Desoxyribonucleïnezuur | de molecule die de genetische code van organismen bevat

DNA heeft een dubbele helixvorm, die lijkt op een in een spiraal gedraaide ladder. Elke trede van de ladder is een paar nucleotiden.

Nucleotiden

Een nucleotide is een molecuul dat bestaat uit:

• deoxyribose, een soort suiker met 5 koolstofatomen,
• een fosfaatgroep bestaande uit fosfor en zuurstof, en
• stikstofhoudende basis

DNA bestaat uit vier soorten nucleotiden:

• Adenine (A)
• Thymine (T)
• Cytosine (C)
• Guanine (G)

De 'sporten' van de DNA-ladder bestaan elk uit twee basen, één basis afkomstig van elk been. De basen verbinden zich in het midden: 'A' paart alleen met 'T', en 'C' paart alleen met 'G'. De basen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen.

Adenine (A) en thymine (T) kunnen paren omdat ze twee waterstofbruggen maken, en cytosine (C) en guanine (G) maken drie waterstofbruggen. Hoewel de basen altijd in vaste paren staan, kunnen de paren in willekeurige volgorde staan (A-T of T-A; evenzo C-G of G-C). Zo kan DNA "codes" schrijven uit de "letters" die de basen zijn. Deze codes bevatten de boodschap die de cel vertelt wat hij moet doen.

Chromatine

Op chromosomen is het DNA gebonden aan eiwitten, histonen genaamd, om chromatine te vormen. Deze binding speelt een rol bij epigenetica en genregulatie. Genen worden in- en uitgeschakeld tijdens de ontwikkeling en de celactiviteit, en deze regulering vormt de basis van de meeste activiteiten die in cellen plaatsvinden.

Wanneer DNA wordt gekopieerd, wordt dit DNA-replicatie genoemd. Kort gezegd worden de waterstofbruggen die gepaarde basen bij elkaar houden verbroken en wordt de molecule in tweeën gesplitst: de benen van de ladder worden gescheiden. Dit levert twee afzonderlijke strengen op. Nieuwe strengen worden gevormd door de basen (A met T en G met C) aan elkaar te koppelen om de ontbrekende strengen te maken.

Eerst splitst een enzym genaamd DNA helicase het DNA doormidden door de waterstofbruggen te verbreken. Nadat de DNA-molecule in twee afzonderlijke stukken is, maakt een andere molecule, DNA-polymerase genaamd, een nieuwe streng die overeenkomt met elk van de strengen van de gesplitste DNA-molecule. Elke kopie van een DNA-molecuul bestaat voor de helft uit het oorspronkelijke (begin)molecuul en voor de helft uit nieuwe basen.

Mutaties

Bij het kopiëren van DNA worden soms fouten gemaakt - deze worden mutaties genoemd. Er zijn vier belangrijke soorten mutaties:

• Verwijdering, waarbij een of meer basen worden weggelaten.
• Substitutie, waarbij een of meer basen worden vervangen door een andere base in de reeks.
• Invoeging, waarbij één of meer extra honken worden geplaatst.
• Duplicatie, waarbij een reeks basenparen wordt herhaald.

Mutaties kunnen ook worden ingedeeld volgens hun effect op de structuur en functie van eiwitten, of hun effect op fitness. Mutaties kunnen slecht zijn voor het organisme, neutraal of voordelig. Soms zijn mutaties fataal voor het organisme - het eiwit dat door het nieuwe DNA wordt gemaakt, werkt helemaal niet, waardoor het embryo sterft. Anderzijds gaat de evolutie vooruit door mutaties, wanneer de nieuwe versie van het eiwit beter werkt voor het organisme.

Een deel van het DNA dat instructies bevat om een eiwit te maken, wordt een gen genoemd. Elk gen bevat de sequentie voor minstens één polypeptide. Eiwitten vormen structuren, en vormen ook enzymen. De enzymen doen het meeste werk in de cellen. Eiwitten zijn opgebouwd uit kleinere polypeptiden, die bestaan uit aminozuren. Om een eiwit een bepaald werk te laten doen, moeten de juiste aminozuren in de juiste volgorde aan elkaar worden gekoppeld.

Eiwitten worden gemaakt door kleine machines in de cel die ribosomen worden genoemd. Ribosomen bevinden zich in het hoofdgedeelte van de cel, maar DNA bevindt zich alleen in de celkern. Het codon maakt deel uit van het DNA, maar het DNA verlaat nooit de celkern. Omdat DNA de celkern niet kan verlaten, maakt de celkern een kopie van de DNA-sequentie in RNA. Dit is kleiner en kan door de gaten - poriën - in het membraan van de celkern naar buiten, de cel in.

In DNA gecodeerde genen worden door eiwitten zoals RNA-polymerase getranscribeerd tot boodschapper-RNA (mRNA). Volgroeid mRNA wordt vervolgens gebruikt als sjabloon voor de synthese van eiwitten door het ribosoom. Ribosomen lezen codons, "woorden" bestaande uit drie basenparen die het ribosoom vertellen welk aminozuur moet worden toegevoegd. Het ribosoom scant langs een mRNA en leest de code terwijl het eiwit maakt. Een ander RNA, tRNA genaamd, helpt het juiste aminozuur aan elk codon te koppelen.

DNA werd voor het eerst geïsoleerd (uit cellen gehaald) door de Zwitserse arts Friedrich Miescher in 1869, toen hij werkte aan bacteriën uit de pus in chirurgisch verband. Het molecuul werd gevonden in de kern van de cellen en daarom noemde hij het nucleïne.

In 1928 ontdekte Frederick Griffith dat eigenschappen van de "gladde" vorm van Pneumococcus konden worden overgedragen op de "ruwe" vorm van dezelfde bacterie door gedode "gladde" bacteriën te mengen met de levende "ruwe" vorm. Dit systeem leverde de eerste duidelijke suggestie op dat DNA genetische informatie draagt.

Het Avery-MacLeod-McCarty experiment identificeerde DNA als het transformerende principe in 1943.

De rol van DNA in de erfelijkheid werd bevestigd in 1952, toen Alfred Hershey en Martha Chase in het Hershey-Chase experiment aantoonden dat DNA het genetisch materiaal is van de T2 bacteriofaag.

In de jaren 1950 ontdekte Erwin Chargaff dat de hoeveelheid thymine (T) in een DNA-molecuul ongeveer gelijk was aan de hoeveelheid aanwezige adenine (A). Hij ontdekte dat hetzelfde geldt voor guanine (G) en cytosine (C). De regels van Chargaff vatten deze bevinding samen.

In 1953 stelden James D. Watson en Francis Crick in het tijdschrift Nature voor wat nu wordt beschouwd als het eerste correcte dubbelhelixmodel van de DNA-structuur. Hun dubbelhelix, moleculaire model van DNA was toen gebaseerd op een enkele röntgendiffractie-opname "Foto 51", genomen door Rosalind Franklin en Raymond Gosling in mei 1952.

Experimenteel bewijs dat het model van Watson en Crick ondersteunt, werd gepubliceerd in een reeks van vijf artikelen in hetzelfde nummer van Nature. Het artikel van Franklin en Gosling was de eerste publicatie van hun eigen röntgendiffractiegegevens en originele analysemethode die het model van Watson en Crick gedeeltelijk ondersteunden; dit nummer bevatte ook een artikel over de DNA-structuur door Maurice Wilkins en twee van zijn collega's, wier analyse en in vivo röntgenpatronen van B-DNA ook de aanwezigheid in vivo ondersteunden van de dubbel-helikale DNA-configuraties zoals voorgesteld door Crick en Watson voor hun dubbel-helix moleculaire model van DNA in de vorige twee pagina's van Nature. In 1962, na de dood van Franklin, ontvingen Watson, Crick en Wilkins gezamenlijk de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde. Nobelprijzen worden alleen toegekend aan levende ontvangers. Er blijft een debat gaande over wie de eer moet krijgen voor de ontdekking.

In 1957 verklaarde Crick de relatie tussen DNA, RNA en eiwitten, in het centrale dogma van de moleculaire biologie.

Hoe DNA werd gekopieerd (het replicatiemechanisme) kwam in 1958 door het Meselson-Stahl experiment. Meer werk van Crick en collega's toonde aan dat de genetische code was gebaseerd op niet-overlappende tripletten van basen, codons genaamd. Deze bevindingen vormen de geboorte van de moleculaire biologie.

Hoe Watson en Crick aan Franklins resultaten kwamen, is veel besproken. Crick, Watson en Maurice Wilkins kregen in 1962 de Nobelprijs voor hun werk aan DNA - Rosalind Franklin was in 1958 overleden.

DNA raakt vaak beschadigd in cellen, wat een probleem is omdat DNA instructies geeft voor het maken van eiwitten. Maar cellen hebben meestal manieren om deze problemen op te lossen. Cellen maken gebruik van speciale enzymen. Verschillende enzymen herstellen verschillende soorten schade aan het DNA. Er zijn verschillende soorten problemen:

• Een veel voorkomende fout is een base-mismatch of een fout waarbij de basen niet correct zijn gekoppeld. Hierbij wordt bijvoorbeeld adenine niet gekoppeld aan thymine of guanine niet aan cytosine. Wanneer een cel zijn eigen DNA kopieert, koppelt een speciaal enzym, polymerase genaamd, de basen aan elkaar. Maar af en toe treedt er een fout op. Meestal merkt het enzym dit en herstelt het, maar voor de zekerheid controleren andere eiwitten wat het enzym heeft gedaan. Als de eiwitten een base vinden die niet aan de juiste base is gekoppeld, verwijderen ze die en vervangen ze die door een nucleotide met de juiste base.
• DNA kan ook chemisch worden afgebroken door bepaalde verbindingen. Dit kunnen giftige verbindingen zijn, zoals die in tabak, of verbindingen die de cel dagelijks tegenkomt, zoals waterstofperoxide. Sommige chemische beschadigingen door verbindingen gebeuren zo vaak dat er een speciaal enzym is om dat soort problemen te verhelpen.
• Wanneer een base beschadigd raakt, wordt deze meestal hersteld in een proces dat base-excisieherstel wordt genoemd. Hierbij verwijdert een enzym de base, waarna een andere groep enzymen de schade omzeilt en vervangt door een nieuwe nucleotide.
• UV-licht beschadigt het DNA zodanig dat de vorm ervan verandert. Om dit soort schade te herstellen is een ingewikkelder proces nodig dat nucleotide-excisieherstel wordt genoemd. Hierbij verwijdert een team van eiwitten een lange streng van 20 of meer gebroken nucleotiden en vervangt deze door nieuwe.
• Hoge energiegolven zoals röntgen- en gammastralen kunnen één of beide strengen van het DNA doorsnijden. Dit type schade wordt een dubbele strengbreuk genoemd. Eén dubbele strengbreuk kan ertoe leiden dat de cel afsterft. Twee gebruikelijke manieren waarop de cel dit probleem oplost, zijn homologe recombinatie en niet-homologe end joining. Bij homologe recombinatie gebruiken enzymen een gelijkaardig deel van een ander gen als sjabloon om de breuk te herstellen. Bij non-homologous end joining knippen enzymen rond de plaats waar de DNA-streng brak en voegen ze samen. Deze manier is veel minder nauwkeurig, maar werkt wel als er geen vergelijkbare genen beschikbaar zijn.

De politie in de Verenigde Staten gebruikte openbare databanken met DNA en stamboomgegevens om cold cases op te lossen. De American Civil Liberties Union maakte zich zorgen over deze praktijk.

• Bio-informatica
• Celdeling
• Mitose
• Meiose
• Herstel van DNA
• Chromosoom
• Sequentieanalyse
• Epigenetica
• Junk DNA