Dubbele Helix

Definitie

Dubbele helix is de term die wordt gebruikt om de vorm van onze erfelijke molecule, DNA, te beschrijven. Deze direct herkenbare structuur bestaat uit twee strengen DNA die om elkaar heen zijn gedraaid en in het midden met elkaar zijn verbonden door waterstofbruggen. De waterstofbruggen vormen zich tussen nucleotiden – de zich herhalende eenheid van DNA en de taal van de genetische code.

De dubbele helixstructuur van DNA werd ontdekt in baanbrekend onderzoek, toegeschreven aan James Watson en Francis Crick in de jaren 1950. Deze vondst wordt beschouwd als een van de belangrijkste vorderingen in de biologie tot nu toe. Aan het verhaal over de ontdekking van de dubbele helix van DNA zijn ook enkele controverses verbonden, met beweringen dat de betrokken wetenschappers de bijdragen van anderen, met name Rosalind Franklin, niet erkenden.

Een overzicht van de structuur van DNA

Elke streng DNA is opgebouwd uit een reeks zich herhalende eenheden die nucleotiden worden genoemd. Vandaar dat elke streng DNA een polynucleotide wordt genoemd. Deze nucleotiden bestaan uit drie componenten:

• een vijf-koolstof suiker (deoxyribose)
• een fosfaatgroep
• een stikstofhoudende base

De vierde koolstof van de deoxyribose suiker van één nucleotide vormt een fosfodiesterbinding met de fosfaatgroep van de aangrenzende base. Dit vormt de basis van de suiker-fosfaat ruggengraat van de streng van het DNA.

De stikstofhoudende basen zijn de ’taal’ van het DNA. Er zijn vier stikstofhoudende basen in het DNA: guanine (G), adenine (A), thymine (T) en cytosine (C). Zij kunnen op basis van hun structuur in twee groepen worden verdeeld. Guanine en adenine zijn purines, met een twee-koolstof stikstofring; en thymine en cytosine zijn pyrimidines, met een één-koolstof stikstofring.

De combinatie van deze vier letters in moleculen van DNA noemen we de genetische code, en deze code bevat alle instructies om een heel organisme op te bouwen en te laten functioneren!

Elke van deze polynucleotide strengen is gekoppeld aan een complementaire streng en wikkelt zich om elkaar heen om de dubbele helix structuur te vormen. Hoe werd deze complexe structuur ontdekt?

De ontdekking van de dubbele helixstructuur van DNA

De ontdekking van de dubbele helixstructuur van DNA is een van de belangrijkste en bekendste wetenschappelijke doorbraken. De ontdekking werd toegeschreven aan James Watson, een bioloog, en Francis Crick, een natuurkundige, in de jaren 1950. Zij wonnen later de Nobelprijs voor hun onderzoek, samen met Maurice Wilkins, die vaak over het hoofd wordt gezien vanwege zijn belangrijke rol in het onderzoek dat tot de doorbraak leidde. In feite is zijn autobiografie getiteld “The Third Man of the Double Helix”.

Vóór de publicatie van hun bevindingen was er al veel onderzoek gedaan naar de samenstelling van DNA en was er al enig licht op die samenstelling geworpen. Zo was al bekend dat DNA is opgebouwd uit nucleotiden en dat de verhouding tussen purines en pyrimidines in een DNA-molecuul gelijk is (bekend als de regel van Chargaff).

Watson en Crick leidden hun model af door dit bewijsmateriaal, alsmede de door Rosalind Franklin verzamelde röntgenkristallografische gegevens, in een structuur te gieten die voldeed aan de parameters van al het eerder verzamelde bewijsmateriaal. Zij gebruikten een reeks kartonnen modellen, die zij zorgvuldig construeerden tot zij een structuur vormden die zinvol was. Zo creëerden zij een model dat decennia later nog steeds als accuraat wordt beschouwd. U kunt het originele artikel, compleet met aantekeningen, hier lezen.

Toen ze hun onderzoek hadden voltooid, hadden ze naar verluidt een ‘eureka’-moment, en Crick rende naar hun plaatselijke pub in Cambridge om aan te kondigen dat hij en Watson “het geheim van het leven hadden ontdekt.”

De pub, The Eagle genaamd, richtte binnen en buiten een plaquette op om de gebeurtenis te herdenken. De gedenkplaat werd ooit gewijzigd door een burger, die er “+ Franklin” aan toevoegde uit erkentelijkheid voor de belangrijke rol die Rosalind Franklin heeft gespeeld!

De kenmerken van de DNA-structuur van de dubbele helix

Enkele van de belangrijke kenmerken van het Watson/Crick-model van de dubbele helix van het DNA zijn:

Richting van de helix

Een enkelvoudige DNA-molecule bestaat uit twee strengen die om elkaar heen draaien en zo een helix vormen. De helix draait ongeveer eens in de tien nucleotiden. De richting van de helix is bijna altijd rechtshandig, d.w.z. als je je de twee strengen voorstelt als een wenteltrap die je gaat aflopen, dan zou je naar rechts moeten draaien om af te dalen. De buitenkant van de helix bevat de DNA-strengen, en de kern van de helix bevat de stikstofhoudende basen.

Complementaire basenparen

Wanneer de nucleotiden van elke streng waterstofbinding ondergaan, doen zij dit op een bepaalde manier. Adenines worden altijd gekoppeld aan thymines en cytosines en altijd gekoppeld aan guanines. Er zijn drie waterstofbruggen tussen guanine en cytosine, en twee waterstofbruggen tussen thymines en guanines. Er wordt dus gezegd dat DNA-strengen complementair aan elkaar zijn.

Genetische code

De volgorde van de nucleotiden is variabel tussen organismen, en is wat de genetische informatie bevat en elk organisme uniek maakt. De volgorde van het DNA wordt tussen generaties doorgegeven. De DNA-volgorde is dus essentieel voor de voortzetting van het leven.

Antiparallel Orientation

De DNA-strengen lopen antiparallel aan elkaar. Dit betekent dat aan het eind van een bepaald molecuul de ene streng eindigt op een fosfaatgroep (de 5′ genoemd omdat de fosfaatgroep aan de vijfde koolstof zit), en de andere streng eindigt op een hydroxylgroep (de 3′ genoemd omdat de OH-groep aan de derde koolstof zit). Het omgekeerde geldt voor het andere uiteinde van het molecuul.

Major and Minor Grooves

De structuur van DNA houdt in dat de ruggengraat van de twee strengen aan de ene kant van de helix dichter bij elkaar ligt dan aan de andere kant. Waar ze dichter bij elkaar liggen, wordt de structuur de hoofdgroef genoemd. Waar ze verder uit elkaar liggen, wordt de structuur de kleine groef genoemd.

Deze zijden zijn functioneel belangrijk, omdat bepaalde eiwitten zich bij voorkeur binden aan de grote groef. Deze eiwitten zijn meestal factoren die met de nucleotiden moeten interageren, zoals transcriptiefactoren of DNA-replicatie-enzymen. Andere eiwitten daarentegen, die geen sequentiespecificiteit vereisen, zullen een interactie aangaan met de kleine groef.

Het afwikkelenzym

Om DNA door te geven aan de volgende generatie, moet het worden gekopieerd. Om getrouw te worden gerepliceerd, moet de dubbele helix worden afgewikkeld of uitgepakt, zodat de celmachine toegang krijgt tot de nucleotidesequentie. Dit uitpakken wordt gedaan door het enzym helicase.

De functie van helicase is de structuur van DNA te hermodelleren door de waterstofbruggen tussen de gepaarde nucleotiden te verbreken. DNA helicase is ook belangrijk tijdens het herstel van DNA-schade en het proces van transcriptie.

Alternatieve DNA-structuren

Watson en Crick’s model verwijst naar de meest voorkomende structuur van DNA, B-DNA genoemd. Twee andere conformaties van DNA zijn veel zeldzamer in de natuur: Z-DNA en A-DNA. Z-DNA is een linkshandige helix zonder sterke verschillen die de grote en kleine groeven definiëren. A-DNA lijkt qua structuur veel meer op B-DNA, maar is meer samengedrukt en compact.

Quiz

Bibliografie