Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

13.1: De DNA-helix
INHOUDSOPGAVE

JoVE Core
Biology

A subscription to JoVE is required to view this content. You will only be able to see the first 20 seconds.

Education
The DNA Helix
 
TRANSCRIPT

13.1: The DNA Helix

13.1: De DNA-helix

Overview

Deoxyribonucleic acid, or DNA, is the genetic material responsible for passing traits from generation to generation in all organisms and most viruses. DNA is composed of two strands of nucleotides that wind around each other to form a double helix. The discovery of the structure of DNA occurred incrementally over nearly a century, representing one of the most famous and captivating stories in the history of science.

DNA Structure in Detail

Each strand of DNA consists of subunits called nucleotides that contain the sugar deoxyribose, a phosphate group, and one of four nitrogen-containing bases: adenine (A), guanine (G), cytosine (C), and thymine (T). Adenine and guanine are members of a larger class of chemicals called purines that all contain two-ringed structures. Cytosine and thymine belong to a group of single-ringed structures called pyrimidines.

Adjacent nucleotides in the same strand are covalently linked by phosphodiester bonds. The two strands of nucleotides are held together by hydrogen bonds, in which the adenines in one strand pair with thymines at the same position in the other strand, and the cytosines in one strand pair with guanines in the same position in the other strand. This hydrogen bonding is made possible by the antiparallel arrangement of the two DNA strands, in which the 5’ and 3’ ends of the strands are oriented in opposite directions. Without this arrangement, the nucleotides would be in the wrong position to form hydrogen bonds between strands.

The two strands of the DNA molecule are tightly wound into a spring-like structure called a double helix. However, the double helix is not perfectly symmetrical. Instead, there are regularly occurring grooves in the structure. The major groove occurs where the sugar-phosphate backbones are relatively far apart. This space grants access to DNA-binding proteins, such as transcription factors. The minor groove, by contrast, occurs where the sugar-phosphate backbones are close together. Relatively few proteins bind to DNA via the minor groove.

The Discovery of DNA Structure: A Brief History

The story of the discovery of DNA structure begins in 1869 when Swiss scientist Friedrich Miescher discovered a substance he called “nuclein”. In the process of extracting protein from white blood cells, Miescher found an unexpected substance that had relatively high phosphorus content. He did not know what it was, but he suspected that it could be biologically important. Miescher was right, but it took decades for the scientific community to fully appreciate his insights.

The next critical discovery was made by Russian biochemist Phoebus Levene. In 1919, Levene proposed that nuclein, by then known as a nucleic acid, was composed of chains of molecules that he called polynucleotides. Levene’s proposal stemmed from his research on yeast, in which he found that individual nucleotides were composed of a phosphate group, a sugar, and a nitrogen-containing base. Although Levene’s polynucleotide model was correct in many respects, it was still unclear how the bases were arranged in the DNA molecule.

The Austrian biochemist Erwin Chargaff expanded on the work of Levene. Working in the late 1940s, Chargaff made a key finding: the amount of adenine in DNA is always roughly equal to the amount of thymine, and the amount of guanine is always roughly equal to the amount of cytosine. This pattern became known as Chargaff’s Rule and was a key piece of evidence that enabled the final elucidation of DNA structure.

In the early 1950s, American biologist James Watson and English physicist Francis Crick were racing their chief rival, American Linus Pauling, to discover the three-dimensional structure of DNA. Building on the work of Chargaff, they used knowledge of physics, mathematics, and chemistry to construct physical models of DNA. But they were unsuccessful until they received a critical piece of data: an X-ray ‘photograph’ of DNA that indicated in precise detail its double-helical structure. This photograph was the unpublished data of physicist Rosalind Franklin and was given to Watson and Crick without Franklin’s knowledge. Watson and Crick published their description of DNA structure in 1953, and together with Maurice Wilkins (a co-worker of Franklin’s), they won the 1962 Nobel Prize in Physiology or Medicine for this discovery. Sadly, Franklin died in 1958 and was therefore ineligible for a Nobel Prize.

Overzicht

Deoxyribonucleïnezuur, of DNA, is het genetische materiaal dat verantwoordelijk is voor het doorgeven van eigenschappen van generatie op generatie in alle organismen en de meeste virussen. DNA is samengesteld uit twee strengen nucleotiden die om elkaar heen wikkelen om een dubbele helix te vormen. De ontdekking van de structuur van DNA vond stapsgewijs plaats gedurende bijna een eeuw en vertegenwoordigt een van de beroemdste en meest boeiende verhalen in de geschiedenis van de wetenschap.

DNA-structuur in detail

Elke DNA-streng bestaat uit subeenheden die nucleotiden worden genoemd en die de suikerdeoxyribose, een fosfaatgroep en een van de vier stikstofhoudende basen bevatten: adenine (A), guanine (G), cytosine (C) en thymine (T). Adenine en guanine zijn leden van een grotere klasse chemicaliën, purines genaamd, die allemaal tweeledige structuren bevatten. Cytosine en thymine behoren tot een groep van enkelringige structuren die pyrimidinen worden genoemd.

Aangrenzende nucleotiden in dezelfde streng zijn covalent verbonden door fosfodiësterbindingen. ThDe twee nucleotidenstrengen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen, waarbij de adeninen in het ene strengpaar met thyminen op dezelfde positie in de andere streng en de cytosinen in het ene strengpaar met guaninen op dezelfde positie in de andere streng. Deze waterstofbinding wordt mogelijk gemaakt door de antiparallelle opstelling van de twee DNA-strengen, waarbij de 5'- en 3'-uiteinden van de strengen in tegengestelde richtingen zijn georiënteerd. Zonder deze opstelling zouden de nucleotiden zich in de verkeerde positie bevinden om waterstofbruggen tussen strengen te vormen.

De twee strengen van het DNA-molecuul zijn strak gewikkeld in een veerachtige structuur die een dubbele helix wordt genoemd. De dubbele helix is echter niet perfect symmetrisch. In plaats daarvan komen regelmatig groeven in de constructie voor. De belangrijkste groef treedt op waar de suikerfosfaatruggengraten relatief ver uit elkaar liggen. Deze ruimte geeft toegang tot DNA-bindende eiwitten, zoals transcriptiefactoren. De kleine groef daarentegen treedt op waarDe suiker-fosfaat-ruggengraten liggen dicht bij elkaar. Relatief weinig eiwitten binden via de kleine groef aan DNA.

De ontdekking van DNA-structuur: A Brief History

Het verhaal van de ontdekking van de DNA-structuur begint in 1869 toen de Zwitserse wetenschapper Friedrich Miescher een stof ontdekte die hij "nucleïne" noemde. Tijdens het extraheren van eiwit uit witte bloedcellen vond Miescher een onverwachte stof met een relatief hoog fosforgehalte. Hij wist niet wat het was, maar hij vermoedde dat het biologisch belangrijk kon zijn. Miescher had gelijk, maar het duurde decennia voordat de wetenschappelijke gemeenschap zijn inzichten volledig inzag.

De volgende cruciale ontdekking werd gedaan door de Russische biochemicus Phoebus Levene. In 1919 stelde Levene voor dat nucleïne, toen bekend als een nucleïnezuur, bestond uit ketens van moleculen die hij polynucleotiden noemde. Levene's voorstel kwam voort uit zijn onderzoek naar gist, waarin hij ontdekte dat het individuele nucleotiden warensamengesteld uit een fosfaatgroep, een suiker en een stikstofhoudende basis. Hoewel Levene's polynucleotidemodel in veel opzichten correct was, was het nog steeds onduidelijk hoe de basen in het DNA-molecuul waren gerangschikt.

De Oostenrijkse biochemicus Erwin Chargaff lichtte het werk van Levene toe. Aan het eind van de jaren veertig deed Chargaff een belangrijke bevinding: de hoeveelheid adenine in het DNA is altijd ongeveer gelijk aan de hoeveelheid thymine en de hoeveelheid guanine is altijd ongeveer gelijk aan de hoeveelheid cytosine. Dit patroon werd bekend als Chargaff's Rule en was een belangrijk bewijsstuk dat de uiteindelijke opheldering van de DNA-structuur mogelijk maakte.

In de vroege jaren 1950 raceten de Amerikaanse bioloog James Watson en de Engelse natuurkundige Francis Crick tegen hun belangrijkste rivaal, de Amerikaan Linus Pauling, om de driedimensionale structuur van DNA te ontdekken. Voortbouwend op het werk van Chargaff, gebruikten ze kennis van natuurkunde, wiskunde en scheikunde om fysieke modellen van DNA te construeren. Maar ze waren niet succesvoltotdat ze een kritisch stukje gegevens ontvingen: een röntgenfoto van DNA die nauwkeurig de dubbele helixstructuur aangaf. Deze foto was de niet-gepubliceerde gegevens van natuurkundige Rosalind Franklin en werd zonder medeweten van Franklin aan Watson en Crick gegeven. Watson en Crick publiceerden hun beschrijving van de DNA-structuur in 1953, en samen met Maurice Wilkins (een medewerker van Franklin's) wonnen ze voor deze ontdekking de Nobelprijs voor Fysiologie of Geneeskunde 1962. Helaas stierf Franklin in 1958 en kwam daarom niet in aanmerking voor een Nobelprijs.


Aanbevolen Lectuur

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter