Nucleic Acid Chemistry & Structure N. Tirawanchai, Ph.D.

Nucleic Acid Chemistry & Structure N. Tirawanchai, Ph.D.

NÂ ; Introduction Structure Nucleosides (NS)

Nucleotides (NT) PolyNT (NÂ)

Classification DNA RNA

Digestion & absorption

Outline & Objective

Nucleic Acids

องค์�ประกอบของ genetic material เป น polynucleotide

29/9/57

แบ�งเป น DNA (deoxyribonucleic acid) RNA (ribonucleic acid)

Composed of Pentose sugar Bases Phosphate 1-3 gr.

Nucleoside Nucleotid

eComposition of NS & NT

Nitrogenous base Major bases ; Purines (A, G), pyrimidines

(C,T,U) Minor bases (P.93 ; ชี�วเค์มี� 1) Pentose sugar

Phosphate group

P.94 ชี�วเค์มี� 1

Are used as therapeutic agents

Allopurinol

ร�กษาโรค์ gout

AZT

Inhibit retroviral

replication e.g AIDS

Nomenclature of NS & NT

Base, nucleoside & nucleotide analogs

Polymer of NTs ; Phosphodiester linkage

Sugar - P

Backbone

3’,5’-Phosphodiester

linkage

DNA strand

Polynucleotides

DNA (Deoxyribonucleic Â) & RNA (Ribonucleic Â)

Genetic material ; chromosomal DNA/ nuclear DNA/genomic DNA

พบใน nucleus ของ eukaryotes & nucleoid ของ prokaryotes

ขนาด 3 x 106 basepairs (bp) prokaryotes 3 x 109 bp human

Consists of dATP, dCTP, dGTP, dTTP

1) DNA

Nucleic Acids

ประกอบด�วย polyNT 2 สาย (right-handed double helical structure)

จั�บก�นด�วย H-bond ของ complementary bases A = T, C G

Antiparallel

Watson & Crick’s Model

5’

5’

3’

3’

Eukaryotic DNA

Mitochondrial DNA Chromosomal DNA

Mitochondrial DNA

Human mtDNA มี�ขนาด 16,569 bp Closed-circular, double helix มี�ประมีาณ 6-10 copies/mitochondrion มี� gene ที่�"ใชี�ในการส�งเค์ราะห์�

tRNA 22 ชีน$ด , rRNA 2 ชีน$ด โปรตี�น 13 ชีน$ด

ถ่�ายที่อดจัากแมี� ลู(ก (maternal inheritance)

Prokaryotic DNA

Closed-circular DNA

Supercoil

Structure of human mitochondrial DNA

16,569 bp

Eukaryotic chromosomal DNA

+

Histone & nonhistone

Chromatin

Chromosome in metaphase

Chromosomal DNA

Telomere

Packaging of eukaryotic DNA into chromosome

Histone proteins

Basic proteins (+) ; Rich in Lys, Arg 5 Types ;

H1, H2A, H2B, H3, H4 Histone octamer

2 x (H2A, H2B, H3, H4) + DNA core particle

H4

Core particle

Nucleosome

มี�ขนาดให์ญ่�กว�า มี�ปร$มีาณน�อยกว�า

histone proteins

Nonhistone proteins

H1

A-DNA ~ B-DNA ที่�"อย(�ในภาวะที่�"มี� ค์วามีเข�มีข�นเกลู+อ Right-handed helical structure แตี�ลูะรอบของเกลู�ยว (pitch) มี�ขนาด 2.46 nm

(11 bp/turn) ให์ญ่�กว�า B-DNA (ร(ป 3.43 P.99)

Common natural structure of DNA at physiological pH

Right-handed helical structure แตี�ลูะรอบของเกลู�ยว (pitch) มี�ขนาด 3.4 nm

(10 bp/turn)

B-DNA

Chromosomal DNA จัะมี�โค์รงสร�างแบบที่�"บ$ดเป นเกลู�ยว (supercoiling) อย(� 3 ร(ปแบบ ; A, B, Z (zigzag)

In vivo ; พบบร$เวณ GC-rich sequence ของ DNA In vitro ; พบในสภาวะที่�"มี� high salt concentration Left-handed helical structure แตี�ลูะรอบของเกลู�ยว (pitch) มี�ขนาด 4.56 nm

(12 bp/turn) ร(ปร�างยาวแลูะบางกว�า B-DNA

Z-DNA

Total genetic information carried by each human cell

Size 3 x 109 bp DNA Sequence of the human genome has now

been completed

~20,000-25,000 genes

The Human Genome

Organisation of the human genomeHuman Genome ; 3000Mb

(~ 20,000-25,000 protein-coding gene)

~ 40%

Genes and gene-

Related sequence

~ 60%

Intergenic

DNA

~ 2%Protei

n-coding gene

~ 38%-Noncoding functional RNA genes-Gene-related sequences (pseudogenes, gene fragments, introns,UTRs)

~ 18%

Unique or low copy number

~ 42%

Moderately to highly repetitive

Gene A DNA segment necessary for synthesising

RNA & protein

Composed of exon (coding sequence) & intron (intervening sequence ; noncoding sequence)

Mature

Intergenic DNA

Interspersedrepeats

Tandemrepeats

Moderately to highly repetitive DNA

SatelliteDNA

Minisatellite DNA ;

VNTR

Microsatellite

DNA ; STR

SINEs ; AluLINEs

LTRelement

s

Transposons

Tandem repeats

Interspersed repeats

Repetitive DNA

DNA sequence ที่�"มี�ค์วามีซ้ำ-.าซ้ำ�อน (repeat) อย�างมีากใน

genome

แบ�งเป น tandem repeats แลูะ interspersed

repeats

ATCGC ATCGCATCGC

ATCGC ATCGCATCGC

Satellite DNA

มี�กอย(�บร$เวณ centromere

จั-านวน repeats ;

1000-10 million

repeat units

ใชี�ที่-า DNA fingerprintingใน forensic application, pedigree determination

Transposons

LTR (Long terminal repeat) elements

LINEs (Long interspersed nuclear elements)

SINEs (Short interspersed nuclear elements)

Ex. Alu elements เป น SINEs ที่�"มี�มีากที่�"ส/ด

เป น mobile genetic elementที่�"เค์ลู+"อนที่�"ได�บน genome

Interspersed repeats

พบใน prokaryotes & eukaryotes

PolyNT consists of ATP, CTP, GTP, UTP

2) RNA

มี�โค์รงสร�างเป น single strand แตี�บางชีน$ด จัะมี�

secondary structure เป น double strand (loop)

RNA strand

Secondary structure

แบ�งเป น messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA

(rRNA), transfer RNA (tRNA), Small nuclear RNA

มี�ประมีาณ 5% ของ

RNA ที่�.งห์มีด

น-าข�อมี(ลูที่าง

พ�นธุ/กรรมีจัาก DNA

ไปส�งเค์ราะห์�

โปรตี�นที่�" ribosome

hn = Heteronuclear RNA

hn

Mature

1) mRNA

Prokaryotic mRNA

Eukaryotic mRNA

Cap structure

Poly (A) tail

7-methylguanosine

Prokaryote

Eukaryote

Splicing

Mature mRNA

เป น RNA ที่�"มี�อย(�

มีากที่�"ส/ด (80%)

อย(�รวมีก�บโปรตี�น

เป น ribosome

แห์ลู�งส�งเค์ราะห์�

โปรตี�น

2) rRNA

มี�ประมีาณ 15% ของ RNA ที่�.งห์มีด มี�ขนาดเลู2กที่�"ส/ด พบ > 60 ชีน$ด แตี�จัะมี� tRNA อย�างน�อย 20 ชีน$ด ที่-า

ห์น�าที่�"น-าเอา AÂ เข�าไปสร�างโปรตี�นใน ribosome

Clover leaf

structure

3) tRNA

Small nuclear RNA จั�บก�บโปรตี�นเป น complex

Small nuclear RNA ใน nucleus

[small ribonucleoproteins (SnRNPs)]

ที่-าห์น�าที่�"เก�"ยวก�บ RNA splicing เชี�น U1

Poly A synthesis เชี�น U6

Small nuclear RNA ใน cytoplasm [small

cytoplasmic ribonucleoprotein particles

(ScRNPs)]

ที่-าห์น�าที่�"เก�"ยวก�บการขนส�งโปรตี�นผ่�านเย+"อห์/�มีเซ้ำลูลู� ของ rough endoplasmic reticulum เชี�น 7S RNA

4 ) Small nuclear RNA

RNA

mRNAProtein-coding RNA

ncRNA: non-coding RNAsTranscribed RNA with a structural,

functional or catalytic role

rRNARibosomal RNAParticipate in

protein synthesis

tRNATransfer RNA

Interface betweenmRNA &

amino acids

snRNASmall nuclear

RNA RNA that form

part of the spliceosome

snoRNASmall nucleolar

RNA Found in nucleolus,

involved in modification

of rRNA

RNAiRNA interferenceSmall non-coding

RNA involvedin regulation

of gene expression

OtherIncluding large RNA

with roles in chromotin structure

and imprinting

siRNASmall interfering RNAActive molecules in

RNA interference

miRNAMicroRNA

Small RNA involvedin regulation

of protein-coding gene

Modified from Dr Hua-Chien Chen’s slide

Small non-coding RNA molecule (21-25 nucleotides)

Encoded by miRNA gene

Found in plants, animals, and some virusesssRNA with stem-loop structure

Function of miRNA ; Inhibit protein synthesis

NÂ OligonucleotidesDNase I

RNase

Mononucleotides

Nucleosides

Absorption by

intestinal mucosa

Bases, riboses

Nucleoside phosphorylases

& Nucleosidases

NA digestion and absorption