Life Goes On 

Dr. Kwok Cheong CHUNG Department of Biology 

The Chinese University of Hong Kong 

6 th International Junior Science Olympiad (IJSO) 

Molecular Genetics 

1 

Contents 

•  DNA structure •  DNA replication •  Genetic Code •  Transcription •  Translation 

2 

Notes to Teachers •  Teaching Objectives 

–  To let students know the basic structure of DNA molecules  (0.5 hr) 

–  To let students know how DNA is replicated (0.5 hr) –  To let students know the genetic code (0.5 hr) –  To let students know how genetic  information  in the 

DNA molecule  is transferred  to RNA molecules through the process of transcription  (1 hr) 

–  To let students know how the genetic  information  in RNA molecules  is used as a template  for protein synthesis through the process of translation (1 hr) 

•  Time allocation:  3.5 hours 

3 

Learning Outcomes 

•  know the basic structural components of DNA molecules 

•  know how DNA is replicated •  how genetic information in the DNA molecule is transferred to RNA molecules through the process of transcription 

•  know how the genetic information in RNA molecules is used as a template for protein synthesis  through the process of translation 

After studying this topic students will be able to: 

4 

DNA (deoxyribonucleic acid) •  Genetic material of both eukaryotes and prokaryotes •  Many viruses have DNA, but some have RNA genomes instead 

•  Genes are specific sequences of nucleotides that pass traits from parents to offspring 

•  Genetic material in cells is organized into chromosomes 

•  Prokaryotes generally have one circular chromosome •  Eukaryotes generally have: 

a)Linear chromosomes in nucleus, with different species having different numbers of chromosomes 

b)DNA in organelles (e.g., mitochondria and chloroplasts)  that is usually a circular molecule  5 

Components of DNA •  Polymers of nucleotides •  Nitrogenous base + deoxyribose + phosphoric acid 

•  Four bases  in DNA: A (adenine), G (guanine), C (cytosine) and T (thymine) 

•  In RNA – Ribose replace deoxyribose – Uracil replace  thymine 

Phosphate Group 

Deoxyribose sugar 

Base 

Adenine Cytosine Guanine Thymine 

­OH group in RNA 

6

Components of DNA • Nitrogenous bases 

–Purines – double ring –Pymiridines – single ring 

• Deoxyadenosinemonophosphate ­ dAMP 

• Deoxyguanosinemonophosphate ­dGMP 

• Deoxycytidinemonophosphate ­ dCMP 

• Deoxythymidinemonophosphate  ­ dTMP 

Purine Pyrimidine 

Adenine 

dAMP 

A 

dAMP dATP  dADP 

Cytosine C 

dCMP 

Thymine T 

dCTP 

Guanine G 

dGMP 

7 

DNA Structure •  Two nucleotide chains running anti­parallelly and joined by H­bonds between base pairs ­ “double helix” 

8 

DNA Directionality •  Determined by the anti­ parallel arrangement of the DNA strand 

•  Each end is labeled as either the 5’ or 3’ end according to the terminal carbon’s positional number in the deoxyribose ring 

•  The 5’ carbon has a phosphate attached whereas the 3’ carbon has a hydroxyl group attached 

9 

The Genetic Code 

•  Base sequence determines genetic information 

•  Triplet code ­ three bases code for an amino acid 

•  3­nucleotides = a Codon •  In each position 4 bases possible ­ 4x4x4 = 64 codons 

•  3 stop codons •  Remaining 61 codons code for 20 amino acids 

•  Codon & anti­codon 10 

DNA Form Facilitates Function •  Consists of two complementary strands of nucleotides  that can serve as templates  for the ordering of nucleotides  in the creation of new copies of DNA 

•  How the parent strands of DNA create new copies of DNA? •  Semiconservative model of DNA replication ­ each daughter strand will  receive one of the original  strands 

11 

DNA Replication •  Origins of Replication are the sites of new DNA synthesis 

•  The origin of replication opens up the DNA strand and creates  two replication forks where new DNA is synthesized  in a specific direction 

•  In bacterial  chromosomes ­ only one origin of replication 

•  In eukaryotic cells ­ thousands of origins of replication

Replication bubbles

12

DNA Synthesis •  New DNA is only made in the 

5’ to 3’ direction ­ new nucleotides are only added to the 3’ end of the strand

3’ carbon

3’

5’

5’ 13 

Replication Forks 

•  Split section of the parent strands that allows  the enzymes access to the DNA template  for replication 

14 

Addition of Nucleotides •  The addition of a nucleotide  to the emerging strand of DNA is 

accomplished by the formation of a phosphodiester  bond between the 5’end of a nucleoside triphosphate and the hydroxyl  group of the 3’ end of the adjacent nucleotide  in the chain 

•  The NTP loses a two­phosphate molecule called a pyrophosphate 

•  Hydrolysis of the pyrophosphate  releases  the energy  to drive the polymerization  reaction

Exergonic reaction

15 

Replication Enzymes •  DNA polymerases: polymerize DNA molecules. The DNA polymerases use the parent strand as a template  to string together nucleotides  in a complementary or daughter strand 

•  Helicases: Are enzymes  that unwind the DNA double helix at the replication  fork, so that the two strands are separated. Single stranded binding proteins  then line along the two strands to keep  them apart and accessible to the replication enzymes 

•  Primases: DNA polymerases can not start a DNA chain from scratch. They need a primer. The primer  is a short stretch of RNA that is used to jump start the DNA synthesis process. Primases are responsible  for creating this RNA segment  from scratch at an origin of replication. Later another DNA polymerase will come along and replace  this RNA segment with the DNA version  16 

Replication Enzymes •  Ligases: These enzymes are responsible for linking together the Okazaki fragments in the lagging strand after the DNA polymerases have replaced the RNA primers with DNA 

•  Nucleases: A DNA cutting enzyme. This enzyme is used in repair of DNA damage. The nuclease cuts out the damaged section so that polymerases can fill it in with the proper nucleotides 

•  Telomerases: These enzymes are responsible for elongating telomeres. They are special enzymes that contain a short RNA segment to use as its own template to elongate the telomere 

17 

Leading Strand Elongation •  The leading strand can be continuously elongated toward the replication fork because it is continuously adding nucleotides to the 3’ end of the strand 

•  The parent/template strand begins with the 3’ end and the complementary strand or daughter strand starts with the 5’end 

18

Lagging Strand Elongation •  DNA polymerase works in the opposite direction ­ away  from the replication  fork 

•  creates a short segment of DNA and as the replication bubble grows another short strand can be made ­ Okazaki fragments 

•  Require RNA primer be made by a primase 

•  DNA ligase  “ligates” the sugar­phosphate backbone of the daughter strand creating one long complementary DNA strand 

single­strand binding protein 

19 

Ligase Joins Okazaki Fragments 

20 

When it all goes wrong: DNA Repair •  The DNA polymerase  self corrects by proofreading  the newly 

created daughter  strand and replacing  incorrectly paired bases •  If a base pair error  is missed or occurs as a result of some sort of 

nucleotide damage a mismatch repair occurs. Special enzymes are employed  to remove  the  incorrect bases and replace  them with the correct ones 

•  Colon cancer has been  linked to a hereditary  defect  in one of these special enzymes  that does not correct the mismatch and allows cancer causing errors  to accumulate in the DNA 

•  Damage  that needs  repair  can also occur to existing DNA. Chemical and physical damage (toxins, x­rays, UV radiation,  etc) can cause changes  in the DNA. Spontaneous  chemical changes to the bases also occur in the cell under normal conditions. This typically calls for nucleotide  excision  repair, where a nuclease (an enzyme  that cuts out sections of DNA) cuts out the damaged section and then a DNA polymerase  replaces  the cut out section, then the sugar­phosphate backbone  is repaired by a ligase.  21 

Telomeres •  The fact that the DNA polymerase can only add new nucleotides  to the 3’ end of existing nucleotides  is a limitation  that can cause a potential  problem for organisms with linear DNA. The DNA polymerase can not finish the lagging strand. This would result in the deletion of genes. 

•  To combat  this problem eukaryotic chromosomes have telomeres at the ends of their DNA strands 

•  Telomeres are sequences of non­coding nucleotides  that will not create any defects in the organism  if they are deleted 

•  In order  to keep  the telomeres  from becoming increasingly shorter over time some cells have enzymes called telomerases that have their own template  that allows  them to elongate DNA at the 3’ end of the strand, then the polymerases extend  the 5’ end in the usual fashion.  22 

How Can the Code be Decoded? •  Two steps in the production of a protein 

•  Transcription (nucleus) – DNA base sequence copied into messenger RNA (mRNA) sequence 

•  Translation (cytosol) – mRNA sequence read for synthesis of protein at the ribosome 

•  DNAà RNAà Protein 23 

Central Dogma of Molecular Biology 

DNA 

mRNA 

Protein 

Transcription 

Translation 

Transcription 

Translation 

24

Central Dogma of Molecular Biology 

DNA 

mRNA 

Protein 

Transcription 

Translation 

Complementary  base pairing ensures  the correct transfer of information between DNA in replication and DNA to RNA in transcription ­ blueprints  for the cellular machine 

In analogous manner, same applies to correct transfer of information between mRNA and polypeptides 

Proteins (and RNA, sometimes) perform biological work, analogous  to the machine itself 25 

Transcription •  Initiation ­ RNA polymerase attach to the gene at the promoter – Genes are read 3’ to 5’ – mRNA is made 5’ to 3’ 

•  New nucleotides added ­ elongation 

•  Stop at the stop codon ­ termination 

•  Completed RNA transcript detached 

26 

Promoter •  Lies upstream of the DNA sequenced 

•  Allows RNA polymerase  to attach to DNA strand 

•  Signals to the RNA polymerase which side of the DNA is to be transcribed 

27 

Transcription Cont’d •  After initiation RNA polymerase will open about 10 to 20 nucleotides at a time 

•  RNA polymerase will continue past the terminator and cut the mRNA off 

•  Many RNA polymerase complexes will be transcribing  the gene at one time 

•  Direction of transcription 5’→3’ 

28 

mRNA Processing •  A guanine cap placed onto the mRNA at the 5’ end 

– Helps protect  the mRNA sequence – Attaches the unit to the ribosome 

•  A poly A tail is attached  to 3’ end – Helping in attachment   and stopping hydrolytic processes 

– Aids in getting  the sequence out of the nucleus 

29 

mRNA Splicing (Eukaryotes) •  Splisosomes 

– Compose of snRNP’s (small nuclear ribo­nucleoprotein particles, made out of snRNA) and proteins 

– Small nuclear RNA (snRNA) is a class of small RNA molecules  in the nucleus of eukaryotic cells. Involved  in a variety of important  processes such as RNA splicing 

–  Introns will be taken out from the pre­mRNA – Exons will be bound together  to form m­RNA 

30

Translation •  Reading of the codons on the mRNA strand and the assembling of amino acid residues according  to the sequence 

•  mRNA ­ processed within the nucleus, template  for the sequence of amino acids 

•  tRNA ­ transfers amino acids from the cytoplasm  to the ribosome 

•  Ribosome ­ adds amino acids together  from the tRNA and in the sequence of the mRNA 

31 

tRNA •  Synthesized  in nucleus •  ~ 80 nucleotides, T­shaped 

– Pick up designated amino acids in the cytosol 

– Deposit the amino acid at the ribosome 

– Return to the cytosol to pick up another amino acid 

•  Base sequence of anticodon pairs with the codon on the mRNA strand 

•  Different tRNAs for different AAs 

32 

Ribosome 

•  Composed of RNA and proteins •  Ribosomal RNA (rRNA) ­ the largest  type of RNA 

•  Two subunits •  Binding site for mRNA and 3 binding sites for tRNA molecules 

•  P site holds the tRNA carrying the growing polypeptide chain 

•  A site carries  the tRNA with the next amino acid 

•  Discharged  tRNAs leave  the ribosome at the E site 

33 

Translation •  Initiation, Elongation, Termination •  Initiation 

–  Initiator  tRNA (Met) + small ribosomal  subunit + large ribosomal subunit 

– Energy needed  to bind the tRNA to the P site 

34 

Elongation  •  Codon Recognition (GTP needed) –  The anti codon H­Bonds with the codon –  Requires energy  (A site) 

•  Peptide Bond Formation –  Peptide is formed with AA in P to A site 

–  Catalyzed by the ribosome 

•  Translocation (GTP needed) –  tRNA in the P site and A site moved to the E site and P site respectively 

–  The tRNA in the E site will detach and a new codon is open 

35 

Termination •  One of three stop codons attaches  to the A site •  Polypeptide released 

36

Summary 

37 

The Central Dogma •  The central dogma describes the flow of hereditary information from DNA to RNA to protein 

•  Genetic information is encoded by the sequence of the four DNA bases (A, C, G, and T) •  RNA also has four bases (A, C, G, U) •  Protein has 20 amino acids 

•  Transcription  is DNA to pre­mRNA, translation  is mRNA to polypeptide 

38 

2                     3              4                   5 DNAà pre­mRNAà mRNAà Immature à Final 

protein         protein 1 

DNA 

1. Replication 2. Transcription 3. Post­transcriptional processing 4. Translation 5. Post­translational processing 

DNA 

Protein 

39 

References for Further Studies •  Introduction  to DNA Structure 

– http://www.blc.arizona.edu/Molecular_Graphics/DNA_St ructure/DNA_Tutorial.HTML 

– http://www.youtube.com/watch?v=qy8dk5iS1f0 – http://en.wikipedia.org/wiki/DNA 

•  DNA replication – http://en.wikipedia.org/wiki/DNA_replication – http://www.youtube.com/watch?v=teV62zrm2P0 

•  Central dogma of molecular biology – http://en.wikipedia.org/wiki/Central_dogma_of_molecula r_biology 

– http://www.accessexcellence.org/RC/VL/GG/central.php – http://www.youtube.com/watch?v=­ygpqVr7_xs  40