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

שכפול דנ"א מתרחש באמצעות יצירה של סלילי דנ"א חדשים בהתבסס על סלילים קיימים כתבנית. שני הסלילים הכפולים החדשים מכילים כל אחד תבנית מקורית של סליל וסליל-בת חדש שנוצר, וזו הסיבה לכך שהתהליך נקרא שכפול חצי-משמר. כדי להתחיל בשכפול, אנזים, הליקאס, פורם את סליל הדנ"א ומנתק את קשרי המימן בין שני הגדילים.לאחר מכן הוא מפצל בין הגדילים הנפרדים ויוצר מבנה דמוי Y, המכונה מזלג השכפול, שבו אנזימים נוספים יכולים להגיע לגדיל התבנית. אנזים נוסף, פרימאז, מוסיף שברי רנ"א קצרים הנקראים פריימרים"לכל תבנית גדיל. פריימרים אלה חיוניים ליצירת הדנ"א משום שפולימראז דנ"א יכול להוסיף נוקלאוטידים רק לגדיל קיים.פולימראז דנ"א מוסיף לגדילי הבת הגדלים על פי שתי התבניות של גדילי תבנית הדנ"א. תוספת הנוקלאוטידים מונחית על פי הרצף של גדיל הדנ"א המקורי בהתאם לכללי זיווג בסיסי דנ"א. יצירה של אחד מגדילי הבת, הגדיל המוביל, מתרחשת בכיוון התנועה של מזלג השכפול.הגדיל האחר, המשתהה, מיוצר בכיוון ההפוך. זה מוביל לכך שהגדיל המוביל מיוצר כפולימר רציף, בעוד הגדיל המשתהה מיוצר כמקטעים קצרים. זה קורה מפני שדנ"א יכול להיות מיוצר רק מ קצה 5'לכיוון 3'לפני הוספתם לפולימר המתארך, נוקלאוטידים מתקיימים כטריפוסטטים deoxyribonucleoside עם שלושה פוספטים המחוברים לפחמן החמישי בסוכר.נוקלאוטיד טריפוספט חופשי זה מגיב עם קבוצות הידרוקסיל בקצה 3'זה ה-OH המחובר לפחמן השלישי של הסוכר בקצה הגדיל הגדל. התגובה גורמת לשחרור פוספט ולהיווצרות קשר פוספודיאסטרי בין שני הנוקלאוטידים. אחרי הסינתזה של הגדילים החדשים, RNase H, או וריאנטים נוספים של פולימראז דנ"א, מסירים את הפריימרים ומייצרים דנ"א במקומם.המרווחים בין המקטעים נאטמים לאחר מכן על ידי ליגאז דנ"א ויוצרים גדיל רציף. הוספת נוקלאוטידים נמשכת עד ששני מזלגות שכפול נפגשים זה עם זה, ובכך השכפול מושלם.

<ol>
	<li>Pray, L. (2008) אירועים מולקולריים עיקריים של שכפול DNA. חינוך לטבע 1(1):99 </li>
</ol>

שכפול dna

DNA Replication

<div style="direction:rtl">שכפול DNA כרוך בהפרדה של שני הגדילים של הסליל הכפול, כאשר כל גדיל משמש כתבנית שממנה מועתק הגדיל המשלים החדש. לאחר שכפול, כל DNA דו-גדילי כולל גדיל אחד הורה או "ישן" וגדיל "חדש" אחד. זה ידוע בתור שכפול שמרני למחצה. למולקולות ה-DNA המתקבלות יש רצף זהה והן מחולקות שווה בשווה לשני תאי הבת. שכפול בפרוקריוטים שכפול DNA משתמש במספר רב של חלבונים ואנזימים. האנזים הליקאז מפריד בין שני גדילי ה-DNA. כאשר הליקאז נע לאורך ה-DNA, הוא מפריד בין שני הגדילים ליצירת מבנה בצורת Y המכונה מזלג ההכפלה. בעקבות זאת, האנזים פרימאז מוסיף קטעים קצרים של RNA המכונה פריימרים כדי ליזום סינתזה של DNA על ידי DNA פולימראז, האנזים האחראי לסינתזת DNA. בחיידקים, ידוע שיש שלוש סוגים עיקריים של פולימראזות DNA: DNA pol I, DNA pol II ו-DNA pol III. DNA pol III הוא האנזים הנדרש לסינתזת DNA; DNA pol I ו- DNA pol II נדרשים בעיקר לתיקון. DNA pol III מוסיף דאוקסיריבונוקלאוטידים, כל אחד משלים לנוקלאוטיד על גדיל התבנית, בזה אחר זה לקבוצת 3'-OH של שרשרת ה-DNA הגדלה. DNA פולימראז III יכול להתרחב רק בכיוון 5' עד 3'. תוספת של נוקלאוטידים אלה דורשת אנרגיה. אנרגיה זו קיימת בקשרים של שלוש קבוצות פוספט המחוברות לכל נוקלאוטיד, בדומה לאופן שבו אנרגיה מאוחסנת בקשרי הפוספט של אדנוזין טריפוספט (ATP). כאשר הקשר בין הפוספטים נשבר ומשתחרר דיפוספט, האנרגיה המשתחררת מאפשרת יצירת קשר פוספודיסטר קוולנטי על ידי סינתזת התייבשות. הסליל הכפול של ה-DNA הוא אנטי-מקביל; כלומר, גדיל אחד מכוון בכיוון 5' עד 3' והשני מכוון לכיוון 3' עד 5'. במהלך השכפול, גדיל אחד, המשלים לגדיל ה-DNA ההורי 3' עד 5', מסונתז ברציפות לכיוון מזלג ההכפלה מכיוון שפולימראז יכול להוסיף נוקלאוטידים בכיוון זה. גדיל מסונתז זה ברציפות ידוע בתור הגדיל המוביל. הגדיל השני, המשלים ל-DNA ההורי 5' עד 3', צומח הרחק ממזלג ההכפלה, ולכן הפולימראז חייב לנוע בחזרה לכיוון מזלג ההכפלה כדי להתחיל להוסיף בסיסים לפריימר חדש, שוב בכיוון הרחק ממזלג ההכפלה. הוא עושה זאת עד שהוא נתקל בגדיל המסונתז קודם לכן, ואז הוא זז שוב אחורה. שלבים אלה מייצרים מקטעי רצף DNA קטנים הידועים בשם מקטעי אוקזקי, כל אחד מופרד על ידי פריימר RNA. הגדיל עם מקטעי האוקזקי ידוע בתור הגדיל המאחר, ונאמר שהסינתזה שלו היא בלתי רציפה. לאחר הסינתזה על ידי DNA פולימראז III, הפריימרים מוסרים על ידי פעילות האקסונוקלאז של DNA פולימראז I, וממלאים את הרווחים. החריצים שנותרו בין ה-DNA המסונתז החדש (שהחליף את פריימר ה-RNA) לבין ה-DNA שסונתז קודם לכן הם אטומים על ידי האנזים DNA ליגאז המזרז את היווצרותו של קישור פוספודיסטר קוולנטי בין קצה 3'-OH של מקטע DNA אחד לקצה פוספט 5' של המקטע השני, מייצב את עמוד השדרה של הסוכר-פוספט של מולקולת ה-DNA. שכפול באוקריוטים גנומים אוקריוטיים הם הרבה יותר מורכבים וגדולים מגנומים פרוקריוטיים והם מורכבים בדרך כלל ממספר כרומוזומים ליניאריים. לגנום האנושי, למשל, יש 3 מיליארד זוגות בסיסים לכל קבוצה הפלואידית של כרומוזומים, ו-6 מיליארד זוגות בסיסים מוכנסים במהלך השכפול. ישנם מקורות שכפול מרובים בכל כרומוזום אוקריוטי; לגנום האנושי יש 30,000 עד 50,000 מקורות שכפול. קצב השכפול הוא כ-100 נוקלאוטידים בשנייה - פי 10 איטי יותר משכפול פרוקריוטי. השלבים החיוניים של שכפול באוקריוטים זהים לאלו של פרוקריוטים. לפני שניתן להתחיל שכפול, ה-DNA צריך להיות זמין כתבנית. ה-DNA האיקריוטי הוא מאוד מפותל וארוז, מה שמאפשר חלבונים רבים, כולל היסטונים. לאחר התחלת השכפול, בתהליך דומה לזה המצוי בפרוקריוטים, התארכות מקודמת על ידי פולימראזות DNA אוקריוטיות. הגדיל המוביל מסונתז באופן רציף על ידי האנזים הפולימראז האוקריוטי pol δ, בעוד שהגדיל המאחר מסונתז על ידי pol ε. האנזים ריבונוקלאז H (RNase H), במקום DNA פולימראז כמו בחיידקים, מסיר את פריימר ה-RNA, שאחר כך מוחלף בנוקלאוטידים של DNA. הפערים שנותרו נאטמים על ידי ליגאז DNA. כמו בפרוקריוטים, פולימראז ה-DNA האוקריוטי יכול להוסיף נוקלאוטידים רק בכיוון 5' עד 3'. בגדיל המוביל, הסינתזה נמשכת עד שהיא מגיעה לקצה הכרומוזום או למזלג ההכפלה אחר המתקדם בכיוון ההפוך. על הגדיל המאחר, DNA מסונתז במתיחות קצרות, שכל אחת מהן מתחילה על ידי פריימר נפרד. כאשר מזלג ההכפלה מגיע לקצה הכרומוזום הליניארי, אין מקום ליצור פריימר עבור מקטע ה-DNA שיועתק בקצה הכרומוזום. קצוות אלה נשארים אפוא בלתי מזווגים, ועם הזמן הם עשויים להתקצר בהדרגה ככל שהתאים ממשיכים להתחלק. טקסט זה מותאם מ <a href="https://openstax.org/books/microbiology/pages/11-2-dna-replication">Openstax, Microbiology, Chapter 11.2: DNA Replication</a>.</div>

שכפול DNA

שכפול DNA כרוך בהפרדת שני הגדילים של הסליל הכפול, כאשר כל גדיל משמש כתבנית שממנה ...

Education

JoVE Core

Chemistry

כימיה

אחד

Biochemistry

ביוכימיה

KEY TERMS AND CONCEPTS

מונחים ומושגים מרכזיים

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