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

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

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

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

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

Watson & Crick’s Model 3’ 5’ 5’ 3’

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)

Structure of human mitochondrial DNA 16,569 bp

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

Packaging of eukaryotic DNA into chromosome

Histone proteins Nonhistone 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 Nucleosome Nonhistone proteins มีขนาดใหญ่กว่า มีปริมาณน้อยกว่า histone proteins H4 Core particle

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 of DNA at physiological pH Right-handed helical structure แต่ละรอบของเกลียว (pitch) มีขนาด 3.4 nm (10 bp/turn)

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

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

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

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

Moderately to highly repetitive DNA 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

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

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

ใช้ทำ DNA fingerprinting ใน forensic application, pedigree determination

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

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

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

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

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

Prokaryote Eukaryote Splicing Mature mRNA

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

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

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

ncRNA: non-coding RNAs Transcribed RNA with a structural, mRNA Protein-coding RNA ncRNA: non-coding RNAs Transcribed RNA with a structural, functional or catalytic role rRNA Ribosomal RNA Participate in protein synthesis tRNA Transfer RNA Interface between mRNA & amino acids snRNA Small nuclear RNA RNA that form part of the spliceosome snoRNA Small nucleolar RNA Found in nucleolus, involved in modification of rRNA 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

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

Function of miRNA ; Inhibit protein synthesis

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