Inhoud
- De ontdekking van DNA
- DNA en erfelijke eigenschappen
- De structuur van DNA
- Nucleotiden en stikstofbasen
- DNA-replicatie
DNA is een van de weinige combinaties van letters in de kern van een wetenschappelijke discipline die een aanzienlijk niveau van begrip lijkt te veroorzaken, zelfs bij mensen met weinig levenslange blootstelling aan biologie of de wetenschappen in het 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 ingeboren is, nooit weggaat en kan worden overgedragen aan die personen, kinderen en daarbuiten. Dit lijkt zelfs waar te zijn in de hoofden van degenen die geen idee hebben waar "DNA" zelfs voor staat, wat "deoxyribonucleïnezuur" is.
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 vanzelfsprekend dat mensen nadenken over hun eigen biochemische erfenis, zelfs als weinigen zich dit in dergelijke formele bewoordingen kunnen voorstellen. Erkenning dat kleine ongeziene factoren in ieder van ons bepalen hoe de kinderen van kinderen 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 die verantwoordelijk zijn voor overerving waren, maar ook hoe ze eruit zagen.
Deoxyribonucleïnezuur is inderdaad het genetische blauw dat alle levende wezens in hun cellen hebben, een unieke microscopische vinger die niet alleen van elke mens een letterlijk uniek exemplaar maakt (identieke tweelingen behalve voor huidige doeleinden), maar onthult veel vitale informatie over elke persoon, van de kans om verwant te zijn aan een andere specifieke persoon tot de kansen om een bepaalde ziekte later in het leven te ontwikkelen of een dergelijke ziekte op toekomstige generaties over te dragen. DNA is niet alleen het natuurlijke centrale punt van de moleculaire biologie en van de levenswetenschappen als geheel geworden, maar ook een integraal onderdeel van de forensische wetenschap en biologische engineering.
De ontdekking van DNA
James Watson en Francis Crick (en minder vaak, Rosalind Franklin en Maurice Wilkins) worden op grote schaal gecrediteerd met de ontdekking van DNA in 1953. Deze perceptie is echter onjuist. Kritisch genoeg hebben deze onderzoekers inderdaad vastgesteld dat DNA bestaat in een driedimensionale vorm in de vorm van een dubbele helix, die in wezen een ladder is die aan beide uiteinden in verschillende richtingen is gedraaid om een spiraalvorm te creëren. Maar deze vastberaden en vaak gevierde wetenschappers bouwden 'slechts' voort op het zorgvuldige werk van biologen die al in de jaren 1860 op zoek waren naar dezelfde algemene informatie, experimenten die op zichzelf net zo baanbrekend waren als die van Watson, Crick en anderen in het onderzoekstijdvak na de Tweede Wereldoorlog.
In 1869, 100 jaar voordat mensen naar de maan zouden reizen, probeerde een Zwitserse chemicus, Friedrich Miescher, de eiwitcomponenten uit leukocyten (witte bloedcellen) te extraheren om hun samenstelling en functie te bepalen. Wat hij in plaats daarvan extraheerde, noemde hij "nucleïne", en hoewel hij de instrumenten ontbrak die nodig waren om te leren wat toekomstige biochemici zouden kunnen leren, ontdekte hij snel dat deze "nucleïne" verband hield met eiwitten maar niet zelf eiwit was, dat het een eiwit bevatte ongebruikelijke hoeveelheid fosfor, en dat deze stof bestand was tegen afbraak door dezelfde chemische en fysische factoren die eiwitten degradeerden.
Het zou meer dan 50 jaar duren voordat het echte belang van het werk van Mieschers voor het eerst duidelijk werd. In het tweede decennium van de jaren 1900 was een Russische biochemicus, Phoebus Levene, de eerste die, wat we tegenwoordig nucleotiden noemen, bestond uit een suikerdeel, een fosfaatdeel en een basisdeel; dat de suiker ribose was; en dat de verschillen tussen nucleotiden te wijten waren aan de verschillen tussen hun basen. Zijn "polynucleotide" -model had enkele gebreken, maar volgens de normen van de dag was het opmerkelijk doelgericht.
In 1944 waren Oswald Avery en zijn collega's aan de Rockefeller University de eerste bekende onderzoekers die formeel suggereerden dat DNA bestond uit erfelijke eenheden of genen. In navolging van hun werk en dat van Levene, deed de Oostenrijkse wetenschapper Erwin Chargaff twee belangrijke ontdekkingen: een, 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, vrijwel altijd hetzelfde was 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 alle DNA, maar het hielp later de conclusie van anderen te ondersteunen.
Uiteindelijk, in 1953, hebben Watson en zijn collega's, die profiteren van de snel verbeterende manieren om driedimensionale chemische structuren te visualiseren, al deze bevindingen samengevoegd en kartonnen modellen gebruikt om vast te stellen dat een dubbele helix op alles past wat op DNA bekend was. anders zou kunnen.
DNA en erfelijke eigenschappen
DNA werd geïdentificeerd als het erfelijke materiaal in levende wezens dingen voordat de structuur ervan werd verduidelijkt, en zoals vaak het geval in de experimentele wetenschap, was deze vitale ontdekking eigenlijk incidenteel voor het hoofddoel van de onderzoekers.
Voordat antibioticatherapie eind jaren dertig opkwam, eisten infectieziekten veel meer mensenlevens dan tegenwoordig, 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 aan het werk dat uiteindelijk een hoog polysacharide (suiker) gehalte aan het licht bracht in capsules van pneumokokkenbacteriesoorten, die waren geïsoleerd uit pneumoniepatiënten. 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 pneumococcus konden worden gemengd met de levende componenten van een onschadelijke pneumococcus en een ziekteverwekkende vorm van de voorheen onschadelijke soort konden produceren; dit bewees dat alles wat van de dood naar de levende bacteriën werd verplaatst erfelijk was.
Toen Avery van de resultaten van Griffiths hoorde, begon hij zuiveringsexperimenten uit te voeren in een poging om het precieze materiaal in de pneumokokken te isoleren dat erfelijk was en dat werd gebruikt voor nucleïnezuren, of meer specifiek, nucleotiden. DNA werd er al sterk van verdacht dat het in de volksmond 'transformerende principes' had, dus Avery en anderen testten deze hypothese door het erfelijke materiaal bloot te stellen aan verschillende middelen. Degenen waarvan bekend is dat ze de DNA-integriteit vernietigen, maar onschadelijk zijn voor eiwitten of DNA, DNAasen genaamd, waren in grote hoeveelheden voldoende om overdracht van eigenschappen van de ene bacteriegeneratie naar de volgende te voorkomen. Ondertussen hebben proteasen, die eiwitten ontrafelen, geen dergelijke schade toegebracht.
Het werk van Averys en Griffiths is dat, opnieuw, terwijl mensen zoals Watson en Crick terecht worden geprezen om hun bijdragen aan moleculaire genetica, het vaststellen van de structuur van DNA eigenlijk een vrij late bijdrage was aan het proces om hierover te leren spectaculaire molecule.
De structuur van DNA
Chargaff, hoewel hij duidelijk de structuur van DNA niet volledig heeft beschreven, toonde aan dat, naast (A + G) = (C + T), de twee strengen waarvan bekend was dat ze in DNA waren opgenomen, altijd op dezelfde afstand van elkaar lagen. Dit leidde tot het postulaat dat purines (inclusief A en G) altijd verbonden met 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 pyrimidines 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 paar purine-pyrimidine dezelfde hoeveelheid ruimte zou verbruiken. Om al deze informatie te kunnen plaatsen, moest A binden aan en alleen aan T en dezelfde relatie gelden voor C en G als dit model succesvol zou blijken te zijn. En dat is het ook.
De basen (later meer hierover) binden zich aan de binnenkant van het DNA-molecuul, zoals sporten in een ladder. Maar hoe zit het met de strengen of 'kanten' zelf? Rosalind Franklin, in samenwerking met Watson en Crick, nam aan dat deze "ruggengraat" was gemaakt van suiker (met name een pentosesuiker of een met een ringstructuur met vijf atomen) en een fosfaatgroep die de suikers met elkaar verbindt. Vanwege het onlangs opgehelderde idee van baseparing, werden Franklin en de anderen zich ervan bewust dat de twee DNA-strengen in een enkel molecuul 'complementair' waren, 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 binnen een solide graad van nauwkeurigheid te voorspellen, en röntgendiffractieanalyse bevestigde de spiraalvormige structuur. Het idee dat de helix een dubbele helix was, was het laatste belangrijke detail van de DNA-structuur die op zijn plaats viel, in 1953.
Nucleotiden en stikstofbasen
Nucleotiden zijn de zich herhalende subeenheden van DNA, wat het omgekeerde is van te 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 vanuit deze positie op twee plaatsen langs de ring is het ook gebonden aan een stikstofbase. De fosfaatgroepen verbinden de suikers met elkaar om het DNA-skelet te vormen, waarvan de twee strengen rond de gebonden stikstof-zware basen draaien in het midden van de dubbele helix. De helix maakt één 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: één, de pyrimidine uracil wordt vervangen door thymine. Twee, de pentosesuiker is ribose in plaats van deoxyribose. En drie, RNA is bijna altijd enkelstrengig en komt in meerdere vormen, waarvan de bespreking buiten het bestek van dit artikel valt.
DNA-replicatie
DNA wordt "uitgepakt" in zijn twee complementaire strengen wanneer het tijd is om kopieën te maken. Terwijl dit gebeurt, worden dochterstrengen gevormd langs de enkele ouderstrengen. Een dergelijke dochterstreng wordt continu gevormd door de toevoeging van enkele nucleotiden, onder invloed van het enzym DNA-polymerase. Deze synthese volgt eenvoudigweg de richting van de scheiding van de ouder-DNA-strengen. De andere dochterstreng vormt zich van kleine polynucleotiden genoemd Okazaki-fragmenten die zich eigenlijk in de tegenovergestelde richting van het openritsen van ouderstrengen vormen en vervolgens door het enzym worden samengevoegd DNA-ligase.
Omdat de twee dochterstrengen ook complementair zijn aan elkaar, binden hun basen uiteindelijk aan elkaar om een dubbelstrengs DNA-molecuul identiek aan het moedermodel te maken.
In bacteriën, die eencellig zijn en prokaryoten worden genoemd, zit een enkele kopie van het DNA van de bacterie (ook wel zijn genoom genoemd) in het cytoplasma; er is geen kern aanwezig. In meercellige eukaryotische organismen wordt het DNA in de kern gevonden in de vorm van chromosomen, die sterk opgerolde, in de spoel gerolde en ruimtelijk gecondenseerde DNA-moleculen zijn, slechts miljoensten van een meter lang, en eiwitten genaamd histonen. Bij microscopisch onderzoek worden de chromosoomdelen die afwisselend histone "spoelen" en eenvoudige DNA-strengen vertonen (chromatine genoemd op dit organisatieniveau) vaak vergeleken met kralen aan een string. Sommige eukaryote DNA wordt ook gevonden in organellen van cellen genaamd mitochondria.