Study Guides (238,471)
Canada (115,151)
Biology (1,419)

BIOLOGY NOTES (after midterm).docx

17 Pages
Unlock Document

Western University
Biology 1202B
Terry Biggs

 Chapter 12                                                                                            DNA Structure, Replication, and Organization   DNA as the hereditary molecule; • 1928: Frederick Griffith; infected mice with S and R strain streptococcus and found that were able to  obtain genetic information from other bacteria by transformation. o Determined that carbohydrates not carrier of genetic information. • 1942, Avery, Macleod and McCarthy; decided to find genetic material by growing bacterial culture and  used different enzymes to break down each component (carb, RNA, DNA, Protein). o Determined that since when breakdown DNA= no transformation, DNA is carrier of genetic  information. • 1952, Hershey and Chase; used bacteriophages with radioactive labeling, one batch with radioactive  protein, and one batch with radioactive DNA.  o Determine DNA is transferred, since radioactivity was passed through DNA. DNA Structure: • DNA consists of four different nucleotides that consist of a five­carbon  deoxyribose sugar, a triphosphate group and 1 of 4 nitrogenous bases.  o Purines (double rings): adenine and guanine. o Pyrimidine (single carbon ring): thymine, cytosine. o Chargaff’s Rule: # of purines = # pyrimidines; A=T and G=C o Complemetary base pairing: A=T, G=C. • DNA are made of dNTP = deoxynucleoside triphosphate i.e. dATP, dCTP,  dGTP, dTTP. o Nucleotide = Nucleoside + phosphate.  deoxyadenosine, deoxyguanosine, deoxythymidine,  deoxyuridine, deoxycytidine. • Nucleotides are linked to form polynucleotides with a sugar phosphate  backbone, where each phosphate is the link b/w the 3’ carbon of one sugar  and the 5’ carbon of the next one; Phosphodiester bond. • Antiparallel, meaning that at one end is the phosphate bound to 5’ carbon  and the other end is a hydroxyl group bonded to 3’ carbon. • 1953, Watson, Crick and Franklin: DNA has a double­stranded helical  structure in a right­handed way, 2 nm in diameter, separation of 0.34 to 3.4 nm in repeated intervals. Eukaryotic DNA Organization; • Two major types of chromosomal protein are associated with DNA structure and regulation; 70% of  chromatin are chromosomal proteins (37.5% histones and 37.5% non­histones), 15% DNA, 10% RNA: o Histones;  Small +ve charged that are attracted to –ve phosphates of DNA.  Five types of histones: H1, H2A, H2B, H3 and H4.  To pack DNA molecule into nucleus, can pack 2m of DNA into 10μm.  Nucleosome consists of nucleosome core and linker.  Nucleosome core: consists of 2 molecules each (8 total) of H2A, H2B, H3 and H4 which  combine to form a bead­like (electron microscope), for 2 turns of DNA. • 147 base pairs of DNA wrapped around octamer of histone molecules.  Linkers link each nucleosome.  Diameter of nucleosome is 10nm; called 10nm chromatin fibre.  H1 histone binds to both nucleosome and linker DNA to compact DNA more, causes  coiled structure called 30 nm chromatin fibre or solenoid. • Solenoid is inactive DNA; approx.. 6 nucleosomes per turn.  In interphase nuclei, chromatin fibers differentiate into Euchromatin (loosely  packed) and Heterochromatin (dense, different). o Barr body example of heterochromatin.  In mitotic/meiotic cell, fold and pack into thick, rod­like, visible chromosomes. o Non­histones:  Regulate gene activity.  Proteins associated with DNA, other than histones.  Alter accessibility to gene by loosening histone binding (acetylases) or tighten histone  binding (deacetylases).   Others alter gene regulation i.e. transcription factors bind to promoter region to enhance  or repress a gene. Prokaryotic Gene Regulation: • Most have a single circular bacterial chromosome, but others have two or more and some are linear. • Do not have nucleosome, but have charge proteins that form nucleoid. o Suspended in plasma, no “nuclear membrane”. • Many contain other DNA called plasmids that replicate independently of chromosome. DNA Replication; • Semi­Conservative replication: The two chains unwind & separate, each “old” strand is a template for  the addition of complementary bases, The result is two DNA helices that are exact copies of the parental  DNA molecule with one “old” strand & one “new” strand. o 1958; Meselson and Stahl: used heavy N  in different bacterial cultures then placed in light N 14  medium and allowed to divide for generations; DNA