BIOL 107 FULL Notes for the Course!

47 Pages
Unlock Document

Biology (Biological Sciences)

SEPT 5, 2013 What is life? Something difficult to define Some characteristics: Respond to environment Reproduction Growth and development Energy processing Regulation Order Evolutionary adaptation (Eg. camouflage) Molecular components of living cells: 4 general classes: i. carbohydrates ii. lipids iii. proteins iv. nucleic acids Many monomers of  one class                       JOINED COVALENTLY Polymer ** When polymers of any class are extremely large, they are classified as macromolecules CARBOHYDRATE – Sugars and their polymers Simplest sugars are called monosaccharides Most common biological monosaccharides contain either 3, 5. Or 6 carbon atoms… EG) 3 carbon atom ­> glyceraldehyde HC6O3 EG) 5 carbon atom ­> ribose 5HC1O 5 EG) 6 carbon atom ­> glucose, fructose & galactosH 1OC6 Glucose, fructose, and galactose all have the same number of atoms, but are arranged differently… SO! we  have different properties for each sugar. SEPT 10, 2013 Disaccharides Sugars made of two monosaccharide Eg) glucose + fructose = Sucrose Polysaccharides 100’s or 1000’s of joined monosaccharide units Eg) starch = made of glucose monomers Eg) Glycogen = made of glucose monomers Eg) Cellulose = made of glucose monomers Eg) Chitin = made of N­acetylglucosamine monomers ­ bonds formed between the monosaccharide units are the result of a “dehydration reaction” (or  condensation reaction) ­ in fact, for all molecules we discuss,  monomers are joined to each other, OR adding a monomer to an  already existing polymer (dehydration reaction) Involves loss of a water molecule (Figure 5.2a page 69) ­ if the reaction occurs in reverse (removing the monomer unit), this is called Hydrolysis… water is simply added to break the bond (Figure 5.2b page 69) ­ name of bond formed between different classes of molecules is different for joining monosaccharides units, it is a glycosidic bond ­ in biological systems, dehydration reactions, and hydrolysis, are performed by enzymes specific for each  individual reaction 2) Lipids most are very hydrophobic having an extreme dislike towards water don’t dissolve in water Opposite is hydrophilic (love of water) – will dissolve Examples of biological lipids: i)  fatty acids : have a long hydrocarbon chain with an acid carboxyl group (­COOH) at one end …  Palmitic acid  ii)  neutral fats : contain a molecule of glycerol joined to one, two, or three fatty acid chains. Also  called mono, di, or tri acycl­glycerols Bond between the glycerol and fatty acid(s), is called an ester linkage (Figure 5.11/5.10  page 75) Fatty acids and neutral fats usually function as storage molecules IMPORTANCE OF LIPID STRUCTURE TO HEALTH Eg) dietary unsaturated vs. saturated fats Unsaturated Include plant and most fish fats Almost all natural unsaturated fats have at least on “cis” double bond “cis” – H atoms on same side of double bond creates a “kink” in the molecule saturated fats include most dietary animal fats no double bonds (so usually no molecular kinks) ……CH2 ­ CH2 ­ CH2…… Can tightly pack together Usually solid at room temperature Several studies link diets rich in saturated fats with cardiovascular disease Trans fats Unsaturated fats Vast majority consumed by humans are produced by the food processing industry Makes plant oils solid at room temperature Increases shelf life Can be used as butter substitutes BUT… the process also creates a lot of trans fats as a by­product Ie) some cis double bonds in the plant oil become rearranged rather than saturated Excess trans fat consumption linked to heart diseases Mixed opinion as to a rule for trans fat in Alzheimer’s disease, diabetes, obesity, cancer…. Plant oils                   Many double bonds are sat. by H atoms Steroids: Carbon atoms arranged in 4 attached rings Different side chains on the rings give different steroids Eg) testosterone, cortisol, cholesterol (figure 5.14, page 77) Carotenoids: Contain C and H atoms in characteristic structure called a linear polyene /\\/\\/\\/\\/\\/\\ Substituents may be added to give different carotenoids Orange and yellow pigments of plants  Proteins Provide structural, storage, or enzymatic functions for cells Consist of one or more polypeptide chains Macromolecule made of monomer units called Amino Acids joined by peptide bonds General structure of an amino acid            H NH2 – C – COOH            R For the Amino Acids found in proteins, there are 20 different possibilities for R (Figure 5.16 page 79) Nucleic Acids Macromolecules for storage and use of genetic info TWO TYPES: 1. RNA – ribonucleic acid 2. DNA – deoxyribonucleic acid Polymers made of monomer