background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

1

The Biochemistry of Cancer  

and  

Nucleic acids Metabolism  

1.  Lecture 1: DNA structure and replication 

 

 

 

 

2.  Lecture 2: DNA mutation and repair mechanisms 

 

 

 

3.  Lecture 3: RNA structure, transcription, post-transcriptional processing and drugs that inhibit these 

processes. 

 

 

4.  Lecture 4: Protein synthesis and  translation in prokaryotic and eukaryotic cells and drugs that 

inhibit this process 

5.  Lecture 5: Post translational processes and protein folding 
6.  Lecture 6: Protein targeting and degradation   

 

 

 

7.  Lecture 7: Biochemistry of cancer and tumor markers 
8.  Lecture 8: The biochemistry of nucleic acids  metabolism  
9.  Lecture 9: Clinical cases and biochemical interpretations (1) 
10. Lecture 10: Clinical cases and biochemical interpretations (2) 

 
 

Molecular cell biology is studying the molecular basis of biological activity. It  is a multitalented, broad 
subject that can be studied from three different aspects: biology, biochemistry and pathology….and may 
be more depending on how to approach the subject. 
 
Aim and objective of the above ten lectures is to understand: 

1.  The constitution and general properties of the biochemistry of nucleic acids (DNA and (RNA) 

2.  The importance of regulation of DNA replication, mutation and repair mechanism  to the 

biochemistry of cell cycle and how it impacts on understanding of human cancer. 

3.  How DNA repair complexes are assembled and to show how DNA damage response is triggered 

by the short telomeres of human cells undergoing replicative senescence. 

4.  RNA transcription and regulation and how it is involved in developing therapy for cancer 

treatment.  

5.  The control of gene expression and Molecular mechanism of protein synthesis,  

6.  Protein targeting and folding. Diseases generated from protein misfolding  

7.  The biochemistry of cancer 

8.  Tumor markers 

References: 

1.  "Biochemistry" by Lubert Stryer   

 

 

 

 

 

(textbook) 

 
2.  "Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations" by T.M.Devlin 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(additional reading) 

 
3.  
"Lippincott's Illustrated Reviews in Biochemistry" by P.C.Champe, R.A.Harvey and D.R.Ferrier 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(additional reading) 

 
4.  "Harper's Biochemistry" by R.K.Murray, D.K.Granner, P.A. Mayes and V.W.Rodwell.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(additional reading) 

 
5.  "Clinical Laboratory Science Review" By Robert R. Harr  

 

 

(additional reading)  


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

2

Lecture 1: DNA structure and replication 

 

 

 

 

G

ENE 

E

XPRESSION

 

Gene expression also called protein expression or often simply expression: is the process 
by which a gene's DNA sequence is converted into the structures and functions of a cell. 
Gene expression is a multi-step process that begins with transcription of DNA, which genes are 
made of, into messenger RNA. It is then followed by post transcriptional modification and 
translation into a gene product, followed by folding, post-translational modification and targeting. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 

The amount of protein that a cell expresses depends on: 

1.  the tissue, 
2.  the developmental stage of the organism  
3.  and the metabolic or physiologic state of the cell. 

 

Structure of DNA 

1. Primary structure of DNA 

Although sometimes 
called "the molecule of 
Heredity", DNA are not 
single molecules. 
Rather, they are pairs 
of molecules, double 
helix
 . 
Each molecule is a 
strand of DNA: a 
chemically linked chain 
of nucleotides each of 
which consists of a 
sugar a phosphate and 
one of four kinds of 
aromatic hydrocarbon 
"nitrogen bases"
Because DNA strands 
are composed of these 
nucleotide subunits, 
they are polymers. 
The diversity of the 
bases means that there are four kinds of nucleotides, which are commonly referred to by the 
identity of their bases. These are adenine (A), thymine (T), cytosine (C), and guanine (G). 

 

 
 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

3

In all living cells, DNA serves to store genetic information. Specific segments of DNA 
(

“genes”) are transcribed as needed into RNAs, which either carry out: 

  structural  

  or catalytic tasks themselves  

  or provide the basis for synthesizing proteins.  

In the latter case, the DNA codes for the primary structure of proteins. The 

“language” used in 

this process has four letters (A, G, C, and T). All of the words (

“codons”) contain three letters 

(

“triplets”), and each triplet stands for one of the 20 proteinogenic amino acids. 

 
The two strands of DNA are not functionally equivalent: 

1.  The template strand (the (

–) strand or “codogenic strand,” shown in light gray in figure 

below) is the one that is read during the synthesis of RNA (transcription). Its sequence is 
complementary to the RNAformed.  

2.  The sense strand (the (+) strand or 

“coding strand,” shown in color in figure below has 

the same sequence as the RNA, except that T is exchanged for U.  

 
Gene sequences are expressed by reading the sequence of the sense strand in the 5'-to-3' 
direction. Using the genetic code in this case the protein sequence(3 in the figure below) is 
obtained directly in the reading direction usual for proteins

—i. e., from the terminus to the C 

terminus. 

 
 
 

 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

4

2.  Secondary structure of DNA ( DNA: conformation) 

Investigations of synthetic DNA molecules have shown that DNA can adopt several different 
conformations. All of the DNA segments shown consist of 21 base pairs (bp) and have the 
same sequence. 
 
By far the most common form is B-DNA (2 in the figure below). This consists of two 
antiparallel poly-deoxynucleotide strands intertwined with one another to form a right-handed 
double helix
.  
 
The 

“backbone” of these strands is formed by deoxyribose and phosphate residues linked by 

phosphoric acid diester bonds. In the B conformation, the aromatic rings of the nucleo-bases 
are stacked at a distance of 0.34 nm almost at right angles to the axis of the helix. Each base is 
rotated relative to the preceding one by an angle of 35

°. A complete turn of the double helix 

(360

°) therefore contains around 10 base pairs (abbreviation: bp), i. e., the pitch of the helix is 

3.4 nm.  
 
Between the backbones of the two individual strands there are two grooves with different 
widths: 

1.  The 

major groove

 is visible at the top and bottom,  

2.  while the narrower 

minor groove

 is seen in the middle.  

 

DNA-binding proteins and transcription factors usually enter into interactions in the area of the 
major groove, with its more easily accessible bases. 
 
In certain conditions, DNA can adopt the A conformation (1 in the figure below). In this 
arrangement, the double helix is still right-handed, but the bases are no longer arranged at right 
angles to the axis of the helix, as in the B form. As can be seen, the A conformation is more 
compact than the other two conformations. The minor groove almost completely disappears, 
and the major groove is narrower than in the B form. A-DNA arises when B-DNA is dehydrated. 
It probably does not occur in the cell. 
 
In the Z-conformation (3 in the figure below), which can occur within GC-rich regions of B-
DNA, the organization of the nucleotides is completely different. 
In this case, the helix is left-handed, and the backbone adopts a characteristic zig-zag 
conformation (hence 

“Z-DNA”). The Z double helix has a smaller pitch than B-DNA.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

5

DNA segments in the Z conformation are methylated and probably have physiological 
significance, but details are not yet known. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

3.  Tertiary structure of 

DNA 

The DNA of a single human 
cell, if stretched to its full 
length is 1.74 meters. 
To get DNA into a cell's 
nucleus it must be packaged 
into a more tightly compacted 
form. The structural flexibility 
of DNA allows it to adopt 
more compacted structures 
than simple linear B-form DNA. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

6

 
 

Expression and transmission of genetic information 

 
The genetic information of all cells is stored in the base sequence of their DNA (RNA only 
occurs as a genetic material in viruses. Functional sections of DNA that code for inheritable 
structures or functions are referred to as genes. Most genes code for proteins

—i. e., they 

contain the information for the sequence of amino acid residues of a protein (its sequence).  

 

 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

7

DNA REPLICATION  

 
 
DNA replication
 or DNA synthesis is the process of copying a double-stranded DNA strand, 
prior to cell division. 
The  two  resulting  double  strands  are  identical  (if  the  replication  went  well),  and each  of  them 
consists  of  one  original  and  one  newly  synthesized  strand.  This  is  called  semi  conservative 
replication
.  

 

The process of replication consists of three steps, initiationreplication and termination
 

1.  Prokaryotic replication 

Basic Requirement for DNA Synthesis 

1.  Substrates: the four deoxy nucleosides triphosphates are needed as substrates for DNA 

synthesis.  Cleavage  of  the  high-energy  phosphate  bond  between  the 

α  and  β 

phosphates provides the energy for the addition of the nucleotide. 

2.  Template:  DNA  replication  cannot  occur  without  a  template.  A  template  is  required  to 

direct  the  addition  of  the  appropriate  complementary  deoxynucleotide  to  the  newly 
synthesized DNA strand. 

3.  Primer: DNA synthesis cannot start without a primer, which prepares the template strand 

for the addition of nucleotides. 

4.  Enzyme: the DNA synthesis that occurs during the process of replication is catalyzed by 

enzymes called DNA-dependent DNA polymerases. Commonly called DNA polymerases. 

 
 

 

 

 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

8

Multiple DNA Polymerase with Multiple Enzymatic Activities.  

DNA polymerase 

DNA polymerase is an enzyme that assists in 

DNA replication

. Such enzymes catalyze the 

polymerization of deoxyribonucleotides alongside a DNA strand, which they "read" and use as a 
template.  The  newly  polymerized  molecule  is  complimentary  to  the  template  strand  and 
identical to the template's partner strand. 

All DNA polymerases synthesize DNA in the 5' to 3' direction. But no known DNA polymerase is 
able to begin a new chain. They can only add a nucleotide onto a preexisting 3'- OH group. For 
this  reason  DNA  polymerase 
needs  a  primer  at  which  it  can 
add the first nucleotide. 

DNA polymerase I: is an 
enzyme that aids in DNA 
replication. It was discovered in 
the mid 1950's, and was the first 
such enzyme discovered (hence 
the name). It is often referred to 
as Pol I, for short. DNA  
polymerase I removes the RNA 
primer from the lagging strand 
and fills in the necessary 
nucleotides. Ligase then joins the 
various fragments together into a 
continuous strand of DNA. 

DNA  polymerase  II:  is  a  minor 
DNA  polymerase  in  E.  coli,  may 
be involved  on some  DNA repair 
processes.  It  is  often  referred  to 
as Pol II, for short. 

DNA 

polymerase 

III 

holoenzyme: 

Pol 

III 

is 

holoenzyme  that  aids  in  DNA 
replication. 

As 

replicative 

enzymatic  mechanism  of  DNA, 
the  Polymerase  replicates  with 
high fidelity.  

 

 

 

 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

9

Origin of Replication 

The origin of replication (also called replication origin or oriC) is a unique DNA sequence at 
which DNA replication is initiated and proceeds bidirectionally or unidirectionally. 

1.  OriC: The origin of replication oriC is a 250 bp sequence rich in adenine-thymine base 

pairs, which are more easily separated than cytosine-guanine base pairs. 

2.  DnaAdnaA is an initiation factor which hydrolyzes ATP and promotes the unwinding or 

melting  of  DNA  at oriC, during DNA replication. The oriC/dnaA complex formation does 
not require ATP until it is open. 

After initiation, dnaA binds dnaB and dnaC. 

3.  Replication fork: The replication fork is a structure which forms when DNA is ready to replicate itself. It is created by 

topoisomerase, which breaks the hydrogen bonds holding the two DNA strands together. The resulting structure has 
two branching "prongs", each one made up of a single strand of DNA. DNA polymerase then goes to work on creating 
new partners for the two strands by adding nucleotides. 

Basic Molecular Events at Replication Forks: 

1.  Leading strand synthesis: is the continuous synthesis of one of the daughter strands in 

a 5' to 3' direction. Pol III catalyzes leading strand synthesis. 

 

 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

10

 

2.  Lagging strand synthesis

a.  Okazaki  fragments:  One  of  the  newly  synthesized  daughter  strands  is  made 

discontinuously.  The  resulting  short  fragments  are  called  Okazaki  fragments. 
These  fragments  are  latter  joined  by  DNA  ligase  to  make  a  continuous  piece  of 
DNA.  This  is called lagging strand synthesis. Discontinuous synthesis of lagging 
strands occurs because DNA synthesis always occurs in a 5' to 3' direction. Pol III 
catalyzes lagging strand synthesis 

b.  Direction of new synthesis: As the replication fork moves forward, leading strand 

synthesis  follows.  A  gap  forms  on  opposite  strand  because  it  is  in  the  wrong 
orientation to direct continuous synthesis of a new strand. After a lag period, the 
gap that forms is filled in by 5' to 3' synthesis. This means that new DNA synthesis 
on the lagging strands is actually moving away from the replication fork. 

c.  Priming of Okazaki fragment synthesis. 

i.  Enzyme: an enzyme called primase is the catalytic portion of a primosome 

that  makes  the  RNA  primer  needed  to  initiate  synthesis  of  Okazaki 
fragment. It also makes the primer that initiates leading strand synthesis at 
the origin. 

ii.  Primers  provide  a  3'-hydroxyl  group  that  is  needed  to  initiate  DNA 

synthesis.  The  primers  made  by  primase  are  small  pieces  of  RNA  (4-12 
nucleotides) complementary to the template strand. 

d.  The role of pol I in replication: On completion of lagging strand synthesis by pol III, 

the  RNA  primer  is  then  removed  by  pol  I  and  replaced  with  DNA.  Synthesis  of 
each  new  Okazaki  fragments  takes  place  until  it  reach's  the  RNA  primer  of  the 
preceding  Okazaki  fragment  and  the  RNA  primer.  DNA  pol  I  uses  its  nick-
translation  properties  to  hydrolyze  the  RNA  (5'  to  3'  exonuclease  activity)  and 
replace it with DNA. 

e.  Joining  of  Okazaki  fragments:  After  pol  I  has  removed  the  RNA  primer  and 

replaced it with DNA, an enzyme called DNA ligase can catalyze the formation of 
a phosphodiester bond given an unattached but adjacent 3'OH and 5'phosphate. 
This can fill in the unattached gap left when the RNA primer is removed and filled 
in.  The  DNA  polymerase  can  organize  the  bond  on  the 5'  end  of  the primer, but 
ligase is needed to make the bond on the 3' end.:  


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

11

 

 
 
 
 
 
Other Factors Needed for Propagation of Replication Forks 
1.  Topoisomerase is responsible for initiation of the unwinding of the DNA.  
2.  Helicases:  are  enzymes  that  catalyze  the  unwinding  of  the  DNA  helix.  A  helicase  derives 

energy from cleavage of high energy phosphate bonds of nucleoside triphosphates, usually 
ATP,  to  unwind  the  DNA  helix.  Hilcase  activity  provides  single  strand  templates  for 
replication: 

3.  Gyrase. : Positive supercoils would build up in advance of a moving replication fork without 

the action of gyrase, which is a topomerase. 

4.  single-strand binding protein (SSBP):  

a.  Function:  SSBP  enhances  the  activity  of  helicase  and  binds  to  a  single-strand 

template  DNA  until  it  can  serve  as  a  template.  It  may  also  serve  to  protect  single 
strand DNA from degradation by nucleases, and it may block formation of intrastrand 
duplexes of hairpins that can slow replication. 

b.  Release:  SSBP  is  displaced  from  single  strand  DNA  when  the  DNA  undergoes 

replication. 

5.  Primosome 

a.  Definition: the primosome is a complex of proteins that comprises primase, a hexamer 

of the helicase dnaB protein, dnaC protein and several other proteins. 

b.  Function: the primosome complex primes DNA synthesis at the origin. Driven by ATP 

hydrolysis,  the  primosome  moves  with  the  replication  fork,  making  RNA  primes  for 
Okazaki fragment synthesis. 
 

 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

12

The Replisome: 

It is believed that all the replication enzymes and factors are 
part of a large macromolecular complex called replisome. It 
has been suggested that the replisome may be attached to 
the  membrane  and  that  instead  of  the  replisome  moving 
along the  DNA  during  replication,  DNA  passed  through  the 
stationary replisome. 
 
Replosome model of replication 
 
Termination of Replication:  
Replication  sequences  (e.g.  ter)  direct  termination  for 
replication.  A  specific  protein  (the  termination  utilization 
substance  (TUS)  protein)  binds  to  these  sequences  and 
prevents  the  helicase  dnaB  protein  from  further  unwinding 
DNA. This facilitates the termination of replication. 
 

 
 

2.  Eukaryotic Replications 

 
Eukaryotes
  are  organisms  with complex  cells,  in  which  the genetic material is organized into 
membrane-bound nuclei 
They  may  utilize  slightly  different  mechanisms  of  replication.  However  most  of  these 
mechanisms are very similar to those in prokaryotic replication. 
 
Replicons are basic units of replication. 

1.  Function: A replicon encompasses the entire DNA replicated from the growing replication 

forks that share a single origin. 

2.  Size:  Replicons  may  vary  in  size  from  50-120 

μm.  There  are  estimated  to  be  10,000-

100,000  replicon  per  cell  in  mammals.  The  large  number  of  replicons  is  needed  to 
replicate  the  large  mammalian  genomes  in  a  reasonable  period  of  time.  It  takes 
approximately 8 hours to replicate the human genome. 

3.  Replication rate:  

a.  Prokaryotes.  An  E.  coli  replication  fork  progresses  at  approximately  1000  base 

pairs per second. 

b.  Eukaryotes.  The  eukaryotic  replication  rate  is  about  10  times  slower  than  the 

prokaryotic replication rate. Each replicon complete synthesis in approximately an 
hour. Therefore during the total period of eukaryotic replication not every replicon 
is  active.  The  slow  rate  of  eukaryotic  replication  is  likely  due  to  interferences  of 
nucleusomes and chromosomal proteins.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

13

Multiple Eukaryotic DNA Polymerases  

1.  DNA  polymerase  alpha  :  This  enzyme  is  composed  of  4  subunits,  one  of  which  (167 

kDa) carries the polymerase activity. It is responsible for synthesis of the primer on the 
lagging  strand  because  it  is  responsible  for  the  initiation  of  Okazaki  fragments.  The 
primer consists of both RNA and a short stretch (20 nt) of DNA.  

2.  DNA  polymerase  delta  :  This  enzyme  contains  at  least  4  and  maybe  as  many  as  a 

dozen  subunits.  It  has  a  proofreading  activity.  When  associated  with  proliferating  cell 
nuclear antigen (PCNA), it has a very high processivity.  

3.  DNA polymerase beta & DNA polymerase epsilon: Both enzymes are involved in DNA 

repair. 

4.  DNA  polymerase  gamma:  This  enzyme  is  located  in  the  mitochondrion  where  it  is 

responsible for replication of mtDNA

 

 

Telomere 

A  telomere  is  a  region  of  highly  repetitive  DNA  at  the 
end of  a chromosome, which functions as an aglet. If it 
were  not  for  telomeres,  this  would  quickly  result  in  the 
loss of useful genetic information.  

In  prokaryotes,  chromosomes  are  circular  and  thus  do 
not have ends to suffer premature replication termination 
at. Only eukaryotes possess or require telomeres. 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

14

Telomeres are extended by telomerases, Telomerases are very interesting DNA polymerases in 
that they carry an RNA template for the telomere sequence within them. 

  Structure  of  telomeres:  In  humans,  the  telomere  sequence  is  a  repeating  string  of 

TTAGGG, between 3 and 20 kilobases in length. There are additional 100-300 kilobases 
of  telomere-associated  repeats  between  the  telomere  and the rest of the chromosome. 
Telomere sequences vary from species to species, but are generally GC-rich. 

  The  mechanism  of  telomere  replication:  Telomerase  provide  an  RNA  template 

complementary to the telomeric repeat, and the free 3' end of the telomere is the primer 
for  new  DNA  synthesis.  After  elongation  of  the  telomere by telomerase, normal lagging 
strand synthesis presumably makes a complementary copy of all but the 3' most terminal 
sequences. 

In most multicellular eukaryotes, telomerase is only active in germ cells. There are theories that 
the steady shortening of telomeres with each replication in somatic (body) cells may have a role 
in senescence and in the prevention of cancer.  

Clinical relevance of telomeres: If telomeres become too short, they will uncap. The cell will 
detect  this  as  DNA  damage  and  will  enter  cellular  senescence  (growth  arrest).  Uncapped 
telomeres also result in chromosomal fusions. Since this damage cannot be repaired in normal 
somatic cells,  the  cell  may  even  go  into apoptosis. Many aging-related diseases are linked to 
shortened telomeres. Organs deteriorate as more and more of their cells die off or enter cellular 
senescence. 

Cancer 

When  normal  cells  are  damaged  or  old  they 
undergo  apoptosis;  cancer  cells,  however,  avoid 
apoptosis. 
All  cancers  begin  in  cells  and  are  caused  by 
mutations. Normally, cells grow and divide to form 
new  cells  only when  the  body needs them. When 
cells  grow old and die, new cells take their place. 
Mutations  can  sometimes  disrupt  this  orderly 
process.  New  cells  form  when  the  body  does  not 
need  them,  and  old  cells  do  not  die  when  they 
should. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

15

Lecture 2: DNA mutation and repair mechanisms   

 

 

 
 
 

DNA

 

M

UTATIONS AND THEIR 

R

EPAIR

 

 

M

UTATIONS

: are any permanent changes in the genetic material (usually DNA or RNA) of 

a cell. 

Mutations can be caused by copying errors in the genetic material during cell division and 
by exposure to radiation, chemicals, or viruses, or can occur deliberately under cellular 
control during the processes such as meiosis or hypermutation. 

In multicellular organisms, mutations can be subdivided into germline muta tions, which 
can be passed on to progeny and somatic muta tions, which (when accidental) often lead to 
the malfunction or death of a cell and can cause cancer.  

Mutations are considered the driving force of evolution, where less favorable (or 
deleterious) mutations are removed from the gene pool by natural selection, while more 
favorable (or beneficial) ones tend to accumulate.  

Mutagenesis

 is the process by which mutations arise. Both words originate from the Latin 

muta re

, to 

change. 
 

Types of mutations 

 

Point  mutations  are  usually  caused  by  chemicals  or  malfunction  of  DNA 
replication  and  exchange  a  single  nucleotide  for  another.  Most  common  is  the 
transition that exchanges a purine for a purine or a pyrimidine for a pyrimidine (A 
↔  G,  C  ↔  T).  A  transition  can  be  caused  by  nitrous  acid,  base  mispairing,  or 
mutagenic base analogs such as 5-bromo-2-deoxyuridine (BrdU). Less common is a 
transversion, which exchanges a purine for a pyrimidine or a pyrimidine for a purine 
(C/T ↔ A/G). A point mutation can be reversed by another point mutation, in which 
the nucleotide is changed back to its original state (true reversion) or by second-site 
reversion  (a  complementary  mutation  elsewhere  that  results  in  regained  gene 
functionality).  Point  mutations  are  called  silent,  missense  or  nonsense  mutations, 
depending on whether the erroneous codon codes for the same amino acid (silent), a 
different amino acid (missense) or a stop, which can truncate the protein (nonsense).  

 

Insertions add one or more extra nucleotides into the DNA. They are usually 
caused by transposable elements, or errors during replication of repeating elements 
(e.g. AT repeats). Most insertions in a gene can cause a shift in the reading frame 
(frameshift) or alter splicing of the mRNA, both of which can significantly alter the 
gene product. Insertions can be reverted by excision of the transposable element.  

 

Deletions remove one or more nucleotides from the DNA. Like insertions, these 
mutations can alter the reading frame of the gene. They are irreversible.  


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

16

Original DNA molecule    

 

ACGAGTGTGCGATCACCT 

 
 

 

 

 

 

 

 

Transcription 

 

Insertion  of  extra  T 
unit 

 
mRNA  

 

UGCUCACACGCUAGUGGA 

 
 

 

 

 

 

Translation 

 

Peptide  

 

Cys Ser His Ala Ser Gly 

 
 

 

 

 

 

 

Extra unit 

 

Mutant DNA 

 

ACGATGTGTGCGATCACCT 

 

       Transcription 

 

Mutant mRNA 

 

UGCUACACACGCUAGUGGA 

 

Translation 

 

Mutant peptide  

 

 

 

Cys Tyr Thr Arg 

 
The mutant peptide not only has the incorrect order of amino acids but also shorter. 

Causes of mutation 

Two classes of mutations are spontaneous mutations (naturally occurring) and induced 
mutations caused by mutagens. 

Spontaneous mutations on the molecular level include: 

a.  Errors  in  replication.  If  a  base  that  is  noncomplementory  to  the  template  base 

added  during  replication,  then  a  mispairing  or  mismatch  occurs.  This  leads  to  a 
mutation during the next round of replication if the error is not repaired. 

b.  Errors  that occur during  recombination  events.  (Recombinant DNA:  molecules 

of  DNA  formed  by  inserting  portions  of  DNA  from  one  organism  into  DNA  of 
another. 

c.  Tautomerism  

a.  Keto ↔ Enol  
b.  Amino ↔ Imino  

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

17

An example of a spontaneous transition results from the tautomerization of adenine to 
generate a form, which can base pair with cytosine. An amino group (-NH2) tautomerizes 
to an imino group (=NH) (other tautomers can form from a keto group (-C=O) changing to 
an enol group (-C-OH)): 

 

d.  Substitutions - one base is replaced by another. If this mutation occurs within the 

coding sequence of a gene, it may lead to the use of a different amino acid or 
generate a stop codon. Substitutions fall into two categories:  

o

 

Transitions - one purine is replaced by another (A -> G or G -> A), or one 
pyrimidine is replaced by another (C -> T or T -> C)  

o

 

Transversions - a purine is replaced by a pyrimidine (A -> C or T; G -> C or 
T), or a pyrimidine is replaced by a purine (C -> A or G; T -> A or G)  

e.  Frameshift mutation (insertion or deletion on one strand), usually through a 

polymerase error when copying repeated sequences  

a.  Deletions - one or more bases is removed. Unless this mutation results in the 

loss of a multiple of three bases, a frame-shift will occur in coding 
sequences, drastically altering every codon downstream of the mutation, and 
therefore the final amino acid composition of the protein.  

b.  Insertions - one or more bases is added. The effects are the same as 

deletions, resulting in frame-shift mutations.  

f.  Oxidative damage caused by oxygen radicals  
g.  Spontaneous changes

a.  Deamination of cytosine (C) to form uracil (U). 
b.  Spontaneous  depurination.  Purines  are  less  stable  under  normal  cellular 

conditions  than  pyrimidines.  The  glycosidic  bond  that  links  purines  to  the 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

18

sugar-phosphate  backbone  of  DNA  often  is  broken.  If  these  purines  are  not 
replaced before a round of replication, any base may be added to complement 
the missing base during replication. 

Induced mutations on the molecular level include: 

1.  Chemical mutations  

1.  Nonalkylating agents. For example: 

i. 

Formaldehyde  (HCHO)  reacts  with  amine  groups  and  cross-links 
DNA, RNA and proteins. 

ii. 

Hydroxylamine  (NH

2

OH)  specifically  reacts  with  cytosine  to  form 

derivatives  that  pair  with  adenines  instead  of  guanines.  This  change 
lead to a transversion (in which a purine is replaced by a pyrimidine 
or a pyrimidine is replaced by a purine. 

iii. 

Nitrous  acid  (HNO

2

)  oxidatively  deaminates  cytosine,  adenines,  and 

guanines  to  form  uracil,  hypoxanthines,  and  xanthines  respectively. 
These changes results in transitions (in which a purine is replaced by 
another purine or one pyrimidine is replaced by another pyrimidine. 

b.  Alkylating  agents:  these  act  as  strong  electrolytes,  which  become  linked  to 

many cellular  nucleophiles  in  particular the  sevenths  nitrogen  of  the  guanine  in 
the DNA. This linkage causes breakage of DNA. 

2.  Irradiation 
a.  Ultraviolet  (UV)  light  (200-400  nm)  induces  dimerization  of  adjacent 

pyrimidines,  particularly  adjacent  thymines.  This  direct  mutation  of  DNA 
distorts the DNA structure, inhibits transcription, and disrupts replication until it 
is repaired. 

b.  Ionizing radiation, such as Roentgen rays (x rays) and gamma rays (γ-rays) 

can cause extensive damage to DNA including opening purine rings, which lead 
to depurination, and breaking phosphodiester bonds. 

 

DNA has so-called hotspots, where mutations occur up to 100 times more frequently than 
the normal mutation rate. A hotspot can be at an unusual base, e.g., 5-methylcytosine. 

Mutation rates also vary across species. Evolutionary Biologists have theorized that higher 
mutation rates are beneficial in some situations, because they allow organisms to evolve 
and therefore adapt faster to their environments. 

Some mutagens chemically modify the DNA bases. Nitrous oxide deaminates adenine to 
hypoxanthine which base-pairs with cytosine, it also deaminates cytosine to uracil which 
base-pairs to adenine. Hydroxylamine converts cytosine to a form which base-pairs with 
adenine, causing specific transitions from C-G to T-A. 
Flat, aromatic compounds such as the acridines intercalate into the DNA helix, inserting 
themselves between adjacent bases. This can lead to the insertion or deletion of one or 
more base pairs. Ethidium bromide, a reagent used in molecular biology, intercalates into 
DNA. This compound fluoresces under UV light, allowing the visualization of DNA in an 
agarose gel. 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

19

DNA repair 

Some mutations in DNA can be repaired because the genetic information is stored on both 
strands of DNA. The unaffected strand can be used as a template to fix the damaged 
strand. Chemicals, ionizing radiation and ultraviolet light can cause breakage of the 
phosphodiester bonds in the DNA backbone, and the bases themselves can be altered, lost, 
or covalently cross-linked. 

UV light can cause adjacent pyrimidine bases to become covalently joined, forming a 
pyrimidine dimer

 

This lesion is removed by an excinuclease, an enzyme which excises a 12 bp fragment 
surrounding the dimer. DNA polymerase I fills in the gap and DNA ligase seals the break: 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

20

 

An alternative mechanism to repair pyrimidine dimers uses the enzyme DNA photolyase
which uses light energy to cleave the dimer back into the original bases. 

 

An important aspect in the repair of DNA, especially in base mismatches, is the ability to 
distinguish between strands. Parental DNA can be distinguished from the newly 
synthesized strand by methylation of adenine residues. Specific methylases react with 
adenine in GATC sequences. This enzyme takes time to operate, so in newly synthesized 
DNA the daughter strand won't be methlyated and the repair mechanisms can identify the 
parental strand and use it as a template to correct the unmethylated strand. 

Defects in the repair mechanism of DNA can lead to cancer.  

Xeroderma pigmentosum can result from a deficiency in the excinuclease which 
removes pyrimidine dimers. Individuals with this disease frequently die from metastases 
of malignant skin tumors before the age of 30. 

Defective mismatch repair can result in hereditary nonpolyposis colorectal cancer . 
Mutations build up in the genome over time until eventually a gene controlling cell 
proliferation is altered, resulting in a cancerous tumor. 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

21

 

Potential carcinogens can be identified by the use of a test on bacteria because many 
carcinogens and mutagens exert their effects on DNA. Salmonella which have a mutation 
in their histidine biosynthetic pathway are plated onto a medium lacking in histidine. 
Addition of mutagenic agents to this medium results in the development of revertants
strains which are capable of growth on this medium. By changing the specific mutation in 
the orginal strain, in is possible to distinguish agents which cause base-pair substitutions 
from agents which cause frame-shift mutations. The addition of mammalian liver 
homogenate expands the sensitivity to mutagenic agents which result from the conversion 
of a precursor form. The bacterial cells lack the enzyme systems which produce some of 
these compounds during their degradation in the liver. 

The DNA repair process must be constantly operating, to correct rapidly any damage in 
the DNA structure. 

As cells age, however, the rate of DNA repair can no longer keep up with ongoing DNA 
damage. The cell then suffers one of three possible fates: 

1.  an irreversible state of dormancy, known as senescence  
2.  cell suicide, also known as apoptosis or programmed cell death  
3.  cancer  

Most cells in the body become senescent. Then, after irreparable DNA damage, apoptosis 
occurs. In this case, apoptosis functions as a "last resort" mechanism to prevent a cell from 
becoming cancerous and endangering the organism. 

When cells become senescent, alterations in their gene regulation cause them to function 
less efficiently, which inevitably causes disease. The DNA repair ability of a cell is vital to 
its normal functioning and to the health and longevity of the organism.  

 

Nuclear versus mitochondrial DNA damage 

In human, and eukaryotic cells in general, DNA is found in two cellular locations - inside 
the nucleus and inside the mitochondria. Nuclear DNA (nDNA) exists in large scale 
aggregate structures known as chromosomes which are composed of DNA wound up 
around bead-like proteins called histones. Whenever the cell needs to access the genetic 
information encoded in nDNA it will unravel the required section, read it, and then allow 
it to wind up once more in its protected conformation. In contrast, mitochondrial DNA 
(mtDNA) which is located inside mitochondria organelles, exists in single or multiple 
copies of a circular loop without any histone association.  

Consequently, mtDNA is far more prone to damage than nDNA because it lacks the 
structural protection afforded by histone proteins. In addition, the highly oxidative 
environment inside mitochondria that exists due to the constant production of adenosine 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

22

triphosphate (ATP) makes mtDNA even more prone to damage. Even though human 
mtDNA encodes only 13 proteins, a malfunctioning mitochondrion can activate apoptosis. 

The types of molecules involved and the mechanism of repair that takes place is based on: 

1.  the type of damage on the DNA molecule  
2.  whether the cell has entered into a state of senescence  
3.  the phase of the cell cycle that the cell is in  

 

S

S

i

i

n

n

g

g

l

l

e

e

 

 

s

s

t

t

r

r

a

a

n

n

d

d

 

 

a

a

n

n

d

d

 

 

d

d

o

o

u

u

b

b

l

l

e

e

 

 

s

s

t

t

r

r

a

a

n

n

d

d

 

 

D

D

N

N

A

A

 

 

d

d

a

a

m

m

a

a

g

g

e

e

 

 

S

S

i

i

n

n

g

g

l

l

e

e

 

 

s

s

t

t

r

r

a

a

n

n

d

d

 

 

d

d

a

a

m

m

a

a

g

g

e

e

 

 

To repair damage to one of the two helical domains of DNA, the other 
strand must remain intact so that a replacement of damaged 
information can be made by the information from the undamaged 
copy. There are numerous mechanisms by which DNA repair can take 
place. These include 

1.  base excision repair (BER), which repairs damage due to 

alkylation or deamination;  

2.  nucleotide excision repa ir (NER), which repairs damage by UV 

light; and  

3.  mismatch repair (MMR), which corrects errors of DNA 

replication and recombination.  

Cells that divide have an additional means of DNA repair via DNA 
polymerases. Cells that do not divide (such as brain and heart cells) 
cannot use this important DNA repair mechanism. 

D

D

o

o

u

u

b

b

l

l

e

e

 

 

s

s

t

t

r

r

a

a

n

n

d

d

 

 

d

d

a

a

m

m

a

a

g

g

e

e

 

 

Most cells in the body have two copies of each chromosome, which becomes very useful 
during double strand damage. When damage occurs to both DNA strands, the only way 
that it can be repaired is by homologous recombination using the intact chromosome copy. 
This allows a damaged chromosome to be replaced, using the sister of the chromosome 
pair as the template. 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

23

Poor DNA repair induces pathology

 

 

As  cells get  older the  amount  of  DNA  damage  accumulates  overtaking the rate of repair 
and  resulting  in  a  reduction  of  protein  synthesis.  As  proteins  in  the  cell  are  used  for 
numerous  vital  functions  the  cell  becomes  slowly  impaired  and  eventually  dies.  When 
enough cells in an organ reach such a state the organ itself will become compromised and 
the symptoms of disease begin to manifest. Experimental studies in animals, where genes 
associated  with  DNA  repair  were  silenced,  resulted  in  accelerated  aging,  early 
manifestation  of  age  related  diseases  and  increased  susceptibility  to  cancer.  In  studies 
where  the  expression  of  certain  DNA  repair  genes  was  increased  resulted  in  extended 
lifespan and resistance to carcinogenic agents in cultured cells. 

DNA repair rate is variable 

If the rate of DNA damage exceeds the capacity of the cell to repair it, the accumulation of 
errors  can  overwhelm  the  cell  and  result  in  senescence,  apoptosis  or  cancer.  Inherited 
diseases  associated  with  faulty  DNA  repair  functioning  result  in  premature  aging  (e.g. 
Werner's  syndrome)  and  increased  sensitivity  to  carcinogens  (e.g  Xeroderma 
Pigmentosum).  

On  the  other  hand,  organisms  with  enhanced  DNA  repair  systems,  such  as  Deinococcus 
radiodura ns
 (also known as "Conan the bacterium", listed in the Guinness Book of World 
Records  as  "the  world's  toughest  bacterium"),  exhibit  remarkable  resistance  to  lethal 
dosages  of  radioactivity,  because  their  DNA  repair  enzymes  are  able  to  perform  at 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

24

unusually fast rates to keep up with radiation induced-damage, and because it carries 4–10 
copies of the genome. 

Studies in smokers have found that, for people with a mutation that causes them to express 
less  of  the  powerful  DNA  repair  gene  ,  their  vulnerability  to  lung  and  other  smoking 
related cancers are increased. Single nucleotide polymorphisms (SNP) associated with this 
mutation can be clinically detected. 

Hereditary DNA repair disorders 

Defects in the NER mechanism are responsible for several genetic disorders, including: 

 

xeroderma  pigmentosum:  hypersensitivity  to  sunlight/UV,  resulting  in  increased 
skin cancer, incidence and premature aging  

 

Cockayne syndrome: hypersensitivity to UV and chemical agents  

 

trichothiodystrophy: sensitive skin, brittle hair and nails  

Mental  retardation  often  accompanies  the  latter  two  disorders,  suggesting  increased 
vulnerability of developmental neurons. 

Other DNA repair disorders include: 

 

Werner's syndrome: premature aging and retarded growth  

 

Bloom's syndrome: sunlight hypersensitivity, high incidence of malignancies  

Chronic DNA repair disorders 

Chronic  disease  can  be  associated  with  increased  DNA  damage.  For  example,  smoking 
cigarettes  causes  oxidative  damage  to the  DNA  and  other components  of  heart  and  lung 
cells,  resulting  in  the  formation  of  DNA  adducts  (molecules  that  disrupt  DNA).  DNA 
damage  has  now  been  shown to be  a  causative  factor  in  diseases  from  atherosclerosis  to 
Alzheimer's,  where  patients  have  a  lesser  capacity  for  DNA  repair  in  their  brain  cells. 
Mitochondrial DNA damage has also been implicated in numerous disorders. 

Medicine & DNA repair modulation 

There is a vast body of evidence that has correlated DNA damage to death and disease. As 
indicated  by  new  overexpression  studies,  increasing  the  activity  of  some  DNA  repair 
enzymes could decrease the rate of aging and disease. This may result in the development 
of  human  interventions  that  can  add  many  healthy  and  disease-free  years  to  an  aging 
population.  Not  all  DNA  repair  enzymes  are  beneficial  when  overexpressed,  however. 
Some  DNA  repair  enzymes  can  introduce  new  mutations  in  healthy  DNA.  Reduced 
substrate specificity has been implicated in these errors. 

Cancer treatment 

Procedures such as chemotherapy and radiotherapy work by overwhelming the capacity of 
the  cell  to  repair  DNA  damage  and  resulting  in  cell  death.  Cells  that  are  most  rapidly 
dividing such as cancer cells are preferentially affected. The side effect is that other non-
cancerous  but  similarly  rapidly  dividing  cells  such  as  stem  cells  in  the  bone  marrow  are 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

25

also affected. Modern cancer treatments attempt to localize the DNA damage to cells and 
tissues only associated with cancer. 

Gene therapy 

For  therapeutic  uses  of  DNA  repair,  the  challenge  is  to  discover  which  particular  DNA 
repair  enzymes  exhibit  the  most  precise  specificity  for  damaged  sites,  so  its 
overexpression  will  lead  to  enhanced  DNA  repair  function.  Once  the  appropriate  repair 
factors  have  been  identified,  the  next  step  is  in  selecting  the  appropriate  way  to  deliver 
them into cells, to generate viable disease and aging treatments. The development of smart 
genes,  which  are  able  to  alter  the  amount  of  protein  they  produce  based  on  changing 
cellular conditions, stand to increase the efficacy of DNA repair augmentation treatments. 

Gene repair 

Unlike  the  multiple  mechanisms  of  endogenous  DNA  repair,  gene  repair  (or  gene 
correction
)  refers  to  a  form  of  gene  therapy,  which  precisely  targets  and  corrects 
chromosomal  mutations  responsible  for  a  disorder.  It  does  so  by  replacing  the  flawed 
DNA  sequence  with  the  desired  sequence,  using  techniques  such  as  oligonucleotide-
directed  mutagenesis.  Genetic  mutations  requiring  repair  are  normally  inherited,  but  in 
some cases they can also be induced or acquired (such as in cancer). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

26

Lecture 3: RNA structure, transcription, post-transcriptional processing and drugs that inhibit these 
processes. 

