(Unit II) Chapter 6: The Structure of DNA Introduc;on to - - PDF document

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(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) ¡

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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 ¡

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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 ¡

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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 ¡

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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 ¡

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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 ¡ ¡

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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 ¡
• f ¡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 ¡
• nly ¡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 ¡ ¡ ¡

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Building ¡the ¡DNA ¡Molecule: ¡DNA ¡Base ¡ Pairing ¡ ¡ ¡ ¡

• DNA ¡is ¡a ¡double ¡stranded ¡molecule ¡and ¡therefore, ¡

two ¡strands ¡must ¡be ¡able ¡to ¡interact ¡with ¡each ¡

• ther ¡
• The ¡results ¡of ¡two ¡very ¡important ¡experiments ¡

were ¡important ¡for ¡showing ¡how ¡the ¡two ¡strands ¡

• f ¡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 ¡

• f ¡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 ¡

• rganisms ¡of ¡the ¡same ¡species, ¡and ¡

different ¡for ¡organisms ¡of ¡different ¡ species ¡

• The ¡G ¡+ ¡C ¡content ¡can ¡vary ¡from ¡22 ¡– ¡

73% ¡depending ¡on ¡the ¡organism ¡

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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 ¡

• pposite ¡sides ¡of ¡the ¡molecule ¡

– The ¡free ¡3’ ¡ends ¡of ¡each ¡strand ¡are ¡also ¡

• n ¡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 ¡

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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 ¡

• f ¡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 ¡

• ne ¡of ¡the ¡strands ¡

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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 ¡
• ne ¡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 ¡

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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 ¡

• pposite ¡(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) ¡

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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 ¡

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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 ¡

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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 ¡

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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) ¡

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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 ¡

• ther ¡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 ¡

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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 ¡

• ccur ¡
• 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 ¡

• n ¡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 ¡ ¡ ¡

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

• To ¡study ¡denaturata;on ¡kine;cs, ¡a ¡solu;on ¡
• f ¡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 ¡

• f ¡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 ¡

• f ¡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) ¡ ¡ ¡

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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) ¡

• f ¡RNA ¡and ¡DNA ¡are ¡slightly ¡different ¡

(sugar ¡and ¡nitrogenous ¡bases) ¡ – RNA ¡is ¡more ¡chemically ¡reac;ve ¡

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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 ¡

• f ¡structures ¡

– Allows ¡RNA ¡to ¡form ¡a ¡whole ¡array ¡

• f ¡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 ¡
• f ¡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 ¡

• f ¡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 ¡
• rder ¡ter;ary ¡structure ¡

– RNA ¡binding ¡proteins ¡can ¡recognize ¡specific ¡por;ons ¡

• f ¡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 ¡