Dit is een volledige samenvatting van het vak Cel 4 partim moleculaire biologie. Zowel de cursus als de powerpoint en de lessen zijn verwerkt in deze samenvatting. Veel succes!
2022-2023 Basisconcepten van de
moleculaire biologie
Cel 4
Emma Degroote
GENEESKUNDE 1STE BACH
, Inhoudsopgave
Grondleggers van de moleculaire biologie ...................................................................................................... 4
Inzichten in de natuur van het erfelijke materiaal .............................................................................................. 4
Wetten van mendel ....................................................................................................................................... 4
Chromosomen zijn de dragers van erfelijke kenmerken ............................................................................... 4
DNA is het transforming Principle ................................................................................................................. 5
Een model voor de structuur van DNA .......................................................................................................... 7
Het centraal Dogma ....................................................................................................................................... 7
Test jezelf vragen ................................................................................................................................................ 7
De structuur van DNA ..................................................................................................................................... 8
De primaire structuur van DNA........................................................................................................................... 8
Bouwstenen van DNA .................................................................................................................................... 8
Secundaire structuur van DNA ............................................................................................................................ 8
Zwakke krachten ............................................................................................................................................ 9
Kenmerken van DNA ...................................................................................................................................... 9
Denaturatie en renaturatie............................................................................................................................... 10
DNA-strengscheiding = denaturatie of smelten........................................................................................... 10
Renaturatie of annealing ............................................................................................................................. 10
De tertiaire structuur van DNA ......................................................................................................................... 11
Test jezelf vragen .............................................................................................................................................. 11
Genoom organisatie en evolutie ................................................................................................................... 12
Genoomsequenties ontrafeld ........................................................................................................................... 12
Variaties in het genoom.................................................................................................................................... 12
Eukaryote genomen bevatten veel repetitief DNA ........................................................................................... 13
Interspersed elements ................................................................................................................................. 13
Satelliet DNA – tandem herhalingen ........................................................................................................... 13
Low copy number DNA ................................................................................................................................ 14
Extrachromosomaal DNA en horizontale gentransfer ...................................................................................... 14
Mitochondriaal genoom .............................................................................................................................. 14
Prokaryoten en extrachromosomaal DNA ................................................................................................... 15
Genencluster ..................................................................................................................................................... 16
Genduplicatie ............................................................................................................................................... 17
Het menselijk genoomproject ........................................................................................................................... 17
Polymorfisme binnen het menselijk genoom .................................................................................................... 18
Feiten rond polymorfismen ......................................................................................................................... 18
Condensatie van het genoom ........................................................................................................................... 19
Condensatie van chromatine ....................................................................................................................... 20
DNA replicatie .............................................................................................................................................. 21
DNA replicatie is semi-conservatief .................................................................................................................. 21
DNA replicatie gebeurt meestal bidirectioneel ................................................................................................. 21
DNA polymerasen katalyseren DNA synthese van 5’ naar 3’............................................................................ 22
Multi-eiwit moleculaire machines verzorgen DNA replicatie............................................................................ 22
Replicatie van E. Coli .................................................................................................................................... 22
1
, Topo-isomerasen relaxeren ‘supercoiled’ DNA ................................................................................................. 24
Type 1 topo-isomerasen .............................................................................................................................. 24
Type 2 topo-isomerase of gyrase ................................................................................................................. 24
Specifieke kenmerken van eukaryote DNA replicatie ....................................................................................... 25
Laboratoriumtechnieken gebaseerd op DNA replicatie .................................................................................... 26
Sanger sequenering ..................................................................................................................................... 26
Polymerase ketting reactie = PCR ................................................................................................................ 27
DNA-schade en herstelmechanismen ............................................................................................................ 30
Mutaties en DNA-schade .................................................................................................................................. 30
Mutaties op nucleotide niveau ......................................................................................................................... 30
Oorzaken van puntmutaties = 1 nucleotide................................................................................................. 30
Gevolgen van (punt)mutatie ........................................................................................................................ 31
Structurele beschadiging van DNA-helix........................................................................................................... 31
DNA-herstelmechanismen ................................................................................................................................ 32
Base excision repair = fouten op individuele basen (deaminatie van C -> T) .............................................. 32
Mismatch excision repair = correctie van fouten door DNA polymerases .................................................. 32
Nucleotide excision repair = herstel van Thymin-thymine dimeer .............................................................. 32
Non-homologous end-joining (NHEJ) = herstel van dubbelstrengige breuken............................................ 33
Homologe recombinatie = oorspronkelijke DNA herstellen a.d.h.v. DNA matrijs ....................................... 33
TP53 ............................................................................................................................................................. 34
Crispr/Cas-9 =Knip en plak machine om gerichte varianten aan te brengen in bv proefdieren .................. 34
Het ontstaan van genetische variatie ............................................................................................................ 34
Puntmutaties .................................................................................................................................................... 35
Mutageniciteit van moleculen ..................................................................................................................... 35
Reverted moziacism..................................................................................................................................... 35
Bacteriële resistentie ................................................................................................................................... 35
De novo varianten bij mensen ..................................................................................................................... 36
Somatisch mozaïcisme ................................................................................................................................. 36