is extracted and centrifuged and viewed  ratios of heavy, light and medium DNA. • DNA Polymerases are the primary enzymes of DNA replication. o Deoxynucleoside triphosphates are substrate for DNA polymerases. o As nucleotide approaches new strand, the beta and gamma phosphates  (pyrophosphate) are removed which allows phosphodiester linkage. o Adds nucleotide to 3’ end of parent strand (3’ OH is always exposed, 5’  phosphate at old end). o Events of DNA replication: 1. The two strands unwind 2. DNA polymerase can only add nucleotides to existing chain 3. Overall direction of new synthesis is in the 5’ to 3 direction, which  is antiparallel to that of the template strand 4. Nucleotides enter into a newly synthesized chain according to the A­ T and G­C complementary pairing rules  • Major Enzymes of DNA Replication: o Helicase: unwinds DNA helix. o Single­Stranded Binding Proteins: stabilize single stranded DNA and prevent two strands at  the replication fork from reforming double­stranded DNA. o Topoisomerase: avoids twisting of the DNA ahead of the replication fork by cutting DNA. *in bacterial chromosome (circular) o RNA Primase: assembles RNA primers in the 5’­3’ direction to initiate new DNA strand. o DNA Polymerase III: main replication enzyme in E. coli; extends the RNA primer by adding  DNA nucleotides to it. o DNA Polymerase I: uses 5’­3’ exonuclease to remove RNA of previously synthesized Okazaki  fragment, and uses 5’­3’ polymerization to replace the removed RNA nucleotides with DNA  nucleotides. o Sliding Clamp: tethers DNA  polymerase to the DNA template. o DNA Ligase: seals nicks between  adjacent bases after RNA primers  replaced with DNA. • Since synthesizes in 5’­3’ direction, one strand must be leading (continuous) and the other must be  lagging (discontinuous) • Primase initiates by adding primer, and then DNA polymerase III adds DNA nucleotides, then  polymerase I removes and replaces nucleotides in lagging strand. Ligase then covalently bonds  nucleotides at the nick • 500 to 1000 nucleotide/sec in prokaryotes, 50­100 per sec in eukaryote  • Bisectional  synthesis of  DNA:  Unwinding  at the ori  produces 2  replication  forks, two  Ys form a  replication bubble • Replication origin is activated only once during the S phase, so no DNA is replicated twice • Telomerase prevents shortening chromosome shortening in linear chromosome: o At 3’ end of chromosome primer is removed, and since at end cannot be replaced o Most eukaryotic genes have buffers, telomeres, which are hundreds to thousands of repeated  sequence, so will be unaffected until runs out. o Telomerase adds DNA to ends of chromosome (kind of polymerase) o Usually not active in somatic cells, so only capable of certain number of mitotic divisions o Telomerase is active in embryo, and gametes since rapid divisions o Explain how cancer cells can continuously replicate w/o being limited to certain number of  divisions. When cells develop into cancer cells their telomerase are reactivated, preserving  chromosome length.  ▯if can turn off then cancer cells would eventually degrade so may cure  cancer Prokaryotic DNA Replication: • Replication from a single origin of replication • Rolling circle model of replication: Two cells conjugate, One of double strands of plasmid (F factor)  breaks and moves into recipient, then replicated continuously in donor and discontinuously in recipient Accuracy of DNA Replication: 6 • Polymerase is very accurate, if makes mistake it is a base­pair mismatch (1 in 10 ) o Before adding another nucleotide it backs up, removes mis­pairing and then continues • DNA repair mechanisms o If mismatched pair, then distorted 2nm width is detected, and repair enzymes scan and will  remove sections, then polymerase adds correct nucleotides, then ligase seals  Chapter 1                                                                                                                          Gene structure and Expression  Transcription (DNA     RNA) : Information encoded in DNA is made into complementary RNA copy • In prokaryotic cells, RNA polymerase synthesizes an mRNA molecule that is immediately available for  translation on ribosomes • In eukaryotes, RNA polymerase synthesizes a precursor­mRNA containing extra segments that are  removed into translatable mRNA; exits nucleus through pore and is translated in cytoplasm • Genetic code is written in three letter words using a four letter alphabet o G, C, A, T r3presents DNA nucleotides; G, C, A, U represent RNA nucleotides o Must be 4 , which can code for the 20 amino acids o A triplet of nucleotides is called a codon o DNA; mRNA; polypeptide • Genetic Code: o Written in 5’­3’ direction as they appear in mRNAs o AUG= methionine, which is the start/initiator codon o UAA, UAG, UGA are stop codons (nonsense/termination codon) o Only methionine and tryptophan are specified by a single codon; rest of amino acids can be  represented by two or more codons this is called degeneracy/redundancy o Commaless; sequential with no indicators between codons; only one correct reading frame for  each mRNA o Universal; same codons in all living thins, means present very early in history • Only one of the two DNA nucleotide strands acts as a template for synthesis of a complementary copy,  instead of both as in replication • Only small region of the strand which codes for a certain gene serves as the template • RNA polymerases catalyze the assembly of nucleotides into a RNA strand  • RNA molecules that arise are single stranded • Gene consists of two main parts: promoter which is a control  sequence, and a transcription unit which is the section that is  copied into a RNA molecule • Occurs in three steps: 1. Initiation: machinery assembles at promoter and begins  synthesizing RNA copy of gene 2. Elongation: RNA polymerase moves along the string of  nucleotides in a sequence of single stranded DNA  template & changes this information into a string of  nucleotides of single stranded pre­mRNA 3. Termination: transcription ends, RNA molecule and  polymerase are released • Similarities and Differences in eukaryotes and prokaryotes:  o Gene organization is the same, specific promoter  sequence is different o In eukaryotes, RNA polymerase II cannot bind directly to  DNA; only once transcription factor binds to DNA o In prokaryotes there are two forms of terminators which trigger termination • RNA polymerase II: protein­coding genes, RNA polymerase III: tRNA and one rRNA, RNA polymerase  I: three other rRNAs • Note, once an RNA polymerase has started transcription & has moved out of the way of the promoter,  another molecule of RNA polymerase may start creating another pre­RNA Processing of mRNAs in Eukaryotes • mRNAs contain noncoding regions that play key roles in protein synthesis o In Prokaryotes, at 5’ un­translated region (5’ UTR), and 3’ UTR o In Eukaryotes, gene is transcribed into precursor mRNA (pre­mRNA) o Soon after RNA polymerase II transcribes gene, a 5’ Guanine cap is added to pre­mRNA  Cap protects the mRNA from degradation and is recognition site for ribosomes o No terminator sequence on DNA, so near the 3’ end is a polyadenylation signal and cleave the  transcript just past this point o Poly(A) polymerase adds 50­250 adenine nucleotides; poly(A) tail  Protects from RNA­digesting enzymes in cytoplasm o Introns interrupt protein gene sequence, they are removed from pre­mRNA and not present in  mature mRNA; whatever is retained in mature mRNA is an exon o mRNA splicing removes introns from pre­mRNAs and joins exons together  Occurs in a spliceosome, a complex of pre­mRNA and small ribonucleoprotein  particles (complex of protein and RNA); known as snRNPs (snurps) • Consist of small nuclear RNA (snRNA) The splicesome cleaves the intron at its end & splices together the two exons. The cleaved intron & Splicesome snRNPs are released. 1) cleaves exon/intron boundary 2) forms lariat 3) cleaves intron/exon boundary • Introns provide selective advantage to organisms by increasing coding capacity by alternative splicing;  exon shuffling o In certain tissue, or environmental conditions, different regions of a pre­mRNA may be identified  as introns and removed in different combinations to produce different mature mRNAs o Regions that are exon in one situation may be removed as an intron in another situation o α­tropomyosin pre­mRNA can be spliced to form smooth muscle or skeletal muscle  All introns are removed in both pathways, but exons 3, 10, and 11 are removed to  produce smooth muscle mRNA, and exons 2 and 12 are also removes to produce skeletal  muscle mRNA • Human genome project reported that the human genome (nuclear & mtDNA) codes for~ 25,000 genes;  due to alternative splicing # of proteins able to far exceed this number of genes  Translation (mRNA      Protein):  assembly of amino acids into polypeptides on ribosomes • In prokaryotic organisms occurs throughout cell, in eukaryote in cytoplasm • mRNA: 100s of nucleotides long, template for translation, read in a 5’→ 3’ orientation • tRNA: 75­90 nucleotides long, internal anticodon sequence is complementary to mRNA codon, attached  to 3’ end is an amino acid specific to the anticodon, distinctive structure o can base pair with themselves to wind into four double­helical segments, forming a clover­leaf in  two dimensions o Folds in 3­dimensions in L­shape o Anticodon is a three­nucleotide segment that base­pairs with a codon in mRNA o Other end of the clover is a free 3’ that links to the amino acid corresponding to anticodon  Anticodon and codon are antiparallel; codons written 5’­3’, anticodon 3’­5’ o Wobble Hypothesis: complete set of 61 sense codons can be read by fewer than 61 distinct  tRNAs because of flexibility of allowing different 3  nucleotide of codon o Adding an amino acid to tRNA is called aminoacylation/charging; creates an aminoacyl­ tRNA, which is synthesized by aminoacyl­tRNA synthetases  Since has free energy (charging), will drive formation of peptide bond • Ribosomes are rRNA­protein complexes that are protein assembly machines o Ribosomes are ribonucleoprotein particles that translate RNA into amino acid chains o Made up of large and small ribosomal subunits, composed of rRNA and ribosomal proteins • Three Steps: o Initiation: Assembly of all the translation components on the start codon of the mRNA  The methionine­tRNA with GTP binds to small ribosomal subunit  The above complex binds to the 5’ cap of the mRNA, and moves along the mRNA  (scanning) looking for AUG start codon in the P site • This provides correct reading frame, called open reading frame  Large ribosomal subunit binds and GTP is hydrolyzed, now ready for elongation o Elongation: Reading the string of codons in the single stranded mRNA & changing this  information into a polypeptide   P­site can only bind to peptidyl­tRNA  or met­tRNA  An aminoacyl­tRNA binds to A­site;  peptidyl transferase cleaves the amino  acid from the tRNA in the P­site and  forms a peptide bond between it and the  amino acid on the tRNA in the A site;  ribosome translocates the mRNA  moving the empty tRNA into the E site  and the peptidyl­tRNA into the P­site;  once next amino acid is bonded the  empty tRNA in the E site is released  and this continues until reaches  termination codon  GTP→GDP + Pi provides the energy  when an aninoacyl­tRNA binds to A site  Binding of tRNA to appropriate site I facilitated by an elongation factor that is released  after binding is complete  1­3 cycles per second in eukaryotes, 15­20 cycles/sec in prokaryotes o Termination: Releasing the string of AA from the ribosome.  Disassembly of the ribosome  subunits & mRNA  UAA, UAG, or UGA arrives in A site; a release factor (RF or termination factor)  which is a protein cannot base­pair so the ribosome dissembles  • Once a ribosome has translated enough of the mRNA, there is space for another ribosome to begin  translating the same mRNA o Polysomes consist of a series of ribosomes translating the same strand of mRNA o Range from 1 or 2 for short mRNA, to 100s for longer mRNA • Since there is no nuclear envelope in prokaryotes, as soon as mRNA is transcribed it is likely already  covered with ribosomes translating it • Most proteins are inactive once released from polypeptide: o Most proteins initially made are not functional as they require posttranslational processing;  folding, cleavage, modifications, binding to other proteins o Chaperonins fold proteins into correct conformation o Initial polypeptide may be processed into different mature proteins; another way of increasing  number of proteins encoded by few genes • All proteins originate on ribosome in cytosol, but three final destinations: 1. Cytosol 2. Endomembrane system: ER, Golgi, lysosomes, secretory vesicles, nuclear envelope, plasma memb. 3. Other membrane bound organelles: nucleus,  mitochondria, chloroplasts • Proteins that are needed in the endomembrane system  have a signal sequence signal peptide) o Cotranslational import is the simultaneous import and translation of peptide o Signal emerges from ribosome, then signal recognition particle binds and translation stops, then  SRP binds to SRP receptor, translation resumes, polypeptide enters lumen and binds to peptidase,  peptidase cleaves signal peptide from signal polypeptide and is released in lumen. • Proteins needed in nucleus, mitochondria, chloroplasts etc. are sorted by posttranslational import;  Have short transit sequences; if going to nucleus have nuclear localization signals  Chapter 14                                                                                                                        Control of Gene Expression • Human egg when released from the ovary is almost completely metabolically inactive • Within seconds of the egg & the sperm meeting, rapid cell division  • Mitosis produce cells of the body • Cells differentiate into specialized cells with different functions • Every nucleated cell of the body contains the same DNA template and genes • Structural & functional differences in cell types result from the presence or absence of the products  resulting from expressed genes rather than the actual presence of genes themselves on DNA • Gene must be expressed in the correct tissue at the correct time; very complex system • Gene expression (transcription &/or translation) is like music played by an orchestra o Gene is present in DNA but is it “On” or “Off” o Gene is individually fine tuned  o Gene’s tuning is dynamic & aware of it surrounding o If done properly you get music (normal development) o If not, you get noise (abnormal/lethal development) Regulation of Gene Expression in Prokaryotes • Simple, single celled organisms with generation times in minutes; Rapid & reversible alterations so they  can adapt quickly to changes in their environment • Genes are organized into a functional unit called an operon; cluster of prokaryotic genes and DNA  sequences involved in their regulation o Promoter is the region where RNA polymerase begins transcription o Operator is a short segment that is a binding sequence fir a regulatory protein o Some operons are controlled by regulatory protein called a repressor; this reduces likelihood  that gene will be transcribed o Other operons are controlled by activator which increases transcription of gene o The cluster of genes in an operon is called a transcription unit • The Lac operon is composed of promoter, operator, lacZ (B­galactosidase), lacY (permease) and lacA  (Transacetylase). o When there is no lactose present a repressor is able to bind to the operator and therefore  polymerase cannot bind to the promoter o When lactose is present it is converted to allolactose which can bind to the repressor, which  changes its shape so it can no longer bond to the operon; allactose is a inducer o The lac operon is also controlled by positive regulatory systems; sensitive to availability of  glucose through the binding of CAP which binds upstream of promoter o CAP bends DNA so more accessible to polymerase o CAP only binds to DNA when binded with cAMP, and cAMP levels are inversely proportional to  the amount of glucose available • The trp operon turned off in presence of tryptophan, the tryptophan acts as a corepressor by binding to  the repressor and blocking polymerase o If tryptophan is not present, then no corepressor is available and the DNA will be translated by  polymerase and the 5 genes will be copied Regulation of Gene Expression in Eukaryotes • More complicated since nuclear DNA is bound to histones thus need chromatin remodeling to loosen  histone DNA interaction (acetylases add acetyl groups to histones) or slide nucleosomes away from the  gene’s promoter region • Short­term regulation regulates genes which are quickly turned on or off in response to environment  (similar to prokaryotic); long­term regulation involves regulatory events required for an organism to  develop and differentiate • Gene expression in eukaryotes is regulated at the transcriptional level (most occurs), posttranscriptional,  translational and posttranslational levels • DNA that does not encode mRNA: Introns, Promoters, enhancers, Intergenic sequence, Repeats,  Telomeres, Centromeres • Organization of eukaryotic protein­coding gene: Transcription unit is the segment that is transcribed into  pre­mRNA, it contains 5’ UTR, exons, introns and 3’ UTR. Upstream is the promoter which contains a  TATA box o Transcription factors  recognize and bind to  TATA box and then  recruit polymerase II;  o Immediately upstream  is the proximal region,  which contains  promoter proximal elements which may bind to regulatory proteins that can stimulate or inhibit  transcription o Further upstream is the enhancer; this contains regulatory sequences that may also bind to 
More Less

Related notes for Biology 1202B

Log In


Don't have an account?

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.