DNA

Ontdekking van DNA Het lichaam van de mens is opgebouwd uit zeer veel cellen. Bijna elke cel heeft een kern met daarin DNA. Ook bacteriën bevatten DNA, maar deze organismen bevatten geen kern. DNA werd in 1869 bij toeval ontdekt door de Zwitserse arts Miesscher. Hij experimenteerde met etter afkomstig van ziekenhuisverband en ontdekte een wit neerslag afkomstig uit de celkernen. Miesscher noemde het neerslag nucleïne (wat zoiets betekend als kern). Toen onderzoekers ontdekten dat het neerslag zure eigenschappen had, noemden ze de stof nucleïnezuur (kernzuur). DNA is de afkorting van het Engelse deoxyribonucleic acid (in het Nederlands: deoxyribonucleïnezuur). Sindsdien is de kennis over DNA sterk toegenomen. Het bleek om een zeer groot molecuul te gaan. In 1944 werd bewezen dat in het DNA, in codevorm, de erfelijke aanleg van organismen is vastgelegd. Dat wil zeggen dat DNA de informatie bevat voor bijvoorbeeld de kleur van iemands ogen en de bloedgroep die
iemand heeft. Voor elke menselijke cel met kern geldt dat het DNA verdeeld is over 46 chromosomen. Elk chromosoom bestaat uit één groot DNA-molecuul en uit een aantal eiwitten (histonen) voor de stevigheid. Bacteriën bevatten een DNA-molecuul in de vorm

van een ring. Structuur van DNA De ontrafeling van de bouw van het DNA-molecuul leverden de Amerikaan James Watson en de Engelsman Francis Crick in 1962 de Nobelprijs op. Zij beschreven dat DNA de vorm heeft van een moleculaire wenteltrap, een dubbele Helix. Beide leuningen van de wenteltrap bestaan uit fosfaatgroepen en suikermoleculen (desoxyribose) die om en om in twee lange ketens gerangschikt zijn. De ketens zijn als twee lange spiralen om elkaar heen gewonden (de wenteltrap). Aan elk suikermolekuul zit een stikstofbase. In DNA komen vier verschillende stikstofbasen voor: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T). Een fosfaatgroep, een suikermolecuul en een stikstofbase vormen samen een nucleotide. De treden van de DNA-wenteltrap worden gevormd door twee met elkaar verbonden basen: adeninethymine (A-T) en cytosine-guanine (C-G). Tegenover een nucleotide met adenine (A) in de ene keten zit altijd een nucleotide met thymine in de andere keten. Tegenover een nucleotide met cytosine (C) zit altijd een nucleotide met guanine (G). De ene keten is een soort spiegelbeeld van de andere keten; ze zijn complementair. De volorde waarin de stikstofbasen in het DNA voorkomen, vormt de code waarmee de erfelijke informatie is vastgelegd. De letters A, T, G en C vormen in het DNA-molecuul de basis voor de erfelijke eigenschappen. Een andere stiksofbasevolgorde betekent andere informatie. DNA-code en genen De DNA-code wordt gevormd door de nucleotiden. De stikstofbasen – A, C, G en T – zijn de letters voor codewoorden die met elkaar een codezin vormen uit de DNA-taal. Een combinatie van drie opeenvolgende stikstofbasen in de DNA-wenteltrap vormt een codewoord in de DNA-taal, een zogenaamd triplet, bijvoorbeeld AGT of CGC. Onderzoekers hebben ontdekt dat één DNA-triplet de code voor één aminozuur in een eiwitmolecuul vormt. De cobinatie AGT bijvoorbeeld codeert voor het aminozuur serine en CGC voor alanine. Voor de meeste van de 20 aminozuren bestaan er meerdere tripletcodes. DNA kent meerdere tripletcodes. DNA kent vier stikstofbasen: A, C, T, en G. Elke plaats in een triplet heeft dus vier mogelijkheden. Dat levert dus 4³ = 64 verschillende tripletten: meer dan genoeg voor 20 aminozuren. Drie tripletten, ATT, ATC en ACT, coderen voor geen enkel aminozuur. Als zo’n triplet in een stuk DNA voorkomt, betekent het dat de eiwitaanmaak daar stopt. Zo’n triplet heet daarom een stoptriplet of stopcodon. Een hele zin uit de DNA-taal (een gen) bestaat uit een groot aantal ‘3-letter-woorden’ die samen voor een compleet eiwit coderen. De zin begint altijd met de combinatie TAC (het aminozuur methionine) en eindigt met een stopcodon. RNA In de cellen van de iris van de mens is het gen voor de oogkleur ingeschakeld. Daardoor wordt in je iriscellen een enzym gesynthetiseerd dat zorgt voor de aanmaak van een bruin of een blauw pigment. De informatie voor deze synthese bevindt zich in de chromosomen in de celkern. De enzymen (en andere eiwitten) worden gesynthetiseerd in de ribosomen in het cytoplasma. De informatie voor de eiwitsynthese wordt overgebracht van de celkern naar het cytoplasma. Hierbij speelt de stof RNA (ribonucleïnezuur) een belangrijke rol. Er zijn verschillende typen RNA-moleculen. Eén van deze typen (messenger RNA of mRNA) brengt de informatie voor de eiwitsynthese over. Een RNA-molecuul vertoont overeenkomsten met een DNA-molecuul. Beide zijn opgebouwd uit nucleotiden. Bij beide bestaat een nucleotide uit een fosfaatgroep, een suiker en een stiksofbase. Maar er zijn ook verschillen. Een RNA-molecuul bestaat uit één enkelvoudige keten van nucleotiden. De nucleotiden van RNA bevatten de suiker ribose. Verder bevatten ze in plaats van thymine de stikstofbase uracil (U). RNA-moleculen worden in de celkern gevormd, langs delen van een DNA-molecuul. Op de locus van een ingeschakeld gen worden in het DNA-molecuul de bindingen tussen de basisparen verbroken. De twee nucleotideketens wijken uiteen. Eén van beide ketens bevat de informatie voor de erfelijke eigenschap. Deze keten heet de template-streng. Langs deze keten wordt de nucleotideketen van een RNA-molecuul gevormd. Dit kan op de loci van verschillende genen in het DNA-molecuul tegelijk gebeuren. De vorming van RNA-moleculen is vergelijkbaar met DNA-replicatie. Bij DNA-replicatie worden langs beide ketens over de gehele lengte van een DNA-molecuul nieuwe nucleotideketens gevomd. Bij de vorming van RNA wordt in een deel van een DNA-molecuul langs slechts één keten een nieuwe nucleotideketen gevormd. Elk RNA-molecuul bevat een afschrift van de informatie uit dit deel van het DNA-molecuul. De volgorde van stikstofbasen in een RNA-molecuul vertoont dan ook grote overeenkomst met de volgorde van stikstofbasen in dit deel van het DNA-molecuul. Zo bevat een mRNA-molecuul informatie in gecodeerde vorm over de synthese van een eiwit. Deze code wordt de genetische code genoemd. Als de vorming van een mRNA-molecuul is voltooid, laat het molecuul los van het DNA. Het mRNA-molecuul verlaat de celkern via poriën in het kernmembraan. Als een mRNA-molecuul bij een ribosoom aankomt dan kan het daar de synthese van eiwit op gang brengen. De genetische code De meeste genen in een cel zijn uitgeschakeld. Op de locus van een gen kan zich bijvoorbeeld een molecuul van een bepaalde stof hebben gebonden aan het DNA. Zo’n molecuul blokkeert het DNA, waardoor op deze plaats geen RNA-moleculen langs het DNA kunnen worden gevormd. Als het blokkerende molecuul wordt afgebroken, komt het DNA vrij en wordt het gen ingeschakeld. Bij een ingeschakeld gen brengen m-RNA-moleculen de informatie voor de eiwitsynthese gecodeerd over van de celkern naar de ribosomen. Welke aminozuren in welke volgorde aan elkaar worden geschakeld in de ribosomen wordt bepaald door de volgorde waarin stikstofbasen in de mRNA-moleculen voorkomen. Deze volgorde is een afschrift van de volgorde van stikstofbasen in het DNA. In de eiwitten van een mens komen 20 verschillende aminozuren voor. De stiksofbasen van een groepje van drie opeenvolgende nucleotiden coderen het in bouwen van één aminozuur in een eiwitmolecuul. Zo’n groepje van die opeenvolgende nucleotiden heet dus triplet of een codon. Ziektebestrijding Gezondheid is een van de belangrijkste zaken in een mensenleven is de mening van velen. Steeds proberen onderzoekers en artsen de gezondheidszorg te verbeteren. Telkens weer duiken nieuwe ziekten op waar een medische strijd voor nodig is om hem te bedwingen. Vroeger waren ziektes zoals longontsteking of pokken dodelijk, nu zijn ze nauwelijks meer een probleem. Maar nieuwe ziektes zoals AIDS en kanker zijn nu bron van diepgaand onderzoek. Op medisch gebied is veel bereikt, maar er valt ook nog veel te bereiken.
DNA lijkt hoopvol Het lijkt erop dat genetische manipulatie de sleutel is tot genezingen van veel ziekten. Allereerst natuurlijk de erfelijke afwijkingen, maar ook virussen kunnen in de toekomst misschien door middel van gentherapie bestreden worden. Toch is er nog een zeer lange weg te gaan voordat zoiets realiteit wordt. Met name genetische manipulatie staat nog maar in de kinderschoenen. Medicijnen zijn op dit moment in vergelijking met vroeger al veel beter, maar ook nu wordt er massaal in laboratoria over de hele wereld continu gesleuteld en ontwikkeld aan nieuwe pillen. DNA klonering DNA fragmenten die met behulp van restrictie enzymen verkregen zijn kunnen ook in een plasmide ingebouwd worden. Plasmiden kunnen ook gemakkelijk vermeerderd worden, waarna het ingebrachte fragment uit alle plasmiden geknipt kan worden. Op deze manier kan een DNA fragment vermenigvuldigd worden. In een plasmide kan een DNA fragment ter grote van 15kb ingebouwd worden. DNA-fingerprint DNA-fingerprint is een techniek waarmee de identiteit van een individu (mens, dier of plant) of de mate van verwantschap tussen individuen kan worden vastgesteld. Voor een DNA-fingerprint wordt het DNA (bijvoorbeeld geïsoleerd uit bloedcellen of haren afgebroken met een enzym. De ontstane DNA-fragmenten worden op grootte gescheiden door middel van elektroforese en de fragmenten worden zichtbaar gemaakt met een stukje (radioactief gemerkt) DNA. Het resultaat is een patroon van banden op een röntgenfilm dat karakteristiek is voor het betrokken individu (daar komt de naam ook vandaan). De kans dat de DNA-patronen van twee personen identiek zijn, is ongeveer één op zestien miljoen. Hierbij moet je wel bedenken dat DNA-fingerprint alleen informatie geeft over de identiteit of over de verwantschap. Informatie over de aanwezigheid of afwezigheid van erfelijke afwijkingen kan uit dit patroon niet worden afgeleid. Celdeling Cellen kunnen zich vermenigvuldigen door zichzelf te delen, 1 cel wordt 2 cellen en daarna weer 4 cellen en die worden 8 cellen enz. Wanneer een cel zich gaat vermenigvuldigen, splitst het DNA zich eerst in de lengte. Je krijgt zo 2 wenteltrappen die bestaan uit een staander en doorgezaagde traptreden. Als dit gebeurd is, maakt de cel bij elke staander een nieuwe helft die er precies op past. Waar een stuk blauwe tree was, komt er een groene tree bij, waar een stuk zwarte tree was, komt er een gele bij (deze kleuren gebruiken we voor het gemak). Als het proces klaar is, heb je dus 2 nieuwe stukken DNA, die precies gelijk zijn aan het stukje waarmee het begon. Dit proces gebeurd voortdurend, bijvoorbeeld: in je lichaam gaan cellen dood, die ook weer gemaakt moeten worden. En als je groeit komen er steeds meer cellen bij. Genen Een stukje DNA dat een eigenschap veroorzaakt noemen we een gen (meervoud: genen). De meeste eigenschappen zijn te ingewikkeld dat ze niet op 1 gen vastliggen, maar op meerdere. Iedere cel heeft een kern. In deze kern zweven 46 chromosomen rond. De chromosomen zijn gemaakt van DNA. Er zijn altijd 2 chromosomen die op elkaar lijken. De volgorde waarin deze stoffen in het DNA voorkomen bepalen de erfelijke eigenschappen.
