DNA-structuur

DNA-structuur - Een overzicht
DNA bestaat uit twee ketenvormige molecules (polynucleotiden) die rond elkaar draaien en zo de bekende dubbele spiraal vormen. De machinerie van de cel vormt polynucleotideketens door vier verschillende nucleotiden aan elkaar te rijgen. De nucleotiden die gebruikt worden om DNA-ketens te vormen zijn adenosine (A), guanosine (G), cytidine (C) en thymidine (T). In DNA wordt de informatie opgeslagen die nodig is om alle polypeptiden te maken die door de cel gebruikt worden. De reeks nucleotiden in een DNA-streng (die een "gen" wordt genoemd) bepaalt de volgorde van de aminozuren in de polypeptideketens.

Het mag duidelijk zijn dat er geen één-op-één relatie kan bestaan tussen de vier nucleotiden van het DNA en de vierentwintig aminozuren die gebruikt worden om de polypeptiden te bouwen. De cel gebruikt daarom groeperingen van drie nucleotiden (die "codons" worden genoemd) om twintig verschillende aminozuren te definiëren. Elk codon vertaalt een ander aminozuur.

Omdat sommige codons overvloedig zijn, kan de aminozuurvolgorde van een gegeven polypeptideketen door verschillende nucleotidevolgorden gedefinieerd worden. Onderzoek heeft aangetoond dat de cel niet willekeurig gebruik maakt van overvloedige codons om een bepaald aminozuur in een polypeptideketen te definiëren, maar dat er een fijngevoelige logica schuilgaat achter het gebruik van de codons in genen.

DNA-structuur - Precies afgesteld en geoptimaliseerd
Vaak herhaalde nucleotidereeksen zijn instabiel en kunnen gemakkelijk muteren. Maar een onderzoek aan de Universiteit van Californië naar de genomen van verschillende organismen suggereert dat het gebruik van codons in genen feitelijk ontworpen is om het soort herhalingen te vermijden dat leidt tot instabiele reeksen! Verder onderzoek geeft aan dat het gebruik van codons in genen tevens opgezet is om de nauwkeurigheid van eiwitsynthese ter plekke van het ribosoom te maximaliseren.

Bovendien lijken de componenten van de nucleotiden zorgvuldig geselecteerd te zijn voor een verbeterde werking. De nucleotiden die de DNA-strengen vormen zijn complexe moleculen die bestaan uit zowel een fosfaathelft als een nucleobase (adenine, guanine, cytosine of thymine) die tot een suiker met vijf koolstofatomen (deoxyribose) zijn samengevoegd.

De fosfaatgroep van een nucleotide verbindt zich met de deoxyribose-eenheid van een andere nucleotide om de ruggengraat van de DNA-streng te vormen. De nucleobasen vormen de "traptreden" wanneer de twee strengen zich om elkaar heen wentelen om de bekende dubbele spiraalstructuur te vormen.

Wetenschappers weten al lang dat een enorm aantal suikers en talrijke andere nucleobasen mogelijk deel uitmaken van het opslagmedium van de cel (DNA). Maar waarom bestaan de nucleotiden van DNA en RNA uit die bepaalde componenten? Fosfaten kunnen zich gelijktijdig met twee suikers verbinden (door middel van zogenaamde fosfodiesterverbindingen) om twee nucleotiden te overbruggen en toch een negatieve lading te behouden. Dit maakt deze chemische groep perfect geschikt om een stabiele ruggengraat voor het DNA-molecuul te vormen. Andere stoffen kunnen weliswaar verbindingen tussen twee suikers vormen, maar zijn niet in staat om tegelijkertijd een negatieve lading te behouden. De negatieve lading van de fosfaatgroep geeft de DNA-ruggengraat stabiliteit, waardoor hij beschermd wordt tegen splijting door reagerende watermoleculen. Daarnaast zijn de fosfodiesterverbindingen ontzettend nauwkeurig afgesteld. De fosfodiesterverbinding die bijvoorbeeld het ribose van het RNA overbrugt zou een verbinding kunnen zijn tussen de 5' OH van het ene ribosemolecuul met de 2' OH of de 3' OH van de aangrenzende ribosemolecuul. Maar RNA maakt alleen maar gebruik van de 5'-3' verbinding. Nu blijkt dat de 5'-3' verbindingen een veel grotere stabiliteit verleent aan het RNA-molecuul dan de 5'-2' verbindingen.

Waarom dienen deoxyribose en ribose als onderdelen van de ruggengraat van DNA en RNA? Beide zijn suikers met vijf koolstofatomen die ringen met vijf onderdelen vormen. Het is mogelijk om DNA-achtige structuren te maken met verscheidene suikers die vier, vijf en zes koolstofatomen hebben en die ringen met vijf en zes onderdelen kunnen vormen. Maar deze DNA-varianten hebben onwenselijke eigenschappen in vergelijking met DNA en RNA. Sommige DNA-achtigen vormen bijvoorbeeld geen dubbele spiraal. Andere doen dat wel, maar dan verbinden de nucleotidestrengen zich te strak of te los, of ze zijn niet selectief genoeg in hun verbindingen. Daarnaast is het extreem moeilijk voor de machinerie van de cel om de replicatie en transcriptie van DNA op correcte wijze uit te voeren, als dergelijke DNA-achtigen gebruikt worden in plaats van "echt" DNA. Ander onderzoek toont aan dat deoxyribose op een unieke wijze de benodigde ruimte schept binnen de ruggengraat van de dubbele spiraal voor de grote nucleobasen. Geen enkel ander suiker is in staat om dit doen.

DNA-structuur - Conclusie
De moleculaire onderdelen van het DNA lijken geoptimaliseerde chemische eigenschappen te hebben om een stabiele spiraalstructuur voort te brengen die in staat is om de informatie op te slaan die vereist is voor de werking van de cel. Er bestaan geen gedetailleerde beschrijvingen van een naturalistische manier waarop een dergelijke geoptimaliseerde structuur van het fundamentele informatiesysteem van de cel zou kunnen zijn ontstaan. Wanneer verondersteld wordt dat een dergelijke complexe optimalisatie door blind toeval zou kunnen ontstaan, dan vereist dat een groter geloof dan de meesten onder ons kunnen opbrengen.

Leer meer!