From DNA to Proteins: Exploring Metabolic Pathways and Byssus in Mussels

Slide1Chapter 14From DNA to Proteins   Honors  Biology  Program Honors  Biology  Program Mountain  Pointe  High  School Mountain  Pointe  High  School

Slide2What are the byssus of a mussels?Why are these byssus so important?

Slide3Archibald GarrodSTEPS  OF  A  METABOLIC  PATHWAY: STEPS  OF  A  METABOLIC  PATHWAY: First to notice that many heritable diseases were related to metabolic pathway malfunctions. A B C X D Action of enzyme 1 Action of enzyme 2 Something has interfered with the action of enzyme 3. Completion of the pathway is blocked, and C accumulates. Garrod hypothesized that each of his affected patients had inherited a single metabolic defect that interfered with an enzyme in a particular metabolic pathway.

Slide4Beadle & Tatum33 years after Garrod’s hypothesis, these scientists were experimenting with a common bread mold that’s capable of synthesizing everything it needs to survive except for a few basic substances. Neurospora crassa  and other fungal species They discovered that some of the fungal strains would only grow when supplied with vitamin B 6 , others would only grow in the presence of B 12 , etc.

Slide5Beadle & TatumAfter careful examination, they discovered that there was a different defective enzyme in each mutant strain of the fungus. In  other  words,  each  strain  of  fungus possessed  an  inherited  mutation  that corresponded  to  a  defective  enzyme. In  other  words,  each  strain  of  fungus possessed  an  inherited  mutation  that corresponded  to  a  defective  enzyme. This  evidence  supported  Garrod’s  “one gene,  one  enzyme”  hypothesis! This  evidence  supported  Garrod’s  “one gene,  one  enzyme”  hypothesis!

Slide6Sickle-cell AnemiaThe most common lethal genetic disease in African Americans, it causes normal red blood cells to become sickle shaped, which causes an incredible variety of health problems for its victims. Normal red blood cell Sickled red blood cell

Slide7Sickle-cell Anemiahemoglobin It was discovered that this disease was caused by a defect in a protein known as  hemoglobin  that is found in red blood cells. Normal  hemoglobin is  designated  HbA . Normal  hemoglobin is  designated  HbA . Abnormal  hemoglobin  is designated  HbS . Abnormal  hemoglobin  is designated  HbS .

Slide8Pauling &Itano gel electrophoresis In 1949, these scientists subjected molecules of HbA and HbS to  gel electrophoresis . In this procedure, an electric field  is used to move molecules through a gel. Molecules are separated by their size, shape & surface charge . upper   buffer solution electrode glass tube or plates containing gel gel lower buffer solution power supply electrode movement of proteins

Slide9Pauling &Itano HbA HbA  molecules carried the greatest surface charge and therefore moved through the gel the fastest. HbS HbS  molecules moved much slower. As molecules move through the gel, they’re separated into distinct bands.

Slide10Vernon IngramHbA HbS Pinpointed the biochemical difference between  HbA  and  HbS Hemoglobin  (left)  is  a molecule  made  of  4 polypeptide  chains ,  2 alpha  &  2  beta. Hemoglobin  (left)  is  a molecule  made  of  4 polypeptide  chains ,  2 alpha  &  2  beta. Ingram  discovered  that the  defect  was  caused by  an  incorrect  amino acid   substitution  in  one of  the  beta  chains! Ingram  discovered  that the  defect  was  caused by  an  incorrect  amino acid   substitution  in  one of  the  beta  chains!

Slide11```VALINE VALINE VALINE HISTIDINE HISTIDINE LEUCINE LEUCINE PROLINE PROLINE THREONINE THREONINE GLUTAMATE GLUTAMATE GLUTAMATE A beta chain Hemoglobin molecule Beta chain of an HbA molecule Beta chain of an HbS molecule

Slide12The discovery of the differencebetween the alpha & beta chains of hemoglobin meant that… Two  genes must code for hemoglobin, one for each type of polypeptide chain. Genes code for  all  proteins , not just enzymes. The  amino acid sequences  of polypeptide chains are encoded in genes.

Slide133 Different Types of RNA

Slide14The Three Types of RNAmRNA protein-building instructions mRNA  is a single-stranded molecule that takes DNA’s protein-building instructions  out of the nucleus. rRNA ribosomes rRNA  is the primary component of  ribosomes , the organelles that actually make proteins. tRNA delivering amino  acids tRNA  is the molecule responsible for  delivering amino  acids  one by one to a ribosome in the correct order specified by the mRNA molecule. mRNA A messenger RNA molecule ( mRNA ) rRNA A ribosomal RNA molecule ( rRNA ) tRNA A transfer RNA molecule ( tRNA )

Slide15Comparing DNA and RNADouble-stranded Deoxyribose sugars 4 nitrogenous bases  Adenine  Cytosine  Guanine  Thymine Single-stranded Ribose sugars 4 nitrogenous bases  Adenine  Cytosine  Guanine  Uracil  Uracil Like thymine, uracil (at right, in blue) is a pyrimidine and is capable of pairing with adenine.

Slide16TranscriptionTranscription template mRNA Transcription  is the process of using a portion of the DNA molecule as a template  to assemble a molecule of  mRNA . selected  stretch  of one  DNA  strand Only a  selected  stretch  of one  DNA  strand  is used as a template. promoter gene Transcription is initiated at a promoter , a DNA base sequence that signals the start of a  gene . sugar-phosphate backbone of one strand of nucleotides in a DNA double helix sugar-phosphate backbone of the other strand of nucleotides part of the sequence of base pairs in DNA transcribed DNA winds up again DNA to be transcribed unwinds Newly forming RNA transcript The DNA template at the assembly site

Slide17TranscriptionDNA  helicase Once the enzyme  DNA  helicase  has unzipped the DNA molecule at the appropriate location… RNA  polymerase RNA  polymerase  adds the required complementary bases to the exposed bases on one of the DNA strands. growing mRNA transcript direction of transcription 3’ 5’ 3’ 5’ 5’ 3’ pre  mRNA A “ pre  mRNA ” strand

Slide18TranscriptionNext, the pre- mRNA molecule must be modified. cap A nucleotide known as a “ cap ” is attached to the 5` end. poly-A  tail A nucleotide known as a “ poly-A  tail ” is attached to the 3` end. unit of transcription in a DNA strand exon exon exon intron intron cap 5’ poly-A tail 3’ transcription  into  pre-mRNA transcription  into  pre-mRNA (snipped out) (snipped out) mature  mRNA  transcript mature  mRNA  transcript introns exons Before the mRNA transcript is finished, useless sections known as  introns  must be snipped out, leaving only  exons remaining. 5’ 5’ 3’ 3’

Slide19Now that the mRNA has been transcribed,what does its message mean? DNA template mRNA transcript Amino acid? Amino acid? Amino acid? Amino acid? Amino acid? The  Genetic  Code The  Genetic  Code codon codon codon codon codon

Slide20anticodonattachment  site  for  an amino  acid tRNA molecules have a nucleotide triplet known as an “ anticodon ” on one end and an  attachment  site  for  an amino  acid  on the other end. tRNA MOLECULE anticodon amino acid attachment site anticodon amino acid attachment site codon in mRNA amino acid

Slide21Ribosomes are composed of two subunits made ofrRNA. These subunits are created in the nucleolus, travel separately out of the nucleus and only unite when  mRNA messages need to be translated into proteins. platform for chain assembly Small ribosomal subunit Large ribosomal subunit Complete ribosome tunnel

Slide22Translation3 Stages of Translation:  Initiation  Initiation  tRNA molecule is attached to small ribosomal subunit. START codon AUG anticodon  mRNA molecule’s  START codon  ( AUG ) matches up with tRNA  anticodon , attaches to small ribosomal subunit.  Large ribosomal subunit attaches to small subunit.

Slide23Binding site for mRNAP (first binding site for tRNA) A    (second binding site for tRNA)

Slide24Translationelongation Next is the  elongation  stage:  Ribosome complex moves along mRNA molecule. amino acids A  site  One by one, tRNA molecules deliver the  amino acids  coded for by the mRNA to  A  site . peptide bonds P  site  Amino acids are linked together by  peptide bonds , tRNA molecules exit  P  site  of ribosome.

Slide25Translationtermination The final stage is  termination . STOP  codon  Ribosomal complex reads STOP  codon  on mRNA molecule. anticodon STOP codon.  No tRNA has an  anticodon that corresponds to a  STOP codon. release factors enzymes  Proteins called  release factors  bind to ribosome, cause  enzymes  to detach mRNA & polypeptide chain from ribosome.  Ribosomal subunits separate.  www.johnkyrk.com/DNA tra nslation .html

Slide27TRANSCRIPTIONTRANSLATION Unwinding of gene regions of a DNA molecule Pre mRNA Transcript Processing mRNA rRNA tRNA Mature mRNA transcripts Ribosomal subunits Mature tRNA Synthesis of a polypeptide chain at binding sites for mRNA and tRNA on the surface of an intact ribosome FINAL PROTEIN Cytoplasmic pools of amino acids, tRNAs, and ribosomal subunits Destined for use in cell or for transport

Slide28Mutationsmutations Changes in the nucleotide sequence of genes are known as mutations . The most common types of gene mutations are:  Base-pair substitutions  (shown at  left)  Base-pair substitutions  (shown at  left)  Frameshifts  Frameshifts  Insertions  Insertions  Deletions  Deletions original base triplet in a DNA strand a base substitution within the triplet (red) As DNA is replicated, proofreading enzymes detect the mistake and make a substitution for it: POSSIBLE OUTCOMES: One DNA molecule carries the original, unmutated sequence OR The other DNA molecule carries a gene mutation VALINE VALINE sickle-cell anemia Remember  sickle-cell anemia ? base-pair substitution glutamine valine It’s caused by a  base-pair substitution  that replaces the amino acid  glutamine with  valine .

Slide29MutationsARGININE ARGININE GLYCINE GLYCINE TYROSINE TRYPTOPHAN ASPARAGINE LEUCINE LEUCINE GLUTAMATE DNA  TEMPLATE mRNA  TRANSCRIPT RESUL TING AMINO ACID  SEQUENCE AL TERED mRNA MESSAGE A BASE INSERTION (RED) IN DNA ALT ERED AMINO ACID SEQUENCE insertion The example above is a  frameshift mutation  known as an  insertion . This mutation causes DNA’s message to shift one base to the right. deletion A  deletion  would cause a one-base shift to the left.