Het belang van DNA-moleculen

DNA is een van de weinige combinaties van letters in de kern van een wetenschappelijke discipline die lijkt te vonken aanzienlijk niveau van begrip, zelfs bij mensen met weinig levenslange blootstelling aan biologie of de wetenschappen in algemeen. De meeste volwassenen die de uitdrukking "Het zit in haar DNA" horen, herkennen onmiddellijk dat een bepaalde eigenschap onlosmakelijk verbonden is met de persoon die wordt beschreven; dat het kenmerk op de een of andere manier aangeboren is, nooit zal verdwijnen en kan worden overgedragen op de kinderen van die persoon en daarbuiten. Dit lijkt zelfs op te gaan in de hoofden van degenen die geen idee hebben waar 'DNA' zelfs voor staat, namelijk 'deoxyribonucleïnezuur'.

Mensen zijn begrijpelijkerwijs gefascineerd door het concept van het erven van eigenschappen van hun ouders en het doorgeven van hun eigen eigenschappen aan hun nakomelingen. Het is niet meer dan normaal dat mensen nadenken over hun eigen biochemische erfenis, ook al kunnen maar weinigen zich dat in zulke formele termen voorstellen. De erkenning dat kleine onzichtbare factoren in ieder van ons bepalen hoe kinderen van mensen eruitzien en zich zelfs gedragen, is zeker al honderden jaren aanwezig. Maar pas in het midden van de 20e eeuw onthulde de moderne wetenschap in glorieus detail niet alleen wat de moleculen waren die verantwoordelijk waren voor overerving, maar ook hoe ze eruit zagen.

Deoxyribonucleïnezuur is inderdaad de genetische blauwdruk die alle levende wezens in hun cellen bewaren, een unieke microscopische vingerafdruk die niet alleen elk mens een letterlijk uniek individu (identieke tweelingen uitgezonderd voor huidige doeleinden), maar onthult een groot deel van de essentiële informatie over elke persoon, van de waarschijnlijkheid verwant te zijn aan een andere specifieke persoon tot de kans om later in het leven een bepaalde ziekte te ontwikkelen of een dergelijke ziekte naar de toekomst over te dragen generaties. DNA is niet alleen het natuurlijke centrale punt geworden van de moleculaire biologie en van de levenswetenschappen als geheel, maar ook een integraal onderdeel van de forensische wetenschap en biologische engineering.

James Watson en Francis Crick (en minder vaak Rosalind Franklin en Maurice Wilkins) worden algemeen gecrediteerd voor de ontdekking van DNA in 1953. Deze perceptie is echter onjuist. Kritisch is dat deze onderzoekers inderdaad hebben vastgesteld dat DNA in driedimensionale vorm bestaat in de vorm van een a dubbele helix, in wezen een ladder die aan beide uiteinden in verschillende richtingen is gedraaid om een ​​spiraal te creëren vorm. Maar deze vastberaden en vaak gevierde wetenschappers bouwden "slechts" voort op het nauwgezette werk van biologen die zwoegden op zoek naar dezelfde algemene informatie al in de jaren 1860, experimenten die op zich net zo baanbrekend waren als die van Watson, Crick en anderen in het onderzoek na de Tweede Wereldoorlog tijdperk.

In 1869, 100 jaar voordat mensen naar de maan zouden reizen, probeerde een Zwitserse chemicus genaamd Friedrich Miescher de eiwitcomponenten uit leukocyten (witte bloedcellen) halen om hun samenstelling te bepalen en functie. Wat hij in plaats daarvan eruit haalde, noemde hij 'nucleïne', en hoewel hij niet over de instrumenten beschikte die nodig waren om te leren wat toekomstige biochemici zouden zijn in staat om te leren, begreep hij snel dat deze "nucleïne" verwant was aan eiwitten, maar zelf geen eiwit was, dat het een ongebruikelijke hoeveelheid fosfor, en dat deze stof bestand was tegen afbraak door dezelfde chemische en fysische factoren die zijn afgebroken eiwitten.

Het zou meer dan 50 jaar duren voordat het ware belang van Mieschers werk voor het eerst duidelijk werd. In het tweede decennium van de jaren 1900 was een Russische biochemicus, Phoebus Levene, de eerste die voorstelde: dat, wat we tegenwoordig nucleotiden noemen, bestond uit een suikergedeelte, een fosfaatgedeelte en een base deel; dat de suiker ribose was; en dat de verschillen tussen nucleotiden te danken waren aan de verschillen tussen hun basen. Zijn "polynucleotide"-model had enkele gebreken, maar naar de maatstaven van die tijd was het opmerkelijk op schema.

In 1944 waren Oswald Avery en zijn collega's van de Rockefeller University de eerste bekende onderzoekers die formeel suggereerden dat DNA uit erfelijke eenheden of genen bestond. In navolging van hun werk en dat van Levene deed de Oostenrijkse wetenschapper Erwin Chargaff twee belangrijke ontdekkingen: één, dat de volgorde van nucleotiden in DNA varieert tussen soorten organismen, in tegenstelling tot wat Levene had voorgesteld; en twee, dat in elk organisme de totale hoeveelheid van de stikstofbasen adenine (A) en guanine (G) gecombineerd, ongeacht de soort, was vrijwel altijd hetzelfde als de totale hoeveelheid cytosine (C) en thymine (T). Dit leidde er niet helemaal toe dat Chargaff concludeerde dat A paren met T en C paren met G in al het DNA, maar het hielp later de conclusie van anderen te ondersteunen.

Ten slotte, in 1953, zetten Watson en zijn collega's, profiterend van snel verbeterende manieren om driedimensionale chemische structuren te visualiseren, alle deze bevindingen samen en gebruikten kartonnen modellen om vast te stellen dat een dubbele helix past bij alles wat bekend was over DNA op een manier die niets anders is kon.

DNA werd geïdentificeerd als het erfelijke materiaal in levende dingen lang voordat de structuur ervan werd opgehelderd, en als vaak het geval was in de experimentele wetenschap, was deze essentiële ontdekking eigenlijk bijkomstig aan het hoofd van de onderzoekers doel.
Voordat antibioticatherapie eind jaren dertig opkwam, eisten infectieziekten veel meer mensenlevens dan zij doen, en het ontrafelen van de mysteries van de verantwoordelijke organismen was een cruciaal doel in microbiologisch onderzoek. In 1913 begon de eerder genoemde Oswald Avery met het werk dat uiteindelijk een hoog polysacharide aan het licht bracht (suiker)gehalte in capsules van pneumokokkenbacteriesoorten, geïsoleerd uit longontstekingpneu patiënten. Avery theoretiseerde dat deze de productie van antilichamen bij geïnfecteerde mensen stimuleerden. Ondertussen voerde William Griffiths in Engeland werk uit dat aantoonde dat dode componenten van één soort ziekteverwekkende pneumokokken kunnen worden vermengd met de levende componenten van een onschadelijke pneumokokken en een ziekteverwekkende vorm van de voorheen onschadelijke soort; dit bewees dat alles wat zich van de dode naar de levende bacteriën bewoog, erfelijk was.

Toen Avery van de resultaten van Griffith hoorde, begon hij zuiveringsexperimenten uit te voeren in een poging om de nauwkeurig materiaal in de pneumokokken dat erfelijk was, en gebaseerd op nucleïnezuren, of meer specifiek, nucleotiden. DNA werd al sterk verdacht van het hebben van wat toen in de volksmond "transformerende" principes", dus testten Avery en anderen deze hypothese door het erfelijke materiaal bloot te stellen aan een... verscheidenheid aan agenten. Degenen waarvan bekend is dat ze destructief zijn voor de DNA-integriteit maar onschadelijk voor eiwitten of DNA, genaamd DNAasen, waren: voldoende in grote hoeveelheden om overdracht van eigenschappen van de ene bacteriegeneratie naar de De volgende. Ondertussen richtten proteasen, die eiwitten ontrafelen, dergelijke schade niet aan.

De boodschap van Avery's en Griffith's werk is dat, nogmaals, mensen als Watson en Crick terecht zijn geprezen voor hun bijdragen voor moleculaire genetica was het vaststellen van de structuur van DNA eigenlijk een vrij late bijdrage aan het leerproces over dit spectaculaire molecuul.

Chargaff, hoewel hij de structuur van DNA duidelijk niet volledig beschreef, toonde wel aan dat in naast (A + G) = (C + T), waren de twee strengen waarvan bekend is dat ze in DNA zijn opgenomen altijd op dezelfde afstand deel. Dit leidde tot het postulaat dat purines (inclusief A en G) altijd gebonden aan pyrimidines (inclusief C en T) in DNA. Dit was driedimensionaal logisch, omdat purines aanzienlijk groter zijn dan pyrimidines, terwijl alle purines in wezen dezelfde grootte hebben en alle pyrimidinen in wezen dezelfde grootte hebben. Dit houdt in dat twee aan elkaar gebonden purines aanzienlijk meer ruimte tussen DNA-strengen zouden innemen dan twee pyrimidines, en ook dat een gegeven purine-pyrimidine-paring dezelfde hoeveelheid zou verbruiken ruimte. Om al deze informatie in te voeren, moest A binden aan, en alleen, T en dat dezelfde relatie zou gelden voor C en G als dit model succesvol zou zijn. En het heeft.

De basen (hierover later meer) binden aan elkaar aan de binnenkant van het DNA-molecuul, als sporten in een ladder. Maar hoe zit het met de strengen, of 'zijkanten' zelf? Rosalind Franklin, die samenwerkte met Watson en Crick, ging ervan uit dat deze "ruggengraat" van suiker was gemaakt (met name een pentosesuiker, of een met een ringstructuur van vijf atomen) en een fosfaatgroep die de suikers. Vanwege het nieuw opgehelderde idee van basenparing, werden Franklin en de anderen zich ervan bewust dat de twee DNA-strengen in een enkel molecuul waren "complementair" of in feite spiegelbeelden van elkaar op het niveau van hun nucleotiden. Dit stelde hen in staat om de geschatte straal van de gedraaide vorm van DNA met een solide mate van nauwkeurigheid te voorspellen, en röntgendiffractie-analyse bevestigde de spiraalvormige structuur. Het idee dat de helix een dubbele helix was, was het laatste belangrijke detail over de structuur van DNA dat in 1953 op zijn plaats viel.

Nucleotiden zijn de herhalende subeenheden van DNA, wat het tegenovergestelde is van zeggen dat het DNA een polymeer van nucleotiden is. Elk nucleotide bestaat uit een suiker genaamd deoxyribose die een vijfhoekige ringstructuur bevat met één zuurstof- en vier koolstofmoleculen. Deze suiker is gebonden aan een fosfaatgroep, en twee plekken langs de ring vanaf deze positie ook gebonden aan een stikstofbase. De fosfaatgroepen verbinden de suikers met elkaar om de DNA-ruggengraat te vormen, waarvan de twee strengen rond de gebonden stikstof-zware basen in het midden van de dubbele helix draaien. De helix maakt ongeveer een keer per 10 basenparen een volledige draai van 360 graden.

Een suiker die alleen aan een stikstofbase is gebonden, wordt a. genoemd nucleoside.

RNA (ribonucleïnezuur) verschilt op drie belangrijke manieren van DNA: Ten eerste wordt thymine vervangen door pyrimidine-uracil. Ten tweede is de pentosesuiker ribose in plaats van deoxyribose. En drie: RNA is bijna altijd enkelstrengs en komt in meerdere vormen voor, waarvan de bespreking buiten het bestek van dit artikel valt.

DNA wordt "uitgepakt" in zijn twee complementaire strengen wanneer het tijd is om kopieën te maken. Terwijl dit gebeurt, worden dochterstrengen gevormd langs de eenouderstrengen. Eén zo'n dochterstreng wordt continu gevormd via de toevoeging van enkele nucleotiden, onder invloed van het enzym DNA-polymerase. Deze synthese volgt eenvoudig de richting van de scheiding van de ouder-DNA-strengen. De andere dochterstreng wordt gevormd uit kleine polynucleotiden genaamd Okazaki-fragmenten die zich feitelijk vormen in de tegenovergestelde richting van het openritsen van de ouderstrengen, en vervolgens worden samengevoegd door het enzym DNA-ligase.

Omdat de twee dochterstrengen ook complementair aan elkaar zijn, binden hun basen zich uiteindelijk aan elkaar om een ​​dubbelstrengs DNA-molecuul te maken dat identiek is aan het oudermolecuul.

Bij bacteriën, die eencellig zijn en prokaryoten worden genoemd, zit een enkele kopie van het DNA van de bacterie (ook wel het genoom genoemd) in het cytoplasma; geen kern aanwezig is. In meercellige eukaryote organismen wordt het DNA in de kern gevonden in de vorm van chromosomen, die sterk opgerolde, opgerolde en ruimtelijk gecondenseerde DNA-moleculen van slechts een miljoenste van een meter lang, en eiwitten genaamd histonen. Bij microscopisch onderzoek, de chromosoomdelen die afwisselend histon "spoelen" en eenvoudig tonen DNA-strengen (op dit organisatieniveau chromatine genoemd) worden vaak vergeleken met kralen op een draad. Sommige eukaryote DNA wordt ook gevonden in organellen van cellen genaamd mitochondriën.