Erfelijke eigenschappen Het ligt niet in het DNA vast dat iemand bijvoorbeeld een hechting op zijn rechterhand heeft en het ligt ook niet vast in het DNA dat iemand goed Engels spreekt. Dit zijn eigenschappen die je tijdens je leven krijgt of juist niet krijgt. Welke eigenschappen liggen dan wel vast in het DNA? Dat weten we niet precies. Wanneer iemand een hekel heeft aan bloemkool kan het misschien wel erfelijk zijn of juist niet. Of als iemand goed gitaar speelt, ligt het dan aan zijn DNA of omdat zijn ouders hem al vroeg op gitaarles gedaan hebben? Of ligt het aan allebei: hebben de ouders hem al vroeg op gitaarles gedaan omdat ze zelf aanleg hebben voor muziek en er daardoor ook in geïnteresseerd zijn? Maar iemand kan ook aanleg hebben voor honkbal maar dat zegt nog niet dat hij later een profhonkballer zal worden. Maar er zijn ook nog voorbeelden van eigenschappen die beslist erfelijk zijn: de kleur van de ogen, dus ergens op een chromosoom gaat het er over de kleur van de ogen. Het aantal treden (honderden treden) in het DNA bepalen samen welke kleur deze zullen zijn. Fokken Het is nog niet zo lang bekend dat DNA zo'n belangrijke stof is. Maar toch weten de mensen al duizenden jaren dat bepaalde eigenschappen erfelijk zijn. Die kennis werd toen ook al gebruikt. Bijvoorbeeld in de bijbel staat het verhaal van Jacob: Jacob werkt bij zijn oom Laban. Hij hoedt er de schapen en de geiten. Oom Laban vraagt hem hoeveel loon hij wil hebben voor het hoeden van de schapen en de geiten. "Als ik vertrek, wil ik alle zwarte schapen en alle gespikkelde en bevlekte geiten meenemen", zegt Jacob. Zijn oom gaat akkoord. Zijn kudde is gigantisch en er loopt maar 1 zwart schaap en een paar bevlekte en gespikkelde geiten rond. Maar Jacob gaat fokken. Door bepaalde schapen of geiten met elkaar te kruisen ontstaan er steeds meer zwarte schapen en bevlekte en gespikkelde geiten. Na 6 jaar heeft hij een grote kudde bij elkaar gefokt en tot grote woede vertrekt hij met al die dieren. Fokken gebeurde dus al in de tijd van de bijbel. Fokken is eigenlijk niets anders dan je bemoeien met de natuur en eigenschappen op een slimme manier combineren. Hetzelfde gebeurt met planten: door te kruisen proberen de telers steeds grotere en mooiere planten te krijgen, of steeds sappigere tomaten, of druiven die tegen kou kunnen. Dat klutsen van eigenschappen, van DNA dus, zoals Jacob het ook al deed, heet klassieke biotechnologie. Biotechnologie Normaal denk je bij bacteriën aan iets smerigs dat ziektes over brengt. Bacteriën zijn hele kleine organismen en bestaan maar uit één cel. Bacteriën zijn erg belangrijk in de biotechnologie, door het veranderen van hun DNA kan men er medicijnen van maken. Biotechnologie bij suikerziekte Iemand die suikerziekte heeft maakt te weinig insuline aan. Deze stof is erg belangrijk voor ons. De stof zorgt namelijk voor dat de suiker in ons bloed door de cellen kan worden opgenomen als voedingsstof. Te weinig insuline heeft tot gevolg dat er in een cel een tekort is aan suiker, terwijl in het bloed zoveel suiker zit dat het met urine wordt verwijderd. Het tekort aan insuline, moet door injecties verholpen worden. Men haalt de insuline uit het geslacht vee. Dit is natuurlijk erg makkelijk, maar raakt op den duur ook een keer op. Men kan ook op een andere manier insuline maken met behulp van het veranderen van het DNA. Je hebt een witte bloedcel en haalt het DNA uit de kern van de cel. Je zorgt dat je het gen hebt, waarin staat hoe men insuline aanmaakt. Hierna moet men natuurlijk wel goed onderzoeken of het geen kwaad kan voor de patiënt. Dit proces wordt ook toegepast bij planten. Zo kunnen we bijvoorbeeld langer houdbare tomaten kweken en aardappels die tegen ziektes bestand zijn. Dit kon vroeger ook door middel van de kruisingsmethode, maar met de biotechnologie kan dit veel preciezer gebeuren. Ook dieren worden gebruikt, een schaap geeft bijvoorbeeld melk waarin een stof zit die mensen over het algemeen ook maken. Sommige mensen hebben een afwijking, waardoor ze deze stof niet aanmaken. Daardoor kunnen deze mensen ernstige problemen met hun longen krijgen. De stof uit de melk van het schaap kan nu als medicijn gebruikt worden. DNA, knippen en plakken Moderne biologie = Stel dat je DNA haalt uit een kern van een witte bloedcel en net een gen eruit haalt waarop staat hoe je insuline maakt. Dan kun je dit gen in het DNA van een bacterie stoppen, deze bacterie gaat dan ook insuline maken. Maar je moet met deze techniek wel oppassen want je weet nooit of de bacterie wel precies hetzelfde insuline maakt. Deze techniek is een stuk sneller en preciezer dan de klassieke biologie. Deze techniek kan ook goed bij planten gebruikt worden, zo kunnen bijvoorbeeld planten gekweekt worden die tegen bepaalde ziekten bestand zijn. Dit konden we ook al met de klassieke biologie alleen nu gaat het een stuk sneller en preciezer en er zijn nu meer mogelijkheden.
Mensen, dieren en planten Mensen bestaan uit eigenschappen die bepaald worden door DNA, hetzelfde geldt voor dieren, de eigenschappen daarvan worden ook door DNA bepaald, hetzelfde geldt voor planten en bacteriën. Dus van alles wat leeft worden de eigenschappen bepaald door het DNA. Je mag niet zomaar bepaalde handelingen uitvoeren, je moet eerst toestemming vragen aan de regering, zodat mensen niet zomaar gevaarlijke stoffen gaan maken. DNA-ketens Nucleïnezuren zijn complexe moleculen die worden geproduceerd door levende cellen en die essentieel zijn voor alle levende organismen. Deze zuren sturen de ontwikkeling van het lichaam vanaf de bevruchting. Zij geven erfelijke informatie door aan de volgende generatie. Dit door de computer gemaakte model toont twee DNA-moleculen, elk bestaande uit twee ketens deoxyribonucleïnezuur (DNA) die spiraalsgewijs om elkaar heen zijn gewikkeld.