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General Biology



March 15, 2013

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Contents

1 Getting Started

3

2 Biology - The Life Science

5

2.1 Characteristics of life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 Nature of science . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.3 Scientific method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.4 Charles Darwin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.5 After Darwin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.6 Challenges to Darwin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3 The Nature of Molecules

11

3.1 Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.2 The atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

3.3 Mass and isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.4 Electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

3.5 Chemical bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.6 Chemical reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3.7 Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

4 The Chemical Building Blocks of Life

15

4.1 Carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.2 Carbohydrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

4.3 Stereoisomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.4 Lipids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.5 Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

4.6 Hereditary (Genetic) information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

5 Life: History and Origin

19

5.1 Properties of life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5.2 Origin of life: 3 hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

5.3 The early earth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

5.4 Origin of cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5.5 The RNA world? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5.6 The earliest cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

5.7 Major steps in evolution of life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

6 Cells

23

7 Cell structure

25

7.1 What is a cell? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

7.2 History of cell knowledge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

III

Contents

7.3 Microscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 7.4 Cell size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

8 Structure of Eukaryotic cells

31

8.1 Structure of the nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

8.2 Chromatin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

8.3 Endoplasmic reticulum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

8.4 The Golgi apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

8.5 Ribosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

8.6 DNA-containing organelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

8.7 Cytoskeleton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

9 Membranes

37

9.1 Biological membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

9.2 Phospholipid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

9.3 Fluid mosaic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

9.4 Membrane proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

9.5 Receptor-mediated endocytosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

10 Cell-cell interactions

41

10.1 Cell signaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

10.2 Communicating junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

11 Energy and Metabolism

43

11.1 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

11.2 Oxidation?Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

11.3 NAD+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

11.4 Free energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

11.5 Enzymes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

11.6 ATP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

11.7 Biochemical pathways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

12 Respiration: harvesting of energy

47

12.1 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.2 Respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.3 Respiration of glucose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.4 Alternative anaerobic respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

12.5 Glycolysis overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.6 Regeneration of NAD+ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.7 Alcohol fermentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.8 Lactate formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

12.9 Krebs cycle: overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

12.10 ATP production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

12.11 Evolution of aerobic respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

13 Photosynthesis

51

13.1 Light Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

13.2 "Dark" reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

13.3 Prokaryote cell division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

IV

Contents

13.4 Bacterial DNA replication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 13.5 Chromosome number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 13.6 Eukaryotic chromosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 13.7 Chromosome organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 13.8 Human karyotype stained by chromosome painting . . . . . . . . . . . . . 55 13.9 Chromosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 13.10 Human chromosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 13.11 Mitotic cell cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 13.12 Replicated human chromosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 13.13 Mitosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 13.14 Plant mitosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 13.15 Controlling the cell cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 13.16 Cancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 13.17 Mutations and cancer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

14 Sexual reproduction

59

14.1 Sexual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

14.2 Sexual life cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

14.3 Meiosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

14.4 Prophase I: synapsis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

14.5 Crossing over . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

14.6 Microtubules and anaphase I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

14.7 Meiosis II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

14.8 Evolution of sex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

14.9 Consequences of sex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

15 Genetics

63

16 Gregor Mendel and biological inheritance

65

16.1 Mendel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

16.2 Mendel's experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

16.3 Mendel's seven pairs of traits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

16.4 Locus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

16.5 Modern Y chromosome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

16.6 Chromosome phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

16.7 X-chromosome inactivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

16.8 Barr body . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

16.9 Human genetic disorders . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

17 DNA: The Genetic Material

69

17.1 DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

17.2 Historical perspective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

17.3 Hershey-Chase Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

17.4 DNA/RNA components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

17.5 Chemical structure of DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

17.6 3D structure of DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

17.7 Franklin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

17.8 DNA replication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

V

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