background image

Nucleic Acids 

Introduction 

Nucleic acids, and DNA in particular, are key macromolecules for the continuity of life. DNA 

bears  the  hereditary  information  that’s  passed  on  from  parents  to  children,  providing 

instructions  for  how  (and  when)  to  make  the  many  proteins  needed  to  build  and  maintain 

functioning cells, tissues, and organisms. 

 

Roles of DNA and RNA in cells 

Nucleic acids, macromolecules made out  of units called nucleotides, come in  two naturally 

occurring varieties: 

deoxyribonucleic acid (DNA

and 

ribonucleic acid (RNA)

. DNA is the 

genetic  material  found  in  living  organisms,  all  the  way  from  single-celled  bacteria  to 

multicellular  mammals  like  you  and  me.  Some 

viruses

 use  RNA,  not  DNA,  as  their  genetic 

material,  but  aren’t technically considered to  be alive (since they cannot  reproduce without 

help from a host). 

 

DNA in cells 

In  eukaryotes,  such  as  plants  and  animals,  DNA  is  found  in  the 

nucleus

,  a  specialized, 

membrane-bound  move  in  the  cell,  as  well  as  in  certain  other  types  of 

organelles

 (such  as 

mitochondria and the chloroplasts of plants). In prokaryotes, such as bacteria, the DNA is not 

enclosed in a membranous envelope, although it's located in a specialized cell region  called 

the 

nucleoid

In  eukaryotes,  DNA  is  typically  broken  up  into  a  number  of  very  long,  linear  pieces 

called 

chromosomes

, while in prokaryotes such as bacteria, chromosomes are much smaller 

and often circular (ring-shaped). A chromosome may contain tens of thousands of 

genes

, each 

providing instructions on how to make a particular product needed by the cell. 

 

From DNA to RNA to proteins

 

Many genes encode protein products, meaning that they specify the sequence of amino acids 

used to build a particular protein. Before this information can be used for protein synthesis, 

however, an RNA copy (transcript) of the gene must first be made. This type of RNA is called 

messenger  RNA (mRNA)

,  as  it  serves  as  a  messenger  between  DNA  and  the  ribosomes, 


background image

molecular  machines  that  read  mRNA  sequences  and  use  them  to  build  proteins.  This 

progression from DNA to RNA to protein is called the 

“central dogma”

 of molecular biology. 

Importantly,  not  all  genes  encode  protein  products.  For  instance,  some  genes 

specify 

ribosomal  RNAs (rRNAs)

,  which  serve  as  structural  components  of  ribosomes, 

or 

transfer RNAs (tRNAs)

, cloverleaf-shaped RNA molecules that bring amino acids to the 

ribosome 

for 

protein 

synthesis. 

Still 

other 

RNA 

molecules, 

such 

as 

tiny 

microRNAs (miRNAs)

, act as regulators of other genes, and new types of non-protein-

coding RNAs are being discovered all the time. 

 

Nucleotides

 

DNA and RNA are 

polymers

 (in the case of DNA, often very long polymers), and are made up 

of 

monomers

  known  as nucleotides.  When  these  monomers  combine,  the  resulting  chain  is 

called a polynucleotide (poly- = "many"). 

Each  nucleotide  is  made  up  of  three  parts:  a  nitrogen-containing  ring  structure  called  a 

nitrogenous  base

,  a 

five-carbon  sugar

,  and  at  least  one 

phosphate  group

.  The  sugar 

molecule has a central position in the nucleotide, with the base attached to one of its carbons 

and the phosphate group (or groups) attached to another. Let’s look at each part of a nucleotide 

in turn. 

Bases include the pyrimidine bases (cytosine, thymine in DNA, and uracil in RNA, one ring) 

and the purine bases (adenine and guanine, two rings). The phosphate group is attached to the 

5' carbon. The 2' carbon bears a hydroxyl group in ribose, but no hydroxyl (just hydrogen) in 

deoxyribose. 

 


background image

 

Image  of  the  components  of  DNA  and  RNA,  including  the  sugar  (deoxyribose  or  ribose), 

phosphate group, and nitrogenous base.

 

 

 

 

 

 


background image

Nitrogenous bases 

The  nitrogenous  bases  of  nucleotides  are  organic  (carbon-based)  molecules  made  up  of 

nitrogen-containing ring structures.  

Each nucleotide in DNA contains one of four possible nitrogenous bases: adenine (A), guanine 

(G)  cytosine  (C),  and  thymine  (T).  Adenine  and  guanine  are purines,  meaning  that  their 

structures  contain  two  fused  carbon-nitrogen  rings.  Cytosine  and  thymine,  in  contrast, 

are pyrimidines and  have  a  single  carbon-nitrogen  ring.  RNA  nucleotides  may  also  bear 

adenine, guanine and cytosine bases, but instead of thymine they have another pyrimidine base 

called uracil (U). As shown in the figure above, each base has a unique structure, with its own 

set of functional groups attached to the ring structure. 

In molecular biology shorthand, the nitrogenous bases are often just referred to by their one-

letter symbols, A, T, G, C, and U. DNA contains A, T, G, and C, while RNA contains A, U, G, 

and C (that is, U is swapped in for T). 

 

Sugars

 

In  addition  to  having  slightly  different  sets  of  bases,  DNA  and  RNA  nucleotides  also  have 

slightly different sugars. The five-carbon sugar in DNA is called deoxyribose, while in RNA, 

the sugar is ribose. These two are very similar in structure, with just one difference: the second 

carbon  of  ribose  bears  a  hydroxyl  group,  while  the  equivalent  carbon  of  deoxyribose  has  a 

hydrogen instead. The carbon atoms of a nucleotide’s sugar molecule are numbered as 1′, 2′, 

3′, 4′, and 5′ (1′ is read as “one prime”), as shown in the figure above. In a nucleotide, the sugar 

occupies a central position, with the base attached to its 1′ carbon and the phosphate group (or 

groups) attached to its 5′ carbon. 

 

Phosphate

 

Nucleotides may have a single phosphate group, or a chain of up to three phosphate groups, 

attached to the 5’ carbon of the sugar. Some chemistry sources use the term “nucleotide” only 

for  the  single-phosphate  case,  but  in  molecular  biology,  the  broader  definition  is  generally 

accepted^11start superscript, 1, end superscript 

In a cell, a nucleotide about to be added to the end of a polynucleotide chain will bear a series 

of three phosphate groups. When the nucleotide joins the growing DNA or RNA chain, it loses 

two phosphate groups. So, in a chain of DNA or RNA, each nucleotide has just one phosphate 

group. 


background image

Polynucleotide chains

 

A  consequence  of  the  structure  of  nucleotides  is  that  a  polynucleotide  chain 

has directionality – that is, it has two ends that are different from each other. At the 5’ end, or 

beginning, of the chain, the 5’ phosphate group of the first nucleotide in the chain sticks out. 

At the other end, called the 3’ end, the 3’ hydroxyl of the last nucleotide added to the chain is 

exposed.  DNA  sequences  are  usually  written  in  the  5'  to  3'  direction,  meaning  that  the 

nucleotide at the 5' end comes first and the nucleotide at the 3' end comes last. 

As new nucleotides are added to a strand of DNA or RNA, the strand grows at its 3’ end, with 

the 5′ phosphate of an incoming nucleotide attaching to the hydroxyl group at the 3’ end of the 

chain.  This  makes  a  chain  with  each  sugar  joined  to  its  neighbors  by  a  set  of  bonds  called 

phosphodiester linkage

 

Properties of DNA 

Deoxyribonucleic acid,  or DNA, chains are typically found in a double helix, a structure in 

which two matching (complementary) chains are stuck together, as shown in the diagram at 

left. The sugars and phosphates lie on the outside of the helix, forming the backbone of the 

DNA; this portion of the molecule is sometimes called the sugar-phosphate backbone. The 

nitrogenous bases extend into the interior, like the steps of a staircase, in pairs; the bases of a 

pair are bound to each other by hydrogen bonds. 

 

Structural model of a DNA double helix 

 


background image

The two strands of the helix run in opposite directions, meaning that the 5′ end of one strand is 

paired up with the 3′ end of its matching strand. (This is referred to as antiparallel orientation 

and is important for the copying of DNA.) 

So, can any two bases decide to get together and form a pair in the double helix? The answer 

is a definite no. Because of the sizes and functional groups of the bases, base pairing is highly 

specific: A can only pair with T, and G can only pair with C, as shown below. This means that 

the two strands of a DNA double helix have a very predictable relationship to each other. 

For  instance,  if  you  know  that  the  sequence  of  one  strand  is  5’-AATTGGCC-3’,  the 

complementary strand must have the sequence 3’-TTAACCGG-5’. This allows each base to 

match up with its partner: 

 

 

 

These two strands are complementary, with each base in one sticking to its partner on the other. 

The A-T pairs  are connected by two hydrogen bonds, while the G-C pairs are connected by 

three hydrogen bonds. 

When  two  DNA  sequences  match  in  this  way,  such  that  they  can  stick  to  each  other  in  an 

antiparallel fashion and form a helix, they are said to be complementary

 

 


background image

Hydrogen  bonding  between  complementary  bases  holds  DNA  strands  together  in  a  double 

helix of antiparallel strands. Thymine forms two hydrogen bonds with adenine, and guanine 

forms three hydrogen bonds with cytosine. 

 

Properties of RNA 

Ribonucleic  acid  (RNA),  unlike  DNA,  is  usually  single-stranded.  A  nucleotide  in  an  RNA 

chain will contain ribose (the five-carbon sugar), one of the four nitrogenous bases (A, U, G, 

or C), and a phosphate group. Here, we'll take a look at four major types of RNA: messenger 

RNA (mRNA), ribosomal RNA (rRNA), transfer RNA (tRNA), and regulatory RNAs. 

 

Messenger RNA (mRNA)

 

Messenger RNA (mRNA) is an intermediate between a protein-coding gene and its protein 

product. If a cell needs to make a particular protein, the gene encoding the protein will be turned 

“on,” meaning an RNA-polymerizing enzyme will come and make an RNA copy, or transcript, 

of the gene’s DNA sequence. The transcript carries the same information as the DNA sequence 

of its gene. However, in the RNA molecule, the base T is replaced with U. For instance, if a 

DNA coding strand has the sequence 5’-AATTGCGC-3’, the sequence of the corresponding 

RNA will be 5’-AAUUGCGC-3’. 

Once an mRNA has been produced, it will associate with a ribosome, a molecular machine that 

specializes in assembling proteins out of amino acids. The ribosome uses the information in 

the mRNA to make a protein of a specific sequence, “reading out” the mRNA’s nucleotides in 

groups of three (called codons) and adding a particular amino acid for each codon. 

 


background image

Image of a ribosome (made of proteins and rRNA) bound to an mRNA, with tRNAs bringing 

amino acids to be added to the growing chain. The tRNA that binds, and thus the amino acid 

that's added, at a given moment is determined by the sequence of the mRNA that is being "read" 

at that time. 

 

Ribosomal RNA (rRNA) and transfer RNA (tRNA) 

Ribosomal RNA (rRNA) is a major component of ribosomes, where it helps mRNA bind in 

the right spot so its sequence information can be read out. Some rRNAs also act as enzymes, 

meaning that they help accelerate (catalyze) chemical reactions – in this case, the formation of 

bonds  that  link  amino  acids  to  form  a  protein.  RNAs  that  act  as  enzymes  are  known 

as ribozymes

Transfer  RNAs (tRNAs)  are  also  involved  in  protein  synthesis,  but  their  job  is  to  act  as 

carriers – to bring amino acids to the ribosome, ensuring that the amino acid added to the chain 

is the one specified by the mRNA. Transfer RNAs consist of a single strand of RNA, but this 

strand has complementary segments that stick together to make double-stranded regions. This 

base-pairing creates a complex 3D structure important to the function of the molecule. 

 

Structure of a tRNA. The overall molecule has a shape somewhat like an L. 

 

 


background image

Regulatory RNA (miRNAs and siRNAs)

 

Some  types  of  non-coding  RNAs  (RNAs  that  do  not  encode  proteins)  help  regulate  the 

expression  of  other  genes.  Such  RNAs  may  be  called  regulatory  RNAs.  For 

example, microRNAs (miRNAs)  and small  interfering  RNAs siRNAs are  small  regulatory 

RNA molecules about 22 nucleotides long. They bind to specific mRNA molecules (with partly 

or fully complementary sequences) and reduce their stability or interfere with their translation, 

providing a way for the cell to decrease or fine-tune levels of these mRNAs. 

These are just some examples out of many types of noncoding and regulatory RNAs. Scientists 

are still discovering new varieties of noncoding RNA. 

 

Summary: Features of DNA and RNA 

 

DNA 

RNA 

Function 

Repository of genetic 

information 

Involved in protein synthesis and gene regulation; 

carrier of genetic information in some viruses 

Sugar 

Deoxyribose 

Ribose 

Structure 

Double helix 

Usually single-stranded 

Bases 

C, T, A, G 

C, U, A, G 

 

Although RNA transcripts are not made up of two separate strands, RNA can sometimes fold 

back  on  itself  to  form  double-stranded  regions  and  complex  3D  structures.  We  will  see 

examples of RNA folding when we look at transfer RNA (tRNA) and protein translation. In 

addition, some viruses have genomes made of double-stranded RNA.

 




رفعت المحاضرة من قبل: yaseen zaid
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 191 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل