Wat is DNA?
DNA (desoxyribonucleïnezuur) is het molecuul waarin de erfelijke informatie van vrijwel alle levende wezens is opgeslagen. Het is een lange keten van bouwstenen die nucleotiden heten. Elk nucleotide bestaat uit drie delen:
- een fosfaatgroep;
- een suiker met vijf koolstofatomen, desoxyribose;
- een van vier stikstofbasen: adenine (A), thymine (T), cytosine (C) of guanine (G).
Suiker en fosfaat wisselen elkaar af en vormen de ruggengraat van de streng. De basen steken daaraan naar binnen uit. De informatie zit in de volgorde van de basen — net zoals de betekenis van een zin in de volgorde van de letters zit.
De dubbele helix en basenparing
DNA bestaat uit twee strengen die om elkaar heen gedraaid zijn: de dubbele helix, in 1953 beschreven door James Watson en Francis Crick, op basis van röntgenopnamen van Rosalind Franklin en Maurice Wilkins. De twee strengen worden bij elkaar gehouden door waterstofbruggen tussen tegenover elkaar liggende basen. Daarbij geldt een vaste regel:
- A–T
- adenine paart altijd met thymine (2 waterstofbruggen)
- C–G
- cytosine paart altijd met guanine (3 waterstofbruggen)
Omdat de paring vastligt, zijn de twee strengen complementair: ken je de volgorde van de ene streng, dan ken je ook de andere. Staat er op de ene streng ATGCCA, dan staat er tegenover TACGGT. Dat principe maakt het kopiëren van DNA mogelijk (zie DNA-replicatie). Eén winding van de helix omvat ongeveer 10 basenparen; de helix is slechts 2 nanometer breed.
Wat is een gen?
Een gen is een afgebakend stuk DNA dat de informatie bevat om één specifiek product te maken, meestal een eiwit. Het gen voor hemoglobine bevat bijvoorbeeld de code voor het eiwit dat zuurstof in je rode bloedcellen vervoert. Een gen is gemiddeld enkele duizenden tot tienduizenden basenparen lang, maar slechts een deel daarvan (de exonen) codeert daadwerkelijk voor het eiwit; de stukken ertussen (intronen) worden na het overschrijven weggeknipt.
Van veel genen bestaan verschillende varianten: allelen. Je erft van elk gen twee exemplaren, één van je vader en één van je moeder. Of die allelen gelijk (homozygoot) of verschillend (heterozygoot) zijn, bepaalt mede je fenotype: de eigenschappen die je waarneemt, zoals bloedgroep of oogkleur. Hoe allelen overerven, beschrijven de wetten van Mendel.
Wat is een chromosoom?
Het DNA in één menselijke cel is uitgerekt ongeveer 2 meter lang, terwijl de celkern maar zo'n 6 micrometer groot is. Daarom is het DNA opgerold en verpakt in chromosomen. Een chromosoom is één heel lang DNA-molecuul, samen met de eiwitten waaromheen het is gewonden.
De mens heeft 46 chromosomen, in 23 paren: 22 paar autosomen en één paar geslachtschromosomen (XX bij vrouwen, XY bij mannen). Het grootste chromosoom, chromosoom 1, bevat ongeveer 248 miljoen basenparen en ruim 2000 genen. Eicellen en zaadcellen bevatten na de meiose maar 23 chromosomen, één van elk paar.
Wat is het genoom?
Het genoom is de volledige set erfelijk materiaal van een organisme. Het woord is in 1920 gevormd uit gen en chromosoom. Bij de mens bestaat één set (haploïd genoom) uit ongeveer 3,1 miljard basenparen. Omdat vrijwel elke lichaamscel twee sets bevat, zit er per cel ruim 6 miljard basenparen DNA.
Opvallend: slechts ongeveer 1,5 procent van het menselijk genoom codeert voor eiwitten. De rest bestaat uit intronen, regelgebieden die bepalen wanneer een gen aan- of uitgaat, genen voor RNA-moleculen, herhaalde sequenties en restanten van oude virussen. Vroeger werd dat 'junk-DNA' genoemd, maar een deel ervan blijkt belangrijke regelfuncties te hebben.
Het Human Genome Project leverde in 2003 een vrijwel complete kaart van het menselijk genoom op; in 2022 werden ook de laatste ontbrekende stukken gelezen. Twee willekeurige mensen verschillen in ongeveer 0,1 procent van hun DNA — enkele miljoenen basen.
Verschil tussen gen, chromosoom en genoom
De drie begrippen zijn niveaus van hetzelfde materiaal, van klein naar groot: een gen ligt op een chromosoom, en alle chromosomen samen vormen het genoom. Een handige vergelijking is een boekenkast: het genoom is de hele kast, een chromosoom is één boek, een gen is één recept in dat boek en de basen zijn de letters.
| Begrip | Wat is het? | Omvang bij de mens | Vergelijking |
|---|---|---|---|
| Nucleotide / base | Bouwsteen van DNA (A, T, C of G) | 1 base | Letter |
| Gen | Stuk DNA met de code voor één eiwit of RNA | Van ruim 1000 tot ruim 2 miljoen basenparen; ca. 20 000 eiwitcoderende genen | Recept |
| Allel | Variant van een gen | 2 per gen (één van elke ouder) | Variant van een recept |
| Chromosoom | Eén lang DNA-molecuul, verpakt met eiwitten | 46 stuks (23 paren); ca. 45 tot 248 miljoen basenparen per stuk | Boek |
| Genoom | Al het DNA van een organisme | ~3,1 miljard basenparen per set | Hele boekenkast |
Van gen naar eiwit
Een gen doet zelf niets: het is een instructie. Het eiwit dat volgens die instructie wordt gemaakt, doet het werk. Dat gebeurt in twee stappen, samen de eiwitsynthese:
- Transcriptie — in de celkern maakt het enzym RNA-polymerase een kopie van het gen in de vorm van messenger-RNA (mRNA). Lees ook het verschil tussen DNA en RNA.
- Translatie — het mRNA gaat naar een ribosoom in het cytoplasma. Het ribosoom leest telkens drie basen tegelijk (een codon) en koppelt het bijbehorende aminozuur aan de groeiende keten.
Er zijn 64 mogelijke codons voor slechts 20 aminozuren, dus de meeste aminozuren hebben meerdere codons. Drie codons zijn stopsignalen. Deze genetische code is bij vrijwel alle organismen hetzelfde — een sterke aanwijzing voor een gemeenschappelijke oorsprong van al het leven.
De rol van eiwitten bij de opbouw van DNA
DNA zelf bestaat niet uit eiwitten maar uit nucleotiden. Toch kan DNA niet zonder eiwitten: ze pakken het in, kopiëren het, lezen het af en repareren het. De belangrijkste:
| Eiwit | Rol |
|---|---|
| Histonen | Verpakking: DNA windt zich ongeveer 1,7 keer (147 basenparen) om een klosje van acht histonen, een nucleosoom. Zo wordt het DNA duizenden keren compacter. |
| Helicase | Ritst de dubbele helix open door de waterstofbruggen tussen de basen te verbreken. |
| DNA-polymerase | Bouwt een nieuwe streng tegenover de oude bij replicatie, en controleert zijn eigen werk (proofreading). |
| DNA-ligase | Plakt losse DNA-stukken aan elkaar tot één doorlopende streng. |
| RNA-polymerase | Schrijft een gen over naar mRNA (transcriptie). |
| Transcriptiefactoren | Bepalen welke genen aan of uit staan in een bepaalde cel. |
| Herstelenzymen | Sporen beschadigd DNA op en repareren het, bijvoorbeeld na UV-schade. |
Hier zit een mooie kringloop: DNA bevat de code voor eiwitten, en eiwitten zijn nodig om DNA te kopiëren en af te lezen. De meeste van deze eiwitten zijn enzymen. Meer over hun bouw lees je bij eiwitten.
Mutaties in DNA
Een mutatie is een blijvende verandering in de basevolgorde van het DNA. DNA-polymerase maakt na controle ongeveer één fout per miljard gekopieerde basen. Daardoor heeft elk mens bij de geboorte zo'n 50 tot 100 nieuwe mutaties die bij geen van beide ouders voorkomen. Andere oorzaken zijn UV-straling, radioactieve straling en chemische stoffen (mutagenen) zoals stoffen in tabaksrook.
- Puntmutatie — één base wordt vervangen door een andere. Soms heeft dat geen effect (het codon codeert nog steeds voor hetzelfde aminozuur), soms verandert één aminozuur. Bij sikkelcelanemie verandert één base in het hemoglobinegen (GAG wordt GTG), waardoor valine in plaats van glutaminezuur wordt ingebouwd.
- Insertie of deletie — er komt een base bij of er valt er een weg. Het leesraam van drie basen verschuift dan (frameshift), waardoor het hele eiwit erna verandert.
- Chromosoommutatie — grote stukken of hele chromosomen veranderen. Bij het syndroom van Down is chromosoom 21 drie keer aanwezig.
Mutaties in lichaamscellen worden niet doorgegeven aan kinderen, maar kunnen wel tot kanker leiden. Mutaties in geslachtscellen worden wel doorgegeven. De meeste mutaties zijn neutraal, sommige schadelijk en een enkele voordelig — en juist die zijn de grondstof voor natuurlijke selectie.
Veelgestelde vragen
Wat is het verschil tussen een gen en het genoom?
Een gen is één stukje DNA met de code voor één eiwit of RNA-molecuul. Het genoom is al het DNA van een organisme bij elkaar: alle genen plus het niet-coderende DNA ertussen. Het menselijk genoom bevat ongeveer 20 000 eiwitcoderende genen op ruim 3 miljard basenparen.
Wat betekent genoom?
Genoom betekent de volledige erfelijke informatie van een organisme, opgeslagen in zijn DNA (bij sommige virussen RNA). Het woord is samengesteld uit 'gen' en 'chromosoom'. Bij de mens bestaat het uit 23 chromosomen per set, samen ongeveer 3,1 miljard basenparen.
Hoeveel genen heeft een mens?
Een mens heeft ongeveer 19 000 tot 20 000 genen die voor eiwitten coderen. Dat is minder dan vroeger werd gedacht en niet veel meer dan een rondworm. Daarnaast zijn er duizenden genen die alleen voor RNA-moleculen coderen.
Wat is de rol van eiwitten bij de opbouw van DNA?
DNA bestaat zelf uit nucleotiden, niet uit eiwitten. Eiwitten zijn wel onmisbaar: histonen verpakken het DNA in chromosomen, helicase en DNA-polymerase kopiëren het bij celdeling, DNA-ligase plakt stukken aan elkaar en herstelenzymen repareren schade.
Wat zijn mutaties in DNA?
Mutaties zijn blijvende veranderingen in de basevolgorde van het DNA, bijvoorbeeld één vervangen base (puntmutatie) of een toegevoegde of verdwenen base. Ze ontstaan door kopieerfouten, straling of chemische stoffen. De meeste zijn neutraal; sommige veroorzaken ziekte en enkele zijn voordelig.
Welke basen horen bij elkaar in DNA?
In DNA paart adenine (A) altijd met thymine (T) en cytosine (C) altijd met guanine (G). A en T zijn verbonden door twee waterstofbruggen, C en G door drie. In RNA neemt uracil (U) de plaats van thymine in.