(unitii)chapter&6:the&structure&of& dna -...

24
8/29/11 1 (Unit II) Chapter 6: The Structure of DNA Introduc;on to DNA Structure: The Importance of DNA Structure DNA, since it carries all the informa;on for a given organism, must be a molecule that contains an incredible amount of informa;on Contains informa;on for proper development of an organism Allows the proper structures to form at the appropriate ;me Allows appropriate growth at the appropriate ;me Contains the informa;on for proper cellular func;on DNA encodes the informa;on to produce proteins involved in respira;on DNA encodes the informa;on to produce proteins that are important in sending and receiving signals between cells All the appropriate informa;on is also passed on to subsequent genera;ons Cellular reproduc;on (asexual) Organismal reproduc;on (sexual or asexual)

Upload: dokhanh

Post on 05-Jul-2018

219 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

8/29/11  

1  

(Unit  II)  Chapter  6:  The  Structure  of  DNA  

Introduc;on  to  DNA  Structure:  The  Importance  of  DNA  Structure  

•  DNA,  since  it  carries  all  the  informa;on  for  a  given  organism,  must  be  a  molecule  that  contains  an  incredible  amount  of  informa;on    

•  Contains  informa;on  for  proper  development  of  an  organism  –  Allows  the  proper  structures  to  form  at  the  

appropriate  ;me  –  Allows  appropriate  growth  at  the  

appropriate  ;me  

•  Contains  the  informa;on  for  proper  cellular  func;on  –  DNA  encodes  the  informa;on  to  produce  

proteins  involved  in  respira;on  –  DNA  encodes  the  informa;on  to  produce  

proteins  that  are  important  in  sending  and  receiving  signals  between  cells  

•  All  the  appropriate  informa;on  is  also  passed  on  to  subsequent  genera;ons  –  Cellular  reproduc;on  (asexual)  –  Organismal  reproduc;on  (sexual  or  asexual)  

8/29/11  

2  

Introduc;on  to  DNA  Structure:  How  It  Holds  The  Informa;on  of  Heredity  

•  The  ability  of  DNA  to  hold  all  of  this  informa;on  lies  in  both  its  chemistry  and  3-­‐Dimensional  structure    

•  DNA  contains  only  five  different  types  of  atoms    –  Carbon  –  Phosphorous  –  Nitrogen  –  Hydrogen  –  Oxygen  

•  When  Watson  and  Crick  (1952)  discovered  that  the  3-­‐Dimensional  structure  of  DNA  –  Found  that  the  molecule  takes  the  shape  

double  helix  –  More  importantly  understood  how  the  

different  atoms  found  in  DNA  are  covalently  linked  together  and  how  these  linkages  are  viewed  in  3-­‐dimensions  

•  Watson  and  Crick  saw  that  DNA  was  a  polymer  made  of  repea;ng  building  blocks  known  as  nucleo;des  

Building  the  DNA  Molecule:  The  Chemical  Structure  of  Deoxyribonucleic  Acid  

•  Each  nucleo;de  consists  of  three  basic  components  –  Phosphate  group  –  A  five  carbon  sugar  (deoxyribose)  –  A  nitrogenous  base  

•  The  phosphate  group  and  the  deoxyribose  are  part  of  the  DNA  backbone,  whereas  the  nitrogenous  bases  are  located  towards  the  interior  of  the  DNA  molecule  

•  More  specifically,  it  is  the  sequence  and  number  of  these  nitrogenous  bases  (which  are  part  of  nucleo;des)  that  give  each  gene  its  own  iden;ty  –  Genes  differ  in  the  number  of  bases  –  Genes  differ  in  the  sequence  of  bases  

8/29/11  

3  

Building  the  DNA  Molecule:  Nucleo;de  Structure  and  The  Pentose  Sugars  

•  To  start,  each  nucleo;de  will  contain  a  central  pentose  (5  carbon)  sugar  

•  The  sugar  that  is  used  in  DNA  is  deoxyribose  

•  Within  the  ring,  there  are  four  carbon  atoms  (labeled  1’,  2’,  3’  etc)  joined  by  an  oxygen  atom  

•  The  fi[h  carbon  (the  5’  carbon)  projects  upward  from  the  ring  

•  To  build  the  nucleo;de,  we  are  going  to  a\ach  other  chemically  reac;ve  groups  to  specific  carbons  in  the  pentose  sugar  

Building  the  DNA  Molecule:  The  Nitrogenous  Base  Component    

•  The  presence  of  the  nitrogenous  bases  in  nucleic  acids  was  discovered  by  Friedrich  Miecher  a[er  he  started  to  determine  the  chemistry  of  his  nuclein  

•  They  are  called  nitrogenous  bases  due  to  the  fact  that  they  are  have  a  high  nitrogen  content  

•  They  are  considered  a  base  due  to  the  fact  that  they  have  the  proper;es  of  a  base  (proton  acceptors)    

•  By  and  large,  the  structure  of  DNA  the  nitrogenous  bases  are  non-­‐polar,  which  is  important  for  DNA  structure  –  The  bases  are  hydrophobic  –  The  bases  are  located  towards  the  

interior  of  a  molecule  of  DNA  

8/29/11  

4  

Building  the  DNA  Molecule:  The  Nitrogenous  Base  Component    

•  There  are  four  common  nitrogenous  bases  found  in  DNA  –  Adenine  –  Guanine    –  Cytosine    –  Thymine  

•  Adenine  and  Guanine  are  known  as  purines  and  have  a  double  ring  

•  Cytosine,  Thymine  are  known  as  pyrimidines  and  have  a  single  ring  

Building  the  DNA  Molecule:  The  Nitrogenous  Base  Component    

•  In  nature,  each  nitrogenous  base  can  take  one  of  two  conforma;ons  

•  For  the  nitrogenous  bases,  there  are  two  conforma;ons  –  Conven;onal  form  –  Tautomeric  state  

•  Defini;on  of  Tautomers:    –  Tautomers  are  isomers  that  readily  interconvert  at  

equilibrium  –  Tautomeriza;on  results  in  the  migra;on  of  a  proton  

and  a  resul;ng  shi[  from  single  to  double  bond,  or  vice  versa  

•  The  two  states  in  equilibrium  with  each  other  –  Conven;onal  –  Tautomeric  

•  For  all  of  the  nitrogenous  bases,  the  equilibrium  strongly  favors  the  conven;onal  form  

8/29/11  

5  

Building  the  DNA  Molecule:  Nucleo;de  Structure  and  The  Phosphate  Group  

•  The  chemistry  of  the  phosphate  group  is  important  in  allowing  DNA  to  be  a  polymer  (i.e.  the  phosphate  group  is  important  in  linking  nucleo;des  together)  

•  The  phosphate  group  consists  of  a  phosphorus  and  four  oxygen  atoms    

•  The  phosphorous  is  located  centrally  in  the  phosphate  group,  and  each  of  the  four  oxygen  atoms  are  bound  to  the  phosphorous  

•  The  bonds  between  the  phosphorous  and  each  oxygen  atom  is  unequal  –  They  share  electrons  unequally  –  Oxygen  atoms  are  slightly  nega;ve  –  Phosphate  is  slightly  posi;ve  

Building  the  DNA  Molecule:  Nucleo;de  Structure  and  The  Phosphate  Group  

•  At  physiological  pH,  the  phosphate  group  is  a  proton  donor  –  Phosphate  group  is  polar  –  Phosphate  group  has  a  slight  nega;ve  charge    

•  Ester  bonds  link  the  phosphate  to  the  rest  of  the  nucleo;de  –  They  have  the  property  of  being  extremely  

stable  –  These  bonds  are  easily  broken  by  enzyma;c  

hydrolysis  (by  adding  water)  

•  The  chemistry  of  the  phosphate  group  also  allows  for  linking  of  nucleo;des  together  

•  Phosphate  bonds  are  stable,  yet  easily  broken  –  Allows  for  polymeriza;on  of  nucleo;des  –  Allows  for  synthesis  of  DNA  (or  RNA)  chains  

8/29/11  

6  

Building  the  DNA  Molecule:  Construc;ng  a  Nucleo;de-­‐The  Basic  Building  Block  of  DNA  

•  To  build  a  nucleo;de  one  must  start  with  a  nucleoside  

•  A  nucleoside  consists  of  only  a  pentose  sugar  and  a  nitrogenous  base  

•  The  nitrogenous  base  is  bound  to  the  1’  carbon  through  an  N-­‐glycosidic  linkage,  which  is  formed  through  a  condensa;on  reac;on  

•  There  are  proper  naming  conven;ons  for  each  type  of  nucleoside  –  Deoxyguanosine  (if  containing  guanine  and  

dexoyribose)  –  Deoxycy;dine  (if  containing  cytosine  and  

deoxyribose)  –  Deoxyadenosine  (if  containing  adenine  and  

deoxyribose)  –  Deoxythymidine  (if  containing  thymine  and  

deoxyribose)  

Building  the  DNA  Molecule:  Construc;ng  a  Nucleo;de-­‐The  Basic  Building  Block  of  DNA  

•  In  a  nucleo;de  the  phosphate  group  is  bound  to  the  5’  carbon  

•  Like  the  nitrogenous  base  and  the  phosphate  group  are  added  to  the  pentose  via  condensa;on  reac;ons  with  water  as  the  byproduct  

•  A  nucleo;de  can  have  one,  two  or  three  phosphates  bound  to  the  5’  carbon  –  The  phosphate  that  is  bound  to  the  5’  

carbon  is  known  as  the  α  phosphate  –  The  second  phosphate  from  the  5’  

carbon  is  the  β  phosphate  –  The  third  phosphate  from  the  5’  carbon  

is  the  γ  phosphate    

8/29/11  

7  

Building  the  DNA  Molecule:  Naming  the  Nucleo;des  

•  The  name  of  a  nucleo;de  comes  uses  as  a  root  the  name  of  the  nucleoside    followed  by  the  number  of  phosphates  the  nucleo;de  contains  –  A  nucleo;de  containing  

deoxyribose,  adenosine  and  one  phosphate  is  deoxyadenosine  monophosphate    

–  A  nucleo;de  containing  deoxyribose  guanosine  and  two  phosphates  is  deoxyguanosine  diphosphate    

–  A  nucleo;de  containing  deoxyribose,  thymidine  and  three  phosphates  is  deoxythymidine  triphosphates    

Building  a  DNA  Molecule:  A  Strand  of  DNA  Is  Composed  of  Chains  of  Polynucleo;des  

•  A  single  polymer  of  DNA  is  considered  a  strand,  with  each  strand  having  specific  polarity  (the  two  ends  have  different  free  func;onal  groups)  

•  To  create  a  DNA  strand,  a  polymer  must  be  formed  of  repea;ng  nucleo;des  

•  A  strand  of  DNA  is  only  formed  in  the  5’    3’  direc;on  and  never  in  the  3’    5’  direc;on  

•  In  forming  a  strand  of  DNA,  the  nucleo;des  will  only  be  added  onto  the  3’  end  of  a  growing  DNA  strand  

•  In  order  to  join  two  nucleo;des  together,  a  condensa;on  reac;on  must  occur  between  the  free  3’OH  group  of  the  final  nucleo;de  in  a  growing  strand  and  the  5’  PO4  group  in  the  nucleo;de  to  be  added  –  A  phosphodiester  bond  is  formed  between  the  two  

nucleo;des  –  A  byproduct  of  the  reac;on  is  one  molecule  of  water      

8/29/11  

8  

Building  the  DNA  Molecule:  DNA  Base  Pairing        

•  DNA  is  a  double  stranded  molecule  and  therefore,  two  strands  must  be  able  to  interact  with  each  other  

•  The  results  of  two  very  important  experiments  were  important  for  showing  how  the  two  strands  of  a  DNA  molecule  interact  –  Erwin  Chargaff’s  biochemical  experiments  (first)  –  Watson  and  Crick’s  X-­‐ray  diffrac;on  studies  (second)  

•  Chargaff  wanted  to  determine  the  rela;ve  concentra;on  of  each  nitrogenous  base  within  a  molecule  of  DNA  

•  In  1940,  Chargaff  developed  a  paper  chromatography  method  to  analyze  the  amount  of  each  nitrogenous  base  present  in  a  molecule  of  DNA  

•  Chargaff  observed  several  important  rela;onships  among  the  molar  concentra;ons  of  the  different  bases  

•  In  1940  Chargaff  proposed  three  important  rules  with  regards  to  the  nitrogenous  base  composi;on  of  DNA,  which  became  known  as  Chargaff’s  rules  

Building  the  DNA  Molecule:  DNA  Base  Pairing    

•  Chargaff  rules  are  as  follows  –  [A]  =  [T]  –  [G]  =  [C]  –  [A]  +  [G]  =  [T]  +  [C]  or  the  

concentra;on  of  purines  is  equal  to  the  concentra;on  of  pyrimidines  

•  Chargaff  also  found  that  the  base  composi;on,  as  defined  by  the  percentage  of  G  and  C  (G+C  content)  for  DNA  is  the  basically  the  same  for  organisms  of  the  same  species,  and  different  for  organisms  of  different  species  

•  The  G  +  C  content  can  vary  from  22  –  73%  depending  on  the  organism  

8/29/11  

9  

Building  the  DNA  Molecule:  DNA  Base  Pairing    

•  Watson  and  Crick  built  off  Chargaff’s  work    

•  Watson  and  Crick  isolated  and  crystallized  DNA  then  subjected  it  to  X-­‐ray  diffrac;on  analysis  to  determine  the  structure  of  the  DNA  

•  Their  results  show  that  the  secondary  structure  of  DNA  was  a  double  helix  

•  In  the  double  helix,  the  two  DNA  strands  interacted  through  base  pairing  (showing  a  physical  reason  for  Chargaff’s  observa;ons  –  Adenine  pairs  with  thymine  (2  H  

bonds)  –  Guanine  pairs  with  cytosine  (3  H  

bonds)  

Building  the  DNA  Molecule:  DNA  Base  Pairing    

•  The  two  strands  in  a  DNA  molecule  lie  in  an  an;parallel  configura;on  –  Opposite  orienta;on  =  an;-­‐parallel  –  Allows  the  nitrogenous  bases  to  align  

properly  for  efficient  base  pairing  –  The  free  5’  ends  of  each  strand  are  on  

opposite  sides  of  the  molecule  –  The  free  3’  ends  of  each  strand  are  also  

on  opposite  sides  from  each  other    

•  Base  pairing  is  advantageous  to  the  DNA  chemistry    –  Excludes  water  from  the  interior  of  the  

DNA  molecule  –  Creates  entropy  which  allows  for  

stabiliza;on  of  the  double  helix  

8/29/11  

10  

Building  the  DNA  Molecule:  DNA  Base  Pairing    

•  Each  strand  of  a  DNA  molecule  has  complementary  sequence  –  Due  base  pairing  between  the  two  strands  –  Where  there  is  an  Adenine  in  one  strand,  

there  will  be  a  Thymine  opposite  etc.  –  The  two  strands  do  not  have  the  same  

sequence  

•  There  are  important  conven;ons  that  need  to  be  followed  when  wri;ng  the  sequence  of  a  DNA  strand  –  The  sequence  of  each  strand  is  wri\en  

separately  –  Only  the  sequence  of  the  nitrogenous  bases  

is  wri\en  out  –  The  sequence  of  each  strand  is  ALWAYS  

wri\en  in  the  5’    3’  direc;on  –  A  5’  is  wri\en  before  the  5’  most  nitrogenous  

base  and  a  3’  is  wri\en  a[er  the  3’  most  nitrogenous  base  

•  For  the  DNA  molecule  on  the  right  the  sequence  of  the  two  strands  are  as  follows  –  For  the  strand  5’      3’  bo\om  to  top  (le[  

strand)  the  sequence  is  5’  CAGT  3’  –  For  the  strand  5’    3’  top  to  bo\om  (right  

strand)  the  sequence  is  5’  ACTG  3’  

DNA  Secondary  Structure:  The  Structure  Confers  Stability  and  Allows  The  Molecule  To  Hold  Vast  Amounts  of  

Informa;on  •  If  DNA  is  to  be  the  primary  molecule  

responsible  for  holding  gene;c  informa;on,  then  it  must  have  three  important  characteris;cs  –  It  must  hold  vast  amounts  of  informa;on  –  The  molecule  must  be  extremely  stable  –  Must  be  easily  replicated  

•  DNA  is  able  to  hold  vast  amounts  informa;on  in  its  sequence  of  nitrogenous  bases  

•  Although  there  are  only  four  nitrogenous  bases  each  gene  can  s;ll  has  its  own  iden;ty  –  The  number  of  bases  varies  for  each  gene  –  Sequence  of  bases  varies  for  each  gene  –  The  reason  why  we  say  “bases”  is  that  a  gene  

is  only  defined  by  the  base  sequence  for  only  one  of  the  strands  

8/29/11  

11  

DNA  Secondary  Structure:  The  Structure  Confers  Stability  and  Allows  The  Molecule  To  Hold  Vast  Amounts  of  

Informa;on  •  The  stability  of  the  double  stranded  DNA  

molecule  comes  from  two  important  forces  –  Hydrogen  bonding  between  the  base  pairs  –  Base  stacking  interac;ons  

•  In  actuality,  the  base  pairs  lie  flat  upon  one  another  and  so  instead  of  looking  like  “rungs  on  a  ladder”  they  look  like  a  stack  of  coins  

•  The  bases  in  DNA  stack  together,  which  results  in  increased  stability  by  elimina;ng  water  from  the  interior  of  the  DNA  molecule    

•  In  order  to  have  the  base  pairs  lie  flat  on  one  another,  each  base  pair  must  be  slightly  twisted  with  respect  to  previous  base  pair    

DNA  Secondary  Structure:  The  Structure  Confers  Stability  and  Allows  The  Molecule  To  Hold  Vast  

Amounts  of  Informa;on  

8/29/11  

12  

DNA  Secondary  Structure:  Important  Physical  Features  of  the  Double  Helix  •  The  shape  of  base  pairs  results  in  two  

extremely  important  physical  features    –  Major  Groove  –  Minor  Groove  

•  The  grooves  are  present  because  the  two  bonds  that  a\ach  a  base  pair  to  its  deoxyribose  sugar  rings  are  not  directly  opposite  (not  a  true  180  degrees)  

•  The  major  and  minor  groove  form  as  a  result  of  the  angle  at  which  the  two  sugars  protrude  from  the  base  pairs  –  120  degrees  for  the  narrow  angle  (minor  

groove  forma;on)  –  240  degrees  for  the  wide  angle  (major  groove  

forma;on  

•  The  major  groove  is  about  twice  as  wide  (22  A)  as  the  minor  groove  (12  A)  

•  The  grooves  allow  for  proteins  to  bind  to  the  DNA  

DNA  Secondary  Structure:  Important  Physical  Features  of  the  Double  Helix  •  Proteins  that  bind  the  DNA  in  a  sequence  

specific  manner  bind  the  major  groove  –  The  wide  geometry  of  the  major  groove  

allows  proteins  to  gain  access  to  the  sequence  informa;on  

–  Each  base  pair  has  its  own  unique  combina;on  of  hydrogen  bond  acceptors  and  donors  which  line  the  edge  of  the  major  groove  

•  Below  are  the  pa\erns  of  donors  and  acceptors  for  each  of  the  four  possible  base  pairs  (A=  acceptor  D  =  Donor  H=non-­‐polar  hydrogen  M=methyl  group)  –  A-­‐T  (ADAM)    –  T-­‐A  (MADA)  –  G-­‐C  (AADH)  –  C-­‐G  (HDAA)  

•  Proteins  that  bind  the  DNA  in  a  sequence  non-­‐specific  manner  o[en  bind  the  minor  groove  –  Pa\erns  of  hydrogen  bond  acceptors  and  

donors  lining  the  minor  groove  are  incredibly  similar    

–  For  A-­‐T  or  T-­‐A  base  pairs  (ADA)  –  For  G-­‐C  or  C-­‐G  base  pairs  (AHA)  

8/29/11  

13  

DNA  Secondary  Structure:  Important  Physical  Features  of  the  Double  Helix  and  Disease  

•  Many  diseases  result  from  a  changes  in  DNA  sequence  that  abrogate  (block)  DNA  binding  –  The  changes  in  DNA  sequence  result  in  a  

change  in  the  pa\ern  of  hydrogen  bond  acceptors  and  donors  in  the  major  groove  

–  The  protein  that  is  supposed  to  bind  the  DNA  in  a  sequence  specific  manner  can  no  longer  do  so  because  the  pa\ern  has  changed  

•  Familial  Hypercholersterolemia  (FH)  is  a  gene;c  disorder  caused  by  changes  in  DNA  sequence  in  the  LDLR  gene  (Low-­‐Density  Lipoprotein  Receptor)  

•  The  LDLR  gene  encodes  a  protein  that  is  expressed  in  the  liver  and  adrenal  cortex    

•  This  protein  encoded  by  the  LDLR  gene  is  responsible  for  removing  66-­‐80%  of  all  LDL  from  the  blood  

•  Pa;ents  with  FH  exhibit  disease  symptoms  at  birth  star;ng  with  a  cholesterol  level  above  the  95  percen;le  

DNA  Secondary  Structure:  Important  Physical  Features  of  the  Double  Helix  and  Disease  

•  By  the  second  decade  of  life,  other  secondary  symptoms  arise  due  to  the  extremely  high  cholesterol  levels  –  Arcus  Cornae  –  Tendon  Xanthomas  –  Recurrent  nonprogressive  polyarthri;s  –  Tenosynovi;s  –  Artheroschlerosis  

•  Without  aggressive  treatment,  pa;ents  can  die  of  secondary  symptoms  by  age  30  

•  There  is  no  cure  for  FH,  pa;ents  require  aggressive  normaliza;on  of  LDL  levels  –  Dietary  management    –  Drug  therapy  to  reduce  the  amount  of  

free  LDL  in  the  blood  

8/29/11  

14  

DNA  Secondary  Structure:  Important  Physical  Features  of  the  Double  Helix  and  Disease  

•  There  are  two  iden;fied  changes  in  the  sequence  of  the  LDL  gene  that  can  result  in  loss  of  a  specific  protein  called  from  Sp1  from  specifically  binding  the  DNA  encoding  LDLR  gene    –  One  is  a  change  from  a  C-­‐G  base  pair    G-­‐C  

base  pair  at  a  specific  posi;on  (-­‐139)  –  The  other  is  a  change  from  a  C-­‐G  base  pair    

T-­‐A  base  pair  at  another  specific  posi;on  (-­‐60)  

•  A  pa;ent  needs  only  one  of  these  changes  to  lose  Sp1  binding,  which  will  lead  to  FH  development    

•  Each  of  these  base  changes  in  DNA  sequence  will  change  the  pa\ern  of  hydrogen  bond  acceptors  and  donors  in  the  the  major  groove  –  For  the  C-­‐G    G-­‐C  change,  (HDAA    AADH)  –  For  the  C-­‐G  T-­‐A  change  (HDAA    MADA)  

DNA  Secondary  Structure:  DNA  Can  Form  Mul;ple  Types  of  Double  Helices  

•  When  Watson  and  Crick  determined  the  secondary  structure  of  DNA,  it  was  thought  to  be  fairly  simple  without  significant  structural  varia;on  between  DNA  molecules  

•  As  it  turns  out  that  is  not  quite  true  as  DNA  can  adopt  mul;ple  conforma;ons  –  Some  of  these  conforma;ons  are  physiologically  

relevant  –  Some  of  these  conforma;ons  are  not  physiologically  

relevant  

•  The  three  conforma;ons  DNA  forms  are  as  follows  –  B-­‐DNA  –  A-­‐DNA  –  Z-­‐DNA  

•  The  DNA  conforma;on  present  is  generally  determined  by  condi;ons  of  the  solu;on  in  which  the  DNA  is  present  in  (or  experimentally,  the  condi;ons  in  which  crystallized)  –  Salt  Concentra;on  –  Water  Content  (humidity)  

•  Each  conforma;on  will  have  its  own  structural  proper;es  

8/29/11  

15  

DNA  Secondary  Structure:  DNA  Can  Adopt  A  B-­‐Type  Double  Helix  (B-­‐DNA)  •  The  B-­‐DNA  form  is  considered  the  Watson  and  

Crick  conforma;on  and  is  the  most  predominant  conforma;on  in  vivo    

•  The  B-­‐form  of  DNA  is  seen  when  the  DNA  is  present  in  condi;ons  of  high  humidity  (>  95%)  and  rela;vely  low  salt  

•  The  B-­‐DNA  forms  a  right  handed  double  helix  (has  a  right  handed  twist)  

•  The  grooves  present  in  B-­‐DNA  have  the  following  characteris;cs  –  In  B-­‐DNA,  the  major  groove  is  wide  and  of  moderate  

depth  –  In  B-­‐DNA  the  minor  groove  is  also  of  moderate  depth,  

but  is  narrower  

•  The  distance  between  base  pairs  is  about  0.34  nm  

•  For  each  turn  of  the  helix  there  will  be  10.5  bp/turn  at  a  distance  of  approximately  3.4  nm  

DNA  Secondary  Structure:  DNA  Can  Adopt  an  A-­‐Type  Double  Helix  (A-­‐DNA)  

•  The  A-­‐DNA  form  can  be  observed  if  the  water  content  is  decreased  and  the  salt  concentra;on  is  increased  during  crystalliza;on  

•  The  A-­‐form  has  only  been  observed  in  vitro    and  is  thus  thought  to  not  be  physiologically  relevant  

•  The  A-­‐DNA  form  takes  the  shape  of  a  right-­‐handed  double  helix  

•  The  A-­‐DNA  form  is  more  compact  and  slightly  ;lted  –  The  bases  are  ;lted  with  respect  to  the  axis  –  There  are  11  bases  per  turn  

•  The  grooves  of  A-­‐DNA  have  the  following  geometry  –  The  major  groove  is  deep  and  narrow  –  The  minor  groove  is  shallow  and  broad  

8/29/11  

16  

DNA  Secondary  Structure:  DNA  Can  Adopt  an  Z-­‐Type  Double  Helix  (Z-­‐DNA)  

•  The  Z-­‐form  of  DNA  was  discovered  by  the  Alexander  Rich  Lab  in  1979  (MIT)  

•  Z-­‐DNA  was  visualized  in  the  laboratory  when  the  DNA  was  crystallized  under  one  of  two  condi;ons  –  DNA  crystallized  under  high-­‐salt  condi;ons  –  DNA  crystallized  in  the  presence  of  alcohol  

•  The  Z-­‐form  of  DNA  can  be  present  under  physiological  condi;ons  when  the  DNA  has  long  stretches  of  alterna;ng  guanine  and  cytosine  

•  The  Z-­‐DNA  is  a  le[  handed  double  helix,  and  turns  in  a  counter-­‐clockwise  fashion  when  viewed  down  its  axis  

•  The  le[-­‐handedness  of  the  helix  occurs  due  to  alterna;ng  syn  and  an;  conforma;ons  of  the  n-­‐glycosidic  bond  in  consecu;ve  G-­‐C  nucleo;des  

•  The  backbone  of  the  Z-­‐DNA  has  a  zig-­‐zag  appearance  

•  The  Z-­‐DNA  grooves  have  the  following  characteris;cs  –  The  major  groove  is  shallow,  almost  to  the  point  of  

being  non-­‐existent  –  The  minor  groove  is  deep  and  narrow  

DNA  Secondary  Structure:  DNA  Can  Adopt  an  Z-­‐Type  Double  Helix  (Z-­‐DNA)  

8/29/11  

17  

Strand  Denatura;on  and  DNA  Renatura;on:  Introduc;on  

•  This  ability  of  DNA  to  denature  and  renature  is  important  for  two  biological  processes  –  Replica;on  (in  vivo)  –  Gene  expression-­‐transcrip;on  (in  vivo)  

•  Nucleic  acid  denatura;on  is  important  for  a  number  of  experimental  techniques  in  Molecular  Biology  

•  The  two  strands  are  held  together  by  hydrogen  bonds  –  Hydrogen  bonds  are  considered  weak  non-­‐

covalent  forces  –  Allows  for  the  two  strands  to  come  apart  

really  easily  

•  If  the  DNA  is  heated  just  above  physiologic  temperature  (near  100  C)  or  subjected  to  high  pH,  the  DNA  denatures  (the  two  strands  separate)  

•  If  the  solu;on  containing  the  DNA  is  slowly  cooled,  the  DNA  can  renature  (The  two  complementary  strands  can  re-­‐form  regular  double  helices)  

Strand  Denatura;on  and  DNA  Renatura;on:  Introduc;on  

•  In  the  lab  if  DNA  is  heated  just  above  physiologic  temperature:  –  The  DNA  denatures  (the  two  

strands  separate)  –  If  the  solu;on  is  slow  cooled,  the  

two  complementary  strands  renature  (form  regular  double  helices)  

•  If  the  pH  of  the  solu;on  is  increased:  –  The  DNA  denatures  because  most  

other  bases  form  hydrogen  bonds  more  readily  than  nitrogenous  bases  

–  If  the  solu;on  is  slowly  re-­‐acidified,  the  two  complementary  strands  can  re-­‐form  regular  double  helices  

8/29/11  

18  

Strand  Denatura;on  and  DNA  Renatura;on:  Introduc;on  

•  The  process  of  adding  heat  to  denature  the  DNA  only  affects  the  hydrogen  bonds  (weak  bonds)  that  allow  base  pairing  to  occur  

•  The  phosphodiester  bonds  are  covalent  linkages  which  are  much  stronger  than  hydrogen  bonds  and  are  unaffected  by  temperature  

•  Enzyma;c  ac;vity  is  needed  to  break  phosphodiester  linkages  –  DNases  –  Restric;on  Endonucleases  

Strand  Denatura;on  and  DNA  Renatura;on:  Denatura;on  Kine;cs  

•  Important    insights  into  the  proper;es  of  the  double  helix  were  obtained  through  classic  experiments  carried  out  in  the  1950s  on  denatura;on  kine;cs  

•  In  order  to  follow  DNA  denatura;on,  ultraviolet  light  at  a  wavelength  (λ)  of  260  nm  is  used  

•  DNA  maximally  absorbs  light  at  a  wavelength  of  260  nm  due  to  the  nitrogenous  bases  

•  Single  stranded  DNA  absorbs  UV  light  at  λ=  260  nm  more  efficiently  than  double  stranded  DNA  –  Base  stacking  of  double-­‐stranded  DNA  

quenches  the  ability  of  the  DNA  to  absorb  UV  light  

–  Na;ve  double-­‐stranded  DNA  will  absorb  about  40%  less  UV  light  as  compared  to  the  same  amount  of  single  stranded  DNA      

8/29/11  

19  

Strand  Denatura;on  and  DNA  Renatura;on:  Denatura;on  Kine;cs  

•  To  study  denaturata;on  kine;cs,  a  solu;on  of  double  stranded  DNA  is  subjected  to  heat  

•  Plot  absorbance  as  a  func;on  of  temperature  –  Temperature  is  on  the  X-­‐axis  –  Absorbance  is  on  the  Y-­‐axis  

•  As  the  solu;on  is  heated,  the  op;cal  density  (absorbance)  at  260  nm  markedly  increases  within  a  small  range  –  This  phenomenon  known  as  hyperchromicity  –  Hyperchromicity:  an  increase  in  absorbance  

of  light  by  a  molecule  at  a  given  wavelength  

•  The  midpoint  of  the  transi;on  from  double  stranded  to  single  stranded  DNA  is  known  as  the  mel;ng  temperature  or  Tm    

•  The  mel;ng  temperature  denotes  the  point  at  which  50%  of  DNA  in  solu;on  is  single-­‐stranded  

Strand  Denatura;on  and  DNA  Renatura;on:  Denatura;on  Kine;cs  

•  Mel;ng  temperature  is  dependent  on  the  composi;on  of  base  pairs  in  a  DNA  molecule  –  G:C  base  pairs  contain  3  H  bonds  –  A-­‐T  base  pairs  contain  2  H  bonds  

•  The  more    G-­‐C  base  pairs,  the  higher  the  mel;ng  temperature    

•  The  less    A-­‐T  base  pairs,  the  lower  the  mel;ng  temperature    

•  Tm  =  3(G-­‐C  base  pairs)  +  2  (A-­‐T  base  pairs)      

8/29/11  

20  

RNA  Structure:  Introduc;on  •  RNA  is  chemically  similar  to  DNA  with  a  couple  of  

major  differences  –  Single  stranded    –  Can  also  base  pair    and  form  significant  secondary  

structure  

•  Instead  of  base  pairing  with  a  second  strand,  a  single  RNA  strand  can  base  pair  with  itself  

•  “The  structure  of  RNA  is  breathtakingly  intricate  and  graceful”      -­‐Harry  Noller  (2005)  

•  There  are  many  types  of  RNA  that  can  adopt  significant  number  of  structures  that  are  important  for  biological  func;on  –  tRNA  (transla;on)  –  rRNA  (ribosomal  RNA)  –  snRNA  (splicing)  –  snoRNA  (rRNA  processing)  –  Ribozymes  (enzyma;c  func;on)  –  mRNA  (gene  regula;on)  

•  The  significant  secondary  structural  mo;fs  are  stabilized  by  base  pairing  –  Conven;onal  base  pairing  (Watson-­‐Crick)  –  Unconven;onal  base  pairing    

RNA  Structure:  DNA  and  RNA  Structure  Comparison  

•  The  structure  of  RNA  and  DNA  are  fundamentally  quite  similar,  with  and  one  significant  chemical  difference  

•  Below  are  some  similari;es:  –  Each  is  synthesized  from  the  monomer  

building  block-­‐nucleo;des  –  Nucleo;des  are  polymerized  in  exactly  

the  same  way  

•  Below  are  the  differences:  –  RNA  is  generally  found  as  a  single  

stranded  molecule:  Has  only  1  phosphodiester  backbone  (what  makes  RNA  single  stranded)    

–  The  basic  building  blocks  (nucleo;des)  of  RNA  and  DNA  are  slightly  different  (sugar  and  nitrogenous  bases)  

–  RNA  is  more  chemically  reac;ve  

8/29/11  

21  

RNA  Structure:  Ribonucleo;de  Structure  and  The  Pentose  Sugars  

•  The  Differences  between  Deoxyribose  and  Ribose:  –  Differ  in  structure  only  by  the  

presence  or  absence  of  a  2’  hydroxyl  group  

–  For  RNA,  the  2’  carbon  has  a  hydroxyl  group  bound  to  it  

–  For  DNA,  the  2’  carbon  does  not  have  a  hydroxyl  group  (deoxy)  bound,  instead  it    has  a  hydrogen  bound  to  it  

•  The  presence  of  the  2’OH  in  ribose  gives  DNA  and  RNA  different  chemical  proper;es    –  Hydroxyl  group  is  more  reac;ve  

than  the  hydrogen  –  RNA  can  fold  into  a  greater  array  

of  structures  –  Allows  RNA  to  form  a  whole  array  

of  different  types  of  base  pairs  –  DNA  is  more  stable  than  RNA;  

RNA  is  more  prone  to  degrada;on  

RNA  Structure:  Base  Pairing  Is  Cri;cal  For  Allowing  Secondary  Structure  To  Form    

•  The  conven;onal  base  pairs  found  in  RNA  are  as  follows  (Watson-­‐Crick  Base  Pairs):  –  G:C  base  pair  (3  H  bonds)  –  A:U  base  pair  (2  H  bonds)  

•  In  order  for  a  single  strand  of  RNA  to  base  pair  with  itself,  non-­‐canonical  base  pairing  is  also  cri;cal  –  More  than  20  types  of  non-­‐canonical  base  pairs  form  

with  at  least  two  H  bonds  –  The  most  common  non-­‐canonical  base  pair  is  the  G-­‐U  

base  pair  (will  be  present  in  almost  all  secondary  structure)  and  base  pairs  through  2  H  bonds  

–  In  Non-­‐canonical  base  pairing    one  of  the  nitrogenous  bases  of  the  pair  will  be  shi[ed  sideways  to  allow  for  hydrogen  bonds  to  form  

•  Other  less  common  non-­‐canonical  base  pairs  found  in  RNA  secondary  structure  are  as  follows  –  AU  reverse  Hoogstein  (Adenine  is  shi[ed  sideways  in  

comparison  to  the  canonical  AU  base  pair)  –  Sheared  G-­‐A  base  pair(2  H  bonds)  –  G-­‐A  imino  (3  H  bonds)  –  (note:  2  purines)  

8/29/11  

22  

RNA  Secondary  Structure:  Base-­‐Paired  RNA  Adopts  an  A-­‐type  Helix  

•  RNA  readily  forms  secondary  structure  in  the  form  of  a  helix  

•  RNA  adopts  an  A-­‐type  helix  configura;on  –  DNA  cannot  adopt  an  A-­‐Type  Helix  under  

physiological  condi;ons  –  RNA  can  adopt  an  A-­‐Type  double  helix  under  

physiological  condi;ons  

•  The  RNA  A-­‐Type  Helix  cannot  adopt  a  B-­‐conforma;on  due  to  the  2’OH  group  

•  The  A-­‐Type  Helix  RNA  adopts  is  stabilized  by  the  same  forces  as  the  DNA  B-­‐Type  Double  Helix  –  Hydrogen  bonding  between  the  base  pairs  –  Base  stacking  interac;ons  

RNA  Secondary  Structure:  Base-­‐Paired  RNA  Adopts  an  A-­‐Type  Helix  

•  The  RNA  A-­‐Type  Helix  has  11  base  pairs  per  turn  and  two  grooves  –  Major  Groove  –  Minor  Groove  

•  The  major  groove  is  deep  and  narrow  and  is  not  well  suited  to  protein-­‐RNA  interac;ons  

•  The  minor  groove  is  shallow  and  wide  and  is  much  be\er  suited  to  protein-­‐RNA  interac;ons  due  to  the  presence  of  2’  OH  groups  that  extend  out  into  the  minor  groove  

8/29/11  

23  

RNA  Secondary  Structure:  Base-­‐Paired  RNA  Adopts  an  A-­‐Type  Helix  

•  OH  groups  in  the  minor  groove,  RNA  binding  proteins  are  unable  to  bind  there  in  a  sequence  specific  manner  –  Many  2’  OH  groups  do  not  allow  for  

iden;fica;on  of  specific  base  pairs    –  RNA  binding  proteins  instead  iden;fy  

specific  structures  in  the  RNA    

•  When  two  complementary  stretches  of  sequence  are  near  each  other,  a  stem-­‐loop  structure  may  form  –  Not  all  sequences  within  the  stretches  

are  complementary  (especially  at  the  end)  

–  Intervening,  non-­‐complementary  sequence  is  looped  out  from  the  double-­‐helical  segment  as  a  hairpin,  bulge  or  simple  loop  •  If  mispairing  occurs  on  one  side  of  the  

helix  •  If  mispairing  occurs  on  both  sides  

–  Depending  on  the  amount  and  loca;on  of  the  non-­‐complementary  sequence,  there  are  many  varia;ons  on  the  stem-­‐loop  

RNA  Secondary  Structure:  Base-­‐Paired  RNA  Adopts  an  A-­‐Type  Helix  

8/29/11  

24  

RNA  Structure:  Overview  of  Ter;ary  Structure  

•  Beyond  secondary  structure,  RNA  can  form  higher  order  ter;ary  structure  –  RNA  binding  proteins  can  recognize  specific  por;ons  

of  an  mRNA  due  to  higher  order  3-­‐dimensional  structure    

–  The  higher  order  3D  structure  allows  for  proper  func;ons  of  certain  RNA  (eg  tRNA  ,  rRNA,  ribozymes)  

•  Ter;ary  structures  can  arise  from  the  interac;on  of  mul;ple  secondary  structures  making  use  of  significant  non-­‐conven;onal  base  pairing  –  tRNA  –  rRNA  –  snRNA  

•  In  some  cases  proteins  are  necessary  to  allow  for  the  forma;on  of  higher  order  ter;ary  structure  

•  Below  are  several  common  examples  of  ter;ary  structure  –  Pseudoknot  Mo;fs  –  A-­‐Minor  Mo;f  –  Tetra-­‐loop  Mo;f  –  Ribose  Zipper  Mo;f  –  Kink-­‐turn  mo;f