DNA - Definitie, structuur, eigenschappen, typen, functies (2023)

Wat is dna?

DNA is een polymeer van aan elkaar geplakte deoxyribonucleotiden (of eenvoudigweg deoxynucleotiden). Het bestaat uit deoxyadenylaat (dAMP), deoxyguanylaat (dGMP), deoxycytidylaat (dCMP) en deoxythymidylaat (dTMP) eenheden (dTMP) (Sommige auteurs gebruiken liever TMP in plaats van deoxythymidylaat omdat het alleen in DNA wordt aangetroffen.)

• DNA-moleculen zijn opgebouwd uit nucleïnezuren, de moleculen in een cel die informatie dragen.
• DNA-moleculen zijn opgebouwd uit veel kleinere moleculen die nucleotiden worden genoemd. Het zijn polymeren.
• Elke nucleotide bestaat uit een suikermolecuul, een fosfaatgroep en een stikstofbase.
• De twee DNA-strengen in een DNA-molecuul zijn om elkaar heen gedraaid om een ​​spiraalvorm te maken die de dubbele helix wordt genoemd.
• James Watson, Francis Crick en Rosalind Franklin waren de eersten die in 1953 ontdekten dat DNA een dubbele helixvorm heeft.
• In de kern slaan DNA-moleculen de genetische code op, dat is alle informatie die een organisme nodig heeft om te werken.
• In 1953 waren James Watson, een Amerikaanse bioloog, Francis Crick, een Engelse natuurkundige, en Rosalind Franklin de eersten die ontdekten dat DNA een dubbele helixvorm heeft (een Engelse chemicus).
• Hoewel Watson en Crick de eer kregen voor het vinden van de dubbele helix, wordt aangenomen dat de gegevens van Franklin hen hebben geholpen deze te vinden.
• Franklin was een expert in een beeldvormingsmethode genaamd röntgenkristallografie, die ze gebruikte om de eerste foto te maken van de spiraalvorm van DNA.
• In 1962 werd de Nobelprijs toegekend aan Watson en Crick voor het werk dat ze hadden verzet. Franklin hielp wel bij de ontdekking, maar ze won de prijs niet omdat ze vier jaar eerder aan kanker was overleden.

Vroege ontwikkelingen

• Frederich Miescher, een Zwitserse biochemicus, was de eerste persoon die DNA vond in de kernen van lymfocyten. Dit was in 1869.
• Maar het duurde meer dan 50 jaar voordat iemand besefte hoe belangrijk het molecuul was. In 1919 stelde een Russische biochemicus genaamd Phoebus Levene voor dat nucleïnezuren zijn opgebouwd uit nucleotiden, die zijn samengesteld uit een van de vier basen (A (adenine), T (thymine), G (guanine) en C (cytosine). , een suiker en een fosfaatgroep).
• In de jaren vijftig startte de Oostenrijkse biochemicus Erwin Chargaff een project om de chemie van nucleïnezuren te bestuderen. Hij werd hiertoe geïnspireerd door Oswald Avery's paper uit 1950 over DNA als genetisch materiaal.
• Op basis van wat hij wist over het aantal basen in DNA, bedacht hij de regel van Chargaff, die zegt dat het totale aantal purines (A+G) bijna hetzelfde is als het totale aantal pyrimidines (C+T).
• Met de bevindingen van Levene en het belangrijke röntgenkristallografische werk van Rosalind Franklin en Maurice Wilkins over de structuur van DNA, konden Watson en Crick in 1953 de dubbele helixstructuur vinden. Dit was een grote doorbraak.
• In 1962 deelden Watson, Crick en Wilkins de Nobelprijs voor de geneeskunde "voor hun ontdekkingen over de moleculaire structuur van nucleïnezuren en hoe die structuur de manier beïnvloedt waarop informatie wordt doorgegeven tussen levende wezens."

Eigenschappen van DNA

• DNA is een lang polymeer dat bestaat uit zich herhalende eenheden die nucleotiden worden genoemd. Elke nucleotide wordt meestal weergegeven door een enkele letter: A, T, C of G.
• Over de lengte verandert de structuur van het DNA, zodat het in strakke lussen en andere vormen kan draaien.
• Het bestaat uit twee spiraalvormige ketens die bij alle soorten bij elkaar worden gehouden door waterstofbruggen.
• Beide kettingen zijn rond dezelfde as gewikkeld en hebben dezelfde afstand tussen de schakels, namelijk 34 ngstrom (3.4 nm).
• De ruimte tussen de twee ketens is 10. (1.0 nm).
• Toen de DNA-keten in een andere oplossing werd gemeten, was deze 22–26 (2.2–2.6 nm) breed en één nucleotide-eenheid 3.3 (0.33 nm) lang.
• Hoewel elke nucleotide erg klein is, kan een DNA-polymeer erg lang zijn en honderden miljoenen nucleotiden bevatten, zoals in chromosoom 1. Het grootste menselijke chromosoom is chromosoom 1. Het heeft ongeveer 220 miljoen basenparen en zou 85 mm lang zijn als het recht was.
• DNA bestaat meestal uit twee strengen die stevig bij elkaar worden gehouden.
• In de vorm van een dubbele helix wikkelen deze twee lange strengen zich om elkaar heen.
• Het nucleotide bevat een deel van de ruggengraat van het molecuul (die de keten bij elkaar houdt) en een nucleobase (die interageert met de andere DNA-streng in de helix).
• Een nucleobase die is verbonden met een suiker wordt een nucleoside genoemd. Een nucleotide is een base die is verbonden met een suiker en een of meer fosfaatgroepen.
• Een polynucleotide is een biopolymeer dat bestaat uit vele gekoppelde nucleotiden, zoals DNA.
• De ruggengraat van een DNA-streng bestaat uit groepen fosfaat en suiker die komen en gaan.
• 2-Deoxyribose is de suiker in DNA. Het is een pentosesuiker, wat betekent dat het vijf koolstofatomen heeft.
• De suikers worden bij elkaar gehouden door fosfaatgroepen die fosfodiësterverbindingen smeden tussen het derde en vijfde koolstofatoom van aangrenzende suikerringen. Dit zijn de 3'-uiteinde (drie prime-uiteinde) en 5'-uiteinde (vijf prime-uiteinde) koolstofatomen. Het hoofdsymbool wordt gebruikt om deze koolstofatomen te onderscheiden van die van de base waarmee de deoxyribose een glycosidische binding vormt.
• Een DNA-streng heeft dus meestal aan het ene uiteinde een fosfaatgroep bevestigd aan het 5'-koolstofatoom van een ribose (5'-fosforyl) en aan het andere uiteinde een vrije hydroxylgroep bevestigd aan het 3'-koolstofatoom van een ribose (3'-hydroxyl) .
• Elke DNA-streng heeft directionaliteit (soms polariteit genoemd) vanwege de manier waarop de 3'- en 5'-koolstofatomen langs de suiker-fosfaatruggengraat staan.

• In een dubbele helix van nucleïnezuur is de richting van de nucleotiden in de ene streng tegengesteld aan de richting van de nucleotiden in de andere streng. Dit betekent dat de twee strengen antiparallel zijn.
• De asymmetrische uiteinden van DNA-strengen worden vijf prime-uiteinden (5') en drie prime-uiteinden (3') genoemd. Het 5'-uiteinde heeft aan het uiteinde een fosfaatgroep, terwijl het 3'-uiteinde aan het uiteinde een hydroxylgroep heeft.
• De suiker is een groot verschil tussen DNA en RNA. DNA heeft 2-deoxyribose, maar RNA heeft ribose, een verwante pentosesuiker.
• De dubbele DNA-helix wordt meestal bij elkaar gehouden door twee krachten: waterstofbruggen tussen nucleotiden en base-stapeling-interacties tussen aromatische nucleobasen.
• Adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T) zijn de vier basen in DNA (T).
• Zoals getoond voor adenosinemonofosfaat, zijn deze vier basen verbonden met het suikerfosfaat om het volledige nucleotide te vormen.
• AT basenparen worden gemaakt wanneer adenine paren met thymine en guanine paren met cytosine.
• Er zijn twee soorten nucleobasen: de purines, A en G, die gefuseerde heterocyclische verbindingen zijn met vijf of zes ringen, en de pyrimidines, C en T, die ook zesringen zijn.
• Uracil (U), een vijfde pyrimidine-nucleobase, neemt gewoonlijk de plaats in van thymine in RNA. Het verschilt van thymine omdat de ring geen methylgroep heeft. Naast RNA en DNA hebben wetenschappers veel kunstmatige versies van nucleïnezuren gemaakt om hun eigenschappen te bestuderen of om te gebruiken in de biotechnologie.
• DNA heeft basen die veranderd zijn. 5-methylcytosine was de eerste die werd gevonden. Het werd gevonden in het genoom van Mycobacterium tuberculosis in 1925. De reden dat bacteriële virussen (bacteriofagen) deze niet-canonieke basen hebben, is om de restrictie-enzymen te vermijden die in bacteriën worden aangetroffen. Dit enzymsysteem werkt in ieder geval gedeeltelijk als een moleculair immuunsysteem om bacteriën te beschermen tegen ziek worden door virussen. De meest voorkomende DNA-basen die kunnen worden veranderd, cytosine en adenine, spelen een belangrijke rol in hoe planten en dieren de expressie van hun genen controleren.
• De ruggengraat van DNA bestaat uit twee spiraalvormige strengen. Door de groeven tussen de strengen te volgen, kun je nog een dubbele helix vinden. Deze lege ruimtes liggen dicht bij de basenparen en kunnen dienen als bindingsplaats. Omdat de strengen niet allemaal op dezelfde manier zijn uitgelijnd, zijn de groeven niet allemaal even groot. De breedte van de hoofdgroef is 22 (2.2 nm), terwijl de breedte van de kleine groef 12 (1.2 nm) is.
• De randen van de bases zijn gemakkelijker te bereiken in de grote groef dan in de kleine groef omdat de grote groef breder is. Daarom maken eiwitten zoals transcriptiefactoren die kunnen binden aan bepaalde sequenties in dubbelstrengs DNA typisch contact met de blootgestelde basen in de hoofdgroef. Dit gebeurt op verschillende manieren, afhankelijk van hoe het DNA in de cel is gedraaid, maar de grote en kleine groeven zijn altijd vernoemd naar de verschillende breedtes die zouden worden gezien als het DNA zou worden losgedraaid en teruggezet in zijn normale B-vorm.
• Een proces genaamd "DNA supercoiling" kan DNA verdraaien als een touw.
• DNA kan veel verschillende vormen aannemen, zoals A-DNA, B-DNA en Z-DNA, maar alleen B-DNA en Z-DNA zijn direct gezien in levende organismen. De vorm van DNA hangt af van het hydratatieniveau, de volgorde, de hoeveelheid en richting van supercoiling, chemische veranderingen in de basen, het type en de hoeveelheid metaalionen en de aanwezigheid of afwezigheid van polyaminen in oplossing.
• Omdat DNA fosfaatgroepen heeft, is het zuur zoals fosforzuur en kan het worden gezien als een sterk zuur. Bij een normale pH-waarde in de cel zal deze volledig geïoniseerd zijn, waarbij protonen vrijkomen die negatieve ladingen achterlaten op de fosfaatgroepen. Door afstoting worden nucleofielen die door hydrolyse DNA zouden kunnen afbreken weggeduwd door de negatieve ladingen.
• Er zijn verschillende kunstmatige nucleobasen gemaakt en ze werken goed in Hachimoji-DNA, een versie met acht basen van DNA. Deze kunstmatige basen, die de namen S, B, P en Z hebben gekregen, kunnen op een voorspelbare manier binden (S aan B en P aan Z), de dubbele helixvorm van DNA behouden en in RNA worden omgezet.
• Rafelen gebeurt in DNA wanneer er delen zijn die niet complementair zijn aan het einde van een dubbele DNA-streng die anders complementair is. Maar vertakt DNA kan ontstaan ​​als een derde streng DNA wordt toegevoegd en delen heeft die verbinding kunnen maken met de gebroken delen van het dubbelstrengs DNA dat er al is. Hoewel drie DNA-strengen het eenvoudigste voorbeeld van vertakt DNA vormen, zijn complexen met meer strengen en meer vertakkingen ook mogelijk. [63] In de nanotechnologie kan vertakt DNA worden gebruikt om geometrische vormen te maken. Zie het gedeelte over hoe het wordt gebruikt in de technologie hieronder voor meer informatie.
• Als een DNA-sequentie hetzelfde is als een kopie van boodschapper-RNA dat in eiwit wordt omgezet, wordt dit een "sense"-sequentie genoemd. "Antisense" verwijst naar de sequentie op de andere DNA-streng. Op verschillende delen van dezelfde DNA-streng kunnen zich zowel sense- als antisense-sequenties bevinden (dwz beide strengen kunnen zowel sense- als antisense-sequenties bevatten).

Structuur van DNA

• DNA is een polymeer dat is samengesteld uit deoxyribonucleotiden verbonden door fosfodiësterbindingen.
• Het bevat adenine, guanine, cytosine en thymine als basen.
• DNA-moleculen zijn typisch gemaakt van twee polynucleotideketens die opgerold zijn om een ​​dubbele helix met een diameter van 2.0 nm te creëren.
• De monomeren van DNA worden deoxyribonucleotiden genoemd vanwege de aanwezigheid van deoxyribose erin.
• Omdat het bestaat uit een fosfaat dat een brug vormt tussen de 3'-hydroxyl van één suiker en de 5'-hydroxyl van een aangrenzende suiker, staat de verbinding die de monomeren verbindt om het polymeer te vormen bekend als een fosfodiësterbinding.

• Gehecht aan de 1'-koolstof van de deoxyribosesuikers zijn de purine- en pyrimidinebasen, die zich uitstrekken naar het midden van de cilinder gevormd door de twee ketens. (De nummers die de koolstofatomen in suikers aangeven, worden voorafgegaan door een priemgetal om ze te onderscheiden van de nummers die de koolstofatomen en stikstofatomen in stikstofhoudende basen aangeven.)
• De basen van elke streng interageren met die van de andere streng om basenparen te produceren.
• Elke 0.34 nm wordt in het midden van de structuur een basenpaar op het volgende gelegd.
• Twee waterstofbruggen verbinden altijd de purine-adenine (A) van de ene streng met de pyrimidine-thymine (T) van de tegenoverliggende streng.
• De purine guanine (G) vormt drie waterstofbruggen met cytosine (C).
• Vanwege de koppeling van AT- en GC-basen zijn de twee strengen van een dubbele DNA-helix complementair. Met andere woorden, de basen in de ene streng komen overeen met die in de andere streng volgens precieze principes voor basenparing.
• Vanwege het feit dat de sequenties van basen in deze strengen coderen voor genetische informatie, is er veel werk gestoken in het identificeren van de basensequenties van DNA en RNA van verschillende soorten, waaronder honderden bacteriën.
• De twee DNA-polynucleotidestrengen komen op dezelfde manier samen als puzzelstukjes.
• De twee strengen zijn niet evenwijdig aan elkaar. Wanneer de strengen om elkaar heen draaien, vormt de ruggengraat een brede hoofdgroef en een smallere kleine groef.
• Er zijn 10.5 basenparen per omwenteling van de helix en de verticale lengte van elke omwenteling is 3.4 A.
• De helix is ​​rechtshandig, wat betekent dat de kettingen tegen de klok in draaien als ze een waarnemer naderen die de lengteas observeert.
• De twee ruggengraten zijn antiparallel met betrekking tot de oriëntatie van hun suikers, wat betekent dat ze in tegengestelde richtingen lopen.

• Het ene uiteinde van elke streng heeft een blootgestelde 5'-hydroxylgroep, vaak met verbonden fosfaten, terwijl het andere uiteinde een vrije 3'-hydroxylgroep heeft.
• De ene streng is georiënteerd van 5 'naar 3' en de andere, van 3 'naar 5', in een bepaalde richting.
• De zojuist beschreven DNA-structuur komt overeen met de B-vorm, het meest voorkomende type in cellen.
• Er zijn nog twee andere soorten DNA ontdekt. Het belangrijkste verschil tussen de A-vorm en de B-vorm is dat de A-vorm 11 basenparen per spiraalvormige winding heeft, in tegenstelling tot 10.5, en een verticale lengte van 2.6 A, in tegenstelling tot 3.4 A. Het is daarom breder dan de B-vorm variant.
• De Z-vorm heeft een linkshandige spiraalvormige structuur, in tegenstelling tot de rechtshandige spiraalvormige structuur van de B- en A-vormen.
• De Z-vorm heeft 12 basenparen per spiraalvormige omwenteling en 3.7 A verticale stijging. Daardoor is hij slanker dan de B-variant. Het is nog onbekend of de A-vorm in cellen aanwezig is.
• Desalniettemin zijn er aanwijzingen dat kleine delen van chromosomen in de Z-vorm kunnen voorkomen. Onbekend is de functie, indien aanwezig, van deze secties van Z-DNA.
• Supercoiling is een ander DNA-kenmerk dat moet worden aangepakt. DNA is spiraalvormig, dwz het is opgerold. Wanneer de rotatie van een spoel op enigerlei wijze wordt belemmerd, zal de spoel zichzelf oprollen. Supercoiling verwijst naar het oprollen van een spoel.
• Onthoud dat de meeste bacteriële chromosomen gesloten dubbelstrengige DNA-moleculen zijn. In deze positie kunnen de twee strengen niet vrij ten opzichte van elkaar draaien en staat het molecuul onder spanning. Supercoiling verlicht de spanning.
• Positieve en negatieve supercoiling zijn de twee soorten. Veranderingen in het aantal basenparen per draaiing in de dubbele helix karakteriseren deze voor DNA.
• Zoals eerder vermeld, heeft het B-type DNA 10.5 basenparen per helixdraaiing.
• Negatieve supercoiling is supercoiling waarbij het aantal basenparen per draai afneemt.
• Positieve supercoiling verwijst naar supercoiling die het aantal basenparen elke draai verhoogt.
• Over het algemeen zijn bacteriële chromosomen negatief supercoiled.

Wat is het belang van supercoiling?

• DNA wordt gecomprimeerd door supercoiling zodat het in de cel past.
• Bovendien "lost" supercoiling het DNA, waardoor het gemakkelijker wordt om de twee strengen te scheiden.
• Bij zowel DNA-replicatie als transcriptie is de scheiding van de twee strengen een cruciale eerste stap.
• Bovendien wordt tijdens DNA-replicatie vaak positieve supercoiling geïntroduceerd. Dit kan de DNA-replicatie remmen, dus het moet worden geëlimineerd.

De grootte van het DNA-molecuul — Lengte-eenheden

DNA-moleculen zijn enorm. Een paar B-DNA met een dikte van 0.34 nm heeft een gemiddelde moleculaire massa van 660 dalton.

Voor lengtemeting wordt rekening gehouden met de dubbelstrengige DNA-structuur en uitgedrukt in basenparen (bp). Een kilobasepaar (kb) is 103 basenparen (bp), terwijl een megabasepaar (Mb) 106 basenparen (bp) is en een gigabasepaar (Gb) 109 basenparen (bp). De relaties tussen kb, Mb en Gb kunnen als volgt worden samengevat:

• 1 kb = 1000 bp
• 1 Mb = 1000 kb = 1,000,000 bp
• 1 Gb = 1000 Mb = 1,000,000,000 bp

Aangezien de meeste RNA's enkelstrengs zijn, kunnen de lengtes van RNA-moleculen (zoals DNA-moleculen) niet worden uitgedrukt in basenparen (bp).

De lengte van DNA varieert tussen soorten en wordt meestal uitgedrukt in termen van samenstelling van basenparen en contourlengte. De lengte van de contour toont de totale lengte van genomisch DNA in een cel. Sommige soorten met bp en contourlengtes worden als voorbeeld gegeven.

• λ faagvirus — 4.8 u 104 bp — contourlengte 16.5 pm.
• E. coli — 4.6 u 106 bp — contourlengte 1.5 pm.
• Diploïde menselijke cel (46 chromosomen) — 6.0 u 109 bp — contourlengte 2 meter.

Benadrukt moet worden dat genomisch DNA doorgaans aanzienlijk groter is dan de cel of kern waarin het zich bevindt. Bij mensen is een DNA van 2 meter lang verpakt in een kern met een diameter van ongeveer 10 µm.

DNA kan zowel lineair als cirkelvormig voorkomen. De meeste bacteriële DNA's bestaan ​​als gesloten cirkels. Dit bevat het DNA van bacteriële chromosomen en het DNA van plasmiden dat extrachromosomaal is. Eukaryote mitochondriën en chloroplasten bevatten ook circulair DNA.

De meeste chromosomale DNA's in hogere organismen zijn lineair. Individuele menselijke chromosomen bestaan ​​uit een enkel DNA-molecuul van verschillende grootte. Daarom bevat het kleinste chromosoom 34 megabytes, terwijl het grootste 263 megabytes bevat.

Denaturatie van DNA-strengen

Denaturatie

• De twee DNA-strengen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen. Scheiding van polynucleotidestrengen komt van de verstoring van waterstofbindingen (hetzij door een verandering in pH of een verhoging van de temperatuur).
• Dit proces waarbij DNA zijn spiraalvorm verliest, staat bekend als denaturatie.
• Door denaturatie worden de fosfodiësterbindingen niet verbroken. Verhoging van de absorptie bij 260 nm kan het verlies van spiraalvormige structuur meten (in een spectrofotometer).

Hyperchromiciteit

• Na denaturatie wordt een stijging van de absorptie van purines en pyrimidines hyperchromiciteit genoemd.

Smelttemperatuur

• De smelttemperatuur (Tm) is de temperatuur waarbij DNA de helft van zijn helix verliest.
• Omdat GC-basenparen stabieler zijn (vanwege drie waterstofbruggen) dan AT-basenparen (vanwege twee waterstofbruggen), hebben DNA's met een hogere GC-samenstelling een grotere Tm.
• Daarom is de Tm 65°C voor een GC-waarde van 35% en 70°C voor een GC-waarde van 50%.
• Formamide destabiliseert waterstofbindingen van basenparen en verlaagt bijgevolg de Tm.
• Deze chemische stof wordt met succes gebruikt in DNA-recombinatieonderzoek.

Renaturatie

• Renaturatie (of opnieuw annealen) is het proces waarbij gesplitste complementaire DNA-strengen weer in elkaar kunnen worden gezet tot een dubbele helix.

Organisatie van DNA in de cel

• Zoals eerder opgemerkt, is de lengte van de dubbelstrengige DNA-helix in elk chromosoom duizenden keren de diameter van de kern.
• Bij mensen zit een 2 meter lang DNA verpakt in een kern van 10 um in diameter!
• Dit wordt mogelijk gemaakt door de ongelooflijke verpakking en organisatie van DNA in de cel.

Organisatie van prokaryotisch DNA

• DNA is gestructureerd in een enkel chromosoom in de vorm van een dubbelstrengige cirkel in prokaryote cellen.
• Door interactie met eiwitten en bepaalde kationen zijn deze bacteriële chromosomen verpakt in de vorm van nucleoïden (polyaminen).

Organisatie van eukaryotisch DNA

• In eukaryote cellen wordt DNA gekoppeld aan talloze eiwitten om chromatine te vormen, dat vervolgens wordt geordend in chromosomen, die compacte structuren zijn.
• De dubbele DNA-helix wordt omringd door kerneiwitten, met name histonen, die fundamenteel van aard zijn.
• De kern is gemaakt van twee histonmoleculen (H2A, H2B, H3 en H4).
• De fundamentele eenheid van chromatine is het nucleosoom, dat bestaat uit een kern omgeven door twee DNA-windingen (ongeveer 150 bp).
• Het scheiden van nucleosomen is spacer-DNA waaraan histon H1 is gekoppeld.
• Deze ononderbroken reeks nucleosomen, die het parel-aan-een-koord-type chromatine vertegenwoordigt, staat bekend als een 10-nm-vezel.
• De productie van 10 nm-vezel vermindert de lengte van het DNA aanzienlijk.
• Deze 10-nm-vezel wordt vervolgens opgerold om een ​​30-nm-vezel te creëren met een solenoïdestructuur die zes nucleosomen per draai bevat.
• Deze 30-nm vezels zijn gestructureerd in lussen door A/T-rijke scaffold-geassocieerde regio's (SARS) te verankeren aan een eiwitsteiger.
• Tijdens mitose worden de lussen strakker gewonden en de chromosomen condenseren en worden zichtbaar.

Onderdeel van DNA

• DNA bestaat uit twee strengen nucleotiden die zich herhalen. Elke nucleotide heeft drie bestanddelen. Deze elementen omvatten:
• Fosfaat groep
• 2-desoxyribosesuiker
• Een stikstofhoudende base
  • cytosine
  • adenine
  • guanine
  • thymine

ribose

• De pentosesuiker ribose is een van de basiscomponenten van DNA.
• Beide soorten nucleïnezuur, DNA en RNA, zijn samengesteld uit de suikerpentose. DNA is samengesteld uit deoxyribose en 2'-deoxy D-ribose, terwijl RNA alleen uit ribose of D-ribose bestaat.
• Beide vormen van ribose die in nucleïnezuur worden aangetroffen, bevatten pentose met vijf koolstofatomen en beta-furanose (op een cyclische manier).
• De structuur van beta-furanose is weergegeven in onderstaand schema.

Het RNA heeft Uracil in plaats van thymine, maar dit is onvoldoende om het van DNA te onderscheiden. Zelfs als er wat uracil in DNA aanwezig is, transformeert 2′-deoxy D-ribose het in DNA. Evenzo, zelfs als thymine aanwezig is in RNA, transformeert D-ribose het in RNA. Het verschil in de pentosesuiker bepaalt de identiteit van elk nucleïnezuur, niet de basen.

fosfaat

• De ruggengraat van nucleïnezuur (DNA) bestaat uit fosfaat en wordt gewoonlijk trifosfaat genoemd omdat het uit drie fosfaatmoleculen bestaat.
• Het monofosfaat, difosfaat en trifosfaat bevatten elk één, twee en drie fosfaateenheden. DNA wordt deoxyribonucleotidetrifosfaat genoemd omdat het drie fosfaten bevat.
• Als er een enkel fosfaat aanwezig is, staat de verbinding bekend als deoxyribonucleotide monofosfaat; als er twee fosfaten aanwezig zijn, staat de verbinding bekend als deoxyribonucleotide difosfaat.

Stikstofhoudende basen

• DNA bevat vier verschillende stikstofbasen: adenine, thymine, cytosine en guanine. In RNA is Uracil aanwezig in plaats van thymine.
• Er zijn twee grote categorieën stikstofbasen: purines en pyrimidines.
• Adenine en Guanine zijn de purines, terwijl Cytosine, Thymine en Uracil de pyrimidines zijn.
• Purines en pyrimidines zijn heterocyclische aromatische chemicaliën. Beide zijn onoplosbaar in water bij een neutrale pH, maar hun oplosbaarheid neemt toe naarmate de pH daalt. De aard van purines en pyrimidines is hydrofoob.
• De thymine werd oorspronkelijk gewonnen uit de weefsels van de thymus, vandaar de naam, en de guanine werd gewonnen uit vogelguano.
• pyrimidines zijn samengesteld uit een zesledige koolstof-stikstofring met twee stikstofatomen, terwijl purines zijn samengesteld uit een zesledige en vijfledige stikstofbevattende koolstof-stikstofring met vier stikstofatomen.

Nomenclatuur

Purines:

• Guanine: 2-amino-6-oxypurine
• Adenine: 6-aminopurine

pyrimidinen:

• Thymine: 2,4-dioxy-5-methylpyrimidine
• Uracil: 2,4-dioxypyrimidine
• Cytosine: 2-oxy-4-aminopyrimidine

Naast xanthine en hypoxanthine bevat de natuur ook orootzuur-pyrimidines, die niet in DNA of RNA zitten.

nucleotide

• Een nucleotide bestaat uit pentosesuiker, een stikstofhoudende base (stikstofbase) en fosfaat.
• Een nucleotide is een structureel onderdeel van DNA. Elke nucleotide vormt een waterstofverbinding met de nucleotide van een andere streng en een fosfodiësterbinding met naburige nucleotiden.
• Door waterstofbruggen en fosfodiësterbindingen te vormen, geven de nucleotiden het DNA zijn spiraalvorm. Een nucleotide zonder fosfaat wordt een nucleoside (deoxyribonucleoside) genoemd.
• Er zijn ook gemethyleerde nucleotiden in de natuur, die helpen bij het activeren en deactiveren van genexpressie en het beschermen van genetische informatie.

Bindingen in DNA

• Een waterstofbrug gevormd tussen de stikstofhoudende basen van de twee DNA-strengen.
• Vergelijkbaar met de elektronegatieve atomen stikstof en zuurstof, vormde zich een zwakke chemische verbinding die bekend staat als een waterstofbinding. De waterstofbinding is een tijdelijke binding die uitsluitend op kortere afstanden voorkomt en DNA stabiliseert.
• Sommige chemische behandelingen en hitte kunnen de ontbinding gemakkelijk veroorzaken.
• Twee strengen DNA zijn verbonden door drie zwakke waterstofbruggen tussen Guanine en Cytosine en twee zwakke waterstofbruggen tussen Adenine en Thymine.
• Volgens het Watson- en Crick-model volgt de dubbele DNA-helix de ontladingswetten. Het aantal G en A in het DNA is gelijk aan het aantal C en T.
• Waterstofbruggen zijn de fundamentele componenten van de polymerasekettingreactie. Naarmate het aantal waterstofbruggen toeneemt, neemt ook de denaturatietemperatuur toe.
• Bovendien neemt de denaturatietijd toe naarmate de totale GC-concentratie stijgt. Over het algemeen zijn 95 °C en 5 minuten denaturatie voldoende om alle waterstofbruggen tussen dubbelstrengig DNA te verbreken.
• UV-straling met een golflengte van 260nm wordt geabsorbeerd door DNA. DNA met een enkele streng absorbeert meer UV-straling dan DNA met twee strengen.
• Bovendien dienen zwakke Van der Waals-krachten, Base-stacking-interacties en een mild hydrofoob effect om het DNA te stabiliseren door tussen de basen in te werken.

Fosfodiëster binding

• De 3'-koolstof van één deoxyribosesuiker vormt een fosfodiësterbinding met de 5'-koolstof van de tweede deoxyribosesuiker. De fosfodiësterbinding vormt de ruggengraat van het DNA. Nadat het pyrofosfaat is vrijgemaakt, ontstaat de binding.
• De 5'- of 3'-positie zonder een nucleotide wordt beschouwd als het "einde" van DNA. Het uiteinde van DNA dat een vrij fosfaat bevat, staat bekend als het 5'-uiteinde, terwijl het uiteinde met een vrije hydroxylgroep bekend staat als het 3'-uiteinde.
• Naast de fosfodiësterbinding en de waterstofbinding is de glycosidische binding een essentiële binding. De link tussen de pentosesuiker en basen was glycoside. Alle koppelingen creëren een stabiele, meer elektronegatieve dubbele helixstructuur in het DNA.

Soorten DNA

1. B-DNA: de typische dubbele helixstructuur van dubbelstrengs DNA; zie diagram bij desoxyribonucleïnezuur.
2. Z-DNA: Z-DNA is een type DNA waarin de fosfaatgroepen een zich herhalende dinucleotide-eenheid vormen die zigzaggend langs een linkshandige helix met een enkele, diepe groef; het is waarschijnlijker dat het voorkomt in stukken van afwisselende purines en pyrimidines.
3. A-DNA: De eerste identificatie was gebaseerd op röntgendiffractieonderzoek van DNA-vezels bij een relatieve vochtigheid van 75%.
4. D-DNA: Een zeldzame variatie met acht basenparen per spiraalvormige winding en geen guanine in zijn structuur.
5. E-DNA: Uitgebreid of ongebruikelijk DNA.
6. Spacer-DNA: de nucleotidesequenties die voorkomen tussen genen; bij eukaryoten zijn deze sequenties vaak lang en omvatten ze verschillende zich herhalende sequenties; in het bijzonder het DNA dat voorkomt tussen genen die coderen voor ribosomaal RNA.
7. Complementair of kopie-DNA (cDNA): synthetisch DNA getranscribeerd van een specifiek RNA via het reverse transcriptase-enzymproces.
8. Nucleair DNA (nDNA): Het DNA van chromosomen gevonden in de kern van eukaryote cellen.
9. Mitochondriaal DNA (mtDNA): het DNA van het mitochondriale chromosoom, dat uitsluitend van de moeder wordt geërfd en bestaat in enkele duizenden exemplaren per cel. De code verschilt van die van nucleair DNA en elke levende prokaryoot, en het evolueert vijf tot tien keer sneller dan nucleair DNA.
10. Recombinant-DNA: Recombinant DNA is een DNA-molecuul gemaakt van gekoppelde sequenties die gewoonlijk niet in hetzelfde molecuul voorkomen, zoals een bacterieel plasmide waarin een stuk viraal DNA is ingebracht.
11. Enkele kopie DNA (scDNA): Het grootste deel van de gensequenties die coderen voor polypeptiden in eukaryoten zijn single copy DNA (scDNA).
12. Repetitief DNA: Repetitief DNA bestaat uit nucleotidesequenties die meerdere keren voorkomen binnen een genoom; ze zijn kenmerkend voor eukaryoten en coderen doorgaans niet voor polypeptiden. Geclusterde of verspreide sequenties kunnen matig (10 tot 104 kopieën per genoom) of uitgebreid (>106 kopieën per genoom) repetitief zijn. Sommige structurele genen voor ribosomaal RNA en histonen worden gecodeerd door matig repetitieve DNA-sequenties; de meeste zeer repetitieve sequenties zijn satelliet-DNA.

Andere soorten DNA

Gebogen DNA

• Over het algemeen zijn DNA-sequenties die de adeninebase bevatten, stijf en recht.
• Wanneer A-kanalen worden vervangen door andere basen of wanneer de helix instort in de kleine groef van het A-kanaal, heeft DNA een gebogen vorm.
• Structurele buiging van DNA is ook toegeschreven aan fotochemische schade of verkeerde paring van nucleotiden.
• Bepaalde medicijnen tegen kanker (bijv. cisplatine) veroorzaken een gebogen structuur in het DNA. Deze gewijzigde structuur kan eiwitten absorberen die DNA beschadigen.

Drievoudig streng DNA

• De creatie van drievoudig strengen DNA kan het gevolg zijn van extra waterstofbruggen tussen de nucleotiden.
• Zo kan een thymine twee Hoogsteen-waterstofbindingen maken met de adenine in een AT-paar om TAT te genereren.
• Evenzo kan een geprotoneerd cytosine twee waterstofbruggen tot stand brengen met guanine van G-C-paren, wat resulteert in de vorming van C-G-C.
• De triple helix is ​​minder stabiel dan de dubbele helix. Dit komt omdat de drie negatief geladen ruggengraatstrengen van de drievoudige helix resulteren in een grotere elektrostatische afstoting.

Vierstrengig DNA

• Extreem guaninerijke polynucleotiden kunnen een unieke tetramere structuur creëren die bekend staat als G-kwartetten.
• Hoogsteen waterstofbruggen houden deze vlakke structuren bij elkaar.
• Er zijn ook G-tetraplexen gevonden, antiparallelle vierstrengige DNA-structuren.
• De telomeren aan de uiteinden van eukaryotische chromosomen, die rijk zijn aan guanine, creëren G-tetraplexen.
• In de afgelopen jaren hebben chemotherapieën tegen kanker zich gericht op telomeren.
• G-tetraplexen zijn in verband gebracht met de recombinatie van immunoglobulinegenen en de dimerisatie van dubbelstrengs genomisch RNA (HIV) van het humaan immunodeficiëntievirus.

Wat zijn grote en kleine groeven van het DNA?

• Vanwege de dubbele helixstructuur van DNA heeft het molecuul twee asymmetrische groeven. De ene groef is kleiner dan de andere.
• Deze asymmetrie wordt veroorzaakt door de geometrische structuur van de bindingen tussen de fosfaat-, suiker- en basegroepen, die de basegroepen dwingt om te binden onder hoeken van 120 graden in plaats van hoeken van 180 graden.
• De bredere groef, bekend als de hoofdgroef, vindt plaats wanneer de ruggengraat ver uit elkaar staan, terwijl de kleinere groef, bekend als de kleine groef, optreedt wanneer de ruggengraat dicht bij elkaar ligt.
• Vanwege het feit dat de grote en kleine groeven de randen van de basen laten zien, kunnen ze worden gebruikt om de basenvolgorde van een bepaald DNA-molecuul te bepalen.
• Eiwitten moeten bepaalde DNA-sequenties kunnen herkennen waaraan ze zich kunnen binden, zodat het lichaam en de cel hun respectieve taken kunnen uitvoeren.

DNA is een Double Helix Experiment – ​​Watson en Crick model van DNA

In 1953 postuleerden James Watson en Francis Crick de dubbele helixstructuur van DNA (Nobelprijs, 1962). De opheldering van de DNA-structuur wordt beschouwd als een keerpunt in de geschiedenis van de hedendaagse biologie. De structuur van de dubbele DNA-helix lijkt op een gebogen ladder. De onderscheidende kenmerken van het Watson-Crick-DNA-model (nu bekend als B-DNA) worden hieronder uiteengezet.

1. Het DNA is een dubbele rechtshandige helix. Het bestaat uit twee polydeoxyribonucleotide-ketens (strengen) die rond een gemeenschappelijke as zijn gedraaid.
2. De twee strengen zijn antiparallel, wat betekent dat de ene streng van 5c naar 3c loopt en de andere van 3c naar 5c. Dit is analoog aan twee aangrenzende parallelle straten met verkeer in tegengestelde richting.
3. 20 A° is de breedte (of diameter) van een dubbele helix (2 nm).
4. Elke winding (pitch) van de helix is ​​34 A° (3.4 nm), en 10 paren nucleotiden zijn ongeveer 3.4 A° uit elkaar geplaatst.
5. Elke DNA-streng heeft een hydrofiele deoxyribosefosfaatruggengraat (3c-5c fosfodiësterbindingen) aan de buitenkant (periferie) van het molecuul, terwijl de hydrofobe basen aan de binnenkant (kern) zijn gestapeld.
6. Door basenparing zijn de twee polynucleotideketens niet identiek maar complementair.
7. De twee strengen zijn met elkaar verbonden door complementaire basenparen die waterstofbruggen genereren. Het AT-paar heeft twee waterstofbruggen, terwijl het GC-paar er drie heeft. De GC is ongeveer 50% sterker dan de A = T.
8. De enige twee moleculen die waterstofbruggen creëren zijn purine en pyrimidine. Als twee purines tegenover elkaar staan, kunnen ze de toegewezen ruimte niet innemen. En het zou voor twee pyrimidines onmogelijk zijn om waterstofbruggen tot stand te brengen. AT, TA, GC en CG zijn de enige haalbare basisarrangementen in de structuur van DNA op basis van ruimtelijke overwegingen.
9. De regel van Chargaff wordt gedemonstreerd door de complementaire basenparing in de DNA-helix. Adenine bevat dezelfde hoeveelheid thymine als thymine en guanine bevat dezelfde hoeveelheid cytosine als cytosine.
10. De genetische informatie bevindt zich op ofwel de template-streng of de sense-streng. Antisense-streng is de tegengestelde streng. Langs de fosfodiësterruggengraat heeft de dubbele helix (brede) grote groeven en (smalle) kleine groeven. Bij deze groeven interageren eiwitten met DNA zonder de basenparen of dubbele helix te breken.

DNA is een dubbele helix die genetische informatie opslaat - Experimenten

• Friedrich Miescher isoleerde en beschreef aanvankelijk DNA in 1868. Hij noemde het materiaal dat fosfor bevat nucleïne.
• Het werk van Oswald T. Avery, Colin Macleod en Maclyn McCarty in de jaren veertig leverde het eerste overtuigende bewijs op dat DNA het genetische materiaal was.
• Avery en zijn collega's ontdekten dat het injecteren van DNA van een virulente stam van Streptococcus pneumoniae in een niet-virulente stam van dezelfde bacterie de niet-virulente stam omzet in een virulente stam.
• Ze stelden vast dat het DNA van de virulente stam de genetische informatie voor virulentie bevatte.
• Vervolgens, in 19b2, losten tests uitgevoerd door Alfred D. Hershey en Martha Chase op de invasie van bacteriële cellen door een virus (bacteriofaag) dat radioactief gemerkt DNA of eiwit bevatte, elke resterende vraag op dat DNA, en niet eiwit, genetische informatie bevatte.

Wat is de regel van Chargaff?

Het werk van Erwin Chargaff en zijn collega's aan het einde van de jaren veertig leverde een extra belangrijke aanwijzing op voor de DNA-structuur. Ze ontdekten dat de vier nucleotidebasen van DNA in verschillende verhoudingen aanwezig zijn in de DNA's van verschillende wezens en dat de verhoudingen van specifieke basen nauw met elkaar verbonden zijn. Ied Chargaff trok de volgende conclusies uit de DNA's van een groot aantal verschillende soorten die hij als onderdeel van zijn onderzoek had verkregen:

1. Over het algemeen verschilt de basissamenstelling van DNA per soort.
2. De basissamenstelling van DNA geëxtraheerd uit verschillende organen van hetzelfde dier is identiek.
3. De DNA-basissamenstelling van een specifieke soort verandert niet met leeftijd, voedingsstatus of veranderingen in de omgeving.
4. In alle cellulaire DNA's, ongeacht de soort, is het aantal adenosineresiduen gelijk aan het aantal thymidineresiduen (dat wil zeggen A:T) en het aantal guanosineresiduen is gelijk aan het aantal cytidineresiduen (G:C). Daarom is de som van de purineresiduen gelijk aan de som van de pyrimidineresiduen, of A + T = G + C.

Deze kwantitatieve verbanden, ook wel bekend als 'de wetten van Chargaff', werden gevalideerd door een groot aantal latere studies. Ze waren cruciaal bij het bepalen van de driedimensionale structuur van DNA en gaven inzicht in hoe genetische informatie in DNA is gecodeerd en van generatie op generatie wordt overgedragen.

Hoe schrijf je een reeks DNA?

De afbeelding hierboven laat zien dat het afgebeelde DNA-molecuul een polydeoxyribonucleotide is dat wordt aangeduid als pT-GCT-AOH.

Laten we nu de prestaties evalueren.

Elke deoxyribose wordt weergegeven door een verticale lijn. Koolstof C1 met een enkele basis staat bovenaan de lijn, terwijl koolstof C5 onderaan staat. P is het symbool voor fosfaat, terwijl elke stikstofhoudende base wordt weergegeven door zijn eigen symbool (namelijk A, T, C en G).

De lijn doorkruist het fosfaat waar een 5'-uiteinde van een suiker en een 3'-uiteinde van een andere suiker zijn verbonden. Op basis van bovenstaande beschrijving kan het DNA-molecuul worden geschreven als 5′-pT-GCT-AOH of pTpGpCpTpAOH.

In een enkelstrengs DNA is het linkeruiteinde altijd 5′ en het rechteruiteinde altijd 3′; bijgevolg wordt het geschreven als 5 ′ tot 3 ′.

Als het DNA zes nucleotiden heeft, wordt het hexadeoxyribonucleotide genoemd, enz. Over het algemeen zijn oligonucleotiden echter samengesteld uit maximaal 50 nucleotiden, terwijl polynucleotiden meer dan 50 nucleotiden hebben.

Voordat we de structuur van DNA kunnen begrijpen, moeten we eerst het daadwerkelijke model van de DNA-structuur van Watson en Crick begrijpen, en daarvoor moeten we DNA-bewijsmateriaal verzamelen.

Functies van DNA

• Genen en genomen: Om te passen bij het weinige beschikbare volume in de cel, wordt genomisch DNA stevig en netjes verpakt door een proces dat bekend staat als DNA-condensatie. DNA bevindt zich meestal in de kern van eukaryote cellen, met kleinere hoeveelheden in mitochondria en chloroplasten. In prokaryoten zit DNA in een nucleoïde, een onregelmatig gestructureerde substantie in het cytoplasma. De genetische informatie in de genen van een genoom wordt het genotype van een organisme genoemd. Een gen is een eenheid van erfelijkheid en een stukje DNA dat een bepaalde eigenschap in een organisme regelt. Het open leeskader en regulerende sequenties, zoals promotors en versterkers, die de transcriptie van het open leeskader regelen, zijn componenten van genen.
• Vertaling: mRNA synthetiseert een lange keten van aminozuren in het cytoplasma door gebruik te maken van rRNA- en tRNA-moleculen. Eiwitten worden gevormd door hun primaire, secundaire, tertiaire en quaternaire structuren te formatteren.
• Transcriptie: In het proces dat bekend staat als transcriptie, wordt boodschapper-RNA gemaakt van het gerepliceerde DNA. De RNA-polymerase synthetiseert een mRNA-molecuul uit enkelstrengs DNA en behoudt alle informatie die nodig is voor de expressie van een gen. Zodra mRNA is gegenereerd, verlaat het de kern om het vertaalproces te ondergaan.
• Replicatie: Replicatie is het proces waarbij DNA-moleculen worden gedupliceerd door enzymprocessen. De helicase wikkelt het dubbelstrengige DNA af, de primase plaatst een RNA-primer op de leidende streng en een polymerase synthetiseert nieuw DNA.
• Extracellulaire nucleïnezuren: Kaal extracellulair DNA (eDNA) is praktisch alomtegenwoordig in het milieu; het grootste deel ervan komt vrij na celdood. De concentratie in natuurlijke waterhabitats kan oplopen tot 88 g/l en de concentratie in de bodem kan oplopen tot 2 g/l. eDNA kan zich bezighouden met horizontale genoverdracht, kan voedingsstoffen aanbieden en kan fungeren als buffer om ionen of antibiotica aan te trekken of te titreren. In de biofilms van een aantal bacteriesoorten functioneert extracellulair DNA als een extracellulaire matrixcomponent. Het kan functioneren als een herkenningsfactor om de aanhechting en verspreiding van specifieke celtypen in de biofilm te regelen, bij te dragen aan de ontwikkeling van biofilm en bij te dragen aan de fysieke robuustheid en weerstand van de biofilm tegen biologische stress.
• Neutrofiele extracellulaire vallen: Neutrofielen extracellulaire vallen (NET's) zijn netwerken van extracellulaire vezels die voornamelijk uit DNA bestaan ​​en die neutrofielen, een soort witte bloedcellen, in staat stellen om extracellulaire pathogenen te vernietigen terwijl de schade aan de gastheercellen wordt beperkt.

Gebruik van DNA op verschillende gebieden

Genetische manipulatie

• Zo kan fenol-chloroform-extractie worden gebruikt om DNA uit organismen te isoleren, en kunnen restrictiedigesten en de polymerasekettingreactie worden gebruikt om het in het laboratorium te veranderen.
• Deze technieken in recombinant-DNA-technologie worden intensief gebruikt door de moderne biologie en biochemie.
• Recombinant DNA is een DNA-sequentie die is gesynthetiseerd door verschillende DNA-sequenties te combineren. Met behulp van een virale vector kunnen plasmiden of het geschikte formaat in organismen worden omgezet.
• Geproduceerde genetisch gemodificeerde organismen kunnen worden gebruikt om recombinante eiwitten te maken, in medisch onderzoek of voor landbouwdoeleinden.

DNA-profilering

• Met behulp van het DNA in bloed, sperma, huid, speeksel of haar dat op een plaats delict is verzameld, kunnen forensische wetenschappers een dader identificeren met overeenkomend DNA.
• Deze procedure staat goed bekend als DNA-vingerafdrukken of DNA-profilering.
• Bij DNA-profilering worden de lengtes van variabele gebieden van repetitief DNA, zoals minisatellieten en korte tandemherhalingen, tussen individuen vergeleken.
• Doorgaans is deze methodologie redelijk betrouwbaar voor het identificeren van DNA-overeenkomsten.

DNA-enzymen of katalytisch DNA

• Deoxyribozymen, algemeen bekend als DNAzymen of katalytisch DNA, werden voor het eerst geïdentificeerd in 1994.
• Het zijn overwegend enkelstrengige DNA-sequenties die zijn geëxtraheerd uit een enorme pool van willekeurige DNA-sequenties door in vitro selectie of systematische evolutie van liganden door exponentiële verrijking (SELEX).
• DNAzymes katalyseren verschillende chemische reacties, zoals RNA-DNA-splitsing, RNA-DNA-ligatie, aminozuurfosforylering-defosforylering, creatie van koolstof-koolstofbindingen, enz.
• DNAzymes kunnen de katalytische snelheid van chemische reacties verhogen met een factor tot 100,000,000,000 boven niet-gekatalyseerde reacties.

Bioinformatics

• Bio-informatica is de ontwikkeling van technieken voor het opslaan, ontginnen, doorzoeken en manipuleren van biologische gegevens, zoals DNA-nucleïnezuursequentiegegevens.
• Met name algoritmen voor het zoeken naar strings, machine learning en databasetheorie hebben geleid tot wijdverspreide vooruitgang in de informatica.
• Om te zoeken naar specifieke sequenties van nucleotiden, werden algoritmen ontwikkeld voor het zoeken naar of matchen van strings, die een voorkomen van een reeks letters binnen een grotere reeks letters lokaliseren.
• De DNA-sequentie kan worden gekoppeld aan andere DNA-sequenties om homologe sequenties te ontdekken en de mutaties te lokaliseren die ze onderscheiden.
• De studie van evolutionaire relaties en eiwitfunctie maakt gebruik van deze benaderingen, met name uitlijning van meerdere sequenties.

DNA-nanotechnologie

• DNA-nanotechnologie maakt gebruik van de onderscheidende moleculaire herkenningseigenschappen van DNA en andere nucleïnezuren om zelfassemblerende vertakkende DNA-complexen met voordelige eigenschappen te produceren.
• Zo wordt DNA gebruikt als constructiemateriaal in plaats van als biologische informatiedrager.
• Dit heeft geleid tot de fabricage van tweedimensionale periodieke roosters (zowel op tegels gebaseerd als met behulp van de DNA-origamibenadering) en driedimensionale veelvlakkige structuren.
• Bovendien zijn nanomechanische apparaten en algoritmische zelfassemblage aangetoond, en deze DNA-structuren zijn gebruikt als een sjabloon voor de rangschikking van andere moleculen, waaronder gouden nanodeeltjes en streptavidine-eiwitten.

