مواضيع المحاضرة:
background image

 

 

93

 

 

 

The expression of genetic information in all cells is a one- way system:                                            

* Because of its universality, the DNA to RNA to protein flow of genetic information has been     
   described as the central dogma of the molecular biology.                                                                 
* The information contained in DNA must be transported to the cytoplasm and then used to       
    form the composition of protein. 

 

             

        

translation. 

and 

transcription 

  

 

Gene expression involves two processes,

In general, RNA is a helper to DNA, allowing protein synthesis to occur according to the genetic 
information that DNA provides.                                                                                                                    
1-
 The first step transcription is the process of synthesis RNA using: a DNA template and DNA-   
    dependent RNA polymerase enzyme. 
                                                                                                 
* It occurs in the nucleus of eukaryotic cells and to a limited extent, in mitochondria

  

2- The second step translation, is polypeptide synthesis  occurs in ribosomes, large RNA-             
     protein complexes 
which are found in the cytoplasm and also in mitochondria.

 

* Both processes mediated by ribonucleic acid (RNA), a single- stranded nucleic acid that is        

  

uracil 

sugar rather than deoxyribose, and 

 

ribose

chemically similar to DNA, except that it has 

   
   base rather than thymine. 

 

 

                  


background image

 

 

94

 

                                                   

 

Transcription of RNA

Transcription is the process by which RNA sequence is formed from a DNA template. The type of 
RNA produced by the transcription process is messenger RNA (mRNA). 

 

* To initiate mRNA transcription, one of the RNA polymerase enzymes (RNA polymerase II)         
    binds to a promoter site on the DNA                                                                                                       
-  (a promoter is a nucleotide sequence that lies just upstream of a gene).                                     
*
 The RNA polymerase then pulls a portion of the DNA strands apart from one another,                

          

for 

One of the two DNA strands provides the template 

exposing unattached DNA bases. 

    
    the sequence of mRNA nucleotides. 

 

* RNA polymerase moves from 3' to 5' direction along the DNA template strand,                             
   assembling the complementary mRNA strand from 5' to 3'  (except that U replace T).                

          

is 

template strand 

, and the 

sense strand

of the double helix called  

non template strand 


   called the antisense strand.

 

 

 

 

 

 

 

* Soon after RNA synthesis begins, the 5' end of the     
   growing RNA molecule is "capped" by addition of a   
   chemically modified guanine nucleotide.                     

                                             

 

:

appears to help

 

5' cap

The 


A. prevent the RNA molecule from being degraded       
    during synthesis, and                                                        
B.
 later helps to indicate the starting position for          
     translation of the mRNA molecule into protein

 

 

 

* Transcription continues until a group of bases called a termination sequence is

 

 reached.          

    Near this point a series of 100- 200 adenine bases are added to the 3' end of the RNA               
    molecule. This structure is called as the poly- A tail, may be involved in stabilizing the mRNA   

      

DNA strands

the cytoplasm. Finally the 

 

molecule so that it is not degraded when it reaches

    

, leaving a transcribed single mRNA strand.

and the RNA polymerase separate from RNA strand

  

 

* This mRNA molecule is termed the primary transcript. 

 


background image

 

 

95

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

 

96

 

           

                                                

Types of RNA molecules

There are three types of RNA, each with a specific function in protein synthesis:

 

1- Messenger RNA (mRNA):  is produced in the nucleus where DNA serves as a template for its 
formation. This type of RNA carries genetic information from DNA to the ribosomes in the 
cytoplasm where protein synthesis occurs. Messenger RNA is a linear molecule.

       

 

2- Ribosomal RNA (rRNA):  is produced in the nucleolus of a nucleus where a portion of DNA 
serves as a template for its formation. Ribosomal RNA joins with proteins made in the 
cytoplasm to form the subunits of ribosomes.
 The subunits leave the nucleus and come 
together in the cytoplasm when protein synthesis is about to begin. Proteins are synthesized at 
the ribosomes, they are granules arranged along the endoplasmic reticulum.                                   
* Some ribosomes appear free in the cytoplasm or in clusters called polyribosomes.

