De DNA-helix

Overzicht

Deoxyribonucleïnezuur, of DNA, is het genetische materiaal dat verantwoordelijk is voor het doorgeven van eigenschappen van generatie op generatie in alle organismen en de meeste virussen. DNA is samengesteld uit twee strengen nucleotiden die om elkaar heen wikkelen om een dubbele helix te vormen. De ontdekking van de DNA-structuur vond stapsgewijs plaats gedurende bijna een eeuw en vertegenwoordigt een van de beroemdste en meest boeiende verhalen in de geschiedenis van de wetenschap.

DNA-structuur in detail

Elke DNA-streng bestaat uit subeenheden die nucleotiden worden genoemd en die de suiker deoxyribose, een fosfaatgroep en een van de vier stikstofhoudende basen bevatten: adenine (A), guanine (G), cytosine (C) en thymine (T). Adenine en guanine zijn leden van een grotere klasse chemicaliën, purines genaamd, die allemaal tweeledige structuren bevatten. Cytosine en thymine behoren tot een groep van ringvormige structuren die pyrimidinen worden genoemd.

Aangrenzende nucleotiden in dezelfde streng zijn covalent verbonden door fosfodiësterbindingen. De twee nucleotidenstrengen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen. De adeninen in de ene streng vormen waterstofbruggen met thyminen op dezelfde positie in de andere streng en de cytosinen in de ene streng vormen waterstofbruggen met guaninen op dezelfde positie in de andere streng. Deze waterstofbinding wordt mogelijk gemaakt door de antiparallelle opstelling van de twee DNA-strengen, waarbij de 5'- en 3'-uiteinden van de strengen in tegengestelde richtingen zijn georiënteerd. Zonder deze volgorde zouden de nucleotiden zich in de verkeerde positie bevinden om waterstofbruggen tussen de strengen te vormen.

De twee strengen van het DNA-molecuul zijn in een veerachtige structuur gewikkeld die een dubbele helix wordt genoemd. De dubbele helix is echter niet helemaal symmetrisch. Er komen regelmatig groeven in de constructie voor. De belangrijkste groef bevindt zich op een positie waar de suikerfosfaatketens relatief ver uit elkaar liggen. Deze ruimte geeft toegang tot DNA-bindende eiwitten, zoals transcriptiefactoren. De kleine groef daarentegen treedt op waar de suikerfosfaatketens dicht bij elkaar liggen. Relatief weinig eiwitten binden via de kleine groef aan DNA.

De ontdekking van DNA-structuur: een korte geschiedenis

Het verhaal van de ontdekking van de DNA-structuur begint in 1869 toen de Zwitserse wetenschapper Friedrich Miescher een stof ontdekte die hij "nucleïne" noemde. Tijdens het extraheren van eiwit uit witte bloedcellen vond Miescher een onverwachte stof met een relatief hoog fosforgehalte. Hij wist niet wat het was, maar hij vermoedde dat het biologisch belangrijk kon zijn. Miescher had gelijk, maar het duurde decennia voordat de wetenschappelijke gemeenschap zijn inzichten volledig apprecieerde.

De volgende cruciale ontdekking werd gedaan door de Russische biochemicus Phoebus Levene. In 1919 stelde Levene voor dat nucleïne, toen bekend als een nucleïnezuur, bestond uit ketens van moleculen die hij polynucleotiden noemde. Levene's voorstel kwam voort uit zijn onderzoek naar gist, waarin hij ontdekte dat de individuele nucleotiden waren samengesteld uit een fosfaatgroep, een suiker en een stikstofhoudende base. Hoewel Levene's polynucleotidemodel in veel opzichten correct was, was het nog steeds onduidelijk hoe de basen in het DNA-molecuul waren gerangschikt.

De Oostenrijkse biochemicus Erwin Chargaff breidde het werk van Levene uit. Aan het eind van de jaren veertig deed Chargaff een belangrijke ontdekking: de hoeveelheid adenine in het DNA is altijd ongeveer gelijk aan de hoeveelheid thymine en de hoeveelheid guanine is altijd ongeveer gelijk aan de hoeveelheid cytosine. Dit patroon werd bekend als Chargaff's regel en was een belangrijk bewijsstuk dat bijdroeg aan het ophelderen van de DNA-structuur.

In de vroege jaren 1950 vochten de Amerikaanse bioloog James Watson en de Engelse natuurkundige Francis Crick tegen hun belangrijkste rivaal, de Amerikaan Linus Pauling, om de driedimensionale structuur van DNA te ontdekken. Voortbouwend op het werk van Chargaff, gebruikten ze kennis van natuurkunde, wiskunde en scheikunde om fysieke modellen van DNA te construeren. Maar ze waren niet succesvol totdat ze een stuk kritische informatie ontvingen: een röntgenfoto van DNA die nauwkeurig de dubbele helixstructuur aangaf. Deze foto was van natuurkundige Rosalind Franklin en was nog niet gepubliceerd. Zonder medeweten van Franklin was deze informatie aan Watson en Crick gegeven. Watson en Crick publiceerden hun beschrijving van de DNA-structuur in 1953, en samen met Maurice Wilkins (een medewerker van Franklin) wonnen ze voor deze ontdekking de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde 1962. Helaas stierf Franklin in 1958 en kwam daarom niet in aanmerking voor een Nobelprijs.