DNA

3 DNA: het management van je cellen 3.1 DNA: geheimtaal (De bouw van DNA en chromosomen) Je leert -hoe erfelijke informatie is opgeslagen in DNA. -de bouw van DNA en een chromosoom. -wat het verband is tussen DNA en chromosomen. Elke cel bevat DNA. DNA bevindt zich in de chromosomen. De chromosomen bestaan uit een DNA-molecuul en een groot aantal eiwitten. In het DNA ligt in codevorm de erfelijke informatie opgeslagen. Het DNA-molecuul heeft de vorm van een wenteltrap; een dubbele helix van twee om elkaar gewonden ketens. De ketens zijn opgebouwd uit nucleotiden. Elk nucleotide bestaat uit een fosfaatgroep, een suikermolecuul (deoxyribose) en een stikstofbase. In het DNA vier verschillende stikstofbasen voor: adenine (A), cytosine (C), guanine (G) en thymine (T). De twee ketens zijn met elkaar verbonden door basenparen. Tegenover de T in de ene keten zit altijd een A in de andere keten (en om gekeerd); evenzo vormen C en G basenparen. De ene keten is een soort spiegelbeeld van de andere keten; de ketens zijn complementair. 3.2 '… en we noemen hem Hugo' (Chromosomen, genen en genoom) Je leert - het verband tussen allel, gen, DNA, chromosoom en genoom - dat een gen de code bevat voor een eiwit - het doel van het humaan genoom project

Het DNA in een cel is verdeeld over een aantal afzonderlijke chromosomen, die verschillen in vorm en lengte. Elk type chromosoom komt in elke lichaamscel twee keer voor; samen vormen die tweetallen een chromosomenpaar. Van elk chromosomenpaar is er één afkomstig van de vader en één afkomstig van de moeder. Geslachtscellen bezitten van elk paar een chromosoom. In elk chromosoom bevindt zich een groot aantal genen. Elk gen levert de informatie voor één eiwit. Meestal bepalen meerdere genen samen een eigenschap, bijv. bloedgroep of haarkleur. Omdat chromosomen in lichaamscellen in paren voorkomen, komt elk gen in lichaamscellen in tweevoud voor. De informatie van de chromosomen van een paar is niet altijd geheel hetzelfde. De varianten van een gen noemt men allelen (enkelvoud allel). Het humaan genoomproject (HUGO) heeft alle menselijk genen (het genoom) in kaart gebracht. 3.3 DNA vertaald (Van DNA-code naar eiwit) Je leert - de relatie tussen DNA in de kern en bouw van eiwitten. - dat stukjes DNA via een RNA afdruk worden vertaald in eiwitten. Bij elk proces in het lichaam zijn eiwitten betrokken. Eiwitten zijn lange ketens van aminozuren. Er zijn zo'n 20 verschillende aminozuren. Eiwitten verschillen in aantal, soort en volgorde van de aminozuren in de keten en bovendien in de manier waarop ze in een ruimte gevouwen zijn. Er zijn oneindig veel verschillende eiwitten mogelijk. De bouw van een eiwit (de volgorde, het aantal en de soort aminozuren) wordt bepaald door de volgorde van de nucleotiden in het DNA. Het DNA is een soort kookboek vol eiwitrecepten. Een gen bevat de code (AATCGGCACG…) voor een eiwit. De erfelijke code is een tripletcode. Drie stikstofbasen (een triplet, bijv. CGA) coderen voor één aminozuur. De code wordt via de RNA-boodschap (een afdruk van een deel van het DNA) naar de ribosomen gebracht. Daar wordt de code 'vertaald' in een eiwit. Drie DNA-tripletten, coderen voor geen enkel aminozuur. Komt zo'n triplet in een stuk DNA voor dan betekent het dat de eiwitaanmaak daar stopt. Zo'n triplet heet daarom een stopcodon. Het menselijk DNA bevat behalve de genen ook grote stukken DNA, die niet voor een eiwit coderen: het 'nonsens-DNA'. Over de functie daarvan wordt druk gespeculeerd. 3.4 Stabiliteit van DNA (Punt-en chromosoommutaties) Je leert - typen mutaties, oorzaken en gevolgen van mutaties. - oorzaken van tumoren. Mutaties zijn veranderingen in het DNA. Er zijn verschillende typen mutaties. Bij een puntmutatie is één nucleotide in de keten veranderd; bij een chromosoommutatie is een deel van het chromosoom met meerdere genen veranderd. Door puntmutaties kunnen verschillende allelen ontstaan. Een verandering in het DNA kan zonder gevolgen blijven. Treedt een mutatie op in een geslachtscel, dan komt de mutatie in een volgende generatie terecht. Mutaties treden spontaan op. Er zijn milieufactoren (bijv. straling) die mutaties in de hand werken, maar er zijn in de cel reparatiemechanismen die de DNA-schade kunnen herstellen. Bij grote DNA-schade vernietigt de cel zichzelf. Daarmee verdwijnt de mutatie. Het aantal mutaties dat blijft bestaan, is door deze oorzaken niet groot. Wanneer er blijvende mutaties zijn in de regelgenen van de celdeling, kan de celdeling ontsporen. Er treedt ongecontroleerde celdeling op waardoor goedaardige of kwaadaardige tumoren kunnen ontstaan. 3.5 Goochelen met genen en mensen (DNA-gebruik bij identificatie en gentherapie) Je leert - diverse DNA-technieken. - voor- en nadelen van een genenpaspoort. - de keuzemogelijkheden bij erfelijke aandoeningen. Door middel van moderne technieken kan iemands unieke DNA-patroon vastgesteld worden (DNA-fingerprint) en vastgelegd in een genenpaspoort. Zo'n fingerprint maakt het mogelijk om erfelijke aandoeningen op te sporen. De wetenschap van je DNA-patroon kan gunstig zijn als je bijvoorbeeld door aanpassing van je leefgewoonten de kans op ziekten verkleint. Het kan ook nadelig zijn omdat het in de toekomst wellicht een reden kan zijn om je niet te verzekeren of aan te nemen bij sollicitaties. Met een 'DNA-fingerprint' is het ook mogelijk vaderschap vast te stellen of de dader van een misdrijf op te sporen. Door middel van DNA-onderzoek bij embryo's kan vastgesteld worden of er sprake is van een erfelijke aandoening. Deze wetenschap stelt de aanstaande ouders voor moeilijke keuzen: de zwangerschap afbreken (abortus) of in een later stadium gentherapie toepassen. Bij gentherapie worden genen die een ziekte of afwijking veroorzaken vervangen of aangevuld door gezonde genen. Gentherapie is nog grotendeels toekomstmuziek. Het overbrengen van genetisch materiaal van het ene individu naar het andere is aan regels (normen) gebonden. Ook het gebruik van embryo's is niet voor alle doeleinden toegestaan. Bij het gebruik van de kennis van DNA is een ethische discussie over waarden en normen aan de orde ('Wat kan, mag dat ook?'). 4 Groei 4.1 Dooreten, daar word je oud van (Voeding, groei en verouderen) Je leert - de invloed van voedsel op groei en ontwikkeling van het individu. - een aantal oorzaken van veroudering. - de functie van telomeren (DNA-uiteinden). De samenstelling van het voedsel is belangrijk voor de groei en ontwikkeling, maar heeft ook invloed op de snelheid waarmee veroudering optreedt. Je groeit doordat je cellen delen. Celdeling is niet alleen nodig voor de groei maar ook voor het vervangen van versleten cellen. Lichaamscellen delen niet eindeloos, doordat bij elke deling het eindstuk van een chromosoom, het telomeer, korter wordt. Als het telomeer 'op' is houdt de celdeling op. Er zijn cellen die beschikken over het enzym telomerase. Telomerase maakt het telomeer langer. Een cel met telomerase kan langer delen dan een cel zonder telomerase. Cellen raken in de loop van de tijd beschadigd door stofwisselingsprocessen: het DNA verandert en belangrijke stoffen functioneren niet meer. Dat leidt tot verouderingskenmerken, grijs haar, rimpels, slechter werkende zintuigen en stramme spieren. Bij grote beschadigingen treedt celdood in werking. Bij veroudering neemt aantal afgestorven en beschadigde cellen toe. 4.2 Giraffen en olifanten (Groeien) Je leert -de invloed van hormonen en groeifactoren op de groei. -de relatie tussen lengtegroei en groei in pijpbeenderen. -voor- en nadelen van een grotere massa ten opzichte van lengte. Lengtegroei komt door de groei van de pijpbeenderen doordat de kraakbeencellen in de groeischijf van deze beenderen reageren op signalen om te delen en te verbenen. In de puberteit maken jongens en meisjes een groeispurt door. Hormonen uit de hypofyse (geslachtshormonen en groeihormoon) stimuleren de groei. Alleen cellen met receptoren voor deze hormonen reageren op het signaal van de hormonen. De cel maakt dan een groei-eiwit, (een groeifactor) waardoor de celdeling, bijvoorbeeld in de groeischijf van een pijpbeen op gang komt. Wanneer het gen voor dit groei-eiwit gemuteerd is, treedt er geen celdeling en dus geen groei op. Bij groei neemt de massa in verhouding sterker toe dan het oppervlak, daardoor wordt de invloed van de zwaartekracht op het lichaam groter. Grote organismen hebben relatief stevige poten om hun lichaam te kunnen dragen. Groter worden heeft ook een voordeel, want doordat relatief meer cellen in het inwendige van het lichaam zitten is het warmteverlies minder.
4.3 Jong blijven? Vernieuw je cellen! (Mitose en celdeling) Je leert -de fasen van de celcyclus. -de verdubbeling van DNA en chromosomen. -in een tekening of foto stadia van de mitose herkennen. Bij een celdeling ontstaan twee dochtercellen uit één moedercel. Celdelingen verlopen volgens een vast patroon: de celcyclus. Een pas ontstane dochtercel maakt eerst voldoende nieuwe celorganellen en cytoplasma (G1-fase). Daarna volgt de verdubbeling van het DNA (DNA-synthese). Tijdens een DNA- verdubbeling in de S - fase gaan de twee strengen van een DNA-molecuul uit elkaar. Tegenover elke base komt een nieuwe base, waarbij A en T combineren, en C en G. De twee nieuwe DNA dubbelstrengen die hiervan het resultaat zijn, heten chromatiden. Ze zitten nog op één plek aan elkaar vast: het centromeer. Om deze chromatiden goed te kunnen verdelen over de nieuwe dochtercellen ontstaan speciale eiwitten tijdens de G2 - fase. Tevens wordt het verdubbelde DNA gecontroleerd op foutjes en verdubbelen celorganellen zich. G1, S en G2 vormen samen de interfase, de periode tussen twee delingen. Dan volgt de kerndeling, mitose. De DNA-moleculen rollen in elkaar. Ze vormen samen met eiwitten korte dikke structuren die je met een lichtmicroscoop ziet als chromosomen. De speciale eiwitten van de spoelfiguur trekken de chromatiden zodanig uit elkaar, dat elke nieuwe kern identiek DNA krijgt. Hier eindigt de mitose. Pas daarna deelt de cel zelf in tweeën (celdeling). 4.4 Beter een goede buur ... (Determinatie, specialisatie en ontwikkeling) Je leert -het effect van celdeterminatie op celdifferentiatie. -de rol van (master)genen bij ontwikkeling van organen. -de beïnvloeding van cellen door inductie. Elke mens is ontstaan uit één cel, de bevruchte eicel (zygote). Na de bevruchting deelt de zygote vele malen; er ontstaan miljarden cellen. De cellen lijken in het begin nog veel op elkaar, maar tijdens de embryonale ontwikkeling ontstaan er verschillen in bouw en functie tussen de cellen. De cellen differentieren zich. Deze celdifferentiatie begint doordat groepen genen in een cel aan- of uitgeschakeld worden. In een bepaald type cel wordt een andere combinatie van genen actief dan in een ander type. De cellen krijgen hierdoor een bestemming, determinatie, en gaan zich in een bepaalde richting ontwikkelen. Mastergenen sturen dit proces. Het contact met buurcellen beïnvloedt ook de richting waarin een cel zich ontwikkelt. Deze beïnvloeding heet inductie. Bij inductie kunnen ook cellen verdwijnen door voorgeprogrammeerde celdood. Zo ontstaan bijvoorbeeld aparte vingers uit handklompjes. 4.5 Wildgroei (Ongeremde celdeling) Je leert -oorzaken voor het ontstaan van tumoren. -de rol van regelgenen bij de celcyclus. -de opeenvolging van veranderingen bij kanker. De celdeling wordt geregeld door stoffen die de celdeling stimuleren of remmen. Een cel heeft receptoren voor deze stoffen. Door die stoffen worden regelgenen voor de celdeling aan- of uitgeschakeld.. Er zijn twee soorten regelgenen: proto-oncogenen, die de celdeling stimuleren en suppressorgenen, die de celdeling remmen. Als de aanvoer van stimulerende of remmende stoffen niet goed is of als de receptor niet werkt, kan de celdeling ontregeld worden. Ook kan de celdeling ontregeld worden doordat de regelgenen gemuteerd zijn. Door mutaties in deze genen kunnen kan de celdeling zo van slag raken dat er uiteindelijk tumoren (gezwellen) ontstaan. Vaak komt het niet zover. Cellen met onherstelbare DNA-beschadigingen schakelen dan een zelfmoordgen aan waardoor zo'n cel sterft. Een tumor is goedaardig als hij op zijn plaats blijft (bijv. een wrat). Een kwaadaardige tumor kan zich uitzaaien (metastase), doordat cellen losraken van de tumor, zich verspreiden via bloed en lymfe en op een andere plaats in het lichaam een nieuwe tumor vormen. Een kwaadaardige tumor heet kanker. Carcinogene stoffen en straling kunnen kanker veroorzaken. Men is voortdurend op zoek naar nieuwe behandelmethoden voor kanker. 6.2 Zaadcel / eicel (Vorming van de geslachtscellen bij de mens) Je leert - hoe geslachtscellen gevormd worden. Geslachtscellen ontstaan door meiose. Een meiose bestaat uit twee delingen: meiose I waarbij de homologe chromosomen verdeeld worden over twee cellen en meiose II waarbij de chromosomen gedeeld worden in twee chromatiden. Er ontstaan uiteindelijk vier haploïde geslachtscellen, met in elke cel de helft van het aantal chromosomen van een diploïde lichaamscel. Tijdens profase I treedt crossing-over op. Hierdoor kunnen homologe chromosomen stukjes met elkaar uitwisselen. Bij vrouwen begint de meiose al in het foetale stadium. Onder invloed van hormonen voltooit tijdens elke menstruatiecyclus meestal één follikel de meiose. Pas als er bevruchting optreedt, wordt meiose II afgemaakt. Dan zijn er uiteindelijk drie poollichaampjes en één eicel gevormd. 7 Erfelijkheid 7.1 Je bent uniek ( Oorzaken van variatie) Je leert - hoe het komt dat mensen verschillend zijn. De erfelijke eigenschappen liggen vast in genen. Ieder mens is uniek. De oorzaak is recombinatie van chromosomen tijdens meiose en bevruchting (H6). Ook crossing-over (het uitwisselen van stukjes chromosomen) en mutaties (veranderingen in het erfelijk materiaal, DNA) dragen bij aan de variatie.
7.2 Wat je chromosomen 'vertellen' (Erfelijke afwijkingen) Je leert - welke chromosomen het geslacht bepalen. - dat je in een chromosomenportret bepaalde chromosomale afwijkingen kunt herkennen. In een chromosomenportret of karyogram hebben onderzoekers de chromosomen (behalve het 23e paar) op lengte gerangschikt . Karyogrammen van mannen en vrouwen zijn verschillend. Vrouwen hebben in hun karyogram twee gelijke geslachtschromosomen (XX), mannen twee verschillende (XY). In vrouwelijke cellen is meestal één van de X-chromosomen inactief. Dit inactieve X-chromosoom is met een microscoop zichtbaar als een klein korreltje in de kern, het lichaampje van Barr. Op het Y-chromosoom ligt het SRY-gen. Dit gen speelt een belangrijke rol bij de ontwikkeling van de geslachtsorganen van de man. Door karyogrammen zijn bepaalde chromosomale afwijkingen te ontdekken. Bij het Down syndroom zie je in het karyogram in plaats van twee, drie exemplaren van het 21e chromosoom. Bij een translocatie is een stukje van een chromosoom losgeraakt en terechtgekomen op een ander chromosoom. 7.3 Een mens is meer dan zijn genen (Invloed genotype en milieu op het fenotype) Je leert - dat genen en het milieu samen je fenotype bepalen. - dat uit tweelingonderzoek de invloed van het milieu en genotype op een eigenschap af te leiden is. Het fenotype of verschijningsvorm wordt bepaald door het genotype en het milieu. Een aangeboren eigenschap hoeft niet erfelijk te zijn. Het is voor veel eigenschappen, met name bij gedrag, onduidelijk of ze vastliggen in de genen of dat omgevingsfactoren (milieu) bepalend zijn. Gegevens hierover komen vooral uit tweelingonderzoek. 7.4 Je genen geef je door (Verschillende vormen van overerving) Je leert - verschillende vormen van overerving. - met kruisingsschema's de kans op mogelijke genotypen en fenotypen te bepalen. Allelen zijn variaties van genen op overeenkomstige plaatsen op een homoloog chromosomenpaar. Deze allelen kunnen ongelijk zijn. Het ene allel overheerst dan het andere. Het overheersende allel heet het dominante allel; het ondergeschikte allel het recessieve allel. Een drager of draagster van het recessieve allel is heterozygoot; het dominante allel bepaalt het fenotype. Je waarneembare eigenschappen, je fenotype komen tot stand door je genen en het milieu. Een organisme is homozygoot voor een bepaalde eigenschap als beide allelen van een paar gelijk zijn. Verschillen de allelen voor een bepaalde eigenschap dan is het organisme heterozygoot. Als bij een heterozygoot genotype beide allelen tot uiting komen, is een intermediair fenotype het gevolg. Bij de overerving van bloedgroepen is sprake van co-dominatie: er is sprake van meer dan één dominant allel voor deze eigenschap. Via stambomen en kruisingsschema's kun je voorspellingen doen over de eigenschappen van de nakomelingen.Kruisingen waarbij gelet wordt op een kenmerk heten monohybride kruisingen. Kleurenblindheid en hemofilie (bloederziekte) zijn aandoeningen die X-chromosomaal overerven. 7.5 Als genen afwijken (Prenatale diagnostiek) Je leert - hoe artsen eventuele afwijkingen bij een embryo opsporen. - de kans op erfelijke afwijkingen te berekenen. - de problemen rond prenataal onderzoek onderkennen. Door middel van erfelijkheidsonderzoek (bijv. een vruchtwaterpunctie of vlokkentest) kunnen artsen al ver voor de geboorte vaststellen of een embryo erfelijke afwijkingen heeft. Ook uit het bloed van de moeder zijn embryonale cellen (afkomstig van de placenta) voor deze zogenaamde prenatale diagnostiek te halen. Soms kiezen ouders bij ernstige afwijkingen van hun ongeboren kind voor het afbreken van de zwangerschap (abortus). 8 Werken met genen 8.1 Melk, melk en nog eens melk (Veredelen van rassen) Je leert - hoe door steeds de beste ouderdieren te selecteren een ras verbetert. Een ras is door selectie te verbeteren. Door alleen de organismen met de bepaalde gewenste erfelijke eigenschappen te gebruiken bij de geslachtelijke voortplanting kunnen gewenste veredelde nakomelingen ontstaan. Dergelijke combinaties van erfelijke eigenschappen komen alleen onder gunstige milieuomstandigheden optimaal tot uiting. 8.2 Mientje en Adelheid (Kruisingsschema's en kansberekening) Je leert - hoe je een kruising kunt oplossen. - hoe inteelt soms leidt tot het tot uiting komen van recessieve allelen. Door kruisingsschema's te maken krijg je inzicht in de overerving van eigenschappen. Bij dihybride kruisingen, dat zijn kruisingen waarbij je op twee genen tegelijk let, kun je de kans op een bepaald type nakomeling aflezen in een kruisingsschema. Je kunt deze kans ook berekenen door de dihybride kruising te splitsen in twee monohybride kruisingen en de kansen van de afzonderlijke monohybride kruisingen met elkaar te vermenigvuldigen. Bij kruising van nauw verwante individuen (inteelt) is de kans groter dat in de nakomelingen eigenschappen tot uiting komen die horen bij de recessieve allelen dan bij kruisingen van niet verwante individuen.
8.3 Runderen uit glas (Kloneren van dieren) Je leert - wat kloneren is. - hoe onderzoekers dieren klonen. Een kloon is door ongeslachtelijke voortplanting uit één voorouder ontstaan. Schimmels, bacteriën en gisten klonen gemakkelijk door celdeling. Dieren kunnen door embryosplitsing gekloond worden. Bij biotechnologische voortplanting gebruiken onderzoekers technieken als superovulatie, kunstmatige inseminatie, embryo-en kerntransplantatie en overbrengen van embryo's in draagmoederdieren. 8.4 Runderen met een menselijk trekje (Recombinant-DNA- technieken) Je leert - hoe onderzoekers de erfelijke eigenschappen van organismen kunnen veranderen. Onderzoekers kunnen met recombinant-DNA technieken stukjes DNA met de erfelijke informatie voor een gewenste eigenschap inbouwen in het DNA van een ander organisme. Dit organisme is dan transgeen. Andere technieken om een organisme transgeen te maken zijn: micro-injectie (het inspuiten van vreemd DNA in de kern van een bevruchte eicel), infectie met retrovirussen (in het RNA van deze virussen is een stukje vreemd erfelijk materiaal ingebouwd dat na infectie omgezet wordt in DNA en terechtkomt in het DNA van een gastheercel) en embryocellen (in ongedetermineerde embryonale cellen wordt het DNA veranderd; deze cellen worden vervolgens in een embryo ingebracht). Deze gemodificeerde cellen worden een onderdeel van het embryo. Bij celfusie laten onderzoekers twee cellen samensmelten. De dan gevormde cel krijgt alle eigenschappen van beide cellen. Dit is het geval bij de productie van monoklonale antistoffen. 8.5 Biotechnologie ter discussie (Mag alles wat kan?) Je leert - keuzes maken over het veranderen van de erfelijke eigenschappen van organismen. Bij biotechnologische technieken speelt vaak de volgende ethische vraag: Mag alles wat kan? Sommige mensen maken zich grote zorgen over de veiligheid en welzijn van mens, dier en milieu. De risico's bij biotechnologische technieken dienen zorgvuldig in kaart te worden gebracht.