 

 

RNA Synthesis and Processing 

Major Classes of RNA 

 

1.  Messenger  RNA:  carries  information  from  genes  to  ribosomes,  where  it  is 

translated into proteins. 

 

In prokaryotic cells 

a.  basic feature: 

Most prokaryotic mRNA are 
poly cistronic. That is they 
carry the information for the 
production of multiple 
polypeptides.  

b.  Abundance 

mRNA accounts for only 5% 
of the total cellular RNA in 
prokaryotes 

c.  Stability  

Life time of prokaryotic mRNA 
is short, does not exceed 
more than a few minutes. 
 
 
 

In eukaryotic cells 

a.  basic feature: 

Most prokaryotic mRNA are 
monocistronic. That is they 
carry the information for the 
production of a single 
polypeptide.   

b.  Abundance 

mRNA accounts for only 3% 
of the total cellular RNA. Its 
precursor hnRNA accounts for 
7% of the cellular RNA in 
eukaryotes. 

c.  Stability  

Relatively stable and exhibites 
half-lives on the order of hours 
and days. 

 
2.  Ribosomal  RNA:  comprises  approximately  50%  of  the  mass  of 

ribosomes.  The  function  of  rRNA  is  both  structural  as  well  as 
catalytic. 
 
 

In prokaryotic cells 

a.  basic feature

There  are  three kinds of prokaryotic 
rRNA.  

b.  Abundance 

rRNA  are the mostly abundant RNA 
class.  They  account  for  80%  of  the 
total cellular RNA in prokaryotes. 
 
 
 

In eukaryotic cells 

a.  basic feature: 

the rRNA of eukaryotes are typically 
bigger  than  those  of  prokaryotes. 
Also , eukaryotes have four kinds of 
rRNA.  

b.  Abundance 

Approximately  4%  of  cellular  rRNA 
is precursor rRNAm and 71% is fully 
processed rRNAs. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

27

 
 
3.  Transfer RNA: serve to transfer amino acids to the ribosomes and 

to  facilitate  the  incorporation  of  the  amino  acids  into  newly 
synthesized  proteins  in  a  template-dependent  manner.  For  each 
amino acid, there is one or more specific tRNA. 

 

In prokaryotic cells 

a.  basic feature

tRNA are small in size with an 
average of 80 nucleotides. All 
tRNA have common structural 
features that allow them to 
function in the ribosomes.   

b.  Abundance 

The tRNA account for 15% of 
the total cellular RNA in 
prokaryotes. 

 
 

In eukaryotic cells 

a.  basic feature: 

eukaryotic  tRNA  are  very 
similar  to  prokaryotic  tRNA  in 
size  and  structural  features.
 

 

b.  Abundance 

Same as in prokaryotes. 

 
 

 
 
 

 
 

4.  small RNAs (only in eukaryotes) 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

28

Transcription 

The process of RNA synthesis directed by a DNA template is termed transcription
and occurs in three phases: initiation, elongation and termination. 
In transcription, DNA is copied to RNA by an enzyme called RNA polymerase .  
Transcription to yield an mRNA is the first step of protein biosynthesis . 

1.  initiation of transcription 

i.  Promoter  sequences.  Unlike  the  initiation  of  replication,  transcriptional 

initiation does not require a primer. Promoter sequences are responsible for 
directing  RNA  polymerase  to  initiate  transcription  at  a  particular  point. 
Promoter sequences differ between prokaryotes and eukaryotes 

In genetics, a promoter is a DNA sequence that enables a gene to be transcribed. 
The  promoter  is  recognized  by  RNA  polymerase  (RNAP),  which  then  initiates 
transcription.  

1.  Prokaryotic  promoters.    The  promoters  for  most  prokaryotic  genes 

have three sequence elements. 
a. 

Initiation site (startpoint). Transcription for most genes always starts 
at the same base (position one). The startpoint is usually purine. 

b. 

Pribnow box. : lies 9-18 base pairs upstream of the startpoint. 

i. 

Its either identical to or very similar to the sequence TATAAT. 

ii. 

The  pribnow  box  also  called  -10  sequence  because  it  is 
usually found 10 bp upstream of the startpoint. 

c. 

The -35 sequence is a component of a typical prokaryotic promoter. 
It  is  a  TTGACA.  Called  -35  sequence  because  it  is  usually  found 
35bp upstream of the startpoint. 

<--upstream                 

 

 

                                        downstream --> 

 

2.  Eukaryotic Promoters. Each type of eukaryotic RNA polymerase uses a 

different promoter. The promoters used by RNA polymerase I and II are 
similar  to  the  prokaryotic  promoter  in  that  they  are  upstream  of  the 
startpoint.  However,  the  promoters  used  by  RNA  polymerase  III  are 
unique because they are usually downstream of the startpoint. 

ii.  Initiation factors:   

1.  Prokaryotic 

σ factor is required for accurate initiation of transcription. 

2.  Eukaryotic initiation factors: the initiation of transcription in eukaryotes 

is considerably more complex than in prokaryotes, partly because of the 
increased complexity of eukaryotic RNA polymerases and partly because 
of the diversity of their promoters. 

 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

29

 

2.  Elongation: 

The basic requirement and fundamental mechanism of the elongation phase of RNA 
synthesis is the same in prokaryotes and eukaryotes
1)  Template:  A  single  strand  of  DNA  acts  as  a  template  to  direct  the  formation  of 

complementary RNA during transcription. 

2)  Substrates:  the  four  nucleosides  triphosphates  are  needed  as  substrates  for 

RNA synthesis.  

3)  Direction of synthesis: RNA chain growth proceeds in the 5' to 3' direction. 
4)  Enzyme:  

a.  Prokaryotes  have  a  single  RNA  polymerase  responsible  for  all  cellular 

synthesis.The structure of RNA polymerase is complex: 

 

 

 

b.  Eukaryotes  have  one  mitochondrial  and  three  nuclear  RNA 

polymerase.  The  latter  are  distinct  enzymes  that  function  to 
synthesize different RNAs. 

 
 
 

3.  Termination: 

i. 

In prokaryotices: 

There are two basic classes of termination event in prokaryotes 

1.  Intrinsic 

termination 

(Rho-independent 

termination

involves 

terminator 

sequences within the RNA as it is being made that signal the RNA polymerase to 
stop. The terminator sequence is usually a palindromic DNA sequence that forms 
a hairpin. 

2.  Rho-dependent termination uses a termination factor called 

ρ factor to stop RNA 

synthesis at specific sites. When 

ρ-factor reaches the RNAP, it causes RNAP to 

dissociate from the DNA, terminating transcription.  


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

30

 

 

ii.    In  eukaryotices:  Very  little  is  known  about  how  they  terminate 
transcription  


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

31

Action of antibiotics: 

Some  antibiotics  prevent  bacterial  cell  growth  by  inhibiting  RNA  synthesis.  For 
example,  rifampin  (useful  in  treatment  of  tuberculosis)  inhibits  the  initiation  of 
transcription  by  binding  to  the 

β-subunit  of  the prokaryotic RNA polymerase. , thus 

interfering with the formation of the first phosphdiester bond.  

 

Dactinomycin "actinomycin D" (first antibiotic to find therapeutic application in tumor 
chemotherapy)  binds  to  DNA  template  and  interferes  with  the  movement  of  RNA 
polymerase along the DNA. 

 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

32

Posttranscriptional RNA processing 

Once  a  gene  transcript  has  been  synthesized,  numerous  post-

transcriptional  modification  or  processing  events  may  be  needed 

before the transcript is functional. 

1.  Prokaryotes:  post-transcriptional  processing  of  RNA  is  not  as 

extensive  in  prokaryotes  as  in  eukaryotes;  however,  some 

processing does occur. 

2.  Eukaryotes:  Overall,  post-transcriptional  processing  is  more 

extensive  in  eukaryotes  than  in  prokaryotes.  This  partly  is  due  to 

the  presence  of  a  nucleus  from  which  most  RNAs  must  be 

transported. RNAs are processed during this transport. Processing 

gives  them  the  characteristics  they  need  to  be  functional  in  the 

cytoplasm  such  as  an  increased  stability  of  mRNAs  as  well  as 

allowing for another level of gene regulation. 

a.  The primary transcript (hnRNA) is capped at its 5' end as it is 

being transcribed. 

b.  A poly (A) tail, 20 to 200 nucleotide in length is being added 

to the 3' end of he transcript. 

c.  Splicing reactions remove introns and connect the exons. 

 

(The most common cause of 

β

-thalassemia are defects in mRNA splicing 

of  the 

β

-globin  gene.  Mutations  that  affect  the  splicing  create  aberrant 

transcript that are degraded before they are translated. If patients inherit 

a  single  mutant  gene  thalassemia  minor,  the  disease  manifests  itself 

with  a  mild  anemia.  However,  patents  with  homozygous  mutations 

thalassemia major have sever transfusion-dependent anemia. 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

33

 

 

 

 

 

 

 

 
 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

34

Lecture 4: Protein synthesis and  translation in prokaryotic and eukaryotic cells and drugs 
that inhibit this process 

Protein Synthesis: 

Protein biosynthesis is the process in which cells build proteins. The term is 
sometimes used to refer only to protein translation, but more often it refers to a multi-
step process, beginning with transcription and ending with proteintranslation

 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

35

 

Ribosome: A ribosome is an organelle composed of rRNA (synthesized in the 
nucleolus) and ribosomal proteins. It translates mRNA into a polypeptide chain (e.g., 
a protein). It can be thought of as a factory that builds a protein from a set of genetic 
instructions.  

Free ribosomes 

Free ribosomes occur in all cells. Free ribosomes usually produce proteins that are 
used in the cytosol or in the organelle they occur in. 

Membrane bound ribosomes 

When certain proteins are synthesized by a ribosome, it can become "membrane-
bound", associated with the membrane of the nucleus and the rough endoplasmic 
reticulum (in eukaryotes only) for the time of synthesis.  
Translation (also called protein biosynthesis or polypeptide synthesis) is the 
second process in gene expression. In translation, messenger RNA is used as a 
template to produce a specific polypeptide according to the rules specified by the 
genetic code. 
Phases 
Translation proceeds in three phases: initiation, elongation, and termination (all 
describing the growth of the amino acid chain, or polypeptide that is the product of 
translation). 

1.  Initiation of translation involves the small ribosomal subunit binding to the 

'start' codon on the mRNA, which indicates where the mRNA starts coding for 
the protein. This codon is most commonly an AUG. In eukaryotes amino acid 
encoded by the start codon is methionine. In bacteria, the protein starts 
instead with the modified amino acid N-formyl methionine (f-Met). In f-Met, the 
amino group has been blocked by a formyl group to form an amide, so this 
amino group can not form a peptide bond. This is not a problem because the f-
Met is at the amino terminus of the protein.  

2.  The large subunit then forms a complex with the small subunit, and 

elongation proceeds. A new activated tRNA enters the A site of the ribosome 
and base pairs with the mRNA. The enzyme peptidyl transferase forms a 
peptide bond between the adjacent amino acids. As this happens, the amino 
acid on the P site leaves its tRNA and joins the tRNA at the A site. The 
ribosome then moves in relation to the mRNA shifting the tRNA at the A site 
on to the P whilst releasing the empty tRNA, this process is known as 
translocation

3.  This procedure repeats until the ribosome encounters one of three possible 

stop codons, where translation is terminated. This stalls protein growth, and 
release factors, proteins which mimic tRNA, enter the A site and release the 
protein in to the cytoplasm. 

Synthesis of proteins can take place extremely quickly. This is aided by multiple 
ribosomes being able to attach themselves to one mRNA chain, thus allowing 
multiple proteins to be constructed at once. An mRNA chain with multiple ribosomes 
is called a polysome. Also, as prokaryotes have no nucleus, an mRNA can be 
translated while it is still being transcribed. This is not possible in eukaryotes as 
translation occurs in the cytoplasm, whereas transcription occurs in the nucleus. 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

36

 

Protein Synthesis in Eukaryotes 

A major difference between eukaryotes and prokaryotes is that, in a typical 

eukaryotic cell, protein synthesis takes place in the cytoplasm while transcription and 
RNA processing take place in the nucleus. In bacteria, these two processes can be 
coupled so that protein synthesis can start even before transcription has finished. 
INITIATION 
The cap-dependent translation initiation pathway 
Cap-dependent initiation is the major translation initiation pathway in eukaryotes  

 

eukaryotic mRNAs are monocistronic, capped at the 5' end and 
polyadenylated at the 3' end  

 

ribosomes dissociate into 40S and 60S subunits  

 

40S subunits locate the initiator AUG codon by scanning the mRNA from the 
cap structure in the 3' direction for the first AUG codon  

 

at the AUG codon the 60S ribosomal subunit joins the 40S initiation complex 
to form an 80S ribosome competent for translation elongation:  


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

37

 

 

Fig.: Principle of cap-dependent translation initiation. AUU, stop codon; AAAn, 

poly(A) tract. 

 A large number of proteins, the eukaryotic translation initiation factors (eIF) 
catalyze individual steps in the pathway.  

