BSC 2010 Full Lecture Notes for the Course

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Department
Biology - Biological Sciences
Course
BSC 2010
Professor
Fatma Kaplan
Semester
Fall

Description
• Mitosis: o To reproduce two identical cells, to faithfully transmit genetic information  from one generation to the next • Meisos o Main function of meiosis: to get a diploid cell and get a haploid cell out of  it.   Use meiosis to get from diploid to haploid o Gene: Unit of information that is passed from one generation to the next o Locus: location on chromosome where gene exists o Alleles: different forms of the same gene at the same locus; different  alleles have different dna sequences o Homologous Chromosomes (homologs): The pair of chromosomes that  have more or less, the same set of genes  Humans have 23 pairs of genes 22 autosomes o In fertilization: sperm cells has two chromosomes 2/17/14 Transition genetics • 1860 o 1859: Darwin and the origin of the species o 1860: Mendel was looking at discrete traits for seeds  Crossed true­breeding lines  F1 (Filial offspring): all offspring had only one parental trait  F2: both traits appeared, trait present in F1 was 3 times more  common than trait in F1  When you cross true breeding lines, one of the traits disappears in  F1 but reappears in F2 o Conclusions:  Heritable factor did not disappear in F1  Heritable factor behaved like a particle  Trait present in F1 was dominant to trait not in F1 (“recessive”) o In modern terms:  Different alleles at the same locus  • Alleles differ because they differ in dna sequences  Different genotypes caused different phenotypes • Phenotype: any discrete type that can be measured o May have a genetic basis but need not  Two same alleles at same locus=homozygote  Two different alleles at same locus=heterozygote o Mendel’s 1  law: law of segregation  In a heterozygote, half gametes get one allele, half get other o Test cross  To find an unknown phenotype cross with a known  • To find unknown allele o Mendel’s second law of independent assortment  Alleles at each locus segregate independently of alleles at other  loci  Found that 1/9 when segregation of a locus is independent of b  locus 2/19/14 • Independent events: the outcome of one event does not depend on the outcome of  some other event o The probability of both of two independent events is product of each even  happening  Pr(A and B)= Pr(A) x Pr(B) o Probability of wither of two independent events is the sum of the  probabilities of each event independently  Pr(A or B)= Pr(A) +Pr(B) Mendel, Continued • Incomplete Dominance • Co­dominance: effects of both alleles are manifest in the heterozygous • Epistasis: situation when the effects of an allele at one locus depend on the  genotype at some other loci o If you have an A and B locus the effects of A locus depend on what is on  the B locus • Pleitropy: one locus affects more than one trait o Albinism: has to do with the melanin synthesis   One mutation affects a whole bunch of traits: ex: hair color, eye  color, skin color • Polygenic inheritance: o Example: for 3 loci, you have 3^n possible genotypes o Queets Seed color: 4 loci affect seed color. Aa x Bb Morgan, Sex Linkage, and chromosome theory • 1908: white eyed male crossed with wild type female  2/21/14 DNA and Heredity • Transformation experiments: Griffiths worked on strings of pneumo caucus  smooth vs rough string • Chargaff Rules: within a species, ratio of adenine=thymine and cytosine=guanine  and purine=pyrimidine also within a species there is also a A­T to C­G ration • 2D structure of DNA: DNA is a double stranded polymer and exists in 2  antiparallel strands • Two big questions: o How is DNA replicated?  DNA replication is semi­conservative • Replication starts at the origin • Dna is copied at replication fork (there are two replication  forks) • First step: helicase separates the strand of dna • Single­stranded binding proteins • Separated strands are called 3’ and 5’ • The 3’ is the leading strand • The lagging strand has the opposite 3’ to 5’ orientation and  replication of it is more complicated o These are synthesized backwards  o How is the information stored in DNA transmitted to protein? o End replication problem refers to the 3’ end of the template strand 2/24/14 Mutation and DNA Repair • Mutation per base pair/ replication is 10^­9 to 10^­11 o in single celled organisms, per cell mutation is the same thing as per  generation mutation o mutation is a change in dna sequence that was not present in the parent  cell • DNA polymerase III base incorporate (error) rate is 10^_5 per replication o 99.999% of errors are fixed • mismatched enzyme repairs o Dispatch gene comes after DNA polymerase makes bases and fixes  mistakes by using parent strand as template strand to fix errors o But how does the mismatch repair enzyme differentiate the parent strand  from daughter cell? • Non­replicating DNA damage o Non­disjunction Transcription: from DNA to RNA • Genes and enzymes • 1909 Garrod • 1940s Beadle and Tatum neurospora auxotrophit mutants • Arginine synthesize pathway Central dogma of melec biology, Crick 1958 • Flow of info of info from DNA to RNA to protein  o Gene “expressed”: when it is transcribed into RNA and mRNA translated  into protein o DNA: A,C,G,T o RNA: A,C,G,U Transcription • One strand of DNA provides template for RNA polymerase • RNA polymerase transfers into mRNA • Transcript protein translates mRNA into protein • Difference between prokaryotes and eukaryotes o Prokaryotes don’t have nucleosomes  Very little difference between transcription and translation in  prokaryotes o Conversely, translation is in nucleus and mRNA is transported out of  nucleus into cytoplasm where ribosomes convert mRNA to protein • Like DNA polymerase, RNA polymerase transcripts from 5’ to 3’ ie, adds  ribonucleotide at 3’ end Process of Transcription • Initiation o Transcription factors are proteins that recognizes sequence and rna  polymerase recognizes the transcription factors and they are binded to  promoter site o Polymerase interacts with template strand and coding strand makes  2/26/14 Introns – post transcriptional processes • Most prokaryotes don’t have introns in genes • Most eukaryotes have introns in genes o Every time  • 5’ guanosine cap • Helps protecting the degradation of protein. Ribonucleases degrade protein Translation • Info in mRNA must be converted into protein • tRNA functions to bring an amino acid from the cytoplasm to ribosome • tRNA is physical link between mRNA and protein • Protein is catalyzed by the ribosome The genetic code • Info in mRNA consists of non­overlapping 3­base words called codons o Each codon specifies a particular amino acid o There are 4^3=64 possible codons o 61/64 encode amino acids o 3/64 are stop codons • Code is redundant so there is more than one codon per amino acid but each codon  encodes only one amino acid o There are 61 codons and there are only 45 tRNAs which means that some  rd tRNAs recognize more than 1 codon due to 3  position o tRNA charging and done by a specific aminoacytl transferase • Initiation • Post­translational processing o Targeted, for delivery by single sequence at the N­Terminus and it is  recognized by signal recognition particle o Post­translational modification there is phosphorylation and glycosylation • 1.Initiatio 2/28/14 Regulation of “Gene Expression” • “Production of active gene product” • Very often gene expression means transcription • Gene expression must be heavily regulated otherwise all genes would be  expressed • Genes can be regulated at different levels o Transcription: either gene is being transcribed into RNA or it’s not o Post­transcription: splicing o mRNA: deal with mRNA that is not supposed to be expressed into  protein, it can be destroyed if its not supposed to be expressed or  stored o translation: mRNA that is supposed to be translated o posttranslational control: protein activity: ex: phosphorylation,  photophosphorylation  • Transcriptional Control: o Special Transcription factors  Repressors: engage in negative regulation and prevent  transcription  Activator: engages in positive regulation and it stimulates  transcription • Metabolic Control o Enzymes interact with each other so one may do no good unless it  interacts with another enzyme Prokaryotic gene control • Transcription control in proks o Operons  Set genes under the control of the same promoter  If you get one gene in the pathway you get all of theme  More common in prokaryotes than eukaryotes  Ex: in absence of lactose, the repressor protein binds to operator  and the RNA polymerase cannot access the promoter and there is  no transcription. In the presence of lactose, (alo­lactose) binds  allosterically to repressor protein changing its shape and it cannot  bind to prmoter • Lac operon is inducible. Inducer is allolactose which is a  substrate of catabolic reaction o This is an example of negative regulation o Negative regulation=repressor o Positive regulation= activator  Tip operon in E coli is a REPRESSIBLE operon o Represseible operon end product induces it  Inducible operon • Inducible operon the end product induces o Global gene regulation  Class of prokayrotes transcription called sigma factors  Different sigma factors for different genes that need to be  expressed Eukaryotic gene regulation • Regulation at transcription o General Transcription Factors bind core promoter, Rna polymerase bind s  to the general transcription factor  Activators  Repressors o Eukaryotic genes have more regulation sequencers  10 transcription factor binding sites in a “control element” seq of  10­12 bp 3/10/14 Eukaryotic Gene Regulation • prokaryotic genes are controlled by operons and operons are when you have  multiple genes under the same promoter • **how do eukaryotes solve the problem of co­regulating genes? o They have control elements (transcription factor binding site)  Definition of tf: they bind to proteiens o Genes are coregulated because they have sets of control elements in  common Epigentics • Epigenetic change is a reversible non­DNA sequenced (non­sequence specific)  based alteration to DNA sequence, chromatin proteins (ie histones) or RNA that is  heritable through mitosis or meiosis o No such thing as inheriting acquired characteristics but epigenetic changes  exist o Epigenetic changes are rapidly reversible • 3 BASIC TYPES OF EPIGENETIC CHANGES o 1. DNA methylation  there are proteins that recognize methylated portions of DNA  (CPGs) and it renders genes o 2. Chromatin structure (histones)  heterochromatin remains densely coiled during interphase it is  inaccessible to transcriptional machinery   euchromatin de­condenses during interphase and is accessible to  transcriptional machinery  Histone tails called lysines are “tagged” for • Acetylation o Acetylated histones de­condense because acetylated  histones repel each other and this is how  euchromatin De­condenses
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