hoofdstuk 21 molecuul van de 20ste eeuw (nectar)

HOOFDSTUK 21 MOLECUUL VAN DE TWINTIGSTE EEUW

AFBEELDING – stukje DNA-molecuul

Eiwitten in het celmembraan hebben verschillende

functies:

-transporteiwitten: zorgen voor actief transport van stoffen door het celmembraan

-antenne-eiwitten: ontvangen signalen uit de omgeving van de cel, bijv. neurotransmitterreceptoren

§ 21.1 Genen in beeld

Cystische fibrose = CF: een van de meest voorkomende erfelijke aandoening onder blanke mensen, erft recessief over, kliercellen produceren slijm dat heel dik en taai is waardoor allerlei problemen ontstaan (de trilharen in de luchtwegen kunnen het taaie slijm niet afvoeren, de longblaasjes raken verstopt en er ontstaat een chronische longontstikking, het alvleessap is zo dik dat het de afvoergangen van de alvleesklier verstopt, vet wordt niet goed verteerd)

CF-patiënten hebben op beide chromosomen een defect allel, cellen maken een gemuteerd eiwit aan maar dit eiwit blijft steken in het ER, vervolgens wordt het afgebroken, hierdoor ontbreken de chloortransporteiwitten in het celmembraan.


Erfelijke aandoeningen ontstaat door veranderingen in het DNA (mutaties). Dat kan leiden tot afwijkende eiwitten. Met behulp van DNA-tests en het bepalen van de basenvolgorde zijn mutaties op te sporen.

Een CF-patiënt heeft een vette ontlasting, doordat de afvoergangen van de alvleesklier verstopt raken, daardoor kan het in de alvleesklier geproduceerde enzym lipase (nodig voor de vetvertering) niet in de twaalfvingerige darm komen, het vet in de voedselbrij passeert de darmen grotendeels onverteerd.

Gentherapie: het herstellen van een defect gen door een gezonde kopie (allel) van het gen toe te voegen, groot probleem is hoe je op een efficiënte manier die kopie in de kern krijgt

Virussen zijn in staat een cel binnen te dringen en hun erfelijk materiaal in het DNA van een gastheercel te laten inbouwen, deze eigenschap maakt hen tot ideale vectoren

Vector: virus of liposoom die het ontbrekende allel in de cel kan brengen

Liposomen: kleine vetdruppeltjes die de eigenschap hebben zich aan het celmembraan van een cel te hechten, ze vormen het verpakkingsmateriaal van het therapeutisch allel

De cel neemt het liposoom op door endocytose, hierdoor komt het allel in het grondplasma, als het is opgenomen in de kern en het DNA en het tot expressie komt, is de gentherapie geslaagd

Door toepassing van gentherapie zijn in de toekomst aandoeningen, veroorzaakt door een defect gen, wellicht te genezen.

Bij gentherapie met virussen kunnen genezen cellen door het afweersysteem vernietigd worden. Door virussen geïnfecteerde cellen zijn voor het afweersysteem herkenbaar aan virusantigenen op de buitenkant van de cel en daardoor ruimt het afweer systeem ze op.

§ 21.2 Geordend verpakt

Delende cellen zijn geschikt voor prenataal chromosoomonderzoek omdat de chromosomen tijdens de mitose door de spiralisatie verkort en verdikt zijn, hierdoor zijn ze goed te zien onder een lichtmicroscoop.


Histonen: met behulp van deze eiwitten is DNA in de celkern opgerold

Het zure DNA hect zich daarbij goed aan de basische histonen.

Chromatinedraden: wordt gevormd door DNA en histonen, zit in de celkern, draaien om de lengteas en spiraliseren

Euchromatine: lichte gebieden op een elektronenmicroscopische foto, dit zijn los gespiraliseerde chromatinedraden, heeft een open structuur, waardoor het vrij eenvoudig is de genetische informatie af te lezen in die delen waar dat nodig

Heterochromatine: donkere gebieden op een elektronenmicroscopische foto, dit zijn lsterk gespiraliseerde chromatinedraden, hier is de chromatine draad net zo sterk gespiraleerd als tijdens een kerndeling, is compacter, groot deel is permanent opgerold

Junk-DNA: stukken DNA waar onderzoeks nog geen genen hebben aangetoond, de functie is dus nog niet bekend, maar een ervan is het regelen of een gen aan/uit staat

In de S-fase verdubbeld het DNA, dit is voorafgaand aan de mitose. Tijdens de verdubbeling komen nieuwe histonen vanuit het grondplasma de celkern binnen, ze binden aan één van beide DNA-strengen, de oude histonen blijven aan de andere DNA-streng vastzitten

Na de DNA-verdubbeling rollen de chromatidedraden zich op tot compacte structuren, chromosomen. Elk chromosoom krijgt daarbij een bepaalde, vaste lengte en een karaktistiek bandenpatroon. Ook de plaats van het centromeer is vast.

Chromosomen: chromatinedraden die tot compacte structuren zijn opgerold

Sekschromatine: geïnactiveerd X-chromosom

In iedere cel met twee X-chromosomen is slechts een van beide X-chromosomen genetisch actief. Lichaampje van Barr: tijdens de interfase is het inactieve X-chromosoom zichtbaar

Een chromatinedraad bevat DNA en eiwitten (histonen). Op plaatsen waar het DNA sterk gespiraliseerd is, kan de genetische code niet worden afgelezen. Tijdens de mitose en meiose is het DNA volledig gespiraliseerd. Bij vrouwen is het inactieve X-chromosoom zichtbaar als het lichaampje van Barr.


DNA is een zuur, dit komt door de fosfaatgroepen (fosforzuur).

Combinaties van molecuulstructuur DNA:

primair – basevolgorde

secundair – dubbele helix

tertiair – DNA met histonen

quartair – eu- en heterochromatine

Chromosomen zijn zichtbaar tijdens de late profase, metafase, anafase en vroege telofase (onderdeel van mitose)

§ 21.3 DNA maakt DNA

DNA-moleculen zijn universeel, omdat de structuur van een ruggengraat van fosfasten en suikers en sporten van basen is te vinden in alle organismen

DNA-moleculen zijn ook soortspecifiek omdat de hoeveelheid DNA (en meestal aantal chromosomen) en de (globale) basenvolgorde aan elkaar gelijk is.

DNA-moleculen zijn ook individuspecifiek omdat de precieze DNA-volgorde bij iedereen verschilt.

In niet-delende cellen brengen RNA-afdrukken van actieve genen informatie van het DNA naar het grondplasma waar eiwitsynthese plaatsvindt.


De DNA-ruggengraat is een dubbelstreng die bestaat uit poly-esters van deoxyribose en fosfaat, de dubbele strengen worden bijeengehouden door H-bruggen.

3’-uiteinde: uiteinde van een DNA-streng waarbij een vrije OH-groep aan het C3’-atoom van het suikermolecuul zit

5’-uiteinde: uiteinde van een DNA-streng waarbij een fosfaatgroep aan het C5’-atoom van het suikermolecuul zit.

Beide strengen van het DNA wijzen in tegengestelde richting.

De DNA-ruggengraat is een dubbelstreng die bestaat uit poly-esters van deoxyribose en fosfaat. H-bruggen houden beide strengen bijeen. De twee strengen hebben een tegengestelde richting.

Purinebasen: A en G basen, deze stikstofbasen zijn groter dan C en T basen

Pyrimidinebasen: C en T basen, deze stikstofbasen zijn kleiner dan de A en G basen

Een deoxyribosemolecuul bevat vijf koolstofatomen, de nummering van de C-atomen begint bij de koolstofatomen die zich in de vijfhoekige ring bevinden en waar de base aanvast zit.

DNA-replicatie: verdubbelen van DNA, start wanneer enzymen de waterstofbruggen tussen de basen verbreken, de strengen wijken als bij een rits uiteen, beiden strengen vormen het uitgangspunt voor een nieuw DNA-molecuul, dat dus uit een oude en een nieuwe (complementaire) streng bestaat

Semi-conservatieve replicatie: bij het kopiëren van de genetische informatie ontstaan er 2 complementaire strengen DNA, de 1 is nieuw aangemaakt tegen 1 van de 2 oude aan.


Semi conservatief: er blijft 1 oude streng over

Na het uiteengaan van de strengen maakt het enzym RNA-polymerase een stukje RNA dat dient als startpunt van een nieuw DNA-fragment

DNA-polymerase: verlengt het RNA met nieuwe DNA-nucleotiden, brengt waterstofbruggen aan en vervangt het RNA door DNA, controleert voordurend of de juiste base zijn ingebouwd

Het aflezen van DNA kan slechts in een richting: van 3’ 5’.

Daardoor groeit de ene complementaire streng ononderbroken met de replicatievork mee terwijl de andere complementaire streng van de replicatievork af groeit

Verschillende enzymen zijn actief bij de replicatie van een DNA-molecuul. In een streng vindt de DNA-synthese ononderbroken in voortwaartse richting plaats, in de andere streng gebeurt dat in achterwaartse richting, waarbij korte stukjes DNA ontstaan, die vervolgens met elkaar verbonden worden.

PCR-techniek = polymerase-kettingreactie: techniek waarbij je op een vrij eenvoudige en snelle manier een DNA-fragment kan vermeerderen, is gebaseerd op temperatuurgevoeligheid van DNA, bestaat uit drie stappen die 3 tot 40 keer herhaald worden:

-denaturatie: bij 94 °C worden de waterstofbruggen tussen de twee strengen verbroken waardoor de twee strengen uiteenvallen

-DNA-primers: de temperatuur gaat omlaag, bij de losse strengen DNA wordt een overmaat kunstmatige DNA-primers toegevoegd, deze primers hechten zich aan het fragment van de DNA-streng dat vermeerdert wordt, een primer is complementair aan de ene DNA-streng, de andere aan de complementaire DNA-streng, de primers vormen de startplaatsen voor het enzym DNA-polymerase.

-hechten van nucleotiden aan de target-DNA-strengen: temperatuur gaat weer wat omhoog, door het enzym DNA-polymerase hechten de in grote getale toegevoegde ‘losse’ nucleotiden aan de target-DNA-strengen.


De polymerase-kettingreactie levert onderzoekers grote hoeveelheden identieke stukjes DNA. DNA denatureert bij een hoge temperatuur. Bij een lagere temperatuur hechten nucleotiden aan de twee DNA-strengen.

Verschil tussen ribose en deoxyribose: aan het 2de C-atoom heeft ribose een H en deoxyribose een OH.

In de interfase (S-fase) van zowel de mitose als meiose I vindt replicatie van het DNA plaats.

De nieuwe keten groeit in een richting van 3’  5’, dus nieuwe nucleotiden hechten zich aan een 3’-einde.

Als onderzoekers een DNA-fragma met de PCR-techniek willen vermeerderen, voegen ze twee verschillende DNA-primers toe omdat er voor elk van beide DNA-strengen een complementaire primer nodig is.

Een primer bindt zich aan het 3’-uiteinde van een DNA-streng omdat alleen synthese in voortwaarste richting mogelijk is (5’  3’)

Ze voegen een overmaat aan primers toe zodat de uiteen geritste DNA-strengen zich niet opnieuw aan elkaar hechten, maar complementaire strengen vormen uit de aangeboden primerfragmenten.

§ 21.4 DNA overschrijven

DNA bevat de blauwdruk voor alle eiwitten van een organismen, eiwitten ontstaan in het grondplasma.

mRNA = messenger-RNA: boodschapper, tussenstof die zorgt voor de overdracht van DNA-informatie naar de ribosomen in het grondplasma, bestaat uit een enkele streng, bevat slechts de informatie van een enkel gen, vele malen korter dan een DNA-molecuul, wijkt af van de twee bouwstenen van DNA: bestaat uit suikermolecuul ribose ipv. Deoxyribose en stikstofbase U (uracil) ipv. T (thymine).

rRNA = ribosomaal-RNA: bestanddeel van ribosomen, ontstaat voor het overgrote deel in de nucleolus (kernlichaampje), is structureel RNA, is een bouweiwit dus heeft een bouwstof functie


Ribosoom bestaat uit rRNA en eiwitten.

tRNA = transport-RNA: zit in het grondplasma, brengt aminozuren naar de ribosomen, waar ze aan elkaar gekoppeld worden, er zijn verschillende: elk gespecialiseerd in het vervoeren van een bepaald aminozuur, heeft inwendige waterstofbruggen tussen de nucleotiden

Klaverbladstructuur: deze structuur heeft tRNA, de middelste lus van het klaverblad bevat drie nucleotiden (anticodon) die complementair zijn aan drie nucleotiden (condon) van het mRNA.

primair – volgorde nucleotiden

secundair – gedeeltelijke dubbele helix

tertair - klaverbladstructuur

Transcriptie: het overschrijven van DNA naar RNA, vertoont overeenkomsten met de replicatie van het DNA, begint met het uiteenwijken van de DNA-strengen onder invloed van RNA-polymerase, dit gebeurt voor elk gen steeds op dezelfde plaats, vervolgens verplaats het RNA-polymerase zich langs een van de DNA-strengen in de 3‘  5’ richting, terwijl het RNA in de 5’  3’ richting groeit en uit gaat steken buiten het DNA molecuul, stopt wanneer het RNA-polymerase het eind van het gen bereikt, de gevormde RNA-streng laat los

Matrijs/template streng: DNA-streng waaraan transcriptie altijd plaatsvindt

Coderende streng: andere DNA-streng die dezelfde basenvolgorde heeft als het gevormde mRNA

Exons: stukken DNA van een gen die tot expressie komen

Introns: stukken DNA van een gen die niet tot expressie komen

Het gevormde mRNA bevat exons en introns. In eukaryote cellen ondergaat het mRNA een aantal veranderingen, enzymen verwijderen de introns en plakken de exons achter elkaar

Eukaryote cellen: hebben veel organellen


mRNA transporteert informatie van DNA naar de ribosomen. rRNA vormt een belangrijk deel van ribosomen. tRNA transporteert aminozuren van het grondplasma naar de ribosomen. Bij transcriptie spelen verschillende enzymen, waaronder RNA-polymerasen, een rol.

AFBEELDING – van transcriptie tot translatie

Histonen zijn meer dan verpakkingsmateriaal en bevatten ook een erfelijke code. Aan de eiwitstaarten van histonen kunnen vier chemische groepen hangen die de werking van DNA ïnvloeden, het DNA kan hierdoor meer (gen staat uit) of minder sterk (gen staat aan) om de histonen gewikkeld zijn.

DNA-methylering: er zit een methylgroep aan het DNA zelf, daardoor kan een deel van het DNA niet afgelezen worden

Epigenetische code: DNA-methylering en de histonencode, deze code speelt een belangrijke rol bij de ontwikkeling van een organisme

DNA-methylering en de histonencode vormen samen de epigenetische code. Deze codes beïnvloeden de werking van het DNA doordat ze genen uit en aanschakelen.

mRNA heeft een korte levensduur, dit is belangrijk omdat de afbraak van het mRNA na de informatie overdracht zorgt dat de aanmaak van eiwitten niet continu doorgaat.

§ 21.5 Vertaalslagen in een cel

De DNA-code is geschreven in tripletten: een combinatie van drie stikstofbasen. Op drie plaatsen van het codon zijn er vier verschillende basen nodig dus er zijn 43 = 64 verschillende tripletten.

Om steeds hetzelfde eiwit te krijgen bij eenzelfde mRNA code, start de eiwitsynthese op het mRNA altijd bij het startcodon AUG (= aminozuur methionine). Bij de verdere bewerking van het eiwit verwijderen enzymen dit startcodon vaak.

Ook het einde van de eiwitsynthese is vastgelegd, hiervoor dienen de stopcodons: UAA, UGA en UAG.


Repressoreiwitten: specifieke eiwitmoleculen in bacteriën die binden aan het DNA, voor de startplaats van RNA-polymerase

Repressoreiwitten blokkeren de transcriptie van een gen.

Inductoreiwitten: eiwitten in bacteriën die het repressormolecuul sterker binden dan DNA waardoor het repressoreiwit losl aat van het DNA en transcriptie mogelijk is

Eiwitsynthese begint met een startcodon en eindigt met een stopcodon in het RNA. Repressoreiwitten controleren bij bacteriën de activiteit van genen. Bij eukaryoten schakelen DNA-methylering en de histonencode genen aan of uit.

61 codons coderen voor aminozuren, 64 – 61 = 3 codons zijn stopcodons en coderen niet voor een aminozuur, het startcodon codeert wel voor een aminozuur namelijk methionine.

Translatie: het aflezen van de mRNA-boodschap en het vertalen naar een aminozuurvolgorde

Bij translatie gaan de twee stukken ribosomen uit elkaar en hier gat het mRNA doorheen. Aan het mRNA wordt het tRNA gekoppeld met de aminzouren. De aminozuren koppelen aan elkaar waardoor een eiwit wordt gevormd.

mtDNA: DNA buiten de celkern, bevindt zich in de mitochondriën, muteert 20x sneller dan het DNA in de kern, percentage gemuteerd mtDNA neemt toe met de leeftijd

Mitochondriën: organellen die de energieleveranciers van de cellen zijn, bevat vergeleken met het DNA in de kern weinig genen

Translatie vindt plaats op de ribosomen, een voor een voeren tRNA-moleculen de aminozuren aan in de volgorde die vastligt in het mRNA. De aminozuren koppelen aan elkaar via een peptidebinding. Mitochondriën bevatten ook DNA. Mutaties in mtDNA kunnen aandoeningen tot gevolg hebben.

Een mutatie in het DNA kan geen enkel gevolg hebben, dit is wanneer het codon verandert in een ander codon dat voor hetzelfde aminozuur codeert.


Een mutatie in het DNA kan ook een groot gevolg hebben, dit is wanneer het codon verandert in een ander codon dat niet voor hetzelfde aminozuur codeert.

Genen die basale processen (zoals de energievoorziening) in de cel aansturen, zijn altijd actief.

AFBEELDING – polysoom (= veel lichamen, ribosomen)

1. Polypeptideketen

2. Ribosoom

3. mRNA

Nog niet gebonden aminozuren en het tRNA dat ze aanvoert zijn hier niet weer gegeven.

Losse ribosomen: zitten in het grondplasma en produceren eiwitten voor gebruik in het cytoplasma of het kernplasma.

Ribosomen gebonden aan het ER: zitten in het grondplasma, geven hun producten af aan het ER, dat de eiwitten bewerkt en gereedmaakt voor afgifte via het Golgi-systeem.