 

ELONGATION: The elongation in eukaryotes is very similar to that in prokaryotes. 
TERMINATION: Mechanism in eukaryotes is similar to that in prokaryotes  
 

Drugs that inhibits protein synthesis 

1.  Erythromycin 

Mechanism of Action 
Erythromycin inhibit protein synthesis by 
binding to the 23S rRNA molecule (in the 50S 
subunit) of the bacterial ribosome blocking 
the exit of the growing peptide chain. 
(Humans do not have 50 S ribosomal 
subunits, but have ribosomes composed of 
40 S and 60 S subunits). Certain resistant 
microorganisms with mutational changes in 
components of this subunit of the ribosome 
fail to bind the drug. The association between 
erythromycin and the ribosome is reversible 
and takes place only when the 50 S subunit 
is free from tRNA molecules bearing nascent 
peptide chains. The non ionized from of the 
drug is considerably more permeable to cells, 
and this probably explains the increased 
antimicrobial activity that is observed in 
alkaline pH. 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

38

 

2.  Tetracyclines: 

Tetracyclines have the broadest spectrum 
of antimicrobial activity. Four fused 6-
membered rings, as shown in the figure 
below, form the basic structure from which 
the various tetracyclines are made 
Mechanism of Action: 
Tetracyclines inhibit bacterial protein 
synthesis by blocking the attachment of the 
transfer RNA-amino acid to the ribosome. 
More precisely they are inhibitors of the 
codon-anticodon interaction. Tetracyclines 
can also inhibit protein synthesis in the 
host, but are less likely to reach the 
concentration required because eukaryotic 
cells do not have a tetracycline uptake 
mechanism.  
3.  Streptomycin: Streptomycin binds to 

the 30S ribosome and changes its shape so that it and inhibits protein 
synthesis by causing a misreading of messenger RNA information. 

4.  Chloramphenicol: 
Chloromycetin is also a broad spectrum antibiotic that possesses activity similar to 
the tetracylines. 
At present, it is 
the only 
antibiotic 
prepared 
synthetically. It 
is reserved for 
treatment of 
serious 
infections 
because it is 
potentially highly 
toxic to bone 
marrow cells. It 
inhibits protein 
synthesis by 
attaching to the 
ribosome and 
interferes with 
the formation of 
peptide bonds 
between amino 
acids. 

 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

39

Lecture 5: Post translational processes and protein folding 
 

Post-Translational Modifications 

Some proteins must be modified in one or more of a number of ways before they 
realize their final functional form. The following are some of the modifications that 
have been found to occur to proteins after they have been synthesized: 

1. 

Dealing with the N-terminal residue

 

In bacteria, the N-terminal residue of the newly-synthesized protein is modified in 
bacteria to remove the formyl group. The N-terminal methionine may also be 
removed. 
In eukaryotes, the methionine is also subject to removal. 

2. 

Amino Acid Modifications

 

a. 

Acetylation

 

b. 

Phosphorylation

 

c. 

Methylation

 

d. 

Carboxylation

 

e. 

Hydroxylation

 

f. 

Glycosylation

 

g. 

Nucleotidylation

 

h. 

Lipid Addition

 

Others

 

The protein, thyroglobin, is 

iodinated

 during the synthesis of thyroxine. 

i. 

Adding Prosthetic Groups

 

Proteins that require a prosthetic group for activity must have this group added. For 
example, the haem (heme) group must be added to globins and cytochromes; Fe-S 
clusters must be added to ferredoxins. 

j. 

Forming Disulfide Bonds

 

Many extracellular proteins contain disulfide cross-links (intracellular proteins almost 
never do). The cross-links can only be established after the protein has folded up into 
the correct shape. 

Proteolytic Processing

 

Some proteins are synthesized as inactive precursor polypeptides which become 
activated only after proteolytic cleavage of the precursor polypeptide chain. Two well-
known examples are: 

Chymotrypsin & Trypsin

 

Chymotrypsin and trypsin are both synthesized as 

zymogens

. Cleavage of 

chymotrypsinogen between Arg15 and Ile 16 by trypsin yields the enzymatically 
active pi-chymotrypsin. Two further proteolytic cleavages catalyzed by chymotrypsin 
removes the dipeptides Ser

14

-Arg

15

 and Thr

147

-Asn

148

 to yield alpha-chymotrypsin. 

Trypsin is activated by the removal of the N-terminal seven amino acids. 
 

Insulin

 

Insulin is synthesized as a precursor polypeptide. The initial 

preproinsulin

 contains 

a signal sequence since the protein is targeted for secretion.  


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

40

 

Protein Folding 

 

As they are being synthesized, proteins must adopt the correct conformation for their 
function. 
Protein folding is the process by which a string of amino acids (the chemical building 
blocks of protein) interacts with itself to form a stable three- dimensional structure 
during production of the protein within the cell.  
The process is roughly analogous to the ways in which a length of wire may be 
twisted onto or against itself to form various functional entities, for example a spring, 
a paperclip or a coat hanger. 
 
Folding occurs very rapidly, probably within milliseconds of production of the string of 
amino acids, and results in 3-D conformations which usually are quite stable, with 
specific biological functions. 
 
The folding of proteins thus facilitates the production of discrete functional entities, 
including enzymes and structural proteins, which allow the various processes 
associated with life to occur.  
 
Importantly, folding not only  

1.  allows the production of structures which can perform particular functions in 

the cellular milieu, but also  

2.  it prevents inappropriate interactions between proteins, in that folding hides 

elements of the amino acid sequence which if exposed would react non-
specifically with other proteins.  

Proteins may either fold spontaneously or they may need the assistance of 
chaperone proteins so that they do not get trapped in stable folding intermediates but 
rather fold into the correct final conformation. 
There are 3 major classes of chaperones: 

 

The Hsp70 family

 

 

The Hsp 60 family 

 

Protein misfolding diseases 
In many cases, misfolded proteins are recognized to be undesirable by a group of 
proteins called heat shock proteins, and consequently directed to protein degradation 
machinery in the cell. This involves conjugation to the protein ubiquitin, which acts as 
a tag that directs the proteins to proteasomes, where they are degraded into their 
constituent amino acids. Hence many protein misfolding diseases are characterized 
by absence of a key protein, as it has been recognised as dysfunctional and 
eliminated by the cell

’s own machinery. Diseases caused by lack of a particular 

functioning protein, due to its degradation as a consequence of misfolding, 
include: 

  cystic fibrosis (misfolded CFTR protein), 

  Marfan syndrome (misfolded fibrillin),  

  Fabry disease (misfolded alpha galactosidase),  

  Gaucher

’s disease (misfolded beta glucocerebrosidase) and 

  retinitis pigmentosa 3 (misfolded rhodopsin). 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

41

 
 In addition, some cancers may be associated with misfolding, and hence ineffective 
functioning, of tumour suppressor proteins such as p53. 
Many protein misfolding diseases are characterized not by disappearance of a 
protein but by its deposition in insoluble aggregates within the cell.  
 
Diseases caused by protein aggregation include: 

  Alzheimer

’s disease (deposits of amyloid beta and tau),  

  Type II diabetes (depositis of amylin),  

  Parkinson

’s disease (deposits of alpha synuclein), and  

  the spongiform encephalopathies such as Creutzfeldt-Jakob disease 

(deposits of prion protein).  

Protein misfolding appears at least in some cases to be due to mutations (missing or 
incorrect amino acids) in the protein which destabilise it such that it is more likely to 
fold incorrectly. 
 
 Alternatively, the misfolding could occur due to progressively lower levels of 
chaperone proteins in ageing neurons. It may also be that mutations or other 
changes in the chaperone proteins themselves cause them to actually promote 
misfolding, rather than guard against it. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

42

Lecture 6: Protein targeting and degradation 

 

 

 

 

Protein Targeting 

Proteins that must be targeted within the cell must be intercepted early during 
synthesis so that this can happen correctly. As a protein is being synthesized, 
decisions must be taken about sending it to the correct location in the cell where it 
will be required. The information for doing this resides in the nascent protein 
sequence itself. Once the protein has reached its final destination, this information 
may be removed by proteolytic processing. 

Targeting in Bacteria 

In bacterial cells, the targeting decision is relatively straightforward: is the protein 
destined to be an 

intracellular

 protein or an 

extracellular

 one? 

Secreted proteins contain a 

signal sequence

. This is a short (6 - 30) stretch of 

hydrophobic amino acids, flanked on the N-terminal side by one or more positively 
charged amino acids such as lysine or arginine, and containing neutral amino acids 
with short side-chains (such as glycine or alanine) at the cleavage site. As proteins 
with signal sequences are synthesized, they are bound by the 

SecB

 protein. This 

prevents the protein from folding. 

SecB

 delivers the protein to the cell membrane 

where is secreted through a pore formed by the 

SecE

 and 

SecY

 proteins. Secretion 

is driven by the 

SecA

 ATPase. After the protein has been secreted, the signal 

sequence is removed by a membrane bound 

leader peptidase

 

 
 
 

 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

43

 
Targeting in Eukaryotes

 

Targeting in eukaryotes is necessarily more complex due to the multitude of 
internal compartments: 
Proteins that are synthesized on free ribosomes may also be targeted within the cell: 

  Proteins that are targeted for organelles have their own N-terminal uptake-

targeting sequence(s) that determines whether the protein must cross one or 
two membranes. In the former case, proteins destined for the intermembrane 
space of the mitochondrion are first transported into the matrix (mitochondrion) 
and then re-transported back through the inner mitochondrial membrane to the 
intermembrane space. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Proteins that must be targeted to the nucleus have a 

nuclear localization signal

 

(

NLS

). Once common type of signal is a series of five or so closely spaced positively 

charged amino acids. 

The Signal Sequence hypothesis was first enunciated by Gunther Bl

öbel who was 

awarded the

 Nobel Prize in Medicine in 1999

 for his work. 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

44

The following diagram summarizes the choices/fates available to newly 
synthesized proteins in a eukaryotic cell: 

 

The SRP cycle 

The signal recognition particle (SRP) associates with ribosomes that are in the 
process of translating the mRNA for a secretory protein. The protein has a signal at 
the N-terminus. Subsequently, the ribosome-bound SRP interacts with the SRP-
receptor  a component of the ER membrane. Finally, SRP recycles to associate with 
another ribosome, and translation continues with the secretory protein transversing 
the membrane through a channel called the translocon.  

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

45

 

Targeted Protein Degradation 

In order to keep a cell working it needs to remove: 

1.  incorrectly synthesized proteins (with errors in amino acid sequence)  
2.  damaged proteins (i.e. oxidative damage)  
3.  cell-cycle specific proteins  
4.  other signaling proteins which are no longer necessary  

One mechanism of protein degradation is via lysosomes.  

 Lysosomes are acidic vesicles that contain about 50 different enzymes 
involved in degradation: 

1.  proteases (cathepsins):  cleave peptide bonds  
2.  phosphatases:  remove covalently bound phosphates  
3.  nucleases:  cleave DNA/RNA  
4.  lipases:  cleave lipid molecules  
5.  carbohydrate-cleaving enzymes:  remove covalently bound sugars from 

glycoproteins  

Lysosomes often secrete their contents into the extracellular medium via exocytosis.  
Lysosomes can also target damaged organelles in a process called autophagy.  
Sometimes, lysosomes are triggered to rupture inside a cell, resulting in autolysis
also called apoptosis or programmed cell death.  
   

Another major mechanism is via ubiquitin labeling of surplus proteins: 

 

Ubiquitin (a small 76-residue protein) is attached to the protein:  

o

 

First, an activating enzyme attaches itself to the carboxy terminus of 
free ubiquitin in an ATP-dependent process.  

o

 

Then, the activated ubiquitin is transferred onto a second enzyme 
which at the same time recognizes damaged proteins.  

o

 

The activated ubiquitin is then covalently linked to lysine residues on 
the surface of the damaged protein.  

 

These ubiquitin-tagged proteins are now recognized by specific proteases in 
the cytosol which in turn cleave and degrade the tagged protein.  

 

These proteases are combined in a very large protein complex called the 
proteasome.  

 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

46

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

47

Lecture 7: Biochemistry of cancer and tumor markers 

 

Biochemistry of Cancer and Tumor Markers 

 

Cancer is a long term multistage genetic process. The first stage is when the DNA is 

damaged by some form of carcinogen: physical, chemical, and biologic agents (e.g. 

smoking,  radiation,  chemicals,  and  virus).  These  agents  damage  or  alter  DNA,  so 

that cancer is truly a disease of the genome. At some later time, additional damage 

occurs  that  eventually  leads  to  chromosome  breakdown  and  rearrangement.  This 

process  produces  a  new  phenotype  that  loses  control  over the  process  of  mitosis. 

The  process  of  mitosis  continues  and  unlimitedly  produces  malignant  tumor  cells. 

Eventually, there is a production of a growing mutant cell that expresses oncogenes. 

(Oncogenes:  are  genes  capable of  inducing  or  maintaining transformation  of  cells). 

Benign tumor cells have lost growth control but do not metastasize.   

Much  current  interest  in  cancer  is  focused  on  the  study  of  oncogenes  and  tumor 

suppressor  genes.  Normal  cells  contain  potential  precursors  of  oncogenes, 

designated proto-oncogenes. Activation of these genes to oncogenes is achieved by 

at least five mechanisms: 

1.  promoter and  

2.  enhancer insertion 

3.  Chromosomal translocation,  

4.  gene amplification 

5.  Point mutation.  

Activated  oncogenes  influence  cellular  growth  by  perturbing  normal  cellular 

mechanism of growth control, by acting as growth factors or receptors, and probably 

by other means as well. 

Tumor  suppressor  genes  are  now  recognized  as  key  players  in  the  genesis  of 

cancer. 

 Important tumor suppressor genes include RB1  and P53, both of which are nuclear 

phosphoproteins and probably affect the transcription of genes involved in regulating 

events in the cell cycle.  

 

Tumor  progression  reflects  instability  of  the  tumor  genome  probably  due  at  least  in 

part  to  defects  in  DNA  repair  systems,  activation  of  additional  oncogenes,  and 

inactivation of additional tumor suppressor genes. 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

48

 

The extensive biochemical analyses of the Morris minimal-deviation 

Hepatomas 

(tumors originally induced in rats by feeding them the carcinogens 

fluorenylphthalamic acid, fluorenylacetamide compounds, 

or trimethylaniline. These hepatocellular carcinomas are transplantable in an inbred host strain 

of rats and have a variety of growth rates and degrees of differentiation. All these tumors are 

malignant and eventually kill the host. The term 

“minimal deviation” was coined by Potter to 

convey the idea that some of these neoplasms differ only slightly from normal hepatic 

parenchymal cells)

 led Weber to formulate the 

molecular correlation concept

 of 

cancer, which states that 

the biochemical strategy of the genome in neoplasia 

could be identified by elucidation of the pattern of gene expression as revealed 

in the activity, concentration, and isozyme aspects of key enzymes and their 

linking with neoplastic transformation and progression.

 

Weber proposed three general types of biochemical alterations associated with 

malignancy: 

1.  transformation-linked  alterations  that  correlate  with  the  events  of  malignant 

transformation and that are probably altered in the same direction in all malignant 

cells;  

2.  progression-linked alterations that correlate with tumor growth rate, invasiveness, 

and metastatic potential; and  

3.  coincidental  alterations  that  are  secondary  events  and  do  not  correlate  strictly 

with transformation or progression. 

 

Those  metabolic  pathways  that  contained  enzymes  which  fulfilled  one  or  more  of 

these criteria are indicated in Table (1) along with the alteration that was observed in 

cancer.  

Table(1) Molecular Correlation Concept and Affected Processes 

Biochemical Process 

 

 

  

Alteration in Cancer Cells 

Pyrimidine and purine synthesis    

 

 

Increased 

Pyrimidine and purine catabolism  

 

 

Decreased 

RNA and DNA synthesis    

 

 

 

Increased 

Glucose catabolism  

 

 

 

 

Increased 

Glucose synthesis    

 

 

 

 

Decreased 

Amino acid catabolism (for gluconeogenesis)    

Decreased 

Urea cycle    

 

 

 

 

 

Decreased 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

49

 

Enzymes in Malignancy 

Plasma total enzyme activities may be raised or an abnormal isoenzyme detected, 

in several neoplastic disorders. 

 Serum prostatic (tartrate-labi!e) acid phosphatase activity rises in some cases of 

malignancy of the prostate gland. 

  Any  malignancy  may  be  associated  with  a  non-specific  increase  in  plasma  LD

1

 

( H BD )   and. occasionally, transaminase activity. 

  Plasma  transaminase  and  alkaline  phosphatase  estimations  may  be  of v alue  to 

monitor  treatment  of  malignant  disease.  Raised  levels  may  indicate  secondary 

deposits in liver or of alkaline phosphatase, in bone. Liver deposits may also cause 

an increase in plasma LD or GGT. 

  Tumors  occasionally  produce  a  number  of  enzymes,  such  as  the  'Regan'  ALP 

isoenzyme.'  LD  (HBD)   or  CK-BB.  assays  of  which  may  be  used  as  an  aid  to 

diagnosis or for monitoring treatment. 

 

A number of oncodevelopmental tumor-associated antigens appear on tumor cells as 

a result of the apparent re-expression (or increased expression) of embryonic genes, 

and a number of these are useful as tumor markers for cancer diagnosis and disease 

progression. 

These  include  alpha-fetoprotein  (AFP),  carcinoembryonic  antigen  (CEA),  and  a 

number of inappropriately (ectopically) produced hormones. (Table (2). 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

50

 

 

Classification of Tumor Markers 

Tumor markers come from a variety of groups:  

Enzymes,  glycoproteins,  hormones  and  hormone-like  substances,  hormone 

receptors, oneogenes, and oneogene reseptors. The list of tumor markers that arise 

from  this  list  is  quite  extensive.  However,  because  of  the  low  sensitivity  and 

specificity  of  most  tumor  markers,  the  Food  and  Drug  Administration  (FDA)  has 

approved only a few assay kits as tumor markers.  

 

What are they? 

Tumor  markers  are  substances,  usually  proteins  that  are  produced  by  the  body  in 

response  to  cancer  growth  or  by  the  cancer  tissue  itself.  Some  tumor  markers  are 

specific,  while  others  are  seen  in  several  cancer  types.  Many  of  the  well-known 

markers  are  also  seen  in  non-cancerous  conditions.  Consequently,  these  tumor 

markers are not diagnostic for cancer. 

There  are  only  a  handful  of  well-established  tumor  markers  that are being routinely 

used  by  physicians.  Many  other  potential  markers  are still being researched. Some 

marker tests cause great excitement when they are first discovered but, upon further 

investigation, prove to be no more useful than markers already in use.  

The goal is to be able to screen for and diagnose cancer early, when it is the most 

treatable and before it has had a chance to grow and spread. So far, the only tumor 

marker to gain wide acceptance as a general screen is the Prostate Specific Antigen 

(PSA)  for  men.  Other  markers  are  either  not  specific  enough  (too  many  false 

positives,  leading  to  expensive  and  unnecessary  follow-up  testing)  or  they  are  not 

elevated early enough in the disease process. 

 

Some people are at a higher risk for particular cancers because they have inherited a 

genetic  mutation.  While  not  considered  tumor  makers,  there  are  tests  that  look  for 

these mutations in order to estimate the risk of developing a particular type of cancer. 

BRCA1  and  BRCA2  are  examples  of  gene  mutations  related  to  an inherited  risk  of 

breast cancer and ovarian cancer.  

 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

51

Why are they done?  

Tumor markers are not diagnostic in themselves. A definitive diagnosis of cancer is 

made by looking at biopsy specimens (e.g., of tissue) under a microscope. However, 

tumor markers provide information that can be used to:  

Screen: Most markers are not suited for general screening, but some may be used in 

those  with  a  strong  family  history  of  a  particular  cancer.  In  the  case  of  genetic 

markers,  they  may  be  used  to help predict risk in family members. (PSA testing for 

prostate cancer is an example).   

Help diagnose: In a patient that has symptoms, tumor markers may be used to help 

identify  the  source  of  the  cancer,  such  as  CA-125  for  ovarian  cancer,  and  to  help 

differentiate it from other conditions.    

Stage: If a patient does have cancer, tumor marker elevations can be used to help 

determine how far the cancer has spread into other tissues and organs.   

 

Determine prognosis. Some tumor markers can be used to help doctors determine 

how aggressive a cancer is likely to be.   

Guide  Treatment.  Some  tumor  markers  will  give  doctors  information  about  what 

treatments their patients may respond to.   

 

Monitor  Treatment.  Tumor  markers  can  be  used  to  monitor  the  effectiveness  of 

treatment, especially in advanced cancers. If the marker level drops, the treatment is 

working; if it stays elevated, adjustments are needed.   

Determine  recurrence.  Currently,  one  of  the  biggest  uses  for  tumor  markers  is  to 

monitor  for  cancer  recurrence.  If  a  tumor  marker  is  elevated  before  treatment,  low 

after  treatment,  and  then  begins  to rise over time, then it is likely that the cancer is 

returning.  (If  it  remains  elevated  after  surgery,  then  chances  are  that  not  all  of  the 

cancer was removed.)  


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

52

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

53

 

Lecture 8: The biochemistry of nucleic acids  metabolism  

Nucleic acids Metabolism 

Synthesis of purine nucleotides 

The atoms of the purine ring are contributed by a number of compounds, 
including amino acids (aspartic acid, glycine, and glutamine), CO

2

 and 

N

10

-formyltetrahydrofolate.   

Sources of the individual atoms in the purine ring 

 

A. Synthesis of 5-phosphoribosyl-1-pyrophosphate(PRPP) 

PRPP is an "activated pentose" that participates in the synthesis of 
purines and pyrimidines and the salvage of purine bases. Synthesis of 
PRPP from ATP and ribose 5-phosphate is catalyzed by PRPP 
synthetase as shown in the figure bellow: 

 

The enzyme is activated by inorganic phosphate (Pi) and inhibited by purine 
nucleotides (end-product inhibition). 

OH

OH

OH

O

phosphate-OH

2

C

Ribose 5-phosphate

O

OH

OH

O

phosphate-OH

2

C

Ribose 5-phosphate

-phosphate-phoshate

Activator
Pi

PRPP synthetase

inhibitors
purine
 ribonucleotides

ATP

AMP

Mg

+2


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

54

Note: the sugar moiety of PRPP is ribose and therefore ribonucleotieds are the end 
products of de novo purine synthesis. When deoxyribonucleotides are required for 
DNA synthesis, the ribose sugar moiety is reduced. 

 
 

B.  Synthesis of 5'-phosphoribosylamine 

Synthesis of 5'-phosphoribosylamine from PRPP and glutamine is 
shown: 

  
The amide group of glutamine replaces the pyrophosphate group 
attached to carbon 1 of PRPP. The enzyme glutamine:phosphoribosyl 
pyrophosphate amidotransferase,
 is inhibited by the purine 5'-nucleotide 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

55

AMP, GMP, and IMP- the end products of the pathway. This is the 
committed step in purine nucleotide biosynthesis. The rate of the 
reaction is also controlled by the intracellular concentration of the 
substrates glutamine and PRPP. 
 

C.  Synthesis of inosine monophosphate, the "parent" 
purine nucleutide 

 
The next nine steps in purine nuclutide biosynthesis leading to the 
synthsis of IMP (whose base is hypoxanthine) is illustrated bellow: 

 

 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

56

PABA analogs 

 

Sulfonamides are structural analogs of PABA that competitively inhibit 

bacterial synthesis of folic acid . Because purine synthesis requires THF as a 
coenzyme, the sulfa drugs slow down this pathway in bacteria. 

 

Humans cannot synthesize folic acid, and must rely on external sources 

of this vitamin. Therefore, sulfa drugs do not interfere with human purine 
synthesis. 

Folic acid analogs 

 

Methotrxate and related compounds inhibit the reduction of 

dihydrofolate to tetrahydrofolate, catalyzed by dihydrofolate reductase. 

 

These drugs limit the amount of tetrahydrofolate available for use in 

purine synthesis and thus slow down DNA replication in mammalian cells. 
These compounds are therefore useful in treating rapidly growing cancers, 
but are also toxic to all dividing cells. 

 

 
This pathway requires four ATP molecules as an energy source. Two 
steps in the pathway require N

10

-formyltetrahydrofolate.  

 
D.  Synthetic inhibitors of purine synthesis 

Some synthetic inhibitors of purine synthesis (for example , the 
sulfonamides), are designed to inhibit the growth of rapily dividing 
microorganisms without interfering with human cell functions. 
Other purine synthesis inhibitors such as structural analogs of folic acid 
(for example, methotrxate are used pharmacologically to control the 
spred of cancer by interfering with the synthesis of nucleotides and 
therefore of DNA and RNA as shown in the figure above. 
Note: Inhibitores of human purine synthesis are extremely toxic to 
tissues, especially to developing structures such as in a fetus or to cell 
types that normaly replicate rapidly including those of bone marrow, skin, 
gastrointestinal tract, immune system or hair follicles. As a result 
individuals taking such anti-cancer drugs can experience adverse 
effects, including anemia, scaly skin, GI tract disturbance, 
immunodeficiencies and baldness. 
Trimethoprim another folate analog has a potent antbacterial activity 
because of its selective inhibition of bacterial dihydrofolate reductase
(see the attached figure) 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

57

E.  Conversion of IMP to AMP and GMP 

  The conversion of IMP to either AMP or GMP uses a two-step 

energy requiring pathway. 

  The synthesis of AMP requires GTP as an energy source, whereas 

the synthesis of GMP requires ATP. 

  The first reaction in each pathway is inhibited by the end product of 

that pathway. This provides a mechanism for diverting IMP to the 
synthesis of the species of purine present in lesser amounts. 

  If both AMP and GMP are present in adequate amounts, the de novo 

pathway of purine synthesis is turned off at the aminotransferase step. 

  Mycophenolic acid (MPA) is a potent reversible, uncompetitive 

inhibitor of IMP dehydrogenises that is being used successfully in 
preventing graft rejection. It blocks the de novo formation of GMP, 
thus depriving rapidly proliferating cells including T and B cells of a 
key component of nucleic acids. 

  Graft: any organ, tissue or object used for transplantation to replace a faulty part of the 

body. 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

58

F.  Conversion of nucleoside monophosphate to  

nucleoside diphosphates and triphosphates

 

Nucleoside diphosphates (NDP) are synthesized from the corresponding 
nucleoside monophosphate (NMP) by base-specific nucleoside 
monophosphate kinas
es. 
These kinases do not discriminate between ribose or deoxyribose in the 
substrate. 
Adenylate kinase is particularly active in the liver and muscle where the 
turnover of energy from ATP is high. 
Nucloside diphosphates and triphosphates are interconverted by 
nucleoside diphosphate kinase-an enzyme that unlike mono-phosphate 
kinases has broad specificity. 

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

59

 

G.  Catabolism and Salvage of Purine Nucleotides 

 

The final product of purine degradation is uric acid, which is 
produced via the following pathway: 
a.  Hypoxanthine, from the breakdown of AMP, is oxidized to xanthine 

by the enzyme xanthine oxidase

b.  Guanine, from the breakdown of GMP, is deaminated to xanthine. 
c.  Xanthine is oxidized to uric acid by xanthine oxidase

1.  Oxygen (O

2

) is required, and hydrogen peroxide (H

2

O

2

) is 

generated in the oxidations by xanthine oxidase. 

2.  Xanthine oxidase contains molybdenum, which is why this 

element is required in trace amounts in humane. This enzyme 
also contains iron and sulfur

 

 

If this process is occurring in tissues other than liver, most of the 
ammonia will be transported to the liver as glutamine for ultimate 
excretion as urea.  

Xanthine, like hypoxanthine, is oxidized by oxygen and xanthine oxidase 
with the production of hydrogen peroxide. In man, the urate is excreted 
and the hydrogen peroxide is degraded by catalase. Xanthine oxidase is 
present in significant concentration only in liver and intestine. The 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

60

pathway to the nucleosides, possibly to the free bases, is present in 
many tissues.  

Catabolism of the purine nucleotides leads ultimately to the production of 
uric acid which is insoluble and is excreted in the urine as sodium urate 
crystals 

The synthesis of nucleotides from the purine bases and purine 
nucleosides takes place in a series of steps known as the salvage 
pathways
. The free purine bases---adenine, guanine, and hypoxanthine-
--can be reconverted to their corresponding nucleotides by 
phosphoribosylation. Two key transferase enzymes are involved in the 
salvage of purines: adenosine phosphoribosyltransferase (APRT), which 
catalyzes the following reaction:  

adenine + PRPP <-----> AMP + PP

i

 

and  hypoxanthine-guanine  phosphoribosyltransferase  (HGPRT),  which 
catalyzes the following reactions:  

hypoxanthine + PRPP <------> IMP + PP

i

 

guannine + PRPP <--------> GMP + PP

i

 

Purine nucleotide  phosphorylases  can also contribute to the salvage of 
the bases through a reversal of the catabolism pathways. However, this 
pathway 

is 

less 

significant 

than 

those 

catalyzed 

by 

the 

phosphoribosyltransferases.  
 

Clinical Significances of Purine Metabolism 

Clinical problems associated with nucleotide metabolism in humans are 
predominantly  the  result  of  abnormal  catabolism  of  the  purines.  The 
clinical consequences of abnormal purine metabolism range from mild to 
severe  and  even  fatal  disorders.  Clinical  manifestations  of  abnormal 
purine  catabolism  arise  from  the  insolubility  of  the  degradation 
byproduct,  uric  acid.  Excess  accumulation  of  uric  acid  leads  to 
hyperuricemia,  more  commonly  known  as  gout.  This  condition  results 
from the precipitation of sodium urate crystals in the synovial fluid of the 
joints, leading to severe inflammation and arthritis.  

Most  forms  of  gout  are  the  result  of  excess  purine  or  of  a  partial 

deficiency  in  the  salvage  enzyme,  HGPRT.  Most  forms  of  gout can be 
treated by administering the antimetabolite: allopurinol. This compound is 
a  structural  analog  of  hypoxanthine  that  strongly  inhibits  xanthine 
oxidase.  
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

61

Two  severe  disorders,  both  quite  well  described,  are  associated  with 
defects in purine metabolism:  

1.  Lesch-Nyhan syndrome: Lesch-Nyhan syndrome results from the 

loss of  a  functional HGPRT gene. Patients with this defect exhibit 
not only severe symptoms of gout but also a severe malfunction of 
the  nervous  system.  In  the  most serious cases, patients resort to 
self-mutilation.  Death  usually  occurs  before  patients  reach  their 
20th year.  

 

2.  Severe  combined  immunodeficiency  disease  (SCID):  SCID  is 

caused  by  a  deficiency  in  the  enzyme  adenosine  deaminase 
(ADA). This is the enzyme responsible for converting adenosine to 
inosine in the catabolism of the purines. This deficiency selectively 
leads to a destruction of B and T lymphocytes, the cells that mount 
immune  responses.  In  the  absence  of  ADA,  deoxyadenosine  is 
phosphorylated to yield levels of dATP that are 50-fold higher than 
normal. The levels are especially high in lymphocytes, which have 
abundant  amounts  of  the  salvage  enzymes,  including  nucleoside 
kinases.  High  concentrations  of  dATP  inhibit  ribonucleotide 
reductase,  thereby  preventing  other  dNTPs from  being produced. 
The net effect is to inhibit DNA synthesis. Since lymphocytes must 
be  able  to  proliferate  dramatically  in  response  to  antigenic 
challenge,  the  inability  to  synthesize  DNA  seriously  impairs  the 
immune  responses,  and  the  disease  is  usually  fatal  in  infancy 
unless  special  protective  measures  are  taken.  A  less  severe 
immunodeficiency results when there is a lack of purine nucleoside 
phosphorylase (PNP), another purine-degradative enzyme.  

 
 
 
One of the many glycogen storage diseases von Gierke's disease also 
leads  to  excessive  uric  acid  production.  This  disorder  results  from  a 
deficiency in glucose 6-phosphatase activity. The increased availability of 
glucose-6-phosphate  increases  the  rate  of  flux  through  the  pentose 
phosphate  pathway,  yielding  an  elevation  in  the  level  of  ribose-5-
phosphate and consequently PRPP. The increases in PRPP then result 
in excess purine biosynthesis. 

 

 
 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

62

 
 
 

Disorders of Purine Metabolism 

 

Disorder 

Defect 

Nature of 
Defect
 

Comments 

Gout

 

PRPP 
synthetase 

increased 
enzyme activity 
due to elevated 
Vmax 

hyperuricemia 

Gout 

PRPP synthetase 

enzyme is 
resistant to feed-
back inhibition 

hyperuricemia 

Gout 

PRPP synthetase 

enzyme has 
increased affinity 
for ribose-5-
phosphate 
(lowered K

m

)  

hyperuricemia 

Gout 

PRPP 
amidotransferase 

loss of feed-back 
inhibition of 
enzyme 

hyperuricemia 

Gout 

HGPRT

a

 

partially defective 
enzyme 

hyperuricemia 

Lesch-Nyhan 
syndrome

 

HGPRT 

lack of enzyme 

see above 

SCID

 

ADA

b

 

lack of enzyme 

see above 

Immunodeficiency  PNP

c

 

lack of enzyme 

see above 

Renal lithiasis

 

APRT

d

 

lack of enzyme 

2,8-dihydroxyadenine 
renal lithiasis 

Xanthinuria

 

Xanthine oxidase  lack of enzyme 

hypouricemia and 
xanthine renal lithiasis 

von Gierke's 
disease</TD

 

Glucose-6-
phosphatase 

enzyme 
deficiency 

see above 

a

Hypoxanthine-guanine phosphoribosyltransferase; 

b

adenosine deaminase; 

c

purine 

nucleotide 

phosphorylase; 

d

adenosine 

phosphoribosyltransferase  

  
 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

63

 
 

P

P

y

y

r

r

i

i

m

m

i

i

d

d

i

i

n

n

e

e

 

 

N

N

u

u

c

c

l

l

e

e

o

o

t

t

i

i

d

d

e

e

 

 

B

B

i

i

o

o

s

s

y

y

n

n

t

t

h

h

e

e

s

s

i

i

s

s

 

 

Synthesis  of  the  pyrimidines  is  less  complex  than  that  of  the 

purines, since the base is much simpler.  

 

A.  Synthesis of carbamoyl phosphate 

The  carbamoyl  phosphate  used  for  pyrimidine  nucleotide 

synthesis  is  derived  from  glutamine  and  bicarbonate,  within  the 
cytosol,  as  opposed  to  the  urea  cycle  carbamoyl  phosphate 

derived from ammonia and bicarbonate in the mitochondrion. The 
urea  cycle  reaction  is  catalyzed  by  carbamoyl  phosphate 

synthetase  I (CPS-I) whereas the pyrimidine  nucleotide  precursor 
is synthesized by CPS-II.  

2ATP + CO

2

+ Glutamine

2ADP +Pi
Glutamate

Carbomyl
phosphate
synthetase II

Regulation of Pyrimidine Synthesis
- In mammalian cells, CPS II
 is
 inhibited by UTP and activated by
ATP and PRPP

P

O

O

-

O

OH

H

2

N

O

carbamoyl phosphate


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

64

B.  Synthesis of orotic acid 

Carbamoyl phosphate is then condensed with aspartate in a 

reaction  catalyzed  by  the  rate  limiting  enzyme  of  pyrimidine 
nucleotide  biosynthesis,  aspartate  transcarbamoylase  (ATCase), 
forming  carbomyl  aspartate  .  the  pirimidine  ring  is  then  closed 

hydrolytically  by  dihydroorotase.  The  resulting  dihydroorotate  is 
oxidized to produce orotic acid . the enzyme that produce orotate 
(dihydroorotate dehydrogenase) is located inside the mitochondia. 
All other reactions in the pyrimidine biosynthesis are cytosolic. 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

Carbamoyl 
phosphate

Aspartate

Pi

Aspartate 
transcarbamoylase

N

H

O

-

O

O

HO

NH

2

O

Carbamoyl aspartate

Regulation of Pyrimidine Synthesis
- In prokaryotic cells, aspartate 
transcarbamoylase
 is  inhibited by 
CTP and is the regulated step

HN

O

NH

O

O

-

O

Dihydroorotate

HN

O

NH

O

O

-

O

Orotate

NAD

+

NADH +H

+

H

2

O

Dihydroorotase

Dihydroorotase
dehydrogenase


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

65

C.  Formation of a pyrimidine nucleotide 

 
The completed pyrimidine ring is converted to the nucleotide 

orotidine  5'-monophosphate  (OMP)  in  the  second  stage  of 
pyrimidine  nucleotide  synthesis.  PRPP  is  again  the  ribose  5-

phosphate donor. The enzyme orotate phosphoribosyltransferase 
produces  OMP  and  releases  pyrophosphate,  thereby  making  the 
reaction biologically irreversible. 
 

HO

OH

O

N

O

NH

O

O

HO

P

O

O

HO

HO

Orotidine 5'-monophosphate OMP

PRPP

PPi

HN

O

NH

O

O

-

O

Orotate

OMP decraboxylase

HO

OH

O

N

O

NH

O

P

O

O

HO

HO

uridine 5'-monophosphate UMP

Orotic Aciduria
-Low activities of orotidine phosphate decarboxylase 
and orotate phosphoribosyltransferas result in 
abnormal growth, megaloblastic anemia and the 
excretion of large amounts of orotate in the urine.
-Feeding a diet rich in uridine results in improvement
 of the anemia and decreased excretion of orotate

CO

2

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

66

Note: both purine and pyrimidine synthesis thus require glutmine 
and PRPP as essential precuersors. 

The  synthesis  of  pyrimidines  differs  in  two  significant  ways 

from that of purines.  
1. First,  the  ring  structure  is  assembled  as a  free  base,  not  built 

upon PRPP. PRPP is added to the first fully formed pyrimidine 
base  (orotic  acid),  forming  orotate  monophosphate  (OMP), 
which is subsequently decarboxylated to UMP.  

2. Second, there is no branch in the pyrimidine synthesis pathway.  

D.  Synthesis of uridine triphosphate and cytidine 

triphosphate 

UMP  is  phosphorylated  twice  to  yield  UTP  (ATP  is  the  phosphate 
donor).  The  first  phosphorylation  is  catalyzed  by  uridylate  kinase 

and  the  second  by  ubiquitous  nucleoside  diphosphate  kinase. 
Finally UTP is aminated by the action of CTP synthase, generating 
CTP.  
 
 

 
 
 
 
 

 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

67

 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

68

 
E.  Synthesis of Thymine Nucleotides  

The thymine nucleotides are in turn derived by de novo synthesis 
from dUMP or by salvage pathways from deoxyuridine or 
deoxythymidine. 
The de novo pathway to dTTP synthesis first requires the use of 
dUMP from the metabolism of either UDP or CDP. The dUMP is 
converted to dTMP by the action of thymidylate synthase. The 
methyl group (recall that thymine is 5-methyl uracil) is donated by 
tetrahydrofolate, similarly to the donation of methyl groups during 
the biosynthesis of the purines.  
The salvage pathway to dTTP synthesis involves the enzyme 
thymidine kinase which can use either thymidine or deoxyuridine 

as substrate:  
The activity of thymidine kinase (one of the various 
deoxyribonucleotide kinases) is unique in that it fluctuates with 
the cell cycle, rising to peak activity during the phase of DNA 
synthesis; it is inhibited by dTTP.  

F.  Clinical Relevance of Tetrahydrofolate  

Tetrahydrofolate  (THF)  is  regenerated  from  the  dihydrofolate 

(DHF)  product of the thymidylate synthase reaction by the action 
of  dihydrofolate  reductase  (DHFR),  an  enzyme  that  requires 
NADPH.  Cells  that  are  unable  to  regenerate THF suffer  defective 
DNA synthesis and eventual death. For this reason, as well as the 
fact that dTTP is utilized only in DNA, it is therapeutically possible 

to  target  rapidly  proliferating  cells  over  non-proliferating  cells 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

69

through  the  inhibition  of  thymidylate  synthase.  Many  anti-cancer 
drugs act directly to inhibit thymidylate synthase, or indirectly, by 
inhibiting DHFR.  

The class of molecules used to inhibit thymidylate synthase is 
called the suicide substrates, because they irreversibly inhibit the 
enzyme. Molecules of this class include 5-fluorouracil and 5-
fluorodeoxyuridine. Both are converted within cells to 5-
fluorodeoxyuridylate, FdUMP. It is this drug metabolite that 

inhibits thymidylate synthase. Many DHFR inhibitors have been 
synthesized, including methotrexate, and trimethoprim. Each of 
these is an analog of folic acid.  
  

G.  Salvage of Pyrimidine Nucleotide  

The salvage of pyrimidine bases has less clinical significance 

than that of the purines, owing to the solubility of the by-products 
of pyrimidine catabolism. Uridine and cytidine can be salvaged by  
uridine-cytidine kinase.  

Deoxycytidine  can  be  salvaged  by  deoxycytidine  kinase  and 
thymidine  can  be  salvaged  by  thymidine  kinase.  Each  of  these 
enzymes  catalyzes  the  phosphorelation  of  nucleotides  utilizing 
ATP and forming UMP, CMP, dCMP and TMP 

H.  Catabolism of Pyrimidine Nucleotide  

Catabolism  of  the  pyrimidine  nucleotides  leads  ultimately  to 

β

-

alanine (when CMP and UMP are degraded) or 

β

-aminoisobutyrate 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

70

(when dTMP is degraded) {which can serve as precursors of acetyl 
CoA and succinyl CoA respeciely},and NH

3

 and CO

2

 

Clinical Significances of Pyrimidine Metabolism 

Because  the  products of  pyrimidine catabolism  are soluble, 

few  disorders  result  from  excess  levels  of  their  synthesis  or 
catabolism.  Two  inherited  disorders  affecting  pyrimidine 
biosynthesis  are  the  result  of  deficiencies  in  the  bifunctional 
enzyme  catalyzing  the  last  two  steps  of  UMP  synthesis,  orotate 
phosphoribosyl  transferase  and  OMP  decarboxylase.  These 
deficiencies result in 

orotic aciduria

 that causes retarded growth, 

and  severe  anemia.  Leukopenia  is  also  common  in  orotic 
acidurias.  The  disorders  can  be  treated  with  uridine  and/or 
cytidine, which  leads to increased UMP  production via the action 
of  nucleoside  kinases.  The  UMP  then  inhibits  CPS-II,  thus 
attenuating orotic acid production.  

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

71

 

Formation of Deoxyribonucleotides 

The typical cell contains 5 to10 times as much RNA (mRNAs, 

rRNAs and tRNAs) as DNA. Therefore, the majority of nucleotide 
biosynthesis has as its purpose the production of rNTPs. However, 
because proliferating cells need to replicate their genomes, the 
production of dNTPs is also necessary.  
De novo synthesis and most of the salvage pathways involve the 
ribonucleotides.  (Exception  is  the  small  amount  of  salvage  of 
thymine indicated above.) Deoxyribonucleotides for DNA synthesis 
are  formed  from  the  ribonucleotide  diphosphates  (in  mammals 
and E. coli).  

A  base  diphosphate  (BDP)  is  reduced  at  the  2'  position  of  the 
ribose  portion  using  the  protein,  thioredoxin  and  the  enzyme 
nucleoside diphosphate reductase. Thioredoxin has two sulfhydryl 
groups which are oxidized to a disulfide bond during the process. 
In order to restore the thioredoxin to its reduced for so that it can 
be reused, thioredoxin reductase and NADPH are required.  


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

72

 

 

This  system  is  very  tightly  controlled  by  a  variety  of  allosteric 
effectors. dATP is a general inhibitor for all substrates and ATP an 
activator.  Each  substrate  then  has  a  specific  positive  effector  (a 
BTP  or  dBTP).  The  result  is  a  maintenance  of  an  appropriate 
balance of the deoxynucleotides for DNA synthesis.  

Ribonucleotide  reductase  (RR)  is  a  multifunctional  enzyme  that 
contains  redox-active  thiol  groups  for  the  transfer  of  electrons 
during  the  reduction  reactions.  In  the  process  of  reducing  the 
rNDP to a dNDP, RR becomes oxidized. RR is reduced in turn, by 
either  thioredoxin  or  glutaredoxin.  The  ultimate  source  of  the 
electrons is NADPH. The electrons are shuttled through a complex 
series  of  steps  involving  enzymes  that  regenerate  the  reduced 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

73

forms  of  thioredoxin  or  glutaredoxin.  These  enzymes  are 
thioredoxin reductase and glutathione reductase respectively.  

 

SUMMARY 

1.  Ingested nucleic acids are degraded to purines and pyrimidines. New purines and 

pyrimidines  are  formed  from  amphibolic  intermediates  and  thus  are  dietarily 

nonessential. 

2.  Several  reactions  of  IMP  biosynthesis  require  folate  derivatives  and  glutamine. 

Consequently, antifolate drugs and glutamine analogs inhibit purine biosynthesis. 

3.  Oxidation  and  amination  of  IMP  forms  AMP  and  GMP,  and  subsequent 

phosphoryl transfer  from  ATP  forms ADP  and  GDP. Further phosphoryl transfer 

from  ATP  to  GDP  forms  GTP.  ADP  is  converted  to  ATP  by  oxidative 

phosphorylation. Reduction of NDPs forms dNDPs. 

4.  Hepatic purine nucleotide biosynthesis is stringently regulated by the pool size of 

PRPP  and  by  feedback  inhibition  of  PRPP-glutamyl  amidotransferase  by  AMP 

and GMP. 

5.  Coordinated regulation of purine and pyrimidine nucleotide biosynthesis ensures 

their presence in proportions appropriate for nucleic acid biosynthesis and other 

metabolic needs. 

6.  Humans  catabolize  purines  to  uric  acid  (pKa  5.8),  present  as  the  relatively 

insoluble acid at acidic pH or as its more soluble sodium urate salt at a pH near 

neutrality.  Urate  crystals  are  diagnostic  of  gout.  Other  disorders  of  purine 

catabolism  include  Lesch-  Nyhan  syndrome,  von  Gierke

’s  disease,  and 

hypouricemias. 

7.  Since  pyrimidine  catabolites  are  water-soluble,  their  overproduction  does  not 

result  in  clinical  abnormalities.  Excretion  of pyrimidine precursors can, however, 

result  from  a  deficiency  of  ornithine  transcarbamoylase  because  excess 

carbamoyl phosphate is available for pyrimidine biosynthesis. 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

74

 
 

Lecture 9: Clinical cases and biochemical interpretations (1) 

 
 

Case 1: A 21-year-old college student presents to the clinic complaining of a sudden 
onset of chills and fever, muscle aches, headache, fatigue, sore throat, and painful 
nonproductive cough 3 days prior to fall final exams. Numerous friends of the patient 
in the dormitory reported similar symptoms and were given the diagnosis of 
influenza. He said that some of them were given a prescription for ribavirin. On 
examination, he appears ill with temperature 39.4

°C (103°F). His skin is warm to the 

touch, but no rashes are appreciated. The patient has mild cervical lymph node 
enlargement but otherwise has a normal examination. 

1.  What is the most likely diagnosis? 
2.  What is the biochemical mechanism of action of ribavirin? 
3.  What is the genetic make up of this infectious organism? 

 
ANSWERS TO CASE 1: RIBAVIRIN AND INFLUENZA 
Summary: A college student complains of the sudden onset of fever, chills, 
malaise, nonproductive cough, and numerous sick contacts in the fall season. 

1.  Likely diagnosis: Acute influenza infection 
2.  Biochemical mechanism of action of ribavirin: A nucleoside analogue with 

activity against a variety of viral infections 

3.  Genetic makeup of organism: Ribonucleic acid (RNA) respiratory virus 

 
CLINICAL CORRELATION 
This 21-year-old college student has the clinical clues suggestive of acute influenza. 
Typically, the illness occurs in the winter months with an acute onset of fever, 
myalgias (muscle aches), headache, cough, and sore throat. Usually, there are 
outbreaks with many individuals with the same symptoms. This patient is young and 
healthy, and antiviral therapy is not mandatory. The best way to prevent the infection 
is by influenza vaccination, usually given in October or November of each year. 
Because of the antigenic changes of the virus, a new vaccine must be given each 
year. Patients who are at especially high risk for severe complications or death 
should receive the vaccine each year. These include the elderly and people with 
asthma, chronic lung disease, human immunodeficiency virus (HIV) infection, 
diabetes, or chronic renal insufficiency. 
 
APPROACH TO THE USE OF RIBAVIRIN IN INFLUENZA 
Objectives 

1.  Know the structure of deoxyribonucleic acid (DNA) and RNA. 
2.  Know the differences between RNA and DNA. 
3.  Be familiar with the differences between human and viral/bacterial DNA and 

RNA. 

 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

75

 
COMPREHENSION QUESTIONS 

1.  Influenza virus is a class Vb virus, which means that it has a single (

–)- 

stranded RNA for its genome. Which of the following best describes the immediate 
fate of this (

–)-RNA when the virus enters the host cell? 

A.  It is used directly to encode viral proteins. 
B.  It is used as a template to synthesize a (+)-strand viral messenger RNA 

(mRNA). 

C.  It is used as a template to synthesize viral DNA. 
D.  It is converted to a provirus. 
E.  It is integrated into the host cell genome. 

 

2.  If a double-stranded DNA molecule undergoes two rounds of replication in an 

in vitro system that contains all of the necessary enzymes and nucleoside 
triphosphates that have been labeled with 32P, which of thefollowing best 
describes the distribution of radioactivity in the four esulting DNA molecules? 

A.  Exactly one of the molecules contains no radioactivity. 
B.  Exactly one of the molecules contains radioactivity in only one strand. 
C.  Two of the molecules contain radioactivity in both strands. 
D.  Three of the molecules contain radioactivity in both strands. 
E.  All four molecules contain radioactivity in only one strand. 

 

3.  A 48-year-old man has had a lengthy history of skin cancer. In the past 

6 years he has had over 30 neoplasms removed from sun-exposed areas 
and has been diagnosed with xeroderma pigmentosum. Which of the following best 
describes the enzymatic defect in patients with xeroderma pigmentosum? 

A.  DNA polymerase 

α 

B.  DNA polymerase 

γ 

C.  DNA ligase 
D.  Excision repair enzymes 
E.  RNA polymerase III 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

76

 

Lecture 10: Clinical cases and biochemical interpretations (2) 

 

Case 2: A 32-year-old female presents to your clinic with concerns over a recently 
detected right breast lump. A mammogram performed revealed a right breast mass 
measuring 3 cm with numerous microcalcifications suggestive of breast cancer. 
During your discussion with the patient, she revealed that she had a sister who was 
diagnosed with breast cancer at the age of 39, a mother who passed away with 
ovarian cancer at age 40 years, and a maternal aunt who had both breast and colon 
cancer. Patient underwent an examination which revealed a fixed and nontender 
breast mass on right side measuring 3 cm with mild right axillary lymphadenopathy. 
No skin involvement is noted. A biopsy was performed and revealed intraductal 
carcinoma. 

1.  What cancer gene might be associated with this clinical scenario? 
2.  What is the likely mechanism of the cancer gene in this case? 

 
ANSWERS TO CASE 2: ONCOGENES AND CANCER 
Summary: A 32-year-old female with strong family history of breast, colon, 
and ovarian cancer, who now presents with a fixed breast lesion that is biopsyproven 
carcinoma. 

1.  Most likely cancer gene: Breast cancer (BRCA) gene 
2.  Likely mechanism: Inhibition of tumor-suppressor gene 

 
CLINICAL CORRELATION 
This young woman has developed breast cancer at age 32 years. Moreover, she has 
two first-degree relatives with breast and/or ovarian cancer prior to menopause. This 
makes BRCA gene mutation likely. The BRCA1 gene resides on chromosome 17. 
This gene encodes a protein which most likely is important in deoxyribonucleic acid 
(DNA) repair. Thus, a mutation of the BRCA1 gene likely leads to abnormal cells 
propagating unchecked. A woman with a BRCA1 mutation has a 70 percent lifetime 
risk of developing breast cancer, and a 30 to 40 percent risk of ovarian cancer. The 
vast majority of breast cancer is not genetically based, but occurs sporadically. 
However, familial-based breast cancers are most common because of BRCA1 
mutation. BRCA2 is another mutation that is more commonly associated with male 
breast cancer. 
Other genetic mechanisms of cancer include oncogenes, which are abnormal genes 
that cause cancer usually by mutations. Protooncogenes are normal genes that are 
present in normal cells and involved in normal growth and development, but if 
mutations occur, they may become oncogenes. 
 
APPROACH TO ONCOGENES 
Objectives 
1. Know the definitions of oncogenes and protooncogenes. 
2. Understand the role of promoter and repressor functions of DNA synthesis. 
3. Know the normal DNA replication. 
4. Be familiar with DNA mutations (point mutations, insertions, deletions). 
5. Know the process of DNA repair. 
6. Understand the recombination and transposition of genes. 
 
 
 
 


background image

Prof. Dr. Hedef Dhafir El-Yassin

 

2012

 

 

                                  

77

 
 
COMPREHENSION QUESTIONS 

1.  Hereditary retinoblastoma is a genetic disease that is inherited as an 

autosomal dominant trait. Patients with hereditary retinoblastoma develop 
tumors of the retina early in life, usually in both eyes. The affected gene (RB1) 
was the first tumor suppressor gene to be identified. Which of the following 
best describes the function of the protein encoded by the RB1 gene? 

A.  It binds transcription factors required for expression of DNA replication 

enzymes. 

B.  It allosterically inhibits DNA polymerase. 
C.  It binds to the promoter region of DNA and prevents transcription. 
D.  It phosphorylates signal-transduction proteins. 

 

2.  Mutations in the tumor suppressor gene BRCA1 are transmitted in an 

autosomal dominant fashion. When a cell is transformed to a tumor cell in 
individuals who have inherited one mutant allele of this tumor suppressor 
gene, which of the following most likely occurs? 

A.  A transcription factor is over expressed. 
B.  Deletion or mutation of the normal gene on the other chromosome. 
C.  Chromosomal translocation. 
D.  Gene duplication of the mutant gene. 

 

3.  Women who inherit one mutant BRCA1 gene have a 60 percent chance of  

developing breast cancer by the age of 50. The protein produced by the 
BRCA1 gene has been found to be involved in the repair of DNA double-
strand breaks. Which of the following processes is most likely to be adversely 
affected by a deficiency in the BRCA1 protein? 

A.  Removal of thymine dimers 
B.  Removal of RNA primers 
C.  Removal of carcinogen adducts 
D.  Homologous recombination 
E.  Correction of mismatch errors 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 156 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