background image

Gene expression (central dogma) 

DNA

 is the genetic material of all organisms on Earth. When DNA is transmitted from parents 

to children, it can determine some of the children's characteristics (such as their eye colour or 

hair colour). But how does the sequence of a DNA molecule actually affect a human or other 

organism's features? For example, how did the sequence of nucleotides (As, Ts, Cs, and Gs) in 

the DNA determine the human features?  

 

Genes specify functional products (such as proteins)

 

A DNA molecule consists of functional units called genes. Each gene provides instructions for 

a  functional  product  (a  molecule  needed  to  perform  a  job  in  the  cell).  In  many  cases,  the 

functional product of a gene is a protein.  

The functional products of most known genes are proteins, or, more accurately, polypeptides.  

Polypeptide: is just another word for a chain of amino acids. Although many proteins consist 

of  a  single  polypeptide,  some  are  made  up  of  multiple  polypeptides.  Genes  that  specify 

polypeptides are called protein-coding genes. 

Not all genes specify polypeptides. Instead, some provide instructions to build functional RNA 

molecules, such as the 

transfer RNAs and ribosomal RNAs

 that play roles in translation. 

 

How does the DNA sequence of a gene specify a particular protein?

 

Many genes provide instructions for building polypeptides. How, exactly, does DNA direct the 

construction  of  a  polypeptide?  This  process  involves  two  major  steps:  transcription  and 

translation.

 

 

In transcription: the DNA sequence of a gene is copied to make an RNA molecule. This step 

is called transcription because it involves rewriting, or transcribing, the DNA sequence in a 

similar RNA "alphabet." In 

eukaryotes

the RNA molecule must undergo processing to become 

a mature messenger RNA (mRNA). 

 

In translation: the sequence of the mRNA is decoded to specify the amino acid sequence of a 

polypeptide.  The  name translation reflects  that  the  nucleotide  sequence  of  the  mRNA 

sequence must be translated into the completely different "language" of amino acids. 
 

 


background image

 

 

Thus,  during  expression  of  a  protein-coding  gene,  information  flows  from 

DNA→RNA →protein. This directional flow of information is known as the central dogma of 

molecular  biology.  Non-protein-coding  genes  (genes  that  specify  functional  RNAs)  are  still 

transcribed to produce an RNA, but this RNA is not translated into a polypeptide. For either 

type  of  gene,  the  process  of  going  from  DNA  to  a  functional  product  is  known  as gene 

expression. 

 

Transcription 

In transcription, one strand of the DNA that makes up a gene, called the non-coding  strand, 

acts as a template for the synthesis of a matching (complementary) RNA strand by an enzyme 

called RNA polymerase. This RNA strand is the primary transcript.

 

 

 


background image

The primary transcript carries the same sequence information as the non-transcribed strand of 

DNA, sometimes called  the coding  strand. However, the primary transcript and the coding 

strand of DNA are not identical, due to biochemical differences between DNA and RNA. One 

important difference is that RNA molecules do not include the base thymine (T). Instead, they 

have the similar base uracil (U). Like thymine, uracil pairs with adenine. 

 

Transcription and RNA processing: Eukaryotes vs. bacteria:

 

In bacteria, the primary RNA transcript can directly serve as a messenger RNA, or mRNA

Messenger RNAs get their name because they act as messengers between DNA and ribosomes. 

Ribosomes are RNA-and-protein structures in the cytosol where proteins are actually made.

 

In eukaryotes (such as humans), a primary transcript has to go through some extra processing 

steps in order to become a mature mRNA. During 

processing

caps are added to the ends of the 

RNA, and some pieces of it may be carefully removed in a process called splicing. These steps 

do not happen in bacteria. 

 

The location of transcription is also different between prokaryotes and eukaryotes. Eukaryotic 

transcription takes place in the nucleus, where the DNA is stored, while protein synthesis takes 

place in the cytosol. Because of this, a eukaryotic mRNA must be exported from the nucleus 

before it can be translated into a polypeptide. Prokaryotic cells, on the other hand, don't have a 

nucleus, so they carry out both transcription and translation in the cytosol. 

 


background image

Translation:

 

After transcription (and, in eukaryotes, after processing), an mRNA molecule is ready to direct 

protein  synthesis.  The  process  of  using  information  in  an  mRNA  to  build  a  polypeptide  is 

called 

translation. 

 

The genetic code:

 

During  translation,  the  nucleotide  sequence  of  an  mRNA  is  translated  into  the  amino  acid 

sequence  of  a  polypeptide.  Specifically,  the  nucleotides  of  the  mRNA  are  read  in  triplets 

(groups of three) called codons. There are 616161codons that specify amino acids. One codon 

is a "start" codon that indicates where to start translation. The start codon specifies the amino 

acid methionine, so most polypeptides begin with this amino acid. Three other “stop” codons 

signal the end of a polypeptide. These 

relationships

 between codons and amino acids are called 

the genetic code. 

 

 

 

Steps of translation: 

Translation 

takes  place  inside  of  structures  known  as ribosomes.  Ribosomes  are  molecular 

machines whose job  is  to build  polypeptides.  Once a ribosome latches  on to  an mRNA and 

finds the "start" codon (AUG), it will travel rapidly down the mRNA, one codon at a time. As 

it  goes,  it  will  gradually  build  a  chain  of  amino  acids  that  exactly  mirrors  the  sequence  of 

codons in the mRNA. 

 

 

 


background image

How does the ribosome "know" which amino acid to add for each codon? As it turns out, this 

matching is not done by the ribosome itself. Instead, it depends on a group of specialized RNA 

molecules called transfer RNAS (tRNAs). Each tRNA has a three nucleotides sticking out at 

one end, which can recognize (base-pair with) just one or a few particular codons. At the other 

end, the tRNA carries an amino acid – specifically, the amino acid that matches those codons. 

 

 

 

There  are  many  tRNAs  floating  around  in  a  cell,  but  only  a  tRNA  that  matches  (base-pairs 

with) the codon that's currently being read can bind and deliver its amino acid cargo. Once a 

tRNA is snugly bound to its matching codon in the ribosome, its amino acid will be added the 

end of the polypeptide chain. 

This process repeats many times, with the ribosome moving down the mRNA one codon at a 

time. A chain of amino acids is built up one by one, with an amino acid sequence that matches 

the sequence of codons found in the mRNA. Translation ends when the ribosome reaches  a 

stop codon and releases the polypeptide. 

 


background image

 

 

Once  the  polypeptide  is  finished,  it  may  be  processed  or  modified,  combine  with  other 

polypeptides, or be shipped to a specific destination inside or outside the cell. Ultimately, it 

will perform a specific job needed by the cell or organism – perhaps as a signalling molecule, 

structural element, or enzyme. 

 

Codons: 

Cells decode mRNAs by reading their nucleotides in groups of three, called codons. Here are 

some features of codons: 

 

Most codons specify an amino acid 

 

Three "stop" codons mark the end of a protein 

 

One "start" codon, AUG, marks the beginning of a protein and also encodes the amino acid 

methionine 

Codons in an mRNA are read during translation, beginning with a start codon and continuing 

until a stop codon is reached. mRNA codons are read from 5' to 3' , and they specify the order 

of amino acids in a protein from N-terminus (methionine) to C-terminus. 

 


background image

 

 

 

The genetic code table: 

The  full  set  of  relationships  between  codons  and  amino  acids  (or  stop  signals)  is  called 

the genetic code. The genetic code is often summarized in a table.  

 

 


background image

Notice that many amino acids are represented in the table by more than one codon. For instance, 

there are six different ways to "write" leucine in the language of mRNA (see if you can find all 

six). 

An important point about the genetic code is that it's universal. That is, with minor exceptions, 

virtually  all  species  (from  bacteria  to  you!)  use  the  genetic  code  shown  above  for  protein 

synthesis. 

 

Reading frame: 

To reliably get from an mRNA to a protein, we need one more concept: that of reading frame

Reading  frame  determines  how  the  mRNA  sequence  is  divided  up  into  codons  during 

translation. 

That's a pretty abstract concept, so let's look at an example to understand it better. The mRNA 

below can encode three totally different proteins, depending on the frame in which it's read: 

 


background image

So, how does a cell know which of these protein to make? The start codon is the key signal. 

Because translation begins at the start codon and continues in successive groups of three, the 

position of the start codon ensures that the mRNA is read in the correct frame (in the example 

above, in Frame 3). 

Mutations (changes in DNA) that insert or delete one or two nucleotides can change the reading 

frame, causing an incorrect protein to be produced "downstream" of the mutation site: 

 

 

 

 

 

Summary:

 

 

DNA is divided up into functional units called genes, which may specify polypeptides (proteins 

and protein subunits) or functional RNAs (such as tRNAs and rRNAs). 

 

Information  from  a  gene  is  used  to  build  a  functional  product  in  a  process  called gene 

expression

 

A gene that encodes a polypeptide is expressed in two steps. In this process, information flows 

from  DNA→RNA→  protein,  a  directional  relationship  known  as  the central  dogma of 

molecular biology. 

 

Transcription: One strand of the gene's  DNA is copied into RNA. In eukaryotes, the RNA 

transcript  must undergo  additional processing steps in  order to  become a  mature messenger 

RNA (mRNA). 

 

Translation: The  nucleotide  sequence  of  the  mRNA  is  decoded  to  specify  the  amino  acid 

sequence  of  a  polypeptide.  This  process  occurs  inside  a  ribosome  and  requires  adapter 

molecules called tRNAs. 

 

During  translation,  the  nucleotides  of  the  mRNA  are  read  in  groups  of  three  called  codons. 

Each codon specifies a particular amino acid or a stop signal. This set of relationships is known 

as the genetic code

 




رفعت المحاضرة من قبل: yaseen zaid
المشاهدات: لقد قام 9 أعضاء و 204 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