مواضيع المحاضرة: Molecular Biology
background image

1

 

 

1

st

 lesson                                   Medical students                               Medical Biology 

 

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 occurs at a given locus in chromosome. 

Plasmid:  is  small  circular  DNA  molecules  which  replicates  independently  of  the  host 

genome and encodes antibiotic resistance are commonest vectors for carrying cloned DNA.  

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 genetic code: is the way in which the nucleotide sequence in nucleic acids specifies the 

amino  acid  sequence  in  proteins.  It  is  a  triplet  code,  where  the  codons  (groups  of  three 

nucleotides) are adjacent. Because many of the 64 codons specify the same amino acids, the 

genetic code is degenerate (has redundancy). 

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 


background image

2

 

 

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  characteristics.  The  nitrogenous  bases  are  the  important 

components  of  nucleic  acids  in  terms  of  their  coding  function.  In  DNA  the  bases  are  as 

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

 

                                                  ( )لالطالع

 

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 are =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. 


background image

3

 

 

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  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 


background image

4

 

 

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),  which  encodes  for  the 

enzymes responsible for lactose catabolism. The fact that 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.  

 

 


background image

5

 

 

DNA Replication: 

• 

Replication of DNA is semiconservative . 

• 

During  replication  the  2  complementary  strands  unwind  and  each  single  strand 

serves 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.  

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. ( )لالطالع


background image

6

 

 

 

 

 

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  encodes  for  proteins  while  40-50%  is  repetitive 

DNA and others are unknown function. 

 

 

 

UP By Fahad A. 




رفعت المحاضرة من قبل: Fahad Ahmed
المشاهدات: لقد قام 14 عضواً و 163 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