In de jaren vijftig werkten Francis Crick en James Watson samen aan de universiteit van Cambridge, Engeland, om de structuur van DNA te bepalen. 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. Röntgenkristallografie is een methode om de moleculaire structuur te onderzoeken door te kijken naar de patronen die worden gevormd door röntgenstralen die door een kristal van de stof worden geschoten. De patronen geven belangrijke informatie over de structuur van het molecuul in kwestie. In het lab van Wilkins gebruikte onderzoeker Rosalind Franklin röntgenkristallografie om de structuur van DNA te begrijpen. Watson en Crick waren in staat om de puzzel van het DNA-molecuul in elkaar te passen met behulp van Franklins gegevens (figuur 9.2). Watson en Crick beschikten ook over belangrijke informatie van andere onderzoekers, zoals de regels van Chargaff. Chargaff had aangetoond dat van de vier soorten monomeren (nucleotiden) die in een DNA-molecuul aanwezig zijn, er altijd twee soorten in gelijke hoeveelheden aanwezig waren en dat de overige twee soorten ook altijd in gelijke hoeveelheden aanwezig waren. Dit betekende dat ze altijd op de een of andere manier aan elkaar gekoppeld waren. In 1962 kregen James Watson, Francis Crick en Maurice Wilkins de Nobelprijs voor de geneeskunde voor hun werk bij het bepalen van de structuur van DNA.

Laten we nu eens kijken naar de structuur van de twee soorten nucleïnezuren, desoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA). De bouwstenen van DNA zijn nucleotiden, die uit drie delen bestaan: een desoxyribose (5-koolstof suiker), een fosfaatgroep, en een stikstofhoudende basis (figuur 9.3). Er zijn vier soorten stikstofbasen in DNA. Adenine (A) en guanine (G) zijn dubbelringige purines, en cytosine (C) en thymine (T) zijn kleinere, enkelringige pyrimidines. De nucleotide wordt genoemd naar de stikstofhoudende base die hij bevat.

De fosfaatgroep van een nucleotide bindt zich covalent met het suikermolecuul van de volgende nucleotide, enzovoort, en vormt zo een lang polymeer van nucleotide-monomeren. De suiker-fosfaatgroepen staan op een rij in een “ruggengraat” voor elke afzonderlijke DNA-streng, en de nucleotidebasen steken uit deze ruggengraat. De koolstofatomen van de vijf-koolstof suiker zijn met de klok mee genummerd vanaf de zuurstof als 1′, 2′, 3′, 4′, en 5′ (1′ wordt gelezen als “een priem”). De fosfaatgroep zit vast aan de 5′ koolstof van de ene nucleotide en de 3′ koolstof van de volgende nucleotide. In zijn natuurlijke staat bestaat elk DNA-molecuul in feite uit twee enkelvoudige strengen die over hun lengte bij elkaar worden gehouden door waterstofbruggen tussen de basen.

Watson en Crick stelden voor dat het DNA bestaat uit twee strengen die om elkaar heen zijn gedraaid om een rechtshandige helix te vormen, die een dubbele helix wordt genoemd. Het basenpaar vindt plaats tussen een purine en een pyrimidine: namelijk A paart met T, en G paart met C. Met andere woorden, adenine en thymine zijn complementaire basenparen, en cytosine en guanine zijn ook complementaire basenparen. Dit is de basis voor de regel van Chargaff; vanwege hun complementariteit is er evenveel adenine als thymine in een DNA-molecuul en evenveel guanine als cytosine. Adenine en thymine zijn verbonden door twee waterstofbruggen, en cytosine en guanine zijn verbonden door drie waterstofbruggen. De twee strengen zijn antiparallel van aard; dat wil zeggen dat de ene streng de 3′ koolstof van de suiker in de “opwaartse” positie heeft, terwijl de andere streng de 5′ koolstof in de opwaartse positie heeft. De diameter van de DNA-dubbele helix is overal gelijk, omdat een purine (twee ringen) altijd paart met een pyrimidine (één ring) en hun gecombineerde lengtes altijd gelijk zijn. (Figuur 9.4).

Er is een tweede nucleïnezuur in alle cellen, ribonucleïnezuur, of RNA genaamd. Net als DNA is RNA een polymeer van nucleotiden. Elk van de nucleotiden in RNA bestaat uit een stikstofhoudende base, een vijf-koolstof suiker en een fosfaatgroep. In het geval van RNA is de vijf-koolstof suiker ribose, niet deoxyribose. Ribose heeft een hydroxylgroep op de 2′ koolstof, in tegenstelling tot deoxyribose, dat alleen een waterstofatoom heeft (figuur 9.5).

RNA-nucleotiden bevatten de stikstofhoudende basen adenine, cytosine en guanine. Zij bevatten echter geen thymine, dat in plaats daarvan is vervangen door uracil, aangeduid met een “U”. RNA bestaat als een enkelstrengs molecuul in plaats van als een dubbelstrengs helix. Moleculair biologen hebben verschillende soorten RNA een naam gegeven op basis van hun functie. Hiertoe behoren boodschapper-RNA (mRNA), transfer-RNA (tRNA) en ribosomaal RNA (rRNA) – moleculen die betrokken zijn bij de productie van eiwitten op basis van de DNA-code.

Hoe DNA in de cel wordt geordend

DNA is een werkend molecuul; het moet worden gerepliceerd wanneer een cel klaar is om zich te delen, en het moet worden “gelezen” om de moleculen te produceren, zoals eiwitten, om de functies van de cel uit te voeren. Om deze reden wordt het DNA op zeer specifieke manieren beschermd en verpakt. Bovendien kunnen DNA-moleculen zeer lang zijn. Uitgerekt van eind tot eind zouden de DNA-moleculen in één menselijke cel ongeveer 2 meter lang worden. Het DNA van een cel moet dus op een zeer geordende manier worden verpakt om te passen en te functioneren binnen een structuur (de cel) die met het blote oog niet zichtbaar is. De chromosomen van prokaryoten zijn in veel opzichten veel eenvoudiger dan die van eukaryoten (figuur 9.6). De meeste prokaryoten bevatten een enkel, cirkelvormig chromosoom dat zich bevindt in een gebied in het cytoplasma dat de nucleoïde wordt genoemd.

De omvang van het genoom van een van de best bestudeerde prokaryoten, Escherichia coli, bedraagt 4,6 miljoen basenparen, wat bij uitrekking een afstand van ongeveer 1,6 mm zou beslaan. Hoe past dit dan in een kleine bacteriecel? Het DNA is voorbij de dubbele helix gedraaid, wat supercoiling wordt genoemd. Van sommige eiwitten is bekend dat zij betrokken zijn bij het supercoilen; andere eiwitten en enzymen helpen bij het in stand houden van de supercoiled structuur.

Eukaryoten, waarvan de chromosomen elk uit een lineair DNA-molecuul bestaan, gebruiken een ander soort inpakstrategie om hun DNA in de kern te passen. Op het meest basale niveau wordt het DNA gewikkeld rond eiwitten die histonen worden genoemd, om structuren te vormen die nucleosomen worden genoemd. Het DNA wordt strak om de histon-kern gewikkeld. Dit nucleosoom is met het volgende nucleosoom verbonden door een korte streng DNA die vrij is van histonen. Dit wordt ook wel de “kralen aan een snoer”-structuur genoemd; de nucleosomen zijn de “kralen” en de korte stukken DNA tussen hen zijn het “snoer”. De nucleosomen, met hun DNA eromheen opgerold, stapelen zich compact op elkaar op en vormen een 30 nm brede vezel. Deze vezel wordt verder opgerold tot een dikkere en compactere structuur. In de metafase van de mitose, wanneer de chromosomen in het midden van de cel op een rij liggen, zijn de chromosomen het meest samengeperst.

In de interfase, de fase van de celcyclus tussen de mitoses waarin de chromosomen worden gedecondenseerd, hebben eukaryote chromosomen twee verschillende gebieden die kunnen worden onderscheiden door kleuring. Er is een dicht opeengepakte regio die donker gekleurd is, en een minder dichte regio. De donker gekleurde regio’s bevatten gewoonlijk genen die niet actief zijn, en worden gevonden in de regio’s van het centromeer en de telomeren. De lichtgekleurde regio’s bevatten meestal genen die actief zijn, met DNA dat rond nucleosomen is verpakt, maar niet verder is samengeperst.

Samenvatting van het hoofdstuk

Het model van de dubbele-helixstructuur van DNA werd voorgesteld door Watson en Crick. Het DNA-molecuul is een polymeer van nucleotiden. Elke nucleotide bestaat uit een stikstofhoudende base, een vijf-koolstof suiker (deoxyribose) en een fosfaatgroep. Er zijn vier stikstofbasen in DNA, twee purines (adenine en guanine) en twee pyrimidines (cytosine en thymine). Een DNA-molecule bestaat uit twee strengen. Elke streng bestaat uit nucleotiden die covalent met elkaar verbonden zijn tussen de fosfaatgroep van de ene en de desoxyribose suiker van de volgende. Vanuit deze ruggengraat strekken zich de basen uit. De basen van de ene streng binden zich met waterstofbruggen aan de basen van de tweede streng. Adenine bindt altijd met thymine, en cytosine bindt altijd met guanine. De binding zorgt ervoor dat de twee strengen in een spiraal om elkaar heen gaan draaien in een vorm die een dubbele helix wordt genoemd. Ribonucleïnezuur (RNA) is een tweede nucleïnezuur dat in cellen wordt aangetroffen. RNA is een enkelstrengs polymeer van nucleotiden. Het verschilt ook van DNA doordat het de suiker ribose bevat in plaats van deoxyribose, en het nucleotide uracil in plaats van thymine. Verschillende RNA-moleculen functioneren in het proces van de vorming van eiwitten op basis van de genetische code in het DNA.

Prokaryoten bevatten een enkel, dubbelstrengs cirkelvormig chromosoom. Eukaryoten bevatten dubbelstrengs lineaire DNA-moleculen die zijn verpakt in chromosomen. De DNA-helix is om eiwitten gewikkeld om nucleosomen te vormen. De eiwitspiralen worden verder opgerold, en tijdens mitose en meiose worden de chromosomen nog sterker opgerold om hun beweging te vergemakkelijken. Chromosomen hebben twee verschillende regio’s die kunnen worden onderscheiden door kleuring, als gevolg van verschillende mate van verpakking en bepaald door de vraag of het DNA in een regio tot expressie komt (euchromatine) of niet (heterochromatine).