thumb|upright=1.2|Structuur van het DNA, het molecuul dat de basis vormt van erfelijkheid. DNA heeft de vorm van een dubbele helix. Rechts zijn twee basenparen uitvergroot.

Desoxyribonucleïnezuur, beter bekend als DNA,DNA is een afkorting van het Engelse deoxyribonucleic acid. is het biologische macromolecuul dat in alle levende cellen de basis vormt van erfelijkheid. DNA is een zeer lang polymeer, en bevat de genetische instructies voor de ontwikkeling, het functioneren, de groei en de voortplanting van alle bekende organismen en vele virussen.

DNA heeft een ingewikkelde chemische structuur. Het is opgebouwd uit twee ketens van nucleotiden, die in de vorm van een dubbele helix met elkaar vervlochten zijn. Een nucleotide bestaat uit een van de vier stikstofbasen (adenine, guanine, thymine of cytosine), een suikergroep genaamd desoxyribose, en een fosfaatgroep. De desoxyribose en de fosfaatgroep verbinden de nucleotiden in een keten aan elkaar en vormen de 'ruggengraat' van het DNA. De basen liggen tegenover elkaar, waarbij A altijd paart met T en G altijd met C.

De volgorde van de basen in het DNA vormt een code die het organisme informatie geeft hoe het eiwitten kan maken. Eiwitten bepalen op hun beurt alle verrichtingen en de structuur van de cel. Een stuk DNA dat voor een bepaalde eigenschap codeert, vormt een gen. De expressie van een gen, die via transcriptie en translatie verloopt, wordt zeer precies gereguleerd.

In de cellen van dieren, planten en andere eukaryoten is het DNA opgedeeld in een aantal losse strengen, de chromosomen. In een chromosoom is het DNA in hoge mate opgevouwen en opgerold rond eiwitten. Voorafgaand aan iedere celdeling zullen de chromosomen in hun geheel gekopieerd worden, een proces genaamd DNA-replicatie, en vervolgens verdeeld worden over iedere dochtercel. Bij eukaryoten ligt het DNA opgeslagen in de celkern, terwijl het bij bacteriën en archaea los in het cytoplasma voorkomt, vaak als een circulair chromosoom.

Biochemie Structuur thumb|Ruimtelijk model van het DNA. De basenparen liggen horizontaal tussen de twee spiraliserende ketens. DNA bestaat in levende organismen uit twee lange, polymere ketens van vier verschillende bouwstenen, de nucleotiden. Nucleotiden zijn platte moleculen, opgebouwd uit twee delen: een suikerverbinding met een daaraan gebonden fosfaatgroep, en een stikstof-bevattende base. In het geval van DNA is de suikergroep een desoxyribose (vandaar de naam des­oxy­ri­bo­nu­cleïne­zuur), en de stikstofbase is ofwel een adenine (A), een thymine (T), guanine (G) of een cytosine (C). De nucleotiden zijn covalent met elkaar verbonden in de keten via de suiker-fosfaatgroepen.Desoxyribose en fosfaat zijn verbonden via een zogeheten fosfodi-esterbinding. Onder fysiologische pH zijn de fosfodi-esters negatief geladen, waardoor het DNA een uitgesproken anionisch karakter heeft. Deze vormen als het ware de 'ruggengraat' van het DNA.

In een normale situatie liggen de twee ketens van het DNA-molecuul tegenover elkaar, waarbij de basen van de ene keten zich door middel van waterstofbruggen hechten aan die van de andere keten. Daarbij ligt A telkens tegenover een T en C tegenover G. De twee ketens liggen gedraaid om elkaar (in de vorm van een dubbele helix), waarbij de basenparen de twee ketens verbinden als de treden van een wenteltrap. De ontdekking van de helixstructuur van DNA was een mijlpaal in de wetenschap en betekende een enorme stimulans voor de ontwikkeling van de moleculaire biologie.

In het DNA draaien de twee nucleotideketens rond een gemeenschappelijke as. Eén volledige winding bestrijkt ongeveer tien nucleotiden en heeft een lengte van 34 ångström (3,4 nanometer). et al, pp. 60–62. De helix zelf heeft een breedte van 20 ångström. De stikstofbasen wijzen in de helix naar binnen; de fosfaatribose-ruggengraat vormt de buitenzijde van de helix en staat in contact met het waterige milieu. Omdat DNA in levende cellen uit twee strengen bestaat, wordt het dubbelstrengs genoemd.

Polariteit thumb|upright=1.2|Chemische opbouw van een stukje DNA, waarin vier basenparen zijn weergegeven. Merk op dat de twee strengen een 3'-eind en een 5'-eind hebben.

De manier waarop nucleotiden aaneengeschakeld zijn, geeft de DNA-keten een bepaalde chemische polariteit (richting). Binnen een DNA-streng zitten alle nucleotiden in dezelfde oriëntatie aan elkaar gekoppeld. Als men de koolstofatomen van de suikergroep telt, valt op dat de hydroxylgroep altijd aan het derde koolstofatoom vastzit, en de fosfaatgroep aan het vijfde koolstofatoom. De gehele DNA-streng krijgt zodoende twee verschillende uiteinden: een zogenaamd 3'-eind en een 5'-eind. Genetici gebruiken deze aanduidingen om de leesrichting van een DNA-sequentie op een consistente manier aan te geven.

Om basenparing mogelijk te maken, moeten de twee nucleotideketens in omgekeerde richting tegenover elkaar liggen. Met andere woorden, de polariteit van de ene streng is tegengesteld aan die van de andere streng. Men zegt wel dat de strengen antiparallel tegenover elkaar liggen. In genetisch onderzoek, waarbij men vaak geïnteresseerd is in de coderende stukken in het DNA, worden de verwante termen sense en antisense gebruikt. Een stuk DNA wordt sense genoemd als de nucleotidevolgorde hetzelfde is als die van het mRNA (en dus codeert voor eiwitten). De andere streng, die niet codeert, wordt antisense genoemd.

Basenparen In het dubbelstrengse DNA ligt de stikstofbase adenine altijd tegenover thymine, en guanine altijd tegenover cytosine. Dit principe wordt complementaire basenparing genoemd. In beide gevallen ligt een grotere tweeringige base (een purine) tegenover een kleinere éénringige base (een pyrimidine). Dit is de meest energiegunstige conformatie waarop de basen een interactie met elkaar kunnen aangaan binnen de helix. De basenparen A–T en G–C hebben bovendien een vergelijkbare breedte, waardoor de suiker-fosfaatruggengraat van beide partnerstrengen op constante afstand worden gehouden en dus op een vloeiende wijze om elkaar heen wentelen. et al, pp. 175–179.

Complementaire basenparing is een fundamentele eigenschap van het genetisch materiaal. Het verklaart namelijk het principe waarmee de genetische informatie gekopieerd en doorgegeven kan worden aan het nageslacht. Omdat de volgorde van nucleotiden van de ene streng exact complementair is aan die van de andere streng, is het mogelijk dat elke streng kan fungeren als een matrijs (template) voor de synthese van een nieuwe complementaire streng. Tijdens dit semiconservatieve proces van replicatie – waarbij DNA gekopieerd wordt – gaan de twee strengen uit elkaar, en dient elke streng als een matrijs voor de polymerisatie van een nieuwe complementaire streng die identiek is aan de vorige partnerstreng. Op deze manier wordt genetische informatie gericht in stand gehouden.

Groeven thumb|In de smalle groeve bindt de Hoechst-kleurstof, een stof die DNA zichtbaar maakt

Over het oppervlak van de dubbelstrengse DNA-helix lopen inkepingen, de zogenaamde groeven. pp. 158–161. Omdat de twee nucleotideketens niet precies symmetrisch om elkaar heen draaien, is de ene groeve wat ruimer dan de andere. Men maakt onderscheid tussen een brede groeve (major groove) en een smalle groeve (minor groove). De brede groeve is 12 ångström breed, en de smalle groeve 6 ångström.

In de groeven kunnen DNA-bindende eiwitten, zoals transcriptiefactoren of endonucleases, contact maken met de stikstofbasen. Eiwitten die als taak hebben om bepaalde nucleotidesequenties te herkennen, kunnen via een groeve aan het DNA vasthechten. Aan de randen van de groeve bevinden zich patronen van waterstofbrug-vormende groepen die specifiek zijn voor bepaalde sequenties. Op deze manier kan de sequentie-informatie van het DNA door eiwitten herkend en afgelezen worden zonder de helix te openen.

Lengte en hoeveelheid DNA-moleculen zijn extreem lang in vergelijking met hun diameter. Onder de elektronenmicroscoop zien ze er dan ook uit als langgerekte draden. Zelfs kleine DNA-moleculen van virussen, zoals die van bacteriofaag λ, zijn relatief lang. Er zijn verschillende manieren om de lengte van DNA-moleculen uit te drukken. De meest gangbare lengtemaat is in het aantal basen waaruit de DNA-keten bestaat. In de praktijk zijn DNA-moleculen kilobasen (kb) tot vele megabasen (Mb) lang. Zo is het chromosoom van de laboratoriumbacterie E. coli ongeveer 6,4 Mb groot. Het DNA van de mens, en veel andere primaten, heeft een totale lengte van ongeveer 3,0 gigabasen (Gb). Bij mensen is er in een gemiddelde lichaamscel ongeveer 6,0 picogram DNA aanwezig.

Een andere manier om de lengte van DNA aan te geven is de fysieke lengte van de dubbelstrengse helix. Wanneer het DNA van een diploïde menselijke cel volledig uitgerold zou worden, zou het theoretisch een lengte hebben van ruim twee meter. Het is dus noodzakelijk dat de ruimtelijke structuur van DNA zeer compact is. In cellen van eukaryoten is het DNA dan ook in vergaande mate opgerold rond eiwitten (histonen). Het opgerolde DNA, zichtbaar onder gevoelige microscopen, wordt chromatine genoemd. De structuur van het chromatine speelt een belangrijke rol tijdens genexpressie en celdeling.

Alternatieve DNA-structuren

Het ruimtelijk model dat in 1953 door Watson en Crick werd opgesteld, is in feite een gemiddelde structuur van het DNA, hetgeen tegenwoordig B-DNA wordt genoemd. Structuurbiologisch onderzoek aan zuivere DNA-kristallen heeft aangetoond dat er belangrijke lokale variaties op deze gemiddelde structuur kunnen optreden, waarbij de basen kunnen draaien en de groeven dieper of ondieper kunnen zijn. Twee belangrijke variante structuren zijn A-DNA en Z-DNA. Deze treden bijvoorbeeld op bij het loswikkelen van de DNA-helix tijdens transcriptie. De biologische rol van de verschillende structuurvariaties is nog grotendeels onduidelijk, maar er zijn aanwijzingen dat ze een rol spelen in genregulatie, totstandkoming van segmentmutaties en in genoomevolutie.

Een andere structurele eigenschap die inherent is aan de helixstructuur van DNA is een fenomeen genaamd supercoiling. DNA-supercoiling vindt plaats wanneer er mechanische spanningen optreden als het DNA lokaal ontrold wordt, zodat er in naastgelegen DNA-gebieden 'superwindingen' ontstaan. Supercoiling treedt onder meer op tijdens de transcriptie en replicatie, voornamelijk wanneer de bewegingsvrijheid van het DNA klein is (bijvoorbeeld bij een DNA-ring zoals het chromosoom van bacteriën, of bij de hechte windingen rond histonen). Een groep van enzymen genaamd topo-isomerases kunnen de windingsspanningen opheffen door snel de fosfodi-esterbindingen in de nucleotideketens te verbreken en vernieuwen.

Fysiek voorkomen thumb|Onzuiver DNA dat via ethanolprecipitatie geïsoleerd is uit een sinaasappel Zuiver DNA heeft op macroscopisch niveau een witachtig, draderig uiterlijk. Een oplossing met geconcentreerd genomisch DNA is slijmerig, en heeft een relatief hoge viscositeit. In het laboratorium is DNA relatief eenvoudig te isoleren uit biologische materialen zoals cellen en weefsels van planten en dieren.

Het zuiveren van DNA (DNA-extractie) vindt meestal plaats door cellen open te breken (te lyseren) met een mild detergens, eiwitten en andere cellulaire componenten te verwijderen, en het DNA te precipiteren door een zout en een alcohol toe te voegen. Extractie van DNA en andere nucleïnezuren is een standaardprocedure in de moleculaire biologie en het forensisch onderzoek.

Biologische functies

thumb|In eukaryotische cellen bevindt het DNA zich in de celkern, verdeeld over een aantal chromosomen