Biologie voor Niet-Majors I

Wat je zult leren om te doen: Uitleggen hoe DNA genetische informatie opslaat

De unieke structuur van DNA is de sleutel tot zijn vermogen om genetische informatie op te slaan en te repliceren:

Figuur 1

In deze uitkomst leer je de dubbele helixstructuur van DNA te beschrijven: zijn suiker-fosfaat ruggengraat ladder met stikstofhoudende base “sporten” van de ladder.

Structuur van DNA

De bouwstenen van DNA zijn nucleotiden. De belangrijke componenten van elke nucleotide zijn een stikstofhoudende base, desoxyribose (5-koolstof suiker), en een fosfaatgroep (zie figuur 2). Elke nucleotide heeft zijn naam te danken aan zijn stikstofhoudende base. De stikstofbasis kan een purine zijn, zoals adenine (A) en guanine (G), of een pyrimidine, zoals cytosine (C) en thymine (T). Uracil (U) is ook een pyrimidine (zoals te zien in figuur 2), maar het komt alleen voor in RNA, waar we later meer over zullen praten.

Figuur 2. Elke nucleotide bestaat uit een suiker, een fosfaatgroep en een stikstofhoudende base. De suiker is desoxyribose in DNA en ribose in RNA.

De nucleotiden verbinden zich met elkaar door covalente bindingen die fosfodiesterbindingen of -verbindingen worden genoemd. Het fosfaatresidu zit vast aan de hydroxylgroep van de 5′-koolstof van de ene suiker van de ene nucleotide en de hydroxylgroep van de 3′-koolstof van de suiker van de volgende nucleotide, waardoor een 5′-3′ fosfodiesterbinding wordt gevormd.

In de jaren 1950 werkten Francis Crick en James Watson samen aan het bepalen van de structuur van DNA aan de Universiteit van Cambridge, Engeland. Andere wetenschappers zoals Linus Pauling en Maurice Wilkins waren ook actief op dit gebied. Pauling had de secundaire structuur van eiwitten ontdekt met behulp van röntgenkristallografie. In het lab van Wilkins gebruikte onderzoeker Rosalind Franklin röntgendiffractiemethoden om de structuur van DNA te begrijpen. Watson en Crick waren in staat de puzzel van de DNA-molecule op te lossen op basis van Franklins gegevens omdat Crick ook röntgendiffractie had bestudeerd (figuur 3). In 1962 kregen James Watson, Francis Crick en Maurice Wilkins de Nobelprijs voor geneeskunde. Helaas was Franklin toen al overleden, en Nobelprijzen worden niet postuum toegekend.

Figuur 3. Het werk van de baanbrekende wetenschappers (a) James Watson, Francis Crick en Maclyn McCarty heeft geleid tot ons huidige begrip van DNA. Wetenschapper Rosalind Franklin ontdekte (b) het röntgendiffractiepatroon van DNA, dat hielp om de dubbele helixstructuur ervan te verduidelijken. (credit a: bewerking van werk van Marjorie McCarty, Public Library of Science)

Watson en Crick stelden voor dat DNA bestaat uit twee strengen die om elkaar heen gedraaid zijn om een rechtshandige helix te vormen. Basenparen vinden plaats tussen een purine en een pyrimidine; namelijk A paart met T en G paart met C. Adenine en thymine zijn complementaire basenparen, en cytosine en guanine zijn ook complementaire basenparen. De basenparen worden gestabiliseerd door waterstofbruggen; adenine en thymine vormen twee waterstofbruggen en cytosine en guanine vormen drie waterstofbruggen. De twee strengen zijn antiparallel; dat wil zeggen dat het 3′-uiteinde van de ene streng tegenover het 5′-uiteinde van de andere streng ligt. De suiker en het fosfaat van de nucleotiden vormen de ruggengraat van de structuur, terwijl de stikstofhoudende basen daarbinnen zijn gestapeld. Elk basenpaar is 0,34 nm van het andere basenpaar verwijderd, en elke omwenteling van de helix meet 3,4 nm. Per winding van de helix zijn er dus tien basenparen aanwezig. De diameter van de dubbele helix van DNA is 2 nm, en hij is overal uniform. Alleen de koppeling tussen een purine en een pyrimidine kan de uniforme diameter verklaren. De draaiing van de twee strengen rond elkaar resulteert in de vorming van gelijkmatig verdeelde grote en kleine groeven (Figuur 4).

Figuur 4. DNA heeft (a) een dubbele helixstructuur en (b) fosfodiësterbindingen. De (c) grote en kleine groeven zijn bindingsplaatsen voor DNA-bindende eiwitten tijdens processen als transcriptie (het kopiëren van RNA uit DNA) en replicatie.

Genetische informatie

De genetische informatie van een organisme wordt opgeslagen in DNA-moleculen. Hoe kan één soort molecuul alle instructies bevatten voor het maken van ingewikkelde levende wezens zoals wij? Welk onderdeel of kenmerk van DNA kan deze informatie bevatten? Het moet van de stikstofbasen komen, want, zoals je al weet, is de ruggengraat van alle DNA-moleculen hetzelfde. Maar er zijn slechts vier basen in DNA: G, A, C en T. De volgorde van deze vier basen kan alle instructies leveren die nodig zijn om een levend organisme te bouwen. Het is misschien moeilijk voor te stellen dat 4 verschillende “letters” zoveel informatie kunnen overbrengen. Maar denk eens aan de Engelse taal, die een enorme hoeveelheid informatie kan weergeven met slechts 26 letters. Nog diepgaander is de binaire code die gebruikt wordt om computerprogramma’s te schrijven. Deze code bevat alleen enen en nullen, en bedenk eens wat uw computer allemaal kan doen. Het DNA-alfabet kan zeer complexe instructies coderen met slechts vier letters, hoewel de boodschappen uiteindelijk erg lang worden. Zo draagt de E. coli-bacterie haar genetische instructies over in een DNA-molecule die meer dan vijf miljoen nucleotiden bevat. Het menselijk genoom (al het DNA van een organisme) bestaat uit ongeveer drie miljard nucleotiden, verdeeld over 23 gepaarde DNA-moleculen, of chromosomen.

De informatie die is opgeslagen in de volgorde van de basen is georganiseerd in genen: elk gen bevat informatie voor het maken van een functioneel product. De genetische informatie wordt eerst gekopieerd naar een ander nucleïnezuurpolymeer, RNA (ribonucleïnezuur), waarbij de volgorde van de nucleotidebasen behouden blijft. Genen die instructies bevatten voor het maken van eiwitten worden omgezet in boodschapper-RNA (mRNA). Sommige gespecialiseerde genen bevatten instructies voor het maken van functionele RNA-moleculen die geen eiwitten maken. Deze RNA-moleculen werken door rechtstreeks in te werken op cellulaire processen; sommige van deze RNA-moleculen regelen bijvoorbeeld de expressie van mRNA. Andere genen produceren RNA-moleculen die nodig zijn voor de eiwitsynthese, transfer-RNA (tRNA), en ribosomaal RNA (rRNA).

Om DNA effectief te laten functioneren bij het opslaan van informatie, zijn twee belangrijke processen vereist. Ten eerste moet de in de DNA-molecule opgeslagen informatie bij elke celdeling met zo min mogelijk fouten worden gekopieerd. Dit zorgt ervoor dat beide dochtercellen de volledige set genetische informatie van de moedercel erven. Ten tweede moet de in de DNA-molecule opgeslagen informatie worden vertaald, of tot expressie worden gebracht. Opdat de opgeslagen informatie nuttig zou zijn, moeten de cellen toegang hebben tot de instructies voor het maken van specifieke eiwitten, zodat de juiste eiwitten op de juiste plaats en op het juiste moment worden gemaakt.

Figuur 5. De dubbele helix van DNA. Grafiek bewerkt uit “DNA chemical structure,” door Madeleine Price Ball, CC-BY-SA-2.0

Zowel het kopiëren als het lezen van de in DNA opgeslagen informatie berust op basenparen tussen twee polymeerstrengen van nucleïnezuur. Herinner u dat de DNA-structuur een dubbele helix is (zie figuur 5).

De suiker desoxyribose met de fosfaatgroep vormt de steiger of ruggengraat van het molecuul (geel gemarkeerd in figuur 5). De basen wijzen naar binnen. Complementaire basen vormen waterstofbruggen met elkaar binnen de dubbele helix. Zie hoe de grotere basen (purines) paren met de kleinere (pyrimidines). Dit houdt de breedte van de dubbele helix constant. Meer specifiek, A paren met T en C paren met G. Wanneer we de functie van DNA in de volgende secties bespreken, houd in gedachten dat er een chemische reden is voor specifieke paren van basen.

Om het verband tussen informatie in DNA en een waarneembaar kenmerk van een organisme te illustreren, laten we eens kijken naar een gen dat de instructies geeft voor het bouwen van het hormoon insuline. Insuline is verantwoordelijk voor het regelen van de bloedsuikerspiegel. Het insuline-gen bevat instructies om het eiwit insuline samen te stellen uit afzonderlijke aminozuren. Verandering van de volgorde van de nucleotiden in het DNA-molecuul kan de aminozuren in het uiteindelijke eiwit veranderen, wat tot eiwitstoringen leidt. Als insuline niet goed functioneert, kan het niet in staat zijn zich aan een ander eiwit (insulinereceptor) te binden. Op organisatieniveau kan deze moleculaire gebeurtenis (verandering van DNA-sequentie) leiden tot een ziektetoestand – in dit geval diabetes.