Hoewel de DNA-structuur niet bekend was, waren de basisbouwstenen van DNA reeds vele jaren gekend. De basiselementen van DNA waren geïsoleerd en bepaald door gezuiverd DNA gedeeltelijk op te breken. Deze studies toonden aan dat DNA is samengesteld uit slechts vier basismoleculen, nucleotiden genaamd, die identiek zijn behalve dat elk een verschillende stikstofbasis bevat. Elke nucleotide bevat fosfaat, suiker (van het deoxyribose-type) en één van de vier basen (figuur 8-4). Wanneer de fosfaatgroep niet aanwezig is, vormen de basis en de desoxyribose een nucleoside in plaats van een nucleotide. De vier basen zijn adenine, guanine, cytosine en thymine. De volledige chemische namen van de nucleotiden zijn desoxyadenosine-5′-monofosfaat (desoxyadenylaat, of dAMP), desoxyguanosine-5′-monofosfaat (desoxyguanylaat, of dGMP), deoxycytidine 5′-monofosfaat (deoxycytidylaat, ordCMP), en deoxythymidine 5′-monofosfaat (deoxythymidylaat, of dTMP). Het is echter handiger om elk nucleotide aan te duiden met de afkorting van zijn base (respectievelijk A, G, C en T). Twee van de basen, adenine en guanine, hebben een gelijksoortige structuur en worden purines genoemd. De andere twee basen, cytosine en thymine, zijn ook gelijksoortig en worden pyrimidines genoemd.
Figuur 8-4
Chemische structuur van de vier nucleotiden (twee met purinebasen en twee met pyrimidinebasen) die de fundamentele bouwstenen van DNA vormen.De suiker wordt deoxyribose genoemd omdat het een variant is van een gewone suiker, ribose, die één zuurstof meer heeft (meer…)
Nadat de centrale rol van DNA in de erfelijkheid duidelijk werd, gingen veel wetenschappers aan de slag om de exacte structuur van DNA te bepalen. Hoe kan een molecule met zo’n beperkt aantal verschillende bestanddelen de enorme hoeveelheid informatie over alle eiwit primaire structuren van het levende organisme opslaan? De eersten die erin slaagden de bouwstenen samen te voegen en een redelijke DNA-structuur te vinden – Watson en Crick in 1953 – werkten op basis van twee soorten aanwijzingen. Ten eerste hadden Rosalind Franklin en Maurice Wilkins gegevens verzameld over röntgendiffractie van de DNA-structuur. Bij dergelijke experimenten worden röntgenstralen afgevuurd op DNA-vezels, en de verstrooiing van de stralen uit de vezel wordt waargenomen door ze te vangen op fotografische film, waar de röntgenstralen vlekken produceren. De verstrooiingshoek van elke vlek op de film geeft informatie over de positie van een atoom of bepaalde groepen atomen in het DNA-molecuul. Deze procedure is niet eenvoudig uit te voeren (of uit te leggen), en de interpretatie van de vlekkenpatronen is zeer moeilijk. De beschikbare gegevens wijzen erop dat DNA lang en mager is en dat het twee gelijksoortige delen heeft die parallel aan elkaar lopen en over de lengte van het molecuul lopen. De röntgengegevens toonden aan dat het molecuul spiraalvormig is. Andere onregelmatigheden waren aanwezig in de vlekkenpatronen, maar niemand had nog een driedimensionale structuur bedacht die alleen die vlekkenpatronen kon verklaren.
De tweede reeks aanwijzingen waarover Watson en Crick beschikten, kwam van werk dat enkele jaren eerder was verricht door Erwin Chargaff. Door een grote selectie DNA’s van verschillende organismen te bestuderen (Tabel 8-1), stelde Chargaff bepaalde empirische regels op over de hoeveelheden van elk bestanddeel van DNA:
Tabel 8-1
Molaire Eigenschappen van Basen* in DNA’s van verschillende Bronnen.
De totale hoeveelheid pyrimidinenucleotiden (T + C) is altijd gelijk aan de totale hoeveelheid purinenucleotiden (A + G).
De hoeveelheid T is altijd gelijk aan de hoeveelheid A, en de hoeveelheid C is altijd gelijk aan de hoeveelheid G. Maar de hoeveelheid A + T is niet noodzakelijkerwijs gelijk aan de hoeveelheid G + C, zoals te zien is in de laatste kolom van Tabel 8-1. Deze verhouding varieert tussen verschillende organismen.
Double helix
De structuur die Watson en Crick uit deze aanwijzingen afleidden is een dubbele helix, die veel weg heeft van twee in elkaar grijpende bedveren. Elke bedspring (helix) is een keten van nucleotiden die bijeen worden gehouden door fosfodiesterbindingen, waarbij een fosfaatgroep een brug vormt tussen -OH-groepen op twee aangrenzende suikerresiduen. De twee “bedsprings” (helixen) worden bijeengehouden door waterstofbruggen, waarbij twee elektronegatieve atomen een proton “delen”, tussen de basen. Waterstofbruggen vormen zich tussen waterstofatomen met een kleine positieve lading en acceptoratomen met een kleine negatieve lading. Bijvoorbeeld,
Elk waterstofatoom in de NH2-groep is licht positief (δ+) omdat het stikstofatoom de neiging heeft de elektronen van de N-H-binding aan te trekken, waardoor het waterstofatoom een klein tekort aan elektronen overhoudt. Het zuurstofatoom heeft zes ongebonden elektronen in zijn buitenste schil, waardoor het licht negatief is (δ -). Een waterstofbrug vormt zich tussen één H en de O. Waterstofbruggen zijn vrij zwak (slechts ongeveer 3% van de sterkte van een aovalente chemische verbinding), maar deze zwakte speelt (zoals we zullen zien) een belangrijke rol in de functie van het DNA-molecuul in de erfelijkheid. Nog een belangrijk chemisch feit: de waterstofbrug is veel sterker als de deelnemende atomen “naar elkaar wijzen” in de ideale oriëntaties.
De waterstofbruggen worden gevormd door basenparen en worden aangegeven door stippellijnen in figuur 8-5, die een deel van deze gepaarde structuur toont met de schroeflijnen ontspannen. Elk basenpaar bestaat uit één purine base en één pyrimidine base, gepaard volgens de volgende regel: In figuur 8-6, een vereenvoudigde afbeelding van het spoelen, wordt elk van de basenparen voorgesteld door een “stokje” tussen de “linten”, of zogenaamde suiker-fosfaat ruggengraten van de ketens. In figuur 8-5 is te zien dat de twee ruggengraten in tegengestelde richting lopen; men zegt dus dat ze evenwijdig zijn, en (om redenen die in de figuur te zien zijn) wordt de ene de 5′ → 3′ streng genoemd en de andere de3′ → 5′ streng.
Figuur 8-5
De dubbele helix van DNA, ontrold om de suiker-fosfaat ruggengraten (blauw) en basis-paar sporten (rood) te tonen. De ruggengraten lopen in tegengestelde richtingen; de 5′ en 3′ uiteinden zijn genoemd naar de oriëntatie van de 5′ en 3′ koolstofatomen (meer…)
Figuur 8-6
Een vereenvoudigd model dat de spiraalvormige structuur van DNA laat zien. De staafjes stellen de basenparen voor, en de linten de suiker-fosfaat ruggengraten van de twee antiparallelle ketens. De verschillende metingen zijn gegeven in angstroms (1 Å = 0.1 (meer…)
De dubbele helix kwam goed overeen met de röntgengegevens en sloot heel mooi aan bij de gegevens van Chargaff. Bij het bestuderen van modellen die zij van de structuur hadden gemaakt, realiseerden Watson en Crick zich dat de waargenomen straal van de dubbele helix (bekend uit de röntgengegevens) verklaard zou kunnen worden als een purine base altijd paart (door waterstofbruggen) met een pyrimidine base (figuur 8-7). Een dergelijke koppeling zou de door Chargaff waargenomen regelmatigheid (A + G) = (T + C) verklaren, maar zou vier mogelijke paren voorspellen: De gegevens van Chargaff geven echter aan dat T alleen paart met Aand en C alleen met G. Watson en Crick toonden aan dat alleen deze twee paren de noodzakelijke complementaire “sleutel-en-slot”-vormen hebben om een efficiënte waterstofbinding mogelijk te maken (figuur 8-8).
Figuur 8-7
De koppeling van purines aan pyrimidines komt precies overeen met de diameter van de DNA-dubbele helix die uit röntgengegevens is afgeleid. (Uit R. E. Dickerson, “The DNA Helix and How It Is Read.” Copyright ©1983 door Scientific American, Inc. (meer…)
Figuur 8-8
De lock-and-key waterstofbruggen tussen A en T en tussen G enC. (Uit G. S. Stent, Molecular Biology of BacterialViruses. Copyright © 1963 door W. H. Freeman and Company.)
Merk op dat het G-C paar drie waterstofbruggen heeft, terwijl het A-T paar er slechts twee heeft. We zouden voorspellen dat DNA met veel G-C paren stabieler zou zijn dan DNA met veel A-T paren. In feite wordt deze voorspelling bevestigd. De DNA-structuur verklaart keurig de gegevens van Chargaff (figuur 8-9), en die structuur komt overeen met de röntgengegevens.
Figuur 8-9
(a) Een ruimtevullend model van de dubbele helix van DNA. (b) Een afgewikkelde voorstelling van een kort stuk nucleotidenparen, die laat zien hoe de koppeling van A-T en G-C de Chargaff-ratio’s oplevert. Dit model is een van de verschillende vormen van DNA, de zogenaamde (meer…)
Driedimensionale weergave van de dubbele helix
In drie dimensies vormen de basen tamelijk platte structuren, en deze platte basen stapelen zich gedeeltelijk op elkaar in de gedraaide structuur van de dubbele helix.Deze stapeling van basen draagt enorm bij tot de stabiliteit van het molecuul door watermoleculen uit te sluiten van de ruimten tussen de basenparen. (Dit fenomeen lijkt sterk op de stabiliserende kracht die je voelt wanneer je onder water twee glasplaten tegen elkaar drukt en ze dan probeert te scheiden.) Later realiseerde men zich dat er twee vormen van DNA in de door diffractie geanalyseerde vezel zaten. De A-vorm is minder gehydrateerd dan de B-vorm en is compacter. Men gelooft dat de B-vorm vanDNA de vorm is die het meest in levende cellen wordt aangetroffen.
De stapeling van de basenparen in de dubbele helix resulteert in twee groeven in de suiker-fosfaat ruggengraten. Deze groeven worden de grote en kleine groeven genoemd en kunnen gemakkelijk worden gezien in het ruimtevullende (driedimensionale) model in figuur 8-9a.
Implicaties van de DNA-structuur
De opheldering van de structuur van DNA veroorzaakte veel opwinding in de genetica (en in alle gebieden van de biologie) om twee fundamentele redenen. Ten eerste suggereert de structuur een voor de hand liggende manier waarop de molecule kan worden gedupliceerd, of gerepliceerd, in zoverre dat elke base zijn complementaire base kan specificeren door waterstofbinding. Deze essentiële eigenschap van een genetisch molecuul was tot op dat moment een mysterie. Ten tweede suggereert de structuur dat deze volgorde van nucleotideparen in DNA misschien de volgorde van aminozuren dicteert in het eiwit dat door dat gen wordt georganiseerd. Met andere woorden, een soort genetische code kan informatie in DNA schrijven als een opeenvolging van nucleotidenparen en deze vervolgens vertalen in een andere taal van aminozuurreeksen in eiwitten.
Deze basisinformatie over DNA is nu bekend bij bijna iedereen die op de lagere of middelbare school een leerboek over abiologie heeft gelezen, of zelfs in tijdschriften en kranten.Maar probeer jezelf terug te verplaatsen in de situatie in 1953 en stel je de opwinding voor.Tot dan toe was het bewijs dat het oninteressante DNA de genetische molecule was, teleurstellend en ontmoedigend geweest. Maar de Watson-Crick structuur van DNA opende plotseling de mogelijkheid om twee van de grootste “geheimen” van het leven te verklaren. James Watson vertelde het verhaal van deze ontdekking (vanuit zijn eigen standpunt, sterk in twijfel getrokken door andere deelnemers) in een fascinerend boek genaamd The Double Helix, dat het ingewikkelde samenspel onthult van persoonlijkheidsconflicten, slimme inzichten, hard werken, en gewoon geluk in zulke belangrijke wetenschappelijke vooruitgang.
Alternatieve structuren
Naast de A en B vormen van DNA werd een nieuwe vorm gevonden in kristallen van synthetisch bereid DNA die afwisselend G’s en C’s bevatten op de samendraad. Deze Z DNA vorm heeft een zigzag-achtige ruggengraat en genereert een linkshandige helix, terwijl zowel A als B DNA rechtshandige helices vormen.