units called nucleotides A Nucleotide consists of 3 different molecules joined together Phosphate + 5 carbon sugar + nitrogenous base Important nitrogenous bases include: Adenine (A) Guanine (G) Cytosine (C) Thymine (T) Uracil (U) Nucleotide polymers are held together by phosphodiester bonds between sugars and phosphates (by  dehydration reactions) CLASSIFICATION OF LIFE ON EARTH ­> ­ Modern classification schemes use molecular data I.e.) comparison of DNA and/or protein sequence from different organisms This method favors a three domain system of classification SEPT 12, 2013 Figure 26.21, page 552 This diagram is called a cladogram The figure shows a common ancestor of all life forms that arose from the earliest of life forms This ancestor then diverged into 3 great groups (domains): 1. Bacteria 2. Archaea 3. Eukarya These 3 things are the 3 domains of life * Archaea and Eukarya are most closely related * This figure shows a traditional representation of the origin of these 3 domains i.e.) A common ancestor with branches to the 3 domains However, recent data based on sequences of entire genomes (the total DNA of an organism) of many  organisms suggests a possible different view These data suggest that in the EARLY evolution of the 3 domains, there was a lot of DNA exchanged  between organisms Several possible mechanisms: Infectious elements bringing DNA from one organism to another Possible fusion of organisms Uptake of DNA released from dead organisms Thus, clear branches leading from one organisms to another CANNOT be established Therefore, evolution of early organisms may be best represented as a ring or a tangled network Figure 26.23, page 553 No single common ancestor, a community or primitive cells that exchanged DNA Early evolution gave rise to Archaea & bacteria A fusion of these gave rise to Eukarya Characteristics: Bacteria­ Lack a nuclear membrane DNA forms a nucleoid (dense compact region of DNA in the cell) Bacteria chromosome is usually circular Most have cell walls outside the cell membrane Usually small, single­cell organisms ** CONTAIN PEPTIDOGLYCAN in cell wall ** Includes ‘familiar’ bacteria Eg.) E. Coli, Salmonella Archaea­ Lack a nuclear membrane DNA forms a nucleoid Chromosome is usually circular Most have cell walls outside the cell membrane Usually small, single­cell organisms DO NOT contain peptidoglycan Often occupy “extreme” habitats Eg.) High salt (dead sea), volcanic ocean vents, hot sulfur springs Eukarya­ Has a nuclear membrane Almost all have many other membrane bound organelles, probably all have at least one other organelle in  addition to the nucleus Have a cytoskeleton Linear chromosomes Great variation in organisms of this domain * Bacteria and Archaea are call prokaryotes because they lack the nuclear membrane * BIOLOGICAL MEMBRANES ▯ All cells surrounded by a membrane called the cell membrane (or plasma membrane) Evolution of membranes must have been a very important event  Concentration of molecules inside the membrane can be different than outside Modern cell membranes composed chiefly of lipids Other molecules (eg. protein, carbs) can be embedded in, or attached to the lipids In most biological membranes, the most abundant lipids are phospholipids Their structure allows spontaneous formation of a membrane in an aqueous environment WHY? – Consider H2O molecules The oxygen atom in H2O is highly electronegative It attracts electrons much more strongly than H atoms Therefore, in water the atoms are slightly charged and water is said to be a polar molecule The charges allow water molecules to form hydrogen bonds (H­bonds) with each other Figure 3.2, page 47 Weak bonds, constantly break and reform, but they provide a slight structure to water (liquid) If temperature cools, ice forms and H­bonds become stable, a 3D structure develops (figure 3.6, page  50) Contrast H2O with…                  H Eg) Methane ▯         H­C­H                                                H ­ carbon atom is not strongly electronegative ­ therefore, this is a non­polar molecule Polar or charged molecules tend to interact well with other polar or charged molecules Eg) NaCl (salt) dissolves in H2O because it dissociates into equimolar amounts of Na+ and Cl­ Figure 3.7, page 51 Similarly non polar substances tend to dissolve in other nonpolar substances Eg) Oil and benzene ** On the other hand… Oil cannot combine with water ** PHOSPHOLIPIDS    A common phospholipid in membranes is phosphatidycholine Figure 5.12, page 76 Definition: Molecules that have a distinct hydrophobic region and a distinct hydrophilic region are said to  be amphiphilic (or amphipathic)  Because of their amphiphilic nature, when phospholipids are mixed with water, various structures may form In all cases, hydrophobic tails avoid H2O & the heads interact with the water A. Micelle  o Hydrophobic tails in center o Hydrophilic heads on outside B. Bi­layer Sheet o Single layer, 2 molecules thick o Hydrophobic tails interact in middle of layer or sheet      C. Liposome (or spherical bi­layer) o Website figure = liposome figure o Related to bilayer, but circular o Side view of a liposome cut in half                              H2O SEPT 17, 2013 ** The spherical phospholipid bilayer is the basic structure of all biological membranes**  Model and Characteristics of Biological Membranes: Best description given by the “fluid mosaic model” First proposed by Singer and Nicholson (1972) The membrane is a continuous phospholipid bilayer “Mosaic” because it contains different kinds of molecules Eg) phospholipids Eg) proteins exist in the bilayer (different proteins in different membranes) Proteins of the bilayer can be classified as either: 1. Integral (or intrinsic)  Embedded in the bilayer due to at least one portion of the protein being hydrophobic 2. Peripheral (or extrinsic) Attached loosely to the surface of the membrane Usually by interaction with an integral position In some membranes, carbs are attached to certain membrane proteins (gives a glycon protein) or lipids  (gives a glycolipid)  These can have important functions Eg) blood cells of groups A, B, AB, O contain different carbohydrates on cell surface Eg) Recognition of “self” Responsible for the rejection of transplants and other roes in immunity Eg) sorting of cells to correct organs in developing embryo FIGURE 6.6 (page 99)  ▯ Shows a cartoon plasma membrane (= cell membrane) Membranes may contain other small molecules Eg) cholesterol Inserts between phospholipid molecules Influences on membrane permeability and fluidity Therefore cholesterol is essential for proper function of some membranes The variable nature of all the components in an individual membrane that gives each  membrane its specific properties *** The lipid bilayer of biological membranes is fluid, at physiological temperature. Therefore resident proteins can “float” within the membrane, in two dimensions. Evidence? FIGURE 7.7 (page 128) Also realize that the phospholipids move laterally as well Membrane is fluid at physiological temperature, BUT all membranes turn solid if temperature is low enough Called phase transition (liquid ▯ solid) Temperature at which phase transition occurs depends on the composition of the individual membrane Two major facts 1. SIZE OF FATTY ACIDS IN THE PHOSPHOLIPID If hydrocarbon chains are relatively long Solidifies at temp “X” If hydrocarbon chains are relatively short Solidifies at temp “less than X” 2. SHAPE OF FATTY ACIDS IN THE PHOSPHOLIPID (influenced by double bonds)  Hydrocarbon chains with no double bonds solidify at temp “Y”  Hydrocarbon chains with one or more doubles bonds solidifies at “less than  temp Y” Summary: FIGURE 7.5 page 127 How is movement of various molecules across membranes achieved and/or prevented? Various mechanisms exist for different types of molecules 1.  Diffusion/Passive Transport  Occurs best with small hydrophobic molecules such as O2 These are soluble in the bilayer and can pass through quite quickly When such a molecule is more concentrated on one side of a membrane, diffusion occurs until  equilibrium is reached. I.e. molecules “diffuse down their concentration gradient” Called “passive” transport because no energy is expended by the cell to achieve it Simply driven by the concentration gradient of the molecules Rate of passive transport of molecules through membranes depends on their size and their polarity or  charge WEBSITE FIGURE = diffusion NOTE: The diffusion of H2O is a special case of passive transport called osmosis                READ 133­134 – do quiz on Eclass 2.  Facilitated Diffusion  (i.e. diffusion occurs but just needs “help”) Specific molecules that are impeded by the lipid bi­layer of a membrane, diffuse passively (no energy  required) across the membrane with the aid of a protein (called transport proteins) ** molecules diffuse only down their concentration gradient Two types of transport proteins… i. Channel proteins  Simply form a pore or channel through the membrane FIGURE 7.17, page 135 A specific channel protein usually only allows one type of molecule or ion to pass through it Conditions in cell determine if channel is open or closed Eg) aquaporin Specific for H2O Allows for much more rapid movement of water across the membrane compound to passive diffusion  Eg) ion channels Different proteins specific for different ions Eg. Na+, K+, Ca+, etc. ii. Carrier proteins These kind of proteins undergo a change in shape (conformational change), that results in the target  molecule moving across the membrane FIGURE 7.17 B Also, specific for one type of molecule Conformational change mechanism not completely understood Since target molecule diffuses down its conc. gradient Protein must have some affinity for target molecule on both sides of membrane 3.  Active Transport  • Some transport proteins can move molecules against their concentration gradient o ** Requires expenditure of energy  Eg) compared to its surroundings, an animal cell maintains a high internal  concentration of K+ and low Na+  To do so, cell uses a “sodium potassium pump” and energy stored in a  molecule called ATP  Sodium potassium pump = a specific enzyme that is an integral  membrane protein ATP = adenosine triphosphate Breaks down to ADP + Pi and releases energy, used by many cell systems (ADP = adenine diphosphate, Pi = phosphate) Mechanism of sodium potassium pump is in: FIGURE 7.18 ** Realize that this is one enzyme molecule shown in different stages of the reaction ** Net Result: Start: 3Na+ (in) + 2K+ (out) + ATP End: 3Na+ (out) + 2K+ (in) + ADP + Pi 3+ leaves and 2+ comes back in… this is an imbalanced charge So, inside of the cell is more negative and the outside is more positive In fact, cells do have a gradient of charge (voltage) across the plasma membrane Membrane potential The membrane potential affects the movement of charged ions or molecules across the membrane I.e.) movement of charged molecules influenced by two factors: 1. The concentration gradient (chemical force) 2. The membrane potential (electrical force) These usually considered together as the “electrochemical gradient” SO… charged molecules flow down their electrochemical gradient  (not simply their concentration gradient) OCTOBER 8 , 2013 th G = H – TS Free energy Energy available to do useful work Reactions occur spontaneously they increase entropy of the universe Less G in products than reactants Because some energy lost to entropy Calculate:   change in G = Gprod – Greact If change in G in negative  Reactions proceeds spontaneously ▯  exergonic reaction If change in G is positive Reaction does not proceed spontaneously Can be made to occur by an input of energy from another source Endergonic reaction In cells, the hydrolysis of ATP can often provide this energy Enzymes allow reactions to be coupled FIGURE 8.9 page 150 NOTE: ATP is used in many reactions in a cell Therefore cells put a lot of effort into taking  “food” (various molecules that contain potential energy – but  can’t be used directly as an energy source) Convert food to ATP – (usable energy source for enzymes) Enzymes perform almost all reactions in a cell… HOW DO ENZYMES CATALYZE REACTIONS? Consider ▯ Exergonic reactions occur “spontaneously” in the thermodynamic sense BUT, the reactions don’t simply proceed under normal conditions Reason?  Has to do with the chemical reaction itself Must break existing bonds, then reform new bonds For existing bonds to break, reacting molecules must react a transition state Amount of energy to reach this point is called “activation energy” (Ea) or… (free energy of activation = DG+) Once this is achieved in an exergonic reaction, energy released as new products form Illustrated graphically ▯ website figure:  Energy Graph ­ reactants must get over the hill (reach transition state), then the reaction proceeds  Heat can often supply the energy needed Makes molecules move and collide faster and more frequently Allows bond rearrangements to occur Eg) above reaction might occur if reactants are heated to 200°C, but not at 37°C Biological systems cant use heat to make a reaction occur, so they use enzymes instead Enzymes work by lowering the activation energy for a given reaction Website figure: “Enzymes Effect” SO, with enzymes, the reaction might now occur at 37°C instead of 200°C Why? Enzymes structure brings the reactants into the precise positions for bond rearrangement Occurs in the “active site” (most enzymes are very specific for the molecules they bind… therefore usually only catalyze one specific  reaction) Eg) FIGURE 8.15 page 155 Effect of Concentration of products and reactants on entropy and reactions: A more concentrated solution of a molecule has… less entropy (more order) than a more dilute solution of the same molecule more randomness, disorder, increased entropy IE) less concentrated solution is thermodynamically more favorable than a high concentrated solution SO, in a chemical reaction in a cell.. Eg)  A ▯ B    A A A A B A A                     
More Less

Related notes for BIOL107

Log In


Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.