Nucleïnezuren zijn belangrijke macromoleculen in de continuïteit van het leven. Zij dragen de genetische blauwdruk van een cel en dragen instructies voor het functioneren van de cel. De twee belangrijkste soorten nucleïnezuren zijn desoxyribonucleïnezuur (DNA) en ribonucleïnezuur (RNA). DNA is het genetisch materiaal dat wordt aangetroffen in alle levende organismen, variërend van eencellige bacteriën tot meercellige zoogdieren. Het andere type nucleïnezuur, RNA, is meestal betrokken bij de eiwitsynthese. De DNA-moleculen verlaten de celkern nooit, maar gebruiken in plaats daarvan een RNA-tussenpersoon om met de rest van de cel te communiceren. Andere soorten RNA zijn ook betrokken bij de eiwitsynthese en de regulering daarvan. In een later hoofdstuk zullen wij meer in detail ingaan op nucleïnezuren.
DNA en RNA zijn opgebouwd uit monomeren, nucleotiden genaamd, die met covalente bindingen aan elkaar zijn verbonden in een keten. Elke nucleotide bestaat uit drie componenten: een stikstofhoudende base, een vijf-koolstof suiker, en een fosfaatgroep (figuur 1). De stikstofhoudende base in een nucleotide zit vast aan het suikermolecuul, dat weer vastzit aan de fosfaatgroep.
De stikstofhoudende basen, belangrijke componenten van nucleotiden, zijn organische moleculen en worden zo genoemd omdat ze koolstof en stikstof bevatten. Het zijn basen omdat ze een aminogroep bevatten die het potentieel heeft een extra waterstof te binden en zo de waterstofionconcentratie in zijn omgeving verlaagt, waardoor het basischer wordt. Elke nucleotide in DNA bevat een van de vier mogelijke stikstofbasen: adenine (A), guanine (G) cytosine (C), en thymine (T). RNA bevat de base uracil (U) in plaats van thymine. De volgorde van de basen in een nucleïnezuur bepaalt de informatie die het DNA- of RNA-molecuul draagt. De volgorde van de basen in een DNA-gen bepaalt namelijk de volgorde waarin aminozuren zullen worden samengevoegd tot een eiwit.
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′ fosfodiësterbinding (een specifiek type covalente binding) wordt gevormd. Een polynucleotide kan duizenden van dergelijke fosfodiesterbindingen hebben.
DNA heeft een dubbel-helische structuur (figuur 2). Het is opgebouwd uit twee strengen, of ketens, van nucleotiden. De dubbele helix van DNA wordt vaak vergeleken met een gedraaide ladder. De strengen (de buitenste delen van de ladder) worden gevormd door de fosfaten en suikers van aangrenzende nucleotiden met elkaar te verbinden door middel van sterke chemische bindingen, covalente bindingen genaamd. De sporten van de gedraaide ladder bestaan uit de twee basen die aan elkaar vastzitten met een zwakke chemische binding, waterstofbruggen genoemd. Twee basen die hydrogeen aan elkaar gebonden zijn, noemen we een basenpaar. De ladder draait in zijn lengte, vandaar de beschrijving van de “dubbele helix”, die een dubbele spiraal betekent.
De afwisselende suiker- en fosfaatgroepen liggen aan de buitenzijde van elke streng en vormen de ruggengraat van het DNA. De stikstofbasen liggen binnenin op elkaar gestapeld, als de treden van een trap, en deze basen paren aan elkaar; de paren zijn met elkaar verbonden door waterstofbruggen. De basen paren zodanig dat de afstand tussen de ruggengraten van de twee strengen overal in het molecuul gelijk is.
In een DNA-molecuul paart adenine (A) altijd met thymine (T), en cytosine (C) altijd met guanine (G). Dit betekent dat de volgorde van de ene streng van de dubbele DNA-helix altijd kan worden gebruikt om de andere streng te bepalen.
Hoe bepaalt de structuur van nucleïnezuren de functie?
De belangrijkste functie van zowel DNA als RNA is het opslaan en overdragen van genetische informatie. De specifieke volgorde van de nucleotiden in de DNA- of RNA-molecule is bepalend voor de genetische informatie die het draagt. Je kunt het zien als letters in een boek – als de volgorde van de letters zou worden veranderd, zou het boek niet meer dezelfde (of juiste) informatie bevatten.