Genomische herschikking ................................................................................................................................. 36
Homologe recombinatie .............................................................................................................................. 36
Somatische recombinatie: antilichaamdiversiteit ....................................................................................... 37
Mobiel ‘transposable’ DNA .......................................................................................................................... 38
RNA virussen ................................................................................................................................................ 39
DNA virussen................................................................................................................................................ 39
Variaties op genoom niveau ............................................................................................................................. 40
Epigenetische variaties ..................................................................................................................................... 40
Transcriptie en RNA maturatie ...................................................................................................................... 41
De structuur van RNA ....................................................................................................................................... 41
RNA vs DNA:................................................................................................................................................. 41
RNA is een veelzijdig molecule .................................................................................................................... 42
De boodschapper tussen DNA en eiwit is RNA.................................................................................................. 42
Zoektocht naar boodschapper ..................................................................................................................... 42
Basiskenmerken van transcriptie ...................................................................................................................... 43
Stappen van transcriptie .............................................................................................................................. 43
Transcriptie versus replicatie ....................................................................................................................... 43
Belangrijke conventies/jargon: .................................................................................................................... 43
Transcriptie bij Prokaryoten ............................................................................................................................. 44
2
, De promotor ................................................................................................................................................ 44
Het RNA polymerase .................................................................................................................................... 45
Regulatie van transcriptie bij prokaryoten .................................................................................................. 46
Transcriptie terminatie ................................................................................................................................ 47
Transcriptie bij Eukaryoten .............................................................................................................................. 47
Eukaryoten hebben meerdere RNA polymerasen ....................................................................................... 47
Eukaryoten cis-elementen ........................................................................................................................... 48
Eukaryote TRANS-factoren .......................................................................................................................... 49
DNA condensatie en transcriptionele regulatie ........................................................................................... 51
Transcriptie door RNA polymerase en mitochondriale transcriptie ............................................................ 54
Transcriptie terminatie ................................................................................................................................ 54
RNA maturatie .................................................................................................................................................. 54
Basiskenmerken ........................................................................................................................................... 54
5’ capping..................................................................................................................................................... 54
3’ poly-adenylatie ........................................................................................................................................ 55
Splicing ......................................................................................................................................................... 56
MRNA editing ............................................................................................................................................... 58
MRNA transport ........................................................................................................................................... 58
MRNA stabiliteit ........................................................................................................................................... 59
RNA interferentie .............................................................................................................................................. 59
Werkingsmechanisme.................................................................................................................................. 59
Bijkomende mechanismen .......................................................................................................................... 60
Biologische rol van ....................................................................................................................................... 60
Toepassing van RNAi .................................................................................................................................... 61
RRNA en tRNA maturatie .................................................................................................................................. 61
RRNA maturatie ........................................................................................................................................... 61
Maturatie van tRNA ..................................................................................................................................... 62
Eiwitsynthese en eiwitadressering ................................................................................................................ 63
De genetische code gekraakt ............................................................................................................................ 63
De genetische code ...................................................................................................................................... 63
Het ribosoom .................................................................................................................................................... 63
De eiwitsynthese ............................................................................................................................................... 64
tRNAs en aminoacyl-tRNA synthetasen ....................................................................................................... 64
Eiwitsynthese: het translatieproces .................................................................................................................. 65
AUG is het initiatiesignaal ............................................................................................................................ 65
Elongatie ...................................................................................................................................................... 68
Terminatie.................................................................................................................................................... 68
Kwaliteitscontrole ........................................................................................................................................ 68
Geregelde eiwitafbraak .................................................................................................................................... 69
Extracellulair ................................................................................................................................................ 69
Intracellulair ................................................................................................................................................. 69
Eiwitadressering ............................................................................................................................................... 70
Sortering van eiwitten aangemaakt op vrije ribosomen.............................................................................. 70
Sortering via het ER en Golgi ....................................................................................................................... 71
Endocytose en sortering van opgenomen eiwitten ..................................................................................... 74
Adressering van eiwitten voor lysosomale afbraak ..................................................................................... 76
Recap ........................................................................................................................................................... 76
Posttranslationele eiwitmodificatie .................................................................................................................. 77
,Grondleggers van de moleculaire biologie
Inzichten in de natuur van het erfelijke materiaal
Wetten van mendel
Gregor Johann mendel = monnik
- Link tussen DNA en erfelijkheid
ñ Erfelijk materiaal = gen
- Algemene vraag
ñ Hoe worden eigenschappen van de ene generatie naar de volgende doorgegeven?
Experiment:
Oudergeneratie: raszuivere plant met ronde zaden X raszuivere plant met gerimpelde zaden
F1-generatie: allemaal planten met ronde zaden X F1-generatie (incest)
F2-generatie: ¾ planten met ronde zaden en ¼ planten met gerimpelde zaden
Mendel bestudeert enkel discontinue kenmerken (rond of gerimpeld)
Bevindingen:
F1-generatie = monohybride = het volgt slechts 1 kernmerk
Genetisch kenmerk van oudergeneratie komt terug in F2-generatie = informatie verdwijnt niet
- Recessieve (gerimpeld) en dominante kenmerken (rond)
Verwerpt hypothese dat nakomelingen een vermenging zijn van kenmerken van beide ouders!
De wetten van mendel
1. De uniformiteitswet
F1-generatie van homozygote ouders zijn uniform en vertonen dominante fenotype
2. De splitsingswet of wet der segregatie
Bij de voortplanting worden er gameten gemaakt (eicellen en zaadcellen). Daarbij
geeft de ouder slechts één allel (A of a) van één gen door aan een eicel/zaadcel. De
kans dat een gameet een A of een a krijgt is dezelfde.
3. De onafhankelijkheidswet
De allelen van een allelenpaar gedragen zich bij overerving onafhankelijk van de
allelen van een ander allelenpaar
Chromosomen zijn de dragers van erfelijke kenmerken
Walther Flemming
- Ontwikkeling van cytologische kleuring
ñ Ontdekking van chromatine en chromosomen
- Cel volgen in verschillende stadia van de celdeling = mitose
ñ Chromosomen werden verdeeld over de
dochtercellen
Theodor Boveri
- Bouwde verder op Flemming
- Beschreef meiose
ñ Eicellen en zaadcellen = haploïd = halve set van
chromosomen
ñ Somatische cellen en cellen NA de bevruchting =
diploïd = volledige set chromosomen
4
,Walter Sutton
- Werkte samen met Boveri
- Verbond eigen bevindingen met die van Mendel
ñ Wet der segregatie: Splitsing van homologe
chromosomen = segregatie allelen
ñ Onafhankelijkheidswet: Onafhankelijke overerving
indien kenmerken op verschillende chromosomen liggen
Thomas Hunt Morgan
- Bewijst dat chromosomen de fysische dragers zijn van erfelijke informatie (genen op
chromosomen)
Experiment:
Basis van experiment = mutatie => veranderde oogkleur
P-generatie: vrouwtje met rode ogen X mannetje met witte ogen (mutatie)
F1-generatie: alle kinderen rode ogen X incest
F2-generatie: alle vrouwtjes rode ogen en mannetjes: ½ witte ogen en ½
rode ogen
Bevindingen:
Mutant allel voor witte oogkleur is recessief => enkel mannetjes hebben witte oogkleur
- Gen voor oogkleur moet op X-chromosoom liggen want mannen hebben
maar 1 X-chromosoom Bewijs dat
- Overerving van oogkleur verliep gelijklopend als overerving met X- chromosomen
chromosoom genen dragen
Theorie van chromosomale overerving is een resultaat van tientallen jaren onderzoek door
verschillende wetenschappers
- Gregor Mendel
- Walther Flemming, Theodor Boveri en Walter Sutton
- Thomas Hunt Morgan.
DNA is het transforming Principle
Friedrich Miescher
- Ontdekt nucleïne
ñ Veel fosfor en geen zwavel
ñ Resistent voor proteolyse
Phoebus Levene
- Verder onderzoek naar nucleïne en DNA
- Ontdekt chemische samenstelling van DNA
ñ Suiker
Belangrijke informatie voor
ñ Base: Adenine, Cytosine, Guanine en Thymine)
later onderzoek
ñ Fosfaatgroep
- Hypothese niet correct
ñ DNA = tetranucleotide
ñ Eiwitten = erfelijkheidsdrager
5
,Frederick Griffith
- Uitvinder van de transforming principle
- Onderzoek naar 2 verwante bacteriestammen
ñ Stam R = niet-virulent, maakte muizen niet ziek
ñ Stam S = virulent, muizen werden ziek en stierven
Experiment:
Besmette de muis
- Stam R = muis bleef leven
- Stam S = muis stierf
- Dode stam S = muis bleef leven
- Dode stam S + levende stam R = muis ging dood
Bevindingen:
Bij het laatste experiment vonden ze levende stam S bacteriën terug in de Transforming
dode muis principle
Levende bacteriën R moeten een transformerende factor van S hebben
overgenomen
Avery, McCarthy en MacLeod
- Zochten identiteit van transforming principle
ñ Wat draagt nu genetische informatie?
- Experiment
ñ Doden S bacteriën, voegden ze enzymen toe, gecombineerd met levende R bacteriën
˃ Proteasen => levende S-cellen
˃ Ribonucleasen => levende S-cellen
˃ Desoxyribonucleasen => geen levende S-cellen
ñ Conclusie: DNA = transformerende factor
- Andere wetenschappers niet overtuigd
Alfred Hershey en Martha Chase
- Bewijs dat DNA de transformerende factor is
- Gebruikten bacteriofagen
ñ Infecteren bacteriën door substantie te injecteren = genetisch materiaal
ñ Willen achterhalen wat genetisch materiaal is: DNA of eiwitten
Experiment:
Kweken 2 soorten bacteriofagen met radio-isotopen
- 35S: enkel faageiwitten worden radioactief gekenmerkt
- 32P: enkel DNA wordt radioactief gekenmerkt
Gekenmerkte fagen infecteren de bacteriën, ze worden geblend,
gecentrifugeerd, onderzocht waar radioactiviteit zich bevond
- 32P signaal volledig in de bacteriën
- 35S signaal enkel in de fagen
Bevinding:
DNA = transformerende factor = erfelijkheidsdrager!!!
6
,Een model voor de structuur van DNA
Centrale vraag: hoe kan zo’n eenvoudig polymeer een complex proces als erfelijkheid verklaren?
Erwin Chargaff
- Verwierp hypothese van Levene
ñ Hoeveelheid A, T, G en C niet gelijk
ñ Hoeveelheid basen verschilt tussen verschillende
soorten, maar zijn gelijk tussen zelfde soort
- Regel van Chargaff
ñ Hoeveelheid A = hoeveelheid T
ñ Hoeveelheid G = hoeveelheid C
James Watson en Francis Crick
- Model voor DNA-structuur = dubbele helix
- Ontdekking gebaseerd op andermans werk
ñ Rosalind Franklin en Maurice Wilkins: X-straal
diffractie
ñ Linus Pauling: methode om op basis van gekende
moleculaire afstand en bindingshoeken een 3D
model te bouwen
ñ Erwin Chargaff: regel van Chargaff
Met deze ontdekkingen kwamen ze tot het besef dat DNA toch niet zo’n eenvoudige molecule is en
dat het wel voldoende informatie kon bevatten om erfelijke kenmerken te coderen
Het centraal Dogma
Francis Crick
- Centraal dogma = beschrijving van de informatie stroom van DNA naar eiwitten
ñ DNA => RNA => eiwitten
ñ Eiwitten => RNA => DNA
˃ Wel uitzonderingen op de regel
Aantal processen
- Replicatie = proces waarbij een exacte kopie van orginele DNA-matrijs wordt gemaakt
- Transcriptie = proces waarbij DNA wordt gekopieerd naar een enkelstrengig RNA met
dezelfde sequentie als één van de DNA strengen
ñ Transcriptie = herschrijven = zelfde taal
- Translatie = proces waarbij RNA-nucleotidesequentie wordt omgezet in eiwit
ñ Translatie = vertalen = omgezet in andere taal
Test jezelf vragen
- Welke drie historische experimenten waren essentieel om tot het inzicht te komen dat DNA
de drager is van het genetisch materiaal?
- Hoe kan je radio-isotopen gebruiken om de aanwezigheid van bepaalde biomoleculen aan te
tonen?
- Geef een voorbeeld van een experiment waarin radio-isotopen van bepaalde elementen
werden gebruikt om de rol van DNA als transforming factor aan te tonen?
- Waarom was er zoveel scepticisme onder wetenschappers omtrent de hypothese dat DNA
de “transforming factor” was?
- Op welke essentiële elementen baseerden Watson & Crick hun model voor de structuur van
DNA?
7
, De structuur van DNA
De primaire structuur van DNA
Bouwstenen van DNA
Suiker: desoxyribose
- Nummering + accent <-> nummering basen
- Bindingen
ñ 5’: esterbinding met fosfaatgroep
ñ 3’: hydroxylgroep van eerste nucleotide reageert met
fosfaatgroep op 5’ van tweede nucleotide
˃ Belang OH groep op, 3’
Nucleotide
ñ 1’: base koppeling met splitsing van water
Fosfaatgroep
- 1 molecule ATP: 3 fosfaatgroepen aan 5’ van suiker
- Nucleotidesequentie: 5’ -> 3’ fosfodiësterbinding
ñ 2 fosfaten afgesplitst + 1 molecule water =>
pyrofosfaat (P2O7-4) afsplitsing
ñ Een zuurstof van fosfaatgroep nog steeds negatief
geladen
- 5’ -> 3’ = polariteit/directionaliteit
ñ 5’ heeft verschillende chemische eigenschappen dan 3’
ñ Aankoppeling begint bij 5’ = negatieve => negatieve
fosfaatgroep
ñ Eindigt bij 3’ = ‘neutraal’ => geen negatieve
fosfaatgroep op het einde
DNA-molecule kunnen zot veel nucleotiden bevatten
- Maat voor lengte = basenparen bp
ñ Kilobasenparen: kb of kbp = 1000 bp
ñ Megabasenparen: Mb of Mbp = 1 000 000 bp
- Oligonucleotiden = korte enkelstrengige DNA
Secundaire structuur van DNA
Secundaire structuur van DNA = dubbele helix
- Dubbele: 2 nucleotidesequenties antiparallel gepaard zijn met elkaar door zwakke krachten
- Helix: zwakke krachten door interactie met moleculen van dezelfde sequentie
Verschillende conformatie van DNA
- B-DNA = meest voorkomen
- A-DNA = meer compact en komt niet in fysiologisch waterig milieu voor
8
The benefits of buying summaries with Stuvia:
Guaranteed quality through customer reviews
Stuvia customers have reviewed more than 700,000 summaries. This how you know that you are buying the best documents.
Quick and easy check-out
You can quickly pay through credit card or Stuvia-credit for the summaries. There is no membership needed.
Focus on what matters
Your fellow students write the study notes themselves, which is why the documents are always reliable and up-to-date. This ensures you quickly get to the core!
Frequently asked questions
What do I get when I buy this document?
You get a PDF, available immediately after your purchase. The purchased document is accessible anytime, anywhere and indefinitely through your profile.
Satisfaction guarantee: how does it work?
Our satisfaction guarantee ensures that you always find a study document that suits you well. You fill out a form, and our customer service team takes care of the rest.
Who am I buying these notes from?
Stuvia is a marketplace, so you are not buying this document from us, but from seller mgrtgeneeskunde. Stuvia facilitates payment to the seller.
Will I be stuck with a subscription?
No, you only buy these notes for $12.50. You're not tied to anything after your purchase.
