Nucleic Acids Structure and Functions

Introductory lecture to structure and functions of nucleic acids

1. Nucleic Acids Structure and Function Nucleic Acids Structure and Function
Dr. Atif H. Khirelsied
De
p
artment of Biochemistr
y
py
Faculty of Medicine
International Universit
y
of Africa
y
atifkhirelsied@gmail

2. The learnin
g
 ob
j
ectives
Bytheendofthissessionthestudentshouldbeableto:
gj
By
 the
 end
 of
 this
 session
 the
 student
 should
 be
 able
 to:
1
OutlinethemolecularstructureofDNAandRNA
1
.
Outline
 the
 molecular
 structure
 of
 DNA
 and
 RNA
.
2. Explain the significance of specific base pairing.
3
DfithitifDNA
3
.
D
e
fi
ne 
th
e ma
in proper
ti
es o
f
 DNA
.
4. Define the central dogma of molecular biology.
5. Distinguish between single‐stranded and double‐stranded 
nucleic acids.
6
Elihifdid
lifDNA
6
.
E
xp
la
in t
h
e mean
ing o
f
 d
enaturat
ion an
d
 re‐annea
li
ng o
f
 DNA
.

3. Thedeoxyribonucleicacid(DNA) •
DNA:is
the
store
ofthegeneticinformation
The
 deoxyribonucleic
 acid
 (DNA)
•
DNA:
 is
 the
 store
of
 the
 genetic
 information
.
•
Itistheprincipal
regulator
ofthe
cellphysiology
•
It
 is
 the
 principal
 regulator
of
 the
 cell
 physiology
.
•DNA contains the instructions for creation and  functioning 
oftheorganismitactsas; of
 the
 organism
, 
it
 acts
 as;
 
9Template for replication.
9Codes for proteins.

4. The central dogma of molecular biology

5. The  Watson‐Crick structure of DNA

6. The  Watson‐Crick structure of DNA
1. It is a double‐stranded right‐handed 
helix helix
. 
2
.
E
ach
 strand
 is
 is
 a
 polymer
 of
 2‐
.
achstrandisisapolymerof
deoxyribonucleotides linked by 3'‐
5'phosphodiester links.
3. The nitrogenous bases in the 
nucleotidesofDNAareAGCT nucleotides
 of
 DNA
 are
 A
,
G
,
C
,T
.
4. The bases in the two com
p
lementar
y
 
py
strands are specifically paired and held
together  by hydrogen bonds.

7. The  Watson‐Crick structure of DNA
5. The two strands are polarand anti‐
parallel parallel
.
6.
The
 bases
 are
 planner
and
 
6.
Thebasesare
planner
and
perpendicularto the axis of the DNA 
molecules.
7. The width of the DNA molecules is 2 nm 
(
20
A
°
)andtheheightofthehelical
(
20
 A
)
, 
and
 the
 height
 of
 the
 helical
 
turn is 3.4 nm (34 A°). 
8. The genetic information resides in the 
sequence of bases in the DNA strands.

8. The  Watson‐Crick structure of DNA

10. The  Watson‐Crick structure of DNA

11. The  Watson‐Crick structure of DNA

12. The structure of DNA
•DNA exists as circular molecule in some organisms such as 
bacteria, bacteriophages, and many DNA‐containing animal  viruses viruses
.
Circular DNA molecule of bacteria
Chromosome (DNA) of eukaryotic

13. DNA denaturation of
Denaturationis the 
melting of double stranded 
DNAtttil DNA
 t
o genera
t
e 
t
wo s
ing
le 
strands.

14. The denaturation of DNA
•Denaturation may result from:
–
Heating above its Tm.
–High pH
–Organic solvents  (dimethylsulfoxide). –
Lowerin
g
 the salt conc. of the DNA solution
g
•Viscosit
y
 of DNA solutions decreases on denaturation.
y
•
Hyperchromicity
(increasedabsorbanceofUVon
•
Hyperchromicity
 (increased
 absorbance
 of
 UV
 on
 
denaturation)

15. TheReannealing of DNA
Rli
ithftifthdbltdd
•
R
eannea
li
ng 
is 
th
e re
f
orma
ti
on o
f
 th
e 
d
ou
bl
e s
t
ran
d
e
d
 
DNA.
•Viscosity of DNA solutions increases on reannealing. •Hyporchromicity(decreased absorbance of UV on 
reannealing)

16. The  RNA structure differs from that of DNA
ƒThe RNAs are polymers of ribonucleotideslinked together by 
3'‐5' phosphodiesterbonds. 
ƒRNAs share many structural features with DNA but have some 
specific characteristics, these are:
itisusuallysingleratherthandoublestranded
–
it
 is
 usually
 single
 rather
 than
 double
 stranded
 
–it contains ribose rather than deoxyribose
itcontainsthebase
uracil
ratherthanthymine
–
it
 contains
 the
 base
 uracil
rather
 than
 thymine
 

17. The  t
yp
es of RNA
1
M
RNA(RNA
)
yp
1
.
M
essenger 
RNA
s 
(
m
RNA
s
)
. 
2. Transfer RNAs 
(
tRNAs
)
.
Prokaryotes and 
(
)
3. Ribosomal RNAs (rRNAs).
eukaryotes
4
ll
lRNA(
RNA
)
4
.sma
ll
 nuc
lear 
RNA
 (
sn
RNA
)
.
5. microRNA(miRNA). 
Onlyineukaryotes
6. small interfering RNA (siRNA)
Only
 in
 eukaryotes

19. The  messen
g
er RNA 
(
mRNA
)
•Heterogeneous in size and stability.
g()
•Carries the codonsspecifying amino acid sequences in 
proteins
•Act as templatesfor protein synthesis.

20. The  messenger RNA (mRNA)

21. The  table of genetic code

22. Eukar
y
otic mRNAs have several uni
q
ue 
p
ro
p
erties
1
Th
5
'
tilidb
7
th l i
yqpp
1
.
Th
e 
5
'‐
t
erm
ina
l is cappe
d
 b
y 
7
‐me
th
y
lguanos
ine 
triphosphate. 
2.
Has poly(A) “tail” in the 3'‐terminals. 
7‐mG
A‐A‐A‐A‐A‐A‐A
mRNA

23. Eukar
y
otic mRNAs have several uni
q
ue 
p
ro
p
erties
yqpp
Eukaryoticsis synthesized as pre‐mRNA (heteronuclearRNA)  which contain intervening regions (Introns)
.

24. Transfer RNA (tRNA)
•
TheyarethesmallestRNAs
•
They
 are
 the
 smallest
 RNAs
.
•
Foldintotertiarystructureby Fold
 into
 tertiary
 structure
 by
 
formation of intra‐molecular base 
pairs .
•Have clover leaf shape (hair‐pin). •Transfer amino acids into the 
ribosomes ribosomes
.
•
Act
asan
adaptor
molecule.
Act
 as
 an
 adaptor
 molecule.
 

25. Ribosomal RNA (rRNA) •
Havestructuralandcatalyticfunctions. Have
 structural
 and
 catalytic
 functions.
 
•They have a ribozymefunction, the 28S rRNA catalyze 
the synthesis of  peptide bonds (peptidyltransferase).

26. Ribosomal RNA (rRNA)
•It is a nucleoprotein particle. •The mammalian ribosome, 
has a sedimentation velocity 
of 80S (Svedberg units). Cifl
60
Sd
•
C
ons
ists o
f
 large 
60
S
 an
d
 
small 40S subunits.

27. Small nuclear RNA (snRNA)
•A large number of highly conserved small stable molecules 
of RNA found in eukaryotic cells. 
•The majority of them exists as nucleoproteins distributed in 
both the nucleus and the cytosol. 
•They are involved in mRNA processing and gene regulation. 

28. microRNA(miRNA)
•Are  short RNA molecules found in eukaryotic cells.  •Have very few nucleotides (an average of 22) compared with 
h
ot
h
er RNAs.
•
Havemultiplerolesinregulationofgeneexpression
•
Have
 multiple
 roles
 in
 regulation
 of
 gene
 expression
.

29. Small interfering RNA(siRNA)
Also  known as short interferin
g
 RNA or silencin
g
 RNA
gg
Are double‐stranded RNA molecules Have 20‐25 nucleotides in length They interfere with the expression of a specific gene.