Blok 4 Van genoom tot populatie
Hoorcollege 1 DNA structuur en functie
Stof: Hoofdstuk 5 Alberts: DNA en chromosomen
Bijbehorend: zelfstudie 1 + werkcollege 1
Hoofdstuk 5 DNA en chromosomen
Leven is afhankelijk van de capaciteit van cellen om genetische instructies op te slaan, te gebruiken
en te vertalen om een levend organisme te maken en te onderhouden. De genetische informatie ligt
opgeslagen in genen, stukjes DNA molecuul opgevouwen in chromosomen in de celkern. De genen
coderen voor eiwitten en eiwitten voeren de meeste cel functies uit.
Structuur van DNA
Chromosomen in de celkern bevatten één
lang DNA-molecuul opgerold om
eiwitmoleculen. Het DNA bevat de genetische
informatie, de histonen helpen het DNA op te
rollen.
Een DNA molecuul bestaat uit twee
complementaire ketens van nucleotiden
Een molecuul deoxyribonucleic acid (DNA)
bestaat uit twee polymere ketens van
nucleotiden. Een nucleotide bestaat uit een
suiker, deoxyribose in DNA en ribose in RNA,
een fosfaatgroep aan C5 en een base aan C1.
Er zijn vier verschillende basen en dus ook vier
verschillende nucleotiden: adenine (A),
thymine (T), cytosine (C) en guanine (G). De
suikers en fosfaatgroepen vormen de
ruggengraat van DNA (suiker-fosfaat-suiker-
fosfaat), de bases de aanhangsels.
Een DNA-molecuul vertoont polariteit, de ene
kant heeft de C5 met een fosfaatgroep en de
andere kant de C3 met de hydroxylgroep. De
twee polymere ketens binden aan elkaar met
waterstofbruggen via de basen. De basen
vormen vaste paren, A en T (twee
waterstofbruggen) en C en G(drie
waterstofbruggen). A en G bestaan uit twee
ringstructuren en zijn afgeleid van purine. C
en T (en U) bestaan uit één ringstructuur en
zijn afgeleid van pyrimidine. Elk basenpaar
heeft dezelfde breedte. De twee polymere ketens zijn complementair en antiparallel en zijn rechts
om elkaar gewonden in een helix waarin tien basenparen per draai zitten. De complementariteit is
belangrijk voor replicatie en herstel van DNA.
,De structuur van DNA verschaft een mechanisme voor erving
Genetische informatie ligt opgeslagen in de volgorde van basen in DNA, de genetische code. Genen
zijn stukjes DNA die zo’n nucleotide volgorde bevatten. De nucleotide volgorde bepaalt de
aminozuurvolgorde van een eiwit, wat weer de driedimensionale structuur van een eiwit bepaalt
en dus zijn functie. Genexpressie is het proces waarbij de nucleotide volgorde van een gen
transscriptie ondergaat naar een RNA molecuul wat meestal translatie ondergaat naar een
polypeptide.
Structuur van chromosomen in eukaryoten
Elke mensen cel bevat een meter aan DNA en elke celkern is maar 5 tot 8 μm in diameter. DNA ligt
opgerold in chromosomen met de hulp van eiwitten die eraan binden en het opvouwen in spoelen
en lussen maar is daardoor nog wel toegankelijk voor alle enzymen die het repliceren, repareren of
de genexpressie regelen. Bacteriën hebben één circulair DNA-molecuul en meerdere plasmiden ook
met eiwitten (anders dan de histoneiwitten in eukaryote chromosomen, minder complex gepakt).
DNA is georganiseerd in chromosomen
Een mens heeft 46 chromosomen en 23 chromosoomparen. Elk chromosoom bestaat uit één lang
DNA-molecuul opgerold om eiwitmoleculen, het complex chromatine hetende. Van elk
chromosoompaar is één van de vader en één van de moeder. Er zijn 22 homologe
chromosoomparen en 1 non-homoloog chromosoompaar bij mannen, die van X en Y. Y is altijd van
de vader. De chromosomen zijn ook gehecht aan eiwitten betrokken bij replicatie, herstel en
genexpressie, want zij zijn continu ermee bezig, niet alleen histonen.
Chromosomen kunnen onderscheiden en gecombineerd worden op basis van hun grootte, maar ook
met kleuringstechnieken.
DNA-hybridisatie: het fluorescent kleuren van chromosomen met fluorescent gekoppelde
chromosoom-specifieke DNA moleculen op basis van complementaire baseparing.
Bandkleuring: het kleuren van chromosomen op basis van rijkheid in A en T of C en G. De
kleurstoffen binden verschillende typen van DNA sequenties.
Karyotype: een geordende vertoning van chromosomen. Cytogenetici analyseren karyotypen om
chromosomale abnormaliteiten waar te nemen.
Chromosomen bevatten genen
Gen: een segment van DNA dat de instructies bevat voor het maken van RNA of eiwit. mRNA wordt
vertaald naar eiwit en tRNA en rRNA niet. RNA moleculen hebben diverse functies in de cel,
waaronder structureel (ribosomen), katalytisch en genregulatie.
Genoom: het totale pakket van genetische
informatie.
Naast genen en specifieke
nucleotidevolgorden voor genexpressie bevat
DNA ook junk DNA. De functie van junk DNA is
niet echt bekend maar waarschijnlijk speelt
het een rol in de evolutie en de juiste
activiteit van genen.
De algemene regel is: hoe complexer een
organisme, hoe groter het genoom, maar de
verdeling over de chromosomen varieert.
(Chromosoomorganisatie)
Speciale DNA volgordes zijn nodig voor DNA
replicatie en chromosoom scheiding
Twee fasen van de celcyclus zijn de interfase
,(DNA replicatie) en de mitose (chromosoomscheiding).
Tijdens de interfase zijn de chromosomen uitgerold en niet zichtbaar (heterochromatide of
euchromatide voor genexpressie). Ze worden dan interfase chromosomen genoemd. Een
chromosoom heeft drie gebieden betrokken bij replicatie en chromosoomscheiding:
1. Replicatie oorsprong: hier begint de replicatie van DNA in één richting. De cel heeft er meerdere
van zodat het snel gaat. Elke keten van één chromosoom voert replicatie uit in tegengestelde
richting.
2. Telomeer: het einde van een chromosoom dat verantwoordelijk is voor de replicatie van het einde
én het voorkomt dat de cel denkt dat dit DNA kapot is en hersteld moet worden. (Dubbelstrengse
breking).
3. Centromeer: het stukje DNA waar de chromatides aan elkaar vastzitten. Hieraan binden de
microtubulen van de mitotische spoel om de chromosomen uit elkaar te trekken.
Tijdens de mitose (vanaf profase) zijn de chromosomen opgerold en zichtbaar. Ze worden dan
mitose chromosomen genoemd. Pas als ze zijn gecondenseerd wordt de mitotische spoel gebonden
aan de chromosomen (tijdens de prometafase). Kinetochoren (eiwit) binden aan de centromeren!
Interfase chromosomen zijn niet willekeurig verdeeld in de celkern
Elk chromosoom neigt een specifiek gebied in te nemen in de celkern en, sommige chromosomen
binden bepaalde plaatsen van de celkernenvelop of de onderliggende celkernlamina. De nucleolus
is de plaats waar delen van chromosomen clusteren die coderen voor rRNA (maken van ribosomen).
DNA pakking
Zowel de interfase chromosomen als de mitotische chromosomen zijn compact opgevouwen. Bij de
interfