De stikstofhoudende basen, belangrijke componenten van nucleotiden, zijn organische moleculen en worden zo genoemd omdat zij koolstof en stikstof bevatten. Het zijn basen omdat ze een aminogroep bevatten die het potentieel heeft een extra waterstof te binden, en dus de waterstofionconcentratie in zijn omgeving verlaagt, waardoor het meer basisch wordt. Elke nucleotide in DNA bevat een van de vier mogelijke stikstofbasen: adenine (A), guanine (G) cytosine (C), en thymine (T). RNA-nucleotiden bevatten ook een van de vier mogelijke basen: adenine, guanine, cytosine, en uracil (U) in plaats van thymine.
Adenine en guanine worden geclassificeerd als purines. De primaire structuur van een purine is twee koolstof-stikstofringen. Cytosine, thymine en uracil worden geclassificeerd als pyrimidines, die een enkele koolstof-stikstofring als hun primaire structuur hebben (figuur 1). Aan elk van deze elementaire koolstof-stikstofringen zijn verschillende functionele groepen verbonden. In de moleculaire biologie zijn de stikstofbasen eenvoudig bekend onder de symbolen A, T, G, C en U. DNA bevat A, T, G en C, terwijl RNA A, U, G en C bevat.
De pentose suiker in DNA is deoxyribose, en in RNA is de suiker ribose (figuur 1). Het verschil tussen de suikers is de aanwezigheid van de hydroxylgroep op de tweede koolstof van de ribose en waterstof op de tweede koolstof van de deoxyribose. De koolstofatomen van het suikermolecuul zijn genummerd als 1′, 2′, 3′, 4′ en 5′ (1′ wordt gelezen als “een priem”). Het fosfaatresidu is gebonden aan de hydroxylgroep van het 5′-koolstofatoom van de ene suiker en de hydroxylgroep van het 3′-koolstofatoom van de suiker van de volgende nucleotide, waardoor een 5′-3′ fosfodiesterbinding wordt gevormd. De fosfodiësterbinding wordt niet gevormd door een eenvoudige dehydratatiereactie zoals de andere bindingen die monomeren in macromoleculen verbinden: voor de vorming ervan moeten twee fosfaatgroepen worden verwijderd. Een polynucleotide kan duizenden van dergelijke fosfodiesterbindingen hebben.
DNA Dubbel-Helix Structuur
Figuur 2. DNA is een antiparallelle dubbele helix. De fosfaatruggengraat (de kromme lijnen) zit aan de buitenkant, en de basen zitten aan de binnenkant. Elke base heeft een wisselwerking met een base van de andere streng. (credit: Jerome Walker/Dennis Myts)
DNA heeft een dubbele-helix structuur (figuur 2). De suiker en het fosfaat liggen aan de buitenkant van de helix en vormen de ruggengraat van het DNA. De stikstofbasen liggen binnenin, als de treden van een trap, in paren op elkaar gestapeld; de paren zijn aan elkaar gebonden door waterstofbruggen. Elk basenpaar in de dubbele helix is 0,34 nm verwijderd van het volgende basenpaar.
De twee strengen van de helix lopen in tegengestelde richting, wat betekent dat het 5′-koolstofuiteinde van de ene streng tegenover het 3′-koolstofuiteinde van zijn overeenkomstige streng komt te liggen. (Dit wordt antiparallelle oriëntatie genoemd en is belangrijk voor DNA-replicatie en in veel nucleïnezuurinteracties.)
Alleen bepaalde typen basenparen zijn toegestaan. Bijvoorbeeld, een bepaalde purine kan alleen paren met een bepaalde pyrimidine. Dit betekent dat A kan paren met T, en G kan paren met C, zoals weergegeven in figuur 3. Dit staat bekend als de complementaire basisregel. Met andere woorden, de DNA-strengen zijn complementair aan elkaar. Als de sequentie van de ene streng AATTGGCC is, zou de complementaire streng de sequentie TTAACCGG hebben. Tijdens de DNA-replicatie wordt elke streng gekopieerd, wat resulteert in een dochter-DNA-dubbele helix die één ouderlijke DNA-streng en een nieuw gesynthetiseerde streng bevat.
Praktijkvraag
Figuur 3. In een dubbelstrengs DNA-molecuul lopen de twee strengen antiparallel aan elkaar, zodat de ene streng 5′ tot 3′ loopt en de andere 3′ tot 5′. De fosfaatruggengraat bevindt zich aan de buitenkant, en de basen bevinden zich in het midden. Adenine vormt waterstofbruggen (of basenparen) met thymine, en guanine basenparen met cytosine.
Een mutatie treedt op, en cytosine wordt vervangen door adenine. Welke invloed denk je dat dit zal hebben op de DNA-structuur?
RNA
Ribonucleïnezuur, of RNA, is voornamelijk betrokken bij het proces van eiwitsynthese onder leiding van het DNA. RNA is gewoonlijk enkelstrengs en bestaat uit ribonucleotiden die met elkaar verbonden zijn door fosfodiësterbindingen. Een ribonucleotide in de RNA-keten bevat ribose (de pentose suiker), een van de vier stikstofbasen (A, U, G, en C), en de fosfaatgroep.
Er zijn vier hoofdtypen RNA: boodschapper-RNA (mRNA), ribosomaal RNA (rRNA), transfer-RNA (tRNA), en microRNA (miRNA). Het eerste, mRNA, draagt de boodschap over van het DNA, dat alle cellulaire activiteiten in een cel controleert. Als een cel een bepaald eiwit nodig heeft om te worden gesynthetiseerd, wordt het gen voor dit product “aangezet” en wordt het boodschapper-RNA gesynthetiseerd in de celkern. De basissequentie van het RNA is complementair aan de coderende sequentie van het DNA waarvan het is gekopieerd. In RNA ontbreekt echter de base T en is in plaats daarvan U aanwezig. Als de DNA-streng de sequentie AATTGCGC heeft, is de sequentie van het complementaire RNA UUAACGCG. In het cytoplasma interageert het mRNA met ribosomen en andere cellulaire machinerie (figuur 4).
Figuur 4. Een ribosoom bestaat uit twee delen: een grote subeenheid en een kleine subeenheid. Het mRNA zit tussen de twee subeenheden in. Een tRNA-molecuul herkent een codon op het mRNA, bindt zich eraan door complementaire basenparen, en voegt het juiste aminozuur toe aan de groeiende peptideketen.
Het mRNA wordt afgelezen in reeksen van drie basen die codons worden genoemd. Elk codon codeert voor een enkel aminozuur. Op deze manier wordt het mRNA gelezen en wordt het eiwitproduct gemaakt. Ribosomaal RNA (rRNA) is een belangrijk bestanddeel van ribosomen waarop het mRNA zich bindt. Het rRNA zorgt voor de juiste uitlijning van het mRNA en de ribosomen; het rRNA van het ribosoom heeft ook een enzymatische activiteit (peptidyltransferase) en katalyseert de vorming van de peptidebindingen tussen twee uitgelijnde aminozuren. Transfer RNA (tRNA) is een van de kleinste van de vier typen RNA, gewoonlijk 70-90 nucleotiden lang. Het draagt het juiste aminozuur naar de plaats van eiwitsynthese. Het is de baseparing tussen het tRNA en het mRNA die het mogelijk maakt dat het juiste aminozuur in de polypeptideketen wordt opgenomen. microRNA’s zijn de kleinste RNA-moleculen en hun rol omvat de regulering van genexpressie door te interfereren met de expressie van bepaalde mRNA-boodschappen.