Hoofdstuk 5: DNA en chromosomen
De structuur van DNA
Chromosomen werden in de negentiende eeuw ontdekt als draadachtige structuren in de kern van eukaryote cellen,
die zichtbaar worden als de cel zich gaat delen. Later kwamen onderzoekers erachter dat chromosomen zowel DNA
als eiwitten bevatten.
DNA draagt de genetische informatie van de cel bij zich. De eiwitten in chromosomen zijn hoofdzakelijk bedoeld om
de enorm lange DNA moleculen bijeen te pakken en onder controle te houden. DNA is een lange polymeer die
bestaat uit slechts vier typen nucleotiden, die chemisch gezien erg op elkaar lijken.
Een DNA-molecuul bestaat uit twee complementaire ketens van
nucleotiden
Een molecuul van desoxyribose
nucleïnezuur (DNA) bestaat uit twee
lange polynucleotideketens. Elke keten
(streng) bestaat uit vier typen
nucleotidebasen, en worden
bijeengehouden door waterstofbruggen
tussen de baseparen.
Nucleotiden bestaan uit een
stikstofbase en een 5-koolstof suiker
waar een fosfaatgroep aan vastzit. Bij
DNA is de suikergroep desoxyribose en
de base adenine (A), cytosine (C),
guanine (G) of thymine (T).
De nucleotiden zijn covalent gebonden
aan elkaar door de suikers en fosfaten,
waardoor er een ruggengraat wordt
gevormd van afwisselend suiker en
fosfaat. Omdat alleen de basen
verschillen bij elke subunit, stelt elke
polynucleotideketen een ketting voor:
een suiker-fosfaat streng met daaraan
vier typen kleine kralen.
De nucleotide-eenheden binnen een
DNA-streng worden bijeengehouden
door fosfo-diesterverbindingen die de
5’ kant van de ene suiker aan de 3’ kant
van de andere suiker koppelen.
De twee polynucleotideketens in de dubbele helix van het DNA worden bijeengehouden door waterstofbindingen
tussen de basen van verschillende strengen. Alle basen zijn daardoor aan de binnenkant van de helix, met de suiker-
fosfaat-ruggengraten aan de buitenkant. De basen vormen geen willekeurige paren: A vormt een paar met T en C
vormt een paar met G. Op deze manier wordt een purine (T, G) gepaard met een pyrimidine (A, C). Elk purine-
pyrimidinepaar wordt een basenpaar genoemd. Door de complementaire baseparing kunnen de baseparen in de
energetisch favoriete manier gearrangeerd worden. Op deze manier hebben alle baseparen dezelfde breedte,
waardoor de afstand tussen beide strengen altijd even lang is.
, Als gevolg van de basenparing bevat elke streng van een dubbele DNA helix een volgorde van nucleotiden die exact
complementair is aan de nucleotidevolgorde van de partnerstreng. Dit is van groot belang als het neerkomt op het
kopiëren en onderhouden van de DNA-structuur.
De structuur van DNA is een mechanisme voor erfelijkheid
Het feit dat genen coderen voor informatie die gekopieerd en goed overgedragen moet worden stelt ons voor twee
fundamentele problemen: hoe kan de informatie voor een organisme overgedragen worden in chemische vorm, en
hoe kan de informatie juist gekopieerd worden? De structuur van DNA beantwoord allebei deze vragen.
De informatie ligt vast in de sequentie van nucleotiden over elke DNA-streng. Elke base kan gezien worden als letter
in een vierletterig alfabet wat gebruikt wordt om biologische berichten uit te spellen. Organismen verschillen van
elkaar omdat hun DNA verschillende nucleotidesequenties hebben en, verschillende biologische berichten
meedragen.
DNA-berichten moeten op de één of andere manier in staat zijn om eiwitten te maken. Als we de chemische
eigenschappen van eiwitten in acht nemen, wordt het probleem al makkelijker te definiëren. De functie van een
eiwit wordt bepaald door de driedimensionale structuur, die weer bepaald wordt door de aminozuurvolgorde van de
polypeptideketen. De lineaire volgorde van nucleotiden in een gen moeten daarom op de een of andere manier de
lineaire volgorde van aminozuren in een eiwit spellen.
De exacte correspondentie tussen het vierletterige-nucleotidealfabet van DNA en het 20-letterige aminozuuralfabet
van eiwitten (de genetische code) komt niet direct naar voren uit de structuur van een DNA-molecuul. In hoofdstuk
wordt de genetische code meer gedetailleerd besproken als we het hebben over genexpressie (het proces waarbij
de nucleotidevolgorde wordt getranscribeerd naar de nucleotidevolgorde van een RNA-molecuul, en meestal wordt
getransleerd naar de aminozuurvolgorde van een eiwit).
De hoeveelheid informatie in het DNA van een organisme is duizelingwekkend: om het volledige menselijke DNA uit
te schrijven zijn wel 1000 dikke boeken nodig. Hier ligt het probleem wat de bouw van een eukaryoot chromosoom
beïnvloedt: Hoe kan al deze informatie netjes verpakt worden in de celkern?
De structuur van eukaryote chromosomen
In eukaryote cellen wordt lang, dubbelstrengs DNA verpakt in chromosomen. Deze chromosomen passen niet alleen
handig in de kern, maar kunnen, na duplicering, goed verdeeld worden over de twee dochtercellen. De complexe
taak van DNA verpakken wordt volbracht door gespecialiseerde eiwitten die het DNA binden en opvouwen,
waardoor verschillende wikkelingen ontstaan. Hierdoor wordt voorkomen dat DNA een verklitte, ongeorganiseerde
zooi wordt.
De structuur van DNA
Chromosomen werden in de negentiende eeuw ontdekt als draadachtige structuren in de kern van eukaryote cellen,
die zichtbaar worden als de cel zich gaat delen. Later kwamen onderzoekers erachter dat chromosomen zowel DNA
als eiwitten bevatten.
DNA draagt de genetische informatie van de cel bij zich. De eiwitten in chromosomen zijn hoofdzakelijk bedoeld om
de enorm lange DNA moleculen bijeen te pakken en onder controle te houden. DNA is een lange polymeer die
bestaat uit slechts vier typen nucleotiden, die chemisch gezien erg op elkaar lijken.
Een DNA-molecuul bestaat uit twee complementaire ketens van
nucleotiden
Een molecuul van desoxyribose
nucleïnezuur (DNA) bestaat uit twee
lange polynucleotideketens. Elke keten
(streng) bestaat uit vier typen
nucleotidebasen, en worden
bijeengehouden door waterstofbruggen
tussen de baseparen.
Nucleotiden bestaan uit een
stikstofbase en een 5-koolstof suiker
waar een fosfaatgroep aan vastzit. Bij
DNA is de suikergroep desoxyribose en
de base adenine (A), cytosine (C),
guanine (G) of thymine (T).
De nucleotiden zijn covalent gebonden
aan elkaar door de suikers en fosfaten,
waardoor er een ruggengraat wordt
gevormd van afwisselend suiker en
fosfaat. Omdat alleen de basen
verschillen bij elke subunit, stelt elke
polynucleotideketen een ketting voor:
een suiker-fosfaat streng met daaraan
vier typen kleine kralen.
De nucleotide-eenheden binnen een
DNA-streng worden bijeengehouden
door fosfo-diesterverbindingen die de
5’ kant van de ene suiker aan de 3’ kant
van de andere suiker koppelen.
De twee polynucleotideketens in de dubbele helix van het DNA worden bijeengehouden door waterstofbindingen
tussen de basen van verschillende strengen. Alle basen zijn daardoor aan de binnenkant van de helix, met de suiker-
fosfaat-ruggengraten aan de buitenkant. De basen vormen geen willekeurige paren: A vormt een paar met T en C
vormt een paar met G. Op deze manier wordt een purine (T, G) gepaard met een pyrimidine (A, C). Elk purine-
pyrimidinepaar wordt een basenpaar genoemd. Door de complementaire baseparing kunnen de baseparen in de
energetisch favoriete manier gearrangeerd worden. Op deze manier hebben alle baseparen dezelfde breedte,
waardoor de afstand tussen beide strengen altijd even lang is.
, Als gevolg van de basenparing bevat elke streng van een dubbele DNA helix een volgorde van nucleotiden die exact
complementair is aan de nucleotidevolgorde van de partnerstreng. Dit is van groot belang als het neerkomt op het
kopiëren en onderhouden van de DNA-structuur.
De structuur van DNA is een mechanisme voor erfelijkheid
Het feit dat genen coderen voor informatie die gekopieerd en goed overgedragen moet worden stelt ons voor twee
fundamentele problemen: hoe kan de informatie voor een organisme overgedragen worden in chemische vorm, en
hoe kan de informatie juist gekopieerd worden? De structuur van DNA beantwoord allebei deze vragen.
De informatie ligt vast in de sequentie van nucleotiden over elke DNA-streng. Elke base kan gezien worden als letter
in een vierletterig alfabet wat gebruikt wordt om biologische berichten uit te spellen. Organismen verschillen van
elkaar omdat hun DNA verschillende nucleotidesequenties hebben en, verschillende biologische berichten
meedragen.
DNA-berichten moeten op de één of andere manier in staat zijn om eiwitten te maken. Als we de chemische
eigenschappen van eiwitten in acht nemen, wordt het probleem al makkelijker te definiëren. De functie van een
eiwit wordt bepaald door de driedimensionale structuur, die weer bepaald wordt door de aminozuurvolgorde van de
polypeptideketen. De lineaire volgorde van nucleotiden in een gen moeten daarom op de een of andere manier de
lineaire volgorde van aminozuren in een eiwit spellen.
De exacte correspondentie tussen het vierletterige-nucleotidealfabet van DNA en het 20-letterige aminozuuralfabet
van eiwitten (de genetische code) komt niet direct naar voren uit de structuur van een DNA-molecuul. In hoofdstuk
wordt de genetische code meer gedetailleerd besproken als we het hebben over genexpressie (het proces waarbij
de nucleotidevolgorde wordt getranscribeerd naar de nucleotidevolgorde van een RNA-molecuul, en meestal wordt
getransleerd naar de aminozuurvolgorde van een eiwit).
De hoeveelheid informatie in het DNA van een organisme is duizelingwekkend: om het volledige menselijke DNA uit
te schrijven zijn wel 1000 dikke boeken nodig. Hier ligt het probleem wat de bouw van een eukaryoot chromosoom
beïnvloedt: Hoe kan al deze informatie netjes verpakt worden in de celkern?
De structuur van eukaryote chromosomen
In eukaryote cellen wordt lang, dubbelstrengs DNA verpakt in chromosomen. Deze chromosomen passen niet alleen
handig in de kern, maar kunnen, na duplicering, goed verdeeld worden over de twee dochtercellen. De complexe
taak van DNA verpakken wordt volbracht door gespecialiseerde eiwitten die het DNA binden en opvouwen,
waardoor verschillende wikkelingen ontstaan. Hierdoor wordt voorkomen dat DNA een verklitte, ongeorganiseerde
zooi wordt.
