Bookshelf
5.1.2. Nucleotides Are the Monomeric Units of Nucleic Acids
Structural Insights, Nucleic Acids
biedt een driedimensionaal perspectief op de structuur van nucleotiden, basepairing, en andere aspecten van de DNA- en RNA-structuur.
Een eenheid bestaande uit een base gebonden aan een suiker wordt een anucleoside genoemd. De vier nucleoside-eenheden in RNA worden adenosine, guanosine, cytidine, enuridine genoemd, terwijl die in DNA desoxyadenosine, desoxyguanosine, desoxycytidine, enthymidine worden genoemd. In elk geval is N-9 van een purine of N-1 van een apyrimidine verbonden met C-1′ van de suiker (figuur 5.5). De base ligt boven het suikervlak wanneer de structuur in de standaardoriëntatie wordt geschreven; dat wil zeggen dat de configuratie van de N-glycosidebinding β is. Een nucleotide is een nucleoside dat door middel van een esterbinding aan een of meer fosfaatgroepen is gebonden. De meest voorkomende plaats van verestering in natuurlijk voorkomende nucleotiden is de hydroxylgroep die aan C-5′ van de suiker is gehecht. Een verbinding die wordt gevormd door de aanhechting van een fosfaatgroep aan het C-5′ van een nucleosidesuiker wordt een nucleoside5′-fosfaat of een 5′-nucleotide genoemd. ATP is bijvoorbeeldadenosine-5′-trifosfaat. Een ander nucleotide is deoxyguanosine 3′-monofosfaat (3′-dGMP; figuur 5.6). Dit nucleotide verschilt van ATP doordat het guanine bevat in plaats van adenine, desoxyribose bevat in plaats van ribose (aangegeven met het voorvoegsel “d”), één in plaats van drie fosfaten bevat, en het fosfaat aan de hydroxylgroep veresterd is op de 3′-positie in plaats van de 5′-positie. Nucleotiden zijn de monomeren die aan elkaar worden gekoppeld om RNA en DNA te vormen. De vier nucleotide-eenheden in DNA worden desoxyadenylaat, desoxyguanylaat, desoxycytidylaat en desoxythymidylaat genoemd, en thymidylaat. Merk op dat thymidylaat deoxyribose bevat; het voorvoegsel deoxy wordt volgens afspraak niet toegevoegd omdat thymine-bevattende nucleotiden slechts zelden in RNA worden aangetroffen.
Figuur 5.6
Nucleotiden Adenosine 5′ -trifosfaat (5′-ATP) en desoxyguanosine 3′-monofosfaat (3′-dGMP).
De verkorte notaties pApCpG of pACG geven een trinucleotide van DNA aan dat bestaat uit de bouwstenen desoxyadenylaatmonofosfaat, desoxycytidylatemonofosfaat en desoxyguanylaatmonofosfaat, verbonden door een fosfodiësterbrug, waarbij “p” staat voor een fosfaatgroep (figuur 5.7). Aan het 5′-uiteinde zal vaak een fosfaat aan de 5′-OH-groep vastzitten. Merk op dat, net als een polypeptide (zie Paragraaf 3.2), een DNA-keten polariteit heeft. Het ene uiteinde van de keten heeft een vrije 5′-OH-groep (of een 5′-OH-groep gekoppeld aan een fosfaat), terwijl het andere uiteinde een 3′-OH-groep heeft, die geen van beide aan een ander nucleotide is gekoppeld. Volgens afspraak wordt de basenvolgorde geschreven in de 5′-tot-3′-richting. Het symbool ACG geeft dus aan dat de ongebonden 5′-OH-groep op desoxyadenylaat zit, terwijl de ongebonden 3′-OH-groep op desoxyguanylaat zit. Vanwege deze polariteit komen ACG enGCA overeen met verschillende verbindingen.
Figuur 5.7
Structuur van een DNA-keten. De keten heeft een 5′-uiteinde, dat gewoonlijk aan een fosfaat is gehecht, en een 3′-uiteinde, dat gewoonlijk een vrije hydroxylgroep is.
Een opvallend kenmerk van natuurlijk voorkomende DNA-moleculen is hun lengte. ADNA-moleculen moeten uit vele nucleotiden bestaan om de genetische informatie te dragen die zelfs voor de eenvoudigste organismen noodzakelijk is. Zo is bijvoorbeeld het DNA van een virus als polyoma, dat bij bepaalde organismen kanker kan veroorzaken, maar liefst 5100nucleotiden lang. We kunnen de informatiedragende capaciteit vannucleïnezuren op de volgende manier kwantificeren. Elke positie kan een van de vier basen zijn, wat overeenkomt met twee bits aan informatie (22 = 4). Een keten van5100 nucleotiden komt dus overeen met 2 × 5100 = 10.200 bits, of 1275 bytes (1 byte =8 bits). Het genoom van E. coli is één enkele DNA-molecule die bestaat uit twee ketens van 4,6 miljoen nucleotiden, hetgeen overeenkomt met 9,2 miljoen bits, of 1,15 megabyte, aan informatie (figuur 5.8).
Figuur 5.8
Elektronenmicrografie van een deel van het E. coligenoom.
DNA-moleculen van hogere organismen kunnen veel groter zijn. Het menselijk genoom omvat ongeveer 3 miljard nucleotiden, verdeeld over 24 verschillende DNA-moleculen (22 autosomen, x- en y-geslachtschromosomen) van verschillende grootte. Een van de grootste bekende DNA-moleculen wordt aangetroffen bij de Indische muntjak, een Aziatisch hert; zijn genoom is bijna even groot als het menselijke genoom, maar is verdeeld over slechts 3 chromosomen (figuur 5.9). Het grootste van deze chromosomen heeft ketens van meer dan 1 miljard nucleotiden. Als zo’n DNA-molecuul volledig kon worden uitgestrekt, zou het meer dan een voet lang zijn.Sommige planten bevatten nog grotere DNA-moleculen.
Figuur 5.9
De Indiase muntjak en zijn chromosomen. Cellen van een vrouwelijke Indiase muntjak (rechts) bevatten drie paar zeer grote chromosomen (oranje gekleurd). De afgebeelde cel is een hybride met een paar menselijke chromosomen (groen gekleurd) ter vergelijking. (Links) (meer…)