مواضيع المحاضرة: Some Definitions & DNA Replication
background image

First stage 

Biology   

Lec-1

 

2/12/2015

 

 

 

 

Molecular Biology

 

Molecular  biology  concerns  the  molecular  basis  of biological activity  between  the 

various  systems  of  a cell,  including  the  interactions  between  the  different  types  of 

DNA, RNA and proteins and their biosynthesis, and studies how these interactions are 

regulated.  

Definitions: 

Genetics: Study of  inherited variations. 

Gene: A sequence of DNA that instructs a cell to produce a particular protein. 

Allele: Alternate forms of a gene that occur at a given locus in chromosome. 

Homozygous: having two identical alleles of a gene (TT or tt). 

Heterozygous: having two different alleles of a gene (Tt). 

Phenotype: The expression of a gene in traits or symptoms. 

Genotype:  The  alleles  combinations  in  an  individual  that  cause  particular  traits  or 

disorders. 

 

The structure of DNA and RNA 

In  most  organisms,  the  primary  genetic  material  is  double-stranded  DNA. 

Nucleic  acids  are  heteropolymers  composed  of  monomers  known  as  nucleotides;  a 

nucleic  acid  chain  is  therefore  often  called  a  polynucleotide.  The  monomers  are 

themselves  made  up  of  three  components:  a  sugar,  a  phosphate  group,  and  a 

nitrogenous base. The two nucleic acids are polymers composed of nucleotides; DNA 

is  deoxyribonucleic  acid,  RNA  is  ribonucleic  acid.  Types  of  nucleic  acid  (DNA  and 

RNA)  are  named  according  to  the  sugar  component  of  the  nucleotide,  with  DNA 

having  2-deoxyribose  as  the  sugar  (hence  DeoxyriboNucleicAcid)  and  RNA  having 

ribose (hence RiboNucleicAcid). The sugar/phosphate components of a nucleotide are 

important  in  determining  the  structural  characteristics  of  polynucleotides,  and  the 

nitrogenous  bases  determine  their  information  storage  and  transmission 


background image

characteristics. The nitrogenous bases are the important  components of nucleic  acids 

in  terms  of  their  coding  function.  In  DNA  the  bases  are  as  listed  in  Section  2.4, 

namely adenine (A), guanine (G), cytosine (C), and thymine (T).  

 

 

 

In  RNA  the  base  thymine  is  replaced  by  uracil  (U),  which  is  functionally 

equivalent.  Chemically  adenine  and  guanine  are  purines,  which  have  a  double-ring 

structure,  whereas  cytosine  and  thymine  (and  uracil)  are  pyrimidines,  which  have  a 

single-ring structure. The bases are held together by hydrogen bonds, two in the case 

of an A  = T base  pair and  three in  the  case of a  G  ≡  C base pair.  The structure  and 

base-pairing arrangement of the four DNA bases. 

RNA  is  also  most  commonly  single  stranded,  although  short  stretches  of 

double-stranded  RNA  may  be  found  in  self-complementary  regions.  There  are  four 

main  types  of  RNA  molecule  found  in  cells:  messenger  RNA  (mRNA),  ribosomal 

RNA  (rRNA),  smallnuclear  RNA  (snRNA)  and  transfer  RNA  (tRNA).  Ribosomal 

RNA  is  the  most  abundant  class  of  RNA  molecule,  making  up  some  85%  of  total 

cellular  RNA.  It  is  associated  with  ribosomes,  which  are  an  essential  part  of  the 

translational  machinery.  Transfer  RNAs  make  up  about  10%  of  total  RNA  and 

provide  the  essential  specificity  that  enables  the  insertion  of  the  correct  amino  acid 

into the protein that is being synthesized. Messenger RNA, as the name suggests, acts 


background image

as the carrier of genetic information from the DNA to the translational machinery and 

usually makes up less than 5% of total cellular RNA. 

The anatomy of gene 

Although  there  is  no  such  thing  as  a  ‘typical’  gene,  there  are  certain  basic  

requirements  for  any  gene  to  function.  The  most  obvious  is  that  the  gene  has  to 

encode  the  information  for  the  particular  protein  (or  RNA  molecule).  The  double-

stranded DNA molecule has the potential to store genetic information in either strand, 

although  in  most  organisms  only  one  strand  is  used  to  encode  any  particular  gene. 

There  is  the  potential  for  confusion  with  the  nomenclature  of  the  two  DNA  strands, 

which may be called coding/non-coding, sense/antisense, plus/minus, transcribed/non-

transcribed, or template/non-template. A site for starting transcription is required, and 

this  encompasses  a  region  that  binds  RNA  polymerase  known  as  the  promoter  (P), 

and  a  specific  start  point  for  transcription  (TC).  A  stop  site  for  transcription  (tC)  is 

also required. From TC start to tC stop is sometimes called the transcriptional unit

that is, the DNA region that is copied into RNA. Within this transcriptional unit there 

may be regulatory sites for translation, namely a start site (TL) and a stop signal (tL). 

Other  sequences  involved  in  the  control  of  gene  expression  may  be  present  either 

upstream or downstream from the gene itself. 

 

Gene structure in prokaryotes 

In prokaryotic cells such as bacteria, genes are usually found grouped together 

in operons. The operon is a cluster of genes that are (often coding for enzymes in  a 

metabolic  pathway)  and  that  are  under  the  control  of  a  single  promoter/regulatory 

region.  Perhaps  the  best  known  example  of  this  arrangement  is  the  lac  operon  (Fig. 

2.7), which encodes for the enzymes responsible for lactose catabolism. The fact that 


background image

structural genes in prokaryotes are often grouped together means that the transcribed 

mRNA may contain information for more than one protein. Such a molecule is known 

as  a  polycistronic  mRNA,  with  the  term  cistron  equating  to  the  ‘gene’  as  we  have 

defined  it  (i.e.  encoding  one  protein).  Thus,  much  of  the  genetic  information  in 

bacteria  is  expressed  via  polycistronic  mRNAs  whose  synthesis  is  regulated  in 

accordance  with  the  needs  of  the  cell  at  any  given  time.  This  system  is  flexible  and 

efficient,  and  it  enables  the  cell  to  adapt  quickly  to  changing  environmental 

conditions.  

 

Gene structure in eukaryotes 

A  major  defining  feature  of  eukaryotic  cells  is  the  presence  of  a  membrane-

bound  nucleus,  within  which  the  DNA  is  stored  in  the  form  of  chromosomes. 

Transcription  therefore  occurs  within  the  nucleus  and  is  separated  from  the  site  of 

translation, which is  in  the  cytoplasm.  Gene structure and  function  in  eukaryotes are 

more complex than in prokaryotes. Eukaryotic genes contained ‘extra’ pieces of DNA 

that did not appear in the mRNA that the gene encoded. These sequences are known 

as intervening sequences or introns, with the sequences that will make up the mRNA 

being called exons 

DNA Replication : 

•  Replication of DNA is semiconservative . 

•  During replication the 2 complementary strand unwind and each single strand 

serve as template directing the synthesis of a new complementary strand . 

•  The new result of replication is thus 2 progeny DNA molecules identical to the 

parental double helix . A site where DNA is locally opened called replication 

fork .  

 


background image

 

Enzymes involved in DNA replication and their function : 

1.  Helicase : unwinds parental double helix .  

2.   Binding Proteins : stabilize separate strands . 

3.   Primase : adds short  RNA Primer to template strand   .  

4.   DNA Polymerase : 

  Adding bases to the new DNA chain , added Bases in (5'→3') direction only  

and DNA is antiparallel, the new strand is synthesized continuously in (5'→3') 

direction called Leading strand, while the other daughter strand is synthesized 

discontinuously by short segments of DNA called Okazaki Fragments (5'→3') 

that are joined together by ligase  and called Lagging strand . 

  Proofreading activity checks and replaces incorrect bases .  

  Removing RNA primer . 

5.  Ligase:  joins  okazaki  fragments  and  seals  other  nicks  in  sugar  phosphate 

backbone . 

 

 

 

Electron  micrograph  of  a  eukaryote  replicating  fork  demonstrating  the  presence  of 

histone- protein containing nucleosomes on both branches. 

 


background image

 

 

Genome: 

A  genome  is  an  organism's  complete  set  of  deoxyribonucleic  acid  (DNA),  a 

chemical  compound  that  contains  the  genetic  instructions  needed  to  develop  and 

direct  the  activities  of  every  organism.  The  human  genome  contains  approximately 

3.2 billion of base pairs, which reside in the 23 pairs of chromosomes (22 autosome 

pairs  +  2  sex  chromosomes)  in  the  haploid  genome.  Human  genome  comprise  of 

around  30,000 - 40,000 genes. Only about 3%  of human genome codes for proteins 

while 40-50% is repetitive DNA and others is unknown function. 




رفعت المحاضرة من قبل: Hasan Abdulmawjoud
المشاهدات: لقد قام 83 عضواً و 290 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل