Download Nucleic acid chemistry

Nucleic Acid Chemistry & Structure
N. Tirawanchai, Ph.D.
29/9/57
Outline & Objective
NÂ ; Introduction
Structure
Classification
Digestion & absorption
Nucleosides (NS)
Nucleotides (NT)
PolyNT (NÂ)
DNA
RNA
Nucleic Acids
องค์ประกอบของ genetic material
เป็ น polynucleotide
แบ่งเป็ น
DNA (deoxyribonucleic acid)
RNA (ribonucleic acid)
Composed of
Pentose sugar
Nucleoside
Bases
Nucleotide
Phosphate 1-3 gr.
Composition of NS & NT
Nitrogenous base
Major bases ; Purines (A, G), pyrimidines (C,T,U)
Minor bases (P.93 ; ชวี เคมี 1)
Pentose sugar
Phosphate group
Nomenclature of NS & NT
P.94 ชวี เคมี 1
Base, nucleoside & nucleotide analogs
Are used as therapeutic agents
AZT
Inhibit retroviral
replication e.g AIDS
Allopurinol
รักษาโรค gout
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
ประกอบด ้วย polyNT 2 สาย (right-handed double
helical structure)
จับกันด ้วย H-bond ของ complementary bases
A = T, C
G
Antiparallel
3’
Watson & Crick’s Model
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 ทีใ่ ชในการส
งั เคราะห์
tRNA 22 ชนิด, rRNA 2 ชนิด
โปรตีน 13 ชนิด
ถ่ายทอดจากแม่
ลูก (maternal inheritance)
Structure of human mitochondrial DNA
16,569 bp
Chromosomal DNA
Eukaryotic chromosomal
DNA
+
Histone & nonhistone
Chromatin
Chromosome in
metaphase
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
Nucleosome
H1
Nonhistone
proteins
มีขนาดใหญ่กว่า
มีปริมาณน ้อยกว่า
histone proteins
H4
Core particle
Chromosomal DNA จะมีโครงสร ้างแบบทีบ
่ ด
ิ เป็ นเกลียว
(supercoiling) อยู่ 3 รูปแบบ ; A, B, Z (zigzag)
A-DNA
~ B-DNA ทีอ
่ ยูใ่ นภาวะทีม
่ ี ความเข ้มข ้นเกลือ
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 ; พบในสภาวะทีม
่ ี 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%
~ 60%
Genes and gene-
Intergenic
Related sequence
DNA
~ 2%
Protein
-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
Moderately to highly repetitive DNA
Tandem
repeats
Satellite
DNA
Microsatellite
DNA ; STR
Minisatellite DNA ;
VNTR
Interspersed
repeats
Transposons
LINEs
LTR
elements
SINEs ; Alu
Repetitive DNA
้ (repeat) อย่างมากใน
DNA sequence ทีม
่ ค
ี วามซ้าซอน
genome
แบ่งเป็ น tandem repeats และ interspersed
repeats
Tandem repeats
ATCGC
ATCGC
ATCGC
Interspersed repeats
ATCGC
ATCGC
ATCGC
Satellite DNA
มักอยูบ
่ ริเวณ centromere
จานวน repeats ;
1000-10 million
repeat units
้ า DNA fingerprinting
ใชท
ใน forensic application, pedigree determination
Interspersed repeats
Transposons
เป็ น mobile genetic element
ทีเ่ คลือ
่ นทีไ่ ด ้บน genome
LTR (Long terminal repeat) elements
LINEs (Long interspersed nuclear elements)
SINEs (Short interspersed nuclear elements)
Ex. Alu elements เป็ น SINEs ทีม
่ ม
ี ากทีส
่ ด
ุ
2) RNA
พบใน prokaryotes & eukaryotes
PolyNT consists of ATP, CTP, GTP, UTP
มีโครงสร ้างเป็ น single strand แต่บางชนิด จะมี
secondary structure เป็ น double strand (loop)
RNA strand
Secondary structure
แบ่งเป็ น messenger RNA (mRNA), ribosomal RNA
(rRNA), transfer RNA (tRNA), Small nuclear RNA
1) mRNA
มีประมาณ 5% ของ
RNA ทัง้ หมด
นาข ้อมูลทาง
hn
พันธุกรรมจาก DNA
ไปสงั เคราะห์
โปรตีนที่ ribosome
Mature
hn = Heteronuclear RNA
Prokaryotic mRNA
Eukaryotic mRNA
Cap structure 7-methylguanosine
Poly (A) tail
Prokaryote
Eukaryote
Splicing
Mature
mRNA
2) rRNA
เป็ น RNA ทีม
่ อ
ี ยู่
มากทีส
่ ด
ุ (80%)
อยูร่ วมกับโปรตีน
เป็ น ribosome
แหล่งสงั เคราะห์
โปรตีน
3) tRNA
มีประมาณ 15% ของ RNA ทัง้ หมด
มีขนาดเล็กทีส
่ ด
ุ
พบ > 60 ชนิด แต่จะมี tRNA อย่างน ้อย 20 ชนิด ทา
หน ้าทีน
่ าเอา AÂ เข ้าไปสร ้างโปรตีนใน ribosome
Clover leaf
structure
4) Small nuclear RNA
Small nuclear RNA จับกับโปรตีนเป็ น complex
Small nuclear RNA ใน nucleus
[small ribonucleoproteins (SnRNPs)]
ทาหน ้าทีเ่ กีย
่ วกับ
่ U1
RNA splicing เชน
่ U6
Poly A synthesis เชน
Small nuclear RNA ใน cytoplasm [small
cytoplasmic ribonucleoprotein particles
(ScRNPs)]
ทาหน ้าทีเ่ กีย
่ วกับการขนสง่ โปรตีนผ่านเยือ
่ หุ ้มเซลล์
่ 7S RNA
ของ rough endoplasmic reticulum เชน
RNA
ncRNA: non-coding RNAs
Transcribed RNA with a structural,
functional or catalytic role
mRNA
Protein-coding RNA
tRNA
snoRNA
snRNA
RNAi
Other
Small nucleolar
Small nuclear
RNA interference Including large RNA
Transfer RNA
RNA
Ribosomal RNA
RNA
Small non-coding
with roles in
Interface between
Participate in
RNA that form Found in nucleolus,
RNA involved
chromotin
structure
mRNA &
involved in
protein synthesis
part of the
in regulation
and imprinting
amino acids
modification
spliceosome
of gene expression
of rRNA
rRNA
miRNA
MicroRNA
Small RNA involved
in regulation
of protein-coding gene
Modified from Dr Hua-Chien Chen’s slide
siRNA
Small interfering RNA
Active molecules in
RNA interference
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
NÂ
RNase
Oligonucleotides
DNase I
Mononucleotides
Nucleoside phosphorylases
& Nucleosidases
Bases, riboses
Nucleosides
Absorption
by intestinal
mucosa