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

1. Nucleic Acid Chemistry & Structure N. Tirawanchai, Ph.D. 29/9/57 Outline & Objective • NÂ ; Introduction • Structure Nucleosides (NS) • Nucleotides (NT) • PolyNT (NÂ) • Classification DNA • RNA • Digestion & absorption Nucleic Acids • องค์ประกอบของ genetic material • เป็น polynucleotide

2. แบ่งเป็น DNA (deoxyribonucleic acid) • RNA (ribonucleic acid) • Composed of • Pentose sugar • Bases • Phosphate 1-3 gr. Nucleoside Nucleotide Composition of NS & NT • Nitrogenous base • Major bases ; Purines (A, G), pyrimidines (C,T,U) • Minor bases (P.93 ; ชีวเคมี 1) • Pentose sugar • Phosphate group

3. Nomenclature of NS & NT P.94 ชีวเคมี 1 Base, nucleoside & nucleotide analogs • Are used as therapeutic agents AZT Inhibit retroviral replication e.g AIDS Allopurinol รักษาโรค gout

4. Polynucleotides • Polymer of NTs ; Phosphodiester linkage DNA strand Sugar - P Backbone 3’,5’-Phosphodiester linkage

5. Nucleic Acids • DNA (Deoxyribonucleic Â) & RNA (Ribonucleic Â) 1) DNA • 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 • ประกอบด้วย polyNT 2 สาย (right-handed double • helical structure) • จับกันด้วย H-bond ของ complementary bases • A = T, C G • Antiparallel

6. 3’ 5’ Watson & Crick’s Model 5’ 3’

7. Prokaryotic DNA • Closed-circular DNA • Supercoil Eukaryotic DNA • Mitochondrial DNA • Chromosomal DNA Mitochondrial DNA • Human mtDNA มีขนาด 16,569 bp • Closed-circular, double helix • มีประมาณ 6-10 copies/mitochondrion • มี gene ที่ใช้ในการสังเคราะห์ • tRNA 22 ชนิด, rRNA 2 ชนิด • โปรตีน 13 ชนิด • ถ่ายทอดจากแม่ ลูก (maternal inheritance)

8. Structure of human mitochondrial DNA 16,569 bp

9. Chromosomal DNA Eukaryotic chromosomal DNA + Histone & nonhistone Chromatin Chromosome in metaphase Telomere

10. Packaging of eukaryotic DNA into chromosome

11. Histone proteins H1 • Basic proteins (+) ; • Rich in Lys, Arg • 5 Types ; • H1, H2A, H2B, H3, H4 • Histone octamer • 2 x (H2A, H2B, H3, H4) • + DNA core particle Nucleosome Nonhistone proteins • มีขนาดใหญ่กว่า • มีปริมาณน้อยกว่า • histone proteins Core particle H4

12. Chromosomal DNA จะมีโครงสร้างแบบที่บิดเป็นเกลียว • (supercoiling) อยู่ 3 รูปแบบ ; A, B, Z (zigzag) • A-DNA • ~ B-DNA ที่อยู่ในภาวะที่มี ความเข้มข้นเกลือ • Right-handed helical structure • แต่ละรอบของเกลียว (pitch) มีขนาด 2.46 nm • (11 bp/turn) • ใหญ่กว่า B-DNA (รูป 3.43 P.99) B-DNA • Common natural structure ofDNA at physiological pH • Right-handed helical structure • แต่ละรอบของเกลียว (pitch) มีขนาด 3.4 nm • (10 bp/turn)

13. Z-DNA • In vivo ; พบบริเวณ GC-rich sequence ของ DNA • In vitro ; พบในสภาวะที่มี high salt concentration • Left-handed helical structure • แต่ละรอบของเกลียว (pitch) มีขนาด 4.56 nm • (12 bp/turn) • รูปร่างยาวและบางกว่า B-DNA

14. The Human Genome • 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

15. Organisation of the human genome Human Genome ; 3000Mb (~ 20,000-25,000 protein-coding gene) ~ 40% Genes and gene- Related sequence ~ 60% Intergenic DNA ~ 18% Unique or low copy number ~ 2% Protein-coding gene ~ 38% -Noncoding functional RNA genes -Gene-related sequences (pseudogenes, gene fragments, introns,UTRs) ~ 42% Moderately to highly repetitive

16. Gene • A DNA segment necessary for synthesising RNA & • protein • Composed of exon (coding sequence) & intron • (intervening sequence ; noncoding sequence) Mature

17. Intergenic DNA Moderately to highly repetitive DNA Tandem repeats Interspersed repeats Satellite DNA Microsatellite DNA ; STR LTR elements Transposons Minisatellite DNA ; VNTR LINEs SINEs ; Alu

18. Repetitive DNA • DNA sequence ที่มีความซ้ำซ้อน (repeat) อย่างมากใน • genome • แบ่งเป็น tandem repeats และ interspersed • repeats Tandem repeats ATCGC ATCGC ATCGC Interspersed repeats ATCGC ATCGC ATCGC

19. Satellite DNA • มักอยู่บริเวณ centromere • จำนวน repeats ; • 1000-10 million • repeat units

20. ใช้ทำ DNA fingerprinting ใน forensic application, pedigree determination

21. Interspersed repeats เป็น mobile genetic element ที่เคลื่อนที่ได้บน genome • Transposons • LTR(Long terminal repeat) elements • LINEs (Long interspersed nuclear elements) • SINEs(Short interspersed nuclear elements) • Ex. Alu elements เป็น SINEs ที่มีมากที่สุด

22. 2) RNA • พบใน prokaryotes & eukaryotes • PolyNT consists of ATP, CTP, GTP, UTP • มีโครงสร้างเป็น single strand แต่บางชนิด จะมี • secondary structure เป็น double strand (loop)

23. RNA strand Secondary structure • แบ่งเป็น messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA • (rRNA), transfer RNA (tRNA), Small nuclear RNA

24. 1) mRNA • มีประมาณ 5% ของ • RNA ทั้งหมด • นำข้อมูลทาง • พันธุกรรมจาก DNA • ไปสังเคราะห์ • โปรตีนที่ ribosome hn Mature hn = Heteronuclear RNA

25. Prokaryotic mRNA Eukaryotic mRNA 7-methylguanosine Cap structure Poly (A) tail

26. Prokaryote Eukaryote Splicing Mature mRNA

27. 2) rRNA • เป็น RNA ที่มีอยู่ • มากที่สุด (80%) • อยู่รวมกับโปรตีน • เป็น ribosome • แหล่งสังเคราะห์ • โปรตีน

28. 3) tRNA • มีประมาณ 15% ของ RNA ทั้งหมด • มีขนาดเล็กที่สุด • พบ > 60 ชนิด แต่จะมี tRNA อย่างน้อย 20 ชนิด ทำ • หน้าที่นำเอา AÂ เข้าไปสร้างโปรตีนใน ribosome Clover leaf structure

29. 4) Small nuclear RNA • Small nuclear RNA จับกับโปรตีนเป็น complex • Small nuclear RNA ใน nucleus • [small ribonucleoproteins (SnRNPs)] • ทำหน้าที่เกี่ยวกับ • RNA splicing เช่น U1 • Poly A synthesis เช่น U6 • Small nuclear RNA ใน cytoplasm [small • cytoplasmic ribonucleoprotein particles • (ScRNPs)] • ทำหน้าที่เกี่ยวกับการขนส่งโปรตีนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ • ของ rough endoplasmic reticulum เช่น 7S RNA

30. Type of RNA molecules RNA mRNA Protein-coding RNA ncRNA: non-coding RNAs Transcribed RNA with a structural, functional or catalytic role tRNA Transfer RNA Interface between mRNA & amino acids snRNA Small nuclear RNA RNA thatform part of the spliceosome snoRNA Small nucleolar RNA Found in nucleolus, involved in modification of rRNA rRNA Ribosomal RNA Participate in protein synthesis RNAi RNA interference Small non-coding RNA involved in regulation of gene expression Other Including large RNA with roles in chromotin structure and imprinting siRNA Small interfering RNA Active molecules in RNA interference miRNA MicroRNA Small RNA involved in regulation of protein-coding gene Modified from Dr Hua-Chien Chen’s slide

32. MicroRNA (miRNA) Small non-coding RNA molecule (21-25 nucleotides) Encoded by miRNA gene Found in plants, animals, and some viruses ssRNA with stem-loop structure

34. ; Inhibit protein synthesis Function of miRNA

35. NA digestion and absorption RNase NÂ Oligonucleotides DNase I Mononucleotides Nucleoside phosphorylases & Nucleosidases Nucleosides Absorption by intestinal mucosa Bases, riboses