  

3- Transfer RNA (tRNA):  is produced in the nucleus, and a portion of DNA also serves as a 
template for its production. tRNA transfers amino acids to the ribosomes, where the amino 
acids are joined, forming a protein. There are 20 different types of amino acids in proteins; 
therefore, there has to be at least this number of tRNAs functioning in the cell. Each type of 
tRNA carries only one type of amino acid.

 

Gene Splicing (Processing of mRNA):

 

* Most genes in humans are interrupted by segments of DNA     

            

These portions are called 

not part of the gene. 

that are 

   
   introns because they are intragene segments.                              
* The other portions of the gene are called exons because they  
   are ultimately expressed.                                                                 
* Only exons result in a protein product.
                                       
* There has been much speculation about the role of                    
    introns. It is possible that they allow crossing-over within a      
    gene during meiosis.

 

Processing of mRNA

 

* When DNA is transcribed, the mRNA contains   bases that are complementary to both

 

 exons   

   and introns, but before the mRNA exits the nucleus, it is processed. 

 

* During processing, the introns are removed, but the exons are left to code for the proteins    
   and joined to form an mature mRNA molecule consisting of continuous exons.

 

* In human cells, processing occurs in the nucleus. 

 

* After the mRNA strand is processed, it passes from the cell nucleus into the cytoplasm. There  
   it becomes associated with the ribosomes.

 

 


background image

 

 

97

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The Genetic Code: 

 

* The relationship between the nucleotide sequences of genes and the amino-acid sequences    
    of proteins is determined by the rules of translation, known collectively as the genetic code.   
* Protein is composed of one or more polypeptides, which are in turn composed of sequences   
   of amino acids. The body contains 20 different types of a.a., and these a.a. are designed by       
   the DNA after transcription into mRNA.

 

* Because there are 20 different amino acids and only 4 different RNA bases, so triplet     sets of 
   bases are translated into amino acids, 64 (4×4×4) combinations can be achieved- more than     
   enough to specify each amino acid.                                                                                                          

      

) represents (code) for one 

triplet

every three bases (a 

triplet code

* So the DNA contains a 
   amino acid.

 

* Of the 64 possible codons, 3 signal the end of the coding region known as stop codons. These  
   are UAA, UGA, and UAG.                                                                                                                             

  

more than

most a.a. can be specified by 

* The remaining 61 codons all specify amino acids, and 

                                                           

The genetic code is thus said to be "degenerate".

one codon. 

    
* The genetic code is essentially universal. The same codons stand for the same amino   acids in 
   most organisms, from bacteria to humans. 

 

* The exception occurs in mitochondria, which have their own extra nuclear DNA molecules. 

 

mRNA 

in which every three bases stand for one amino acid, 

DNA contains a triplet code 

* While 

               

three bases that also stand for the same

, each of which is made up of 

contains codons

   

amino acid.

 

 


background image

 

 

98

 

Translation:

 

Translation: Is the process in which mRNA provides a templet for the synthesis of a

 

polypeptide. mRNA cannot bind directly to amino acids. Instead, it interact with molecules of 
transfer RNA (tRNA), which are cloverleaf- shaped RNA strand. 

 

     

3' end for the attachment of a specific amino acid by a

* Each tRNA molecule has a site at the 

 

called 

three nucleotides 

. At the opposite end of the cloverleaf is a sequence of 

covalent bond

   
      the anticodon.                                                                                                                                             
* The tRNA molecule picks up the amino acid that is complementary to the anticodon

 

                  

   sequence. The anticodon then undergoes complementary base pairing with a appropriate        
   codon in the mRNA, and the attached amino acid transferred to the polypeptide chain being    
   synthesize. 

 

 

* The cytoplasmic site of protein synthesis is the ribosomes, which consist of equal parts of       

      

(rRNA). The function of rRNA is to help bind mRNA 

enzymatic proteins and ribosomal RNA 

    
    and tRNA to the ribosomes.

 

* During translation, the ribosomes first bind to an initiation site on the mRNA sequence. The     
   site consists of a specific codon, (AUG), which specifies the amino acid methionine                      
* (this amino acid is usually removed from polypeptide before the completion of polypeptide     
    synthesis).

 

 

 

                                                   

   

 

 

 


background image

 

 

99

 

* The ribosomes then bind the tRNA to its surface so that base pairing can occur

 

between tRNA 

    and mRNA. The ribosomes move along the mRNA sequence, codon by codon in the usual 5'    
    to 3' direction.                                                                                                                                               
* In this process, the ribosomes provides an enzyme that catalyzes the formation of covalent      
   peptide bonds between adjacent amino acids, resulting in growing polypeptide

 

* When the ribosomes arrives at a   stop codon on the mRNA sequence (UAA, UGA, and

 

UAG),    

   translation and polypeptide formation cease (NH3 terminus of the polypeptide corresponds     
   to the 5' end of mRNA and COOH terminus corresponds to the 3' end). 

 

* Then the mRNA, the ribosomes, and the polypeptide separate apart and the polypeptides        
    released into the cytoplasm.

 

 

Initiation of Translation 
in bacterial cell

 

 

 

  

 

 

 

 

 


background image

 

 

111

 

Review of Gene Expression

 

1. DNA in the nucleus contains a triplet code. Each group of three bases stands for a specific 
amino acid.

 

2. During transcription, a segment of DNA strand serves as a template for the formation of 
mRNA. The bases in mRNA are complementary to those in DNA; every three bases is a codon 
for a certain amino acid.

 

3. Messenger RNA (mRNA) is processed before it leaves the nucleus, during which time the 
introns are removed.

 

4. Messenger RNA (mRNA) carries a sequence of codons to the ribosomes, which are composed of 
rRNA and proteins.

 

5. Transfer RNA (tRNA) molecules, each of which is bounded to a particular amino acid, have 
anticodons that pair complementarily to the codons in mRNA.

 

6. During translation, tRNA molecules and their attached amino acids arrive at the ribosomes, 
and the linear sequence of codons of the mRNA determines the order in which the amino acids 
become incorporated into a Protein.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

 

111

 

 

 

Structure of the Gene:  Exons and Introns 

 

* The Exon- Intron structure of genes discovered in 1977 that distinguishes eukaryotes from   
   prokaryotes.                                                                                                                                     

* A typical gene consists of coding and non-coding sequences known as exons and introns,   
   respectively
.                                                                                                                                    
* The exon (coding part) is the code which is transcribed into the mature mRNA and translated  
   into protein.                                                                                                                                     
* On the other hand non-coding intervening introns are relatively large and form the major        
   portion of most eukaryotic genes. 

 

 

 

 

 

 

 

* The sequence within introns is random but it can contain regulatory sequences that affect the     
   splicing mechanism.                                                                                                                        

* It has also been suggested that introns modified the amount of time required for DNA       
   replication and transcription. 
                                                                                                      
* The number of introns and exons between genes vary greatly and a gene can consists of             
   simply two or three exons, but can be up to more than 20 exons. 

 

 

 

of DNA

Consensus sequences 

 

* Besides the introns and coding exons, genes also have other regulatory elements that mainly   
   affect the way how the gene itself is expressed and regulated.                                                       

* The 5' and 3' untranslated regions usually consist of sequences that serve this purpose.      
* The 5' region ahead of the transcriptional start site usually makes up what is known as the         

 

                                                   

                                                                       

promoter region

 

  
* The promoter region consists of sequences such as the TATA box, where RNA polymerase  
    binds to initiate transcription.
 Mutation at the TATA element does not prevent initiation of  
    transcription, but does cause the start point of transcription to be displaced from the normal      
    position.                                                                                                                                          
* Further upstream there is the CCAAT box which also plays a part in the regulation of           
   transcription
.                                                                                                                                  

that can be found close or sometimes even quite       

 

enhancers or/and silencers

* A number o
   distant from the gene itself are involved in the regulation of gene expression.                            

of transcription as  

 

d terminators

regulators an

 

* Also sequences at the 3' end of the gene act as
   well as for polyadenylation of the mRNA molecules

  


background image

 

 

112

 

 

 

 

 

 

Types of DNA

 

It is important to note that less than 5% of the human genome encode protein. 

 

DNA can classify in to:

 

* Single- copy DNA: are seen only once in the genome, and comprises about 45% of the              
   genome and includes the protein- coding genes.                                                                             
* Highly repetitive DNA: comprise the remaining 55% of the genome, sequences repeated in      
   the genome, often thousands of times.

 

There are two major classes of repetitive DNA:

 

 

* Dispersed repetitive DNA: account about 45% of the genome, and scattered singly                   
   throughout the genome, they do not occur in tandems.                                                               
* Satellite DNA: account about 10% of the genome and found in specific areas on the                  
   chromosomes, such areas include those around the centromere, usually occurring as tandem 

   repeats. 

 

Telomeres

 

 

* Telomere:  Another very important structure of the chromosome, which also consists of            
   repetitive sequences of DNA.                                                                                                        
* Telomeres are found at the tips of linear chromosomes. There are telomeric sequences that   
   consist of short tandem repeats while there are telomere associated sequences found adjacent    
   to and within the telomere                                                                                                            

* With each cycle of DNA replication these telomeres become shorter and eventually serve  
   as an internal biological clock for the cell and thus determines its age
.                                 
* In germ cells (but not in somatic cells) telomeres are protected by the presence of an RNA-       
   containing enzyme known as telomerase.                                                                                    
* In immortalised human cancer cells, the activation of telomerase is a very important step in the 
   transition to malignancy. 

 

                                                

The Mitochondrial genome

* The mitochondria are organelles found within eukaryotic cells, thought to be of a prokaryotic    
   origin that throughout an evolutionary process integrated together as a form of symbiosis. 

    

* In a single cell there are a number of mitochondria that can be up to 1500 in a liver cell.

 


background image

 

 

113

 

* Mitochondria multiply within the cell by division and each mitochondrion has its own genetic   
   material as well as smaller ribosomes than those found in the cytoplasm.                                   
* The mitochondrial genome consists of 16.6 kb, is circular and encodes for genes such as those 
   of tRNA, 12s and 16s rRNA and a number of cytochrome c oxidase subunits, cytochrome b,     
   ATPase subunits and eight protein coding genes.                                                                           
* The genes encoded on mtDNA does not contain non-coding regions as those on the genomic     
   DNA                                                                                                                                              
* and both strands are transcribed and translated.                                                                            
* There are also small variations in the genetic code where some codons code for different           
   amino acids.

  

 

* On the other hand there are genes necessary for mitochondrial functions which are encoded on  
   the nuclear DNA.                                                                                                                            
* All these characteristics support the hypothesis that mitochondria originated as a prokaryotic     
   cell.                                                                                                                                                  
* It is now known that variations within the mitochondrial genome can also lead to some              
   diseases in humans.                                                                                                                       
* Also mtDNA is usually inherited through the maternal line (with some very rare                   

                

sperm cell only has four

copies and the 

 

exceptions) since the oocytes contain multiple

   

           

that does not penetrate the oocyte at fertilization.

mitochondria at the neck of the sperm 

   
* Since mtDNA is inherited only from the maternal line and does not usually undergo                   
   recombination and mutations are rare, mtDNA analysis can be used to study origins of             

   populations through maternal line and also for forensic purposes.                                       
* • Very few mitochondria in sperm                                                                                                
* • Abundant mitochondria in cytoplasm of eggs                                                                            
* • You have your mother’s mitochondrial genome

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 10 أعضاء و 157 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