Deoxyribonucleïnezuur of DNA is een molecuul dat de drager is van genetische informatie in bijna alle levende organismen. Het bevat de biologische instructies voor de ontwikkeling, overleving en voortplanting van organismen. DNA bevindt zich in de celkern, waar het met behulp van verschillende eiwitten, histonen genaamd, wordt verpakt in een compacte vorm die chromosoom wordt genoemd. Het wordt ook aangetroffen in celstructuren die mitochondriën worden genoemd. Bij prokaryoten is DNA echter niet ingesloten in een kern of een membraan, maar bevindt het zich in het cytoplasma. Het DNA in prokaryoten is over het algemeen cirkelvormig en supergewikkeld, zonder enige histonen. DNA slaat genetische informatie op als een opeenvolging van nucleotiden in speciale gebieden die genen worden genoemd en die worden gebruikt om eiwitten te maken. De omzetting van genetische informatie in eiwitten is een proces in twee fasen, waarbij de reeks nucleotiden in het DNA wordt omgezet in een molecuul dat ribonucleïnezuur of RNA wordt genoemd, door middel van een proces dat transcriptie wordt genoemd. RNA wordt gebruikt om eiwitten te maken door een ander proces, translatie genaamd. Het menselijk genoom bevat bijna 3 – 109 basen met ongeveer 20.000 genen op 23 chromosomen.

DNA werd voor het eerst ontdekt door de Duitse biochemicus Frederich Miescher in het jaar 1869. Op basis van het werk van Erwin Chargaff, James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins en Rosalind Franklin, werd de structuur van DNA ontdekt in het jaar 1953. De structuur van DNA is een : twee complementaire strengen polynucleotiden die in tegengestelde richting lopen en bijeengehouden worden door waterstofbruggen tussen hen. Deze structuur helpt het DNA om zichzelf te repliceren tijdens de celdeling en ook om een enkele streng als sjabloon te laten dienen tijdens de transcriptie.

• 1 Eigenschappen van een DNA-molecule
  • 1.1 Dubbele Helix
  • 1.2 Complementaire basen
  • 1.3 DNA denaturatie en renaturatie
  • 1.4 Groeven
• 2 Biologische Functies
  • 2.1 Replicatie
  • 2.2 Transcriptie en translatie
• 3 Vormen van DNA
• 4 Geschiedenis van de DNA-structuur
• 5 DNA-modellen

Eigenschappen van een DNA-molecuul

Dubbele Helix

bestaat uit twee polynucleotideketens, . De in DNA is samengesteld uit een gebonden aan de 5 ‘ van die is verbonden door een beta-glycosidische binding met een purine of een pyrimidine . De ribose bepaalt in belangrijke mate welke van de DNA-vormen aanwezig is. In deze scène, die B DNA toont, ligt de 2′ koolstof uit het vlak van de andere leden van de vijfledige ring. In , ligt de 3’ koolstof uit het vlak van de ribose ring.De vier soorten basen zijn de twee dubbelringige purine basen en en de twee enkelringige pyrimidine basen en . Waterstofatomen op sommige stikstof- en zuurstofatomen kunnen tautomere verschuivingen ondergaan. De stikstofatomen die betrokken zijn bij de vorming van tautomeren verschijnen als amino of imino groepen en de zuurstofatomen zijn ofwel in keto of enol vormen. Aan de hand van een geïsoleerd thymine worden de enol- en de aminovormen geïllustreerd. Er is een voorkeur voor de amino- en de ketovorm, wat zeer cruciaal is voor de biologische werking van DNA, omdat het een verbinding met de desoxyribose oplevert en leidt tot de specificiteit van de waterstofbruggen bij basenparen en dus tot complementariteit van de ketens. De iminostikstof kan alleen dienen als een donerend atoom bij waterstofbruggen, maar de aminostikstof kan ook dienen als een ontvangend atoom. Elke nucleotide in een DNA-keten is met een andere nucleotide verbonden via . Er zijn vier nucleotiden in DNA. De suiker-fosfaat ruggengraat van het DNA is zeer regelmatig als gevolg van de fosfodiësterverbinding, terwijl de ordening van de basen zeer onregelmatig is.

A C G T

Purines Pyrimidines

Complementaire basen

De twee ketens in een DNA worden verbonden door waterstofbruggen tussen specifieke basen. Adenine vormt basenparen met thymine en guanine met cytosine. Deze specifieke basenparing tussen en staat bekend als de Watson-Crick basenparing. De specificiteit van de waterstofbruggen tussen de basen leidt tot complementariteit in de volgorde van de nucleotiden in de twee ketens. Zo is in een streng DNA het gehalte aan adenine gelijk aan dat aan thymine en het gehalte aan guanine is gelijk aan het gehalte aan cytosine. In het algemeen is DNA met een hoger GC-gehalte stabieler dan het DNA met een hoger AT-gehalte vanwege de stabilisatie als gevolg van stapelinteracties tussen de basen.

DNA denaturatie en renaturatie

Een dubbele streng DNA kan worden gescheiden in twee enkele strengen door de waterstofbruggen tussen de strengen te verbreken. Dit staat bekend als DNA-denaturatie. Thermische energie, geleverd door verhitting, kan worden gebruikt om DNA te smelten of te denatureren. Moleculen met een hoog GC-gehalte zijn stabieler en denatureren dus bij hogere temperaturen dan die met een hoger AT-gehalte. De smelttemperatuur wordt gedefinieerd als de temperatuur waarbij de helft van de DNA-strengen zich in een dubbele spiraalvormige toestand bevindt en de andere helft in een willekeurige spiraalvormige toestand. De gedenatureerde DNA-enkelstrengen hebben de mogelijkheid te renatureren en opnieuw dubbelstrengs DNA te vormen.

Groeven

In een groep basen die aan elkaar gepaird zijn, maar onder een hoek geplaatst zijn. Dit resulteert in ongelijke afstanden tussen de suiker-fosfaat backbones en geeft aanleiding tot twee groeven: de en de van verschillende breedte en diepte. De liggen aan de oppervlakte van de kleine groef, en de grote groef aan de tegenoverliggende zijde. De bodem of het oppervlak van de hoofdgroef is gevuld met de. De grotere omvang van de hoofdgroef maakt binding van DNA-specifieke proteïnen mogelijk.

Biologische functies

Bronnen:

Replicatie

DNA ondergaat wat bekend staat als de semi-conservatieve wijze van replicatie, waarbij het dochter-DNA één DNA-streng van de ouder bevat. De replicatie verloopt door het afwikkelen van de dubbele helix gevolgd door syntheseprimers van waaruit de replicatie begint. Een enzym DNA polymerase synthetiseert complementaire strengen aan elke ouderstreng vanuit de 5′-3′ richting.

Transcriptie en translatie

De expressie van genen in eiwitten en is een proces dat twee stadia omvat, transcriptie en translatie genaamd. In de transcriptiefase dient een streng DNA-molecuul als sjabloon voor de synthese van een RNA-molecuul dat boodschapper-RNA wordt genoemd. Dit boodschapper-RNA wordt vervolgens vertaald in eiwitten op ribosomen.

Vormen van DNA

Voor een vergelijking van de verschillende vormen van DNA, zie vormen van DNA.

Geschiedenis van de DNA-structuur

De volgende samenvatting is met toestemming overgenomen uit Atlas of Macromolecules:

In 1944 werd aangetoond dat genen zich in DNA bevinden (Avery et al.) en dit werd algemeen aanvaard na de experimenten van Hershey en Chase in 1952. De dubbele spiraalstructuur van het DNA werd voorspeld door James Watson en Francis Crick in 1953 (Nobelprijs, 1962). Hun voorspelling was gedeeltelijk gebaseerd op röntgendiffractiestudies van Rosalind Franklin, aan wie Watson en Maurice Wilkins onvoldoende krediet gaven. De voorspelde B-vorm van de dubbele helix werd pas in 1973 bevestigd door kristalstructuren met atomaire resolutie, eerst met behulp van dinucleotiden van RNA (Rosenberg et al.). De eerste kristalstructuur die meer dan een volledige draai van de dubbele helix bevatte werd pas in 1980 opgelost (1bna, 1981, 12 basenparen). De vertraging van meer dan een kwart eeuw tussen voorspelling en empirische bevestiging had te maken met de ontwikkeling van röntgenkristallografie voor macromoleculen, en de noodzaak om een korte, gedefinieerde sequentie van DNA te produceren voor kristallisatie. Deze korte uiteenzetting is gebaseerd op een overzicht door Berman, Gelbin, en Westbrook , waar de referenties te vinden zijn.

DNA Modellen

Het model van DNA dat in de scènes in dit artikel wordt gebruikt is een theoretisch model (Image:B-DNA.pdb), dat niet beschikbaar is in de Protein Data Bank. Het PDB-bestand volgt niet bepaalde PDB-formaat conventies:

• De basen worden aangeduid met ADE, CYT, GUA, en THY in plaats van de standaard DA, DC, DG en DT.
• De ketens worden niet genoemd. Typisch zouden ze A en B heten.

Een keten bevat de residu’s genummerd 1-12 in de volgorde CGCG AATT CGCG. De andere keten bevat residuen genummerd 13-24 met een identieke (antiparallelle) sequentie.

Theoretische modellen geven meestal een geïdealiseerde DNA-conformatie weer, terwijl echt DNA diverse onregelmatigheden kan vertonen, waaronder knikken en bochten (zie voorbeelden gebonden aan de Lac-repressor). Er zijn tal van empirische modellen voor DNA, waarvan de eerste beschikbaar kwamen in de jaren 1970 en 1980 (zie hierboven). In mei 2012 bevat de Protein Data Bank bijna 4.000 gegevens die DNA bevatten. Meer dan 1.300 bevatten alleen DNA, terwijl meer dan 2.000 eiwit-DNA complexen bevatten. Meer dan 100 entries bevatten eiwit, DNA en RNA, en meer dan 100 bevatten DNA/RNA hybride moleculen.

Voor meer interactieve visualisaties van DNA, zie DNA.MolviZ.Org, een tutorial die beschikbaar is in negen talen.