nucleus and also in organelles such as chloroplasts and mitochondria. In prokaryotes, DNA is not enclosed in a membrane. The full genetic content of a cell...

dna replication

DNA replication copies genetic material before a cell divides. Each original DNA strand serves as a template for a new complementary strand. The result is semiconservative replication, which means each new DNA molecule contains one old strand and one new strand. The two daughter cells then receive DNA with the same sequence. Replication starts when helicase separates the two strands of the double helix. This creates a Y-shaped replication fork. Primase then adds short RNA primers that give DNA...

from dna to protein

The Genetic Code and Codons

The genetic code and codons explain how cells turn DNA information into proteins. Genes first direct the sequence of mRNA, and mRNA then directs the sequence of amino acids that make up proteins. Specific proteins and RNAs carry out this decoding. Cells copy DNA into mRNA so the original DNA stays protected while the cell uses the message for protein synthesis. Copying DNA to RNA is relatively simple. One nucleotide is added to the mRNA strand for every nucleotide read on the DNA strand.

polymers

Polymer Chains and How They Form

Polymers are long chains of molecules made from repeating units called monomers. The word polymer comes from the Greek words "poly," meaning many, and "mer," meaning parts. Polymers can be found in nature, such as DNA and proteins, or made synthetically, such as plastics. A polymer’s shape helps define its properties. Some polymers form linear chains, while others are branched or arranged in complex networks. Functional groups on a polymer also affect how it behaves. The repeating units in a...

key terms and concepts

Explore how DNA replication uses leading and lagging strands, RNA primers, DNA polymerase, ligase, and semiconservative copying in bacteria and eukaryotes.

DNA Copying: Leading and Lagging Strands | JoVE K12

chemistry

JoVE Core Chemistry brings general chemistry concepts to life using concise and easy-to-understand animated video lessons. Plus, in the scientist-in-action videos, we demonstrate classical and original research experiments performed in today's laboratories worldwide.

DNA Copying: Leading and Lagging Strands

Description

Transcript

Tags