Leerdoelen
- Noem de drie basisonderdelen van een desoxyribonucleotide.
- Leg uit welke stikstofhoudende basen purines en welke pyrimidines zijn.
- Definieer complementaire basenparen.
- Leg uit waarom DNA alleen kan worden gesynthetiseerd in een 5′ tot 3′ richting.
- Vergelijk de prokaryotische nucleoïde met de eukaryotische kern in termen van het volgende:
- aantal chromosomen
- lineaire of circulaire chromosomen
- aanwezigheid of afwezigheid van een kernmembraan
- aanwezigheid of afwezigheid van nucleosomen
- aanwezigheid of afwezigheid van mitose
- aanwezigheid of afwezigheid van meiose
DNA is een lang, dubbelstrengs, spiraalvormig molecuul dat is opgebouwd uit bouwstenen die desoxyribonucleotiden worden genoemd. Elke desoxyribonucleotide bestaat uit drie delen: een molecuul van de 5-koolstofsuiker desoxyribose, een stikstofhoudende base en een fosfaatgroep (Figuur \(\PageIndex{1})).
- Desoxyribose. Deoxyribose is een vijf-koolstof suiker met een ring (Figuur 1). De 5 koolwaterstoffen zijn met de klok mee genummerd rond de suiker. De eerste 4 koolstoffen vormen de ring van de suiker, waarbij de 5-koolstof van de 4-koolstof in de ring komt. De stikstofhoudende basis van de nucleotide is gebonden aan de 1′ koolstof van de suiker en de fosfaatgroep is gebonden aan de 5′ koolstof. Tijdens de DNA-synthese wordt de fosfaatgroep van een nieuw desoxyribonucleotide door het enzym DNA-polymerase covalent gebonden aan de 3′-koolstof van een nucleotide dat zich reeds in de keten bevindt.
- Een stikstofhoudende base. Er zijn vier stikstofbasen in DNA: adenine, guanine, cytosine of thymine. Adenine en guanine staan bekend als purine basen, terwijl cytosine en thymine bekend staan als pyrimidine basen (figuur).
- Een fosfaatgroep (Figuur \(\PageIndex{4})).
Om de twee ketens van desoxyribonucleotiden tijdens de DNA-replicatie te synthetiseren, zijn de betrokken DNA-polymerase-enzymen alleen in staat om de fosfaatgroep op de 5′ koolstof van een nieuwe nucleotide te verbinden met de hydroxylgroep (OH) van de 3′ koolstof van een nucleotide (Figuur \PageIndex{2}}) die zich al in de keten bevindt. De covalente binding die de nucleotiden verbindt, wordt een fosfodiësterbinding genoemd. Elke DNA-streng heeft een zogenaamd 5′-uiteinde en een 3′-uiteinde. Dit betekent dat aan het ene uiteinde van elke DNA-streng, het 5′-uiteinde genoemd, altijd een fosfaatgroep is gehecht aan het 5′-koolstof van het eindpunt van de desoxyribonucleotide (Figuur 26). Het andere uiteinde van die streng, het 3′-uiteinde genoemd, heeft altijd een hydroxyl (OH) op de 3′-koolstof van het uiteinde van zijn desoxyribonucleotide (
Zoals in de volgende sectie zal blijken, fungeert elke ouderstreng tijdens de DNA-replicatie als sjabloon voor de synthese van de andere streng door middel van complementaire basenparing. Complementaire basenparing verwijst naar DNA-nucleotiden met de basis adenine die alleen waterstofbruggen vormen met nucleotiden met de basis thymine (A-T). Evenzo kunnen nucleotiden met de basis guanine alleen waterstofbruggenbindingen aangaan met nucleotiden met de basis cytosine (G-C). (In het geval van RNA-nucleotiden vormen, zoals later zal blijken, adenine-nucleotiden waterstofbruggen met nucleotiden met de basis uracil, aangezien thymine niet in RNA wordt aangetroffen). Als gevolg van deze binding neemt het DNA zijn spiraalvorm aan. Daarom wordt gezegd dat de twee DNA-strengen complementair zijn. Overal waar de ene streng een adenine-bevattende nucleotide heeft, zal de tegenoverliggende streng altijd een thymine-nucleotide hebben; overal waar een guanine-bevattende nucleotide is, zal de tegenoverliggende streng altijd een cytosine-nucleotide hebben (figuur).
Wanneer de twee DNA-strengen complementair zijn, zijn zij in tegengestelde richting van elkaar georiënteerd. Van de ene streng wordt gezegd dat hij van 5′ naar 3′ loopt; de tegenoverliggende DNA-streng loopt antiparallel, of 3′ naar 5′ (Figuur
We zullen nu kort het genoom van prokaryotische cellen vergelijken met dat van eukaryotische cellen.
Het prokaryotisch (bacterieel) genoom
Het gebied binnen een bacterie waar het chromosoom met een elektronenmicroscoop kan worden gezien, wordt een nucleoïde genoemd. Het chromosoom van de meeste prokaryoten is typisch één lange, enkele molecule van dubbelstrengs, spiraalvormig, supergewikkeld DNA dat een fysieke en genetische cirkel vormt. Het chromosoom is doorgaans zo’n 1000 µm lang en bevat vaak zo’n 4000 genen (figuur). Escherichia coli, die 2-3 µm lang is, heeft een chromosoom van ongeveer 1400 µm lang. Om een zo groot macromolecuul in de bacterie te laten passen, binden histon-achtige eiwitten zich aan het DNA, waardoor het DNA-molecuul in ongeveer 50 chromosomale domeinen wordt opgedeeld en compacter wordt. Een DNA-topoisomerase-enzym, DNA-gyrase genaamd, rolt het chromosoom vervolgens op tot een strakke bundel, waardoor een samengeperste, supergerolde DNA-massa ontstaat met een doorsnede van ongeveer 0,2 µm.
Bacteriële enzymen, DNA-topoisomerasen genaamd, zijn essentieel bij het afwikkelen, repliceren en opnieuw opwikkelen van het cirkelvormige, supergewikkelde bacteriële DNA (figuur
Figuur: Cirkelvormig, supergewikkeld prokaryotisch DNA. Om de grote DNA-molecyle in de bacterie te laten passen, spant een DNA-topoisomerase-enzym, DNA-gyrase genaamd, het chromosoom op tot een strakke bundel die een samengeperste, supergewikkelde DNA-massa vormt met een diameter van ongeveer 0,2 µm.
De prokaryotische nucleoïde heeft geen kernmembraan rond het DNA en het kernlichaam deelt zich niet door mitose. Het cytoplasmatische membraan speelt een rol bij de DNA-scheiding tijdens de bacteriële replicatie. Aangezien bacteriën haploïd zijn (slechts één chromosoom hebben), is er ook geen meiose.
Het Eukaryotisch Genoom
Prokaryotische en eukaryotische cellen verschillen sterk in zowel de hoeveelheid als de organisatie van hun DNA-moleculen. Eukaryote cellen bevatten veel meer DNA dan bacteriën, en dit DNA is georganiseerd als meervoudige chromosomen die zich in een kern bevinden.
De kern in eukaryote cellen is omgeven door een kernmembraan (Figuur 7) en bevat lineaire chromosomen die zijn samengesteld uit negatief geladen DNA dat is geassocieerd met positief geladen basiseiwitten die histonen worden genoemd om structuren te vormen die bekend staan als nucleosomen. De nucleosomen maken deel uit van wat chromatine wordt genoemd, het DNA en de eiwitten waaruit de chromosomen zijn opgebouwd. De kern deelt zich door mitose en haploïde geslachtscellen worden geproduceerd uit diploïde cellen door meiose.
Het DNA in eukaryote cellen is op een zeer georganiseerde manier verpakt. Het bestaat uit een basiseenheid die nucleosoom wordt genoemd, een kraalachtige structuur met een diameter van 11 nm die bestaat uit 146 basenparen DNA die rond acht histonmoleculen zijn gewikkeld. De nucleosomen zijn met elkaar verbonden door een DNA-segment van ongeveer 60 basenparen lang, linker-DNA genaamd (figuur). Een ander histon, verbonden met het linker-DNA, verpakt vervolgens aangrenzende nucleotiden tot een nucleosoomdraad van 30 nm in diameter. Tenslotte vormen deze verpakte nucleosoomdraden grote opgerolde lussen die bijeengehouden worden door nonhiston scaffolding-eiwitten. Deze opgerolde lussen op de scaffolding-eiwitten werken samen om het gecondenseerde chromatine te vormen dat te zien is in chromosomen tijdens mitose (figuur).
De laatste jaren is gebleken dat de structurele aard van het desoxyribonucleoproteïne ertoe bijdraagt of DNA al dan niet in RNA wordt omgezet. Zo kunnen chemische veranderingen in het chromatine ervoor zorgen dat delen ervan condenseren of ontspannen. Wanneer een regio gecondenseerd is, kunnen genen niet worden getranscribeerd. Bovendien kunnen chemische groepen zich hechten aan of verwijderd worden van de histon-eiwitten waar het DNA zich omheen wikkelt. De aanhechting of verwijdering van deze chemische groepen aan het histon bepaalt of genexpressie in de buurt wordt versterkt of onderdrukt.
Het epigenoom verwijst naar een verscheidenheid aan chemische verbindingen die het genoom wijzigen, meestal door een methylgroep (CH3) toe te voegen aan de nucleotidebasis adenine op specifieke plaatsen in het DNA-molecuul. Deze methylering kan op haar beurt de transcriptie van specifieke genen onderdrukken of activeren. Door in feite genen aan of uit te zetten, stelt het epigenoom het genoom in staat te interageren met en te reageren op de omgeving van de cel. Het epigenoom kan net als het genoom worden overgeërfd.
Samenvatting
- Deoxyribonucleïnezuur (DNA) is een lang, dubbelstrengs, spiraalvormig molecuul dat is opgebouwd uit bouwstenen die deoxyribonucleotiden worden genoemd.
- Een desoxyribonucleotide bestaat uit 3 delen: een molecuul van de 5-koolstof suiker desoxyribose, een stikstofhoudende basis, en een fosfaatgroep.
- Er zijn vier stikstofhoudende basen die in DNA voorkomen: adenine, guanine, cytosine, of thymine. Adenine en guanine staan bekend als purine basen, terwijl cytosine en thymine bekend staan als pyrimidine basen.
- Deoxyribose is een geringde 5-koolstof suiker. De 5 koolwaterstoffen zijn met de klok mee genummerd rond de suiker. De eerste 4 koolstofatomen vormen in feite de ring van de suiker, waarbij de 5′ koolstof van de 4′ koolstof in de ring afkomt. De stikstofhoudende basis van de nucleotide is gehecht aan de 1′ koolstof van de suiker en de fosfaatgroep is gebonden aan de 5′ koolstof.
- Tijdens de DNA-synthese kan het enzym DNA-polymerase de fosfaatgroep van een nieuw desoxyribonucleotide alleen hechten aan de 3′ koolstof van een nucleotide dat zich al in de keten bevindt.
- Tijdens DNA-replicatie fungeert elke ouderstreng als sjabloon voor de synthese van de andere streng door middel van complementaire basenparing.
- Complementaire basenparing verwijst naar DNA-nucleotiden met de basis adenine die alleen waterstofbruggen vormen met nucleotiden met de basis thymine (A-T). Evenzo kunnen nucleotiden met de basis guanine alleen waterstofbruggen vormen met nucleotiden met de basis cytosine (G-C).
- Wanneer de twee strengen van DNA complementair zijn, zijn zij in tegengestelde richting van elkaar georiënteerd. Van de ene streng wordt gezegd dat hij van 5′ naar 3′ loopt; de tegenoverliggende DNA-streng loopt antiparallel, of 3′ naar 5′.
- In prokaryotische cellen is er geen kernmembraan dat het DNA omgeeft. Prokaryote cellen missen mitose en meiose.
- Om een macromolecuul van deze omvang binnen de bacterie te laten passen, binden histon-achtige eiwitten zich aan het DNA, waardoor het DNA-molecuul in ongeveer 50 chromosomale domeinen wordt gescheiden en compacter wordt. Vervolgens spant een enzym, DNA-gyrase genaamd, elk domein om zich heen tot een samengeperste, supergewikkelde massa DNA. Een topoisomerase, DNA-gyrase genaamd, katalyseert het negatief supercoilen van het circulaire DNA dat in bacteriën wordt aangetroffen. Topoisomerase IV daarentegen is betrokken bij het ontspannen van het supercoiled circulaire DNA, waardoor de scheiding van de onderling verbonden dochterchromosomen aan het einde van de bacteriële DNA-replicatie mogelijk wordt.
- Het DNA in eukaryote cellen is verpakt in basiseenheden die nucleosomen worden genoemd, een kraalachtige structuur die bestaat uit DNA dat rond acht histonmoleculen is gewikkeld. Het DNA is georganiseerd als meerdere chromosomen die zich in een kern bevinden, omgeven door een kernmembraan. De kern deelt zich door mitose en geslachtscellen worden geproduceerd door meiose bij eukaryoten die zich geslachtelijk voortplanten.
- De structurele aard van het desoxyribonucleoprteïne draagt ertoe bij of DNA al dan niet wordt getranscribeerd in RNA. Chemische veranderingen in het chromatine kunnen er bijvoorbeeld voor zorgen dat delen ervan condenseren of ontspannen. Wanneer een regio gecondenseerd is, kunnen genen niet worden getranscribeerd. Bovendien kunnen chemische groepen zich hechten aan of verwijderd worden van de histon-eiwitten waar het DNA zich omheen wikkelt. De aanhechting of verwijdering van deze chemische groepen aan het histon bepaalt of genexpressie in de buurt wordt versterkt of onderdrukt.
Bijdragers en toeschrijvingen
-
Dr. Gary Kaiser (COMMUNITY COLLEGE OF BALTIMORE COUNTY, CATONSVILLE CAMPUS)