Geschiedenis en antropologie

• Omdat DNA in de loop van de tijd mutaties ophoopt, die vervolgens worden overgeërfd, bevat het historische informatie en kunnen genetici de evolutionaire geschiedenis van soorten, hun fylogenie, afleiden door DNA-sequenties te vergelijken.
• In de evolutionaire biologie is fylogenetica een krachtig hulpmiddel.
• Door DNA-sequenties binnen een soort te vergelijken, kunnen populatiegenetici de geschiedenis van specifieke populaties bepalen. Dit kan worden gebruikt in antropologisch en ecologisch genetisch onderzoek.

Informatie opslag

• DNA heeft een enorm potentieel als gegevensopslagmedium omdat het een veel hogere opslagdichtheid heeft dan elektronische apparaten.
• Hoge kosten, trage lees- en schrijftijden (geheugenlatentie) en onvoldoende betrouwbaarheid hebben de praktische toepassing ervan echter belemmerd.

Verschillende soorten DNA op basis van hun topologie

Circulair DNA, lineair DNA en supercoiled DNA zijn de drie soorten DNA die in de natuur voorkomen, afhankelijk van hun topologie.

circulair DNA

• Beide uiteinden van het dubbelstrengs DNA zijn gekoppeld om een ​​gesloten lus te vormen in circulair DNA.
• Het circulaire DNA is verstoken van supercoiling (zonder draaien of schrijven).
• In prokaryoten is circulair DNA typisch aanwezig als een plasmide.
• Bovendien bevatten sommige eukaryote organellen, waaronder mitochondria en chloroplast, circulair DNA.
• Wanneer het virus de kern van de gastheercel binnendringt, wordt het getransformeerd in covalent gesloten circulair DNA, een unieke vorm van circulair DNA (cccDNA).

Verschillende soorten DNA op basis van hun locatie

Op basis van waar het DNA zich bevindt, bevatten alle organismen twee basisvormen van DNA: nucleair DNA en cytoplasmatisch DNA.

Nucleair DNA

• In alle eukaryoten bevindt het grootste deel van het DNA zich in de kern van de cel. DNA in de kern bevat alle essentiële genen. Metafase-chromosomen bevatten het volledige nucleaire DNA.
• Tijdens de celdeling wordt het verdeeld en doorgegeven aan het nageslacht.

Cytoplasmatisch DNA

• DNA wordt ook gevonden in het cytoplasma van de cel, maar alleen in organellen die zijn omsloten door membranen.
• Mitochondria en chloroplasten dragen hun eigen DNA, afgekort als respectievelijk mtDNA en cpDNA.
• Beiden beschikken over gespecialiseerde replicatie- en genexpressiemachines.
• Mitochondriën en chloroplasten worden in het verleden beschouwd als vrijlevende prokaryoten.
• Bovendien bevat cytoplasmatisch DNA kritische genen; mutaties in deze genen leiden tot dodelijke ziekten.

Lineair DNA

• De uiteinden van lineair DNA zijn ongebonden. Een deel van de korte en vrije DNA-fragmenten die in de cel worden gevonden, is lineair DNA.
• Sommige prokaryoten bezitten ook lineair DNA.

Supercoiled DNA

• Wanneer de lange keten van DNA om zichzelf draait, wordt een gecompliceerde vorm van DNA gevormd, bekend als supercoiled DNA.
• In eukaryote genomen is de supercoiled vorm van DNA meer wijdverbreid, waardoor het lange DNA in de celkern past.
• Bovendien helpt supercoiling DNA zichzelf op chromosomen te ordenen door interactie met bepaalde eiwitten.

FAQ

Hoe worden DNA-strengen samengevoegd?

Adenine en thymine zijn verbonden door twee waterstofbruggen, maar cytosine en guanine zijn verbonden door drie waterstofbruggen. Het DNA-molecuul is stabiel door de stapeling van de basen en de hydrofobe interactie tussen de basen.

Wat is complementaire basenparing?

Om de basen in elk basenpaar te helpen passen in de dubbele helix, lopen de twee DNA-strengen van de dubbele helix in tegengestelde richtingen (antiparallel aan elkaar). Dit geeft aan dat de nucleotiden in elke DNA-streng perfect complementair zijn aan die in de andere streng.

De complementaire basenparing van A met T en G met C optimaliseert de energieniveaus van dubbelstrengs DNA. In deze dubbele helixconfiguratie blijft de breedte van elk basenpaar constant, wat betekent dat de afstand tussen de suiker-fosfaatruggengraat over de gehele lengte van het DNA-molecuul behouden blijft. Draaiingen of bochten in de twee suiker-fosfaat-ruggengraten van de dubbele helix komen elke tien basenparen voor, waardoor de pakkingsefficiëntie wordt gemaximaliseerd.

De twee polynucleotidestrengen van de dubbele DNA-helix bieden een eenvoudige basis voor het kopiëren van de informatie van het molecuul. Bij scheiding dient elk van de twee strengen als een sjabloon voor het exact of identiek dupliceren van het DNA-molecuul.

Referenties

• Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Moleculaire biologie van de cel. 4e editie. New York: Garland-wetenschap; 2002. De structuur en functie van DNA. Beschikbaar van: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26821/
• https://profiles.nlm.nih.gov/spotlight/sc/feature/doublehelix
• https://www.mun.ca/biology/scarr/Watson-Crick_Model.html
• https://www.nature.com/scitable/topicpage/discovery-of-dna-structure-and-function-watson-397/
• https://www.khanacademy.org/test-prep/mcat/biomolecules/dna/a/dna-structure-and-function
• https://www.khanacademy.org/science/ap-biology/gene-expression-and-regulation/replication/a/hs-dna-structure-and-replication-review
• https://www.medicalnewstoday.com/articles/319818
• https://www.clinicalkey.com/#!/content/book/3-s2.0-B9781437706963000029
• https://www.osmosis.org/learn/DNA_structure
• https://febs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1111/febs.13307
• https://ib.bioninja.com.au/standard-level/topic-2-molecular-biology/26-structure-of-dna-and-rna/dna-structure.html
• https://biologydictionary.net/dna-structure/
• https://www.ufrgs.br/imunovet/molecular_immunology/DNAstructureanalysis.html
• https://www.ndsu.edu/pubweb/~mcclean/plsc731/dna/dna4.htm
• https://www.news-medical.net/life-sciences/Structure-of-DNA.aspx
• https://www.compoundchem.com/2015/03/24/dna/
• https://www.genome.gov/genetics-glossary/Deoxyribonucleic-Acid#:~:text=DNA%20is%20made%20of%20two,)%20or%20thymine%20(T).
• https://microbenotes.com/dna-structure-properties-types-and-functions/
• https://www.umass.edu/molvis/tutorials/dna/
• https://medlineplus.gov/genetics/understanding/basics/dna/
• https://www.visiblebody.com/learn/biology/dna-chromosomes/dna-structure
• https://en.wikipedia.org/wiki/DNA
• https://www.chemguide.co.uk/organicprops/aminoacids/dna1.html
• https://www.livescience.com/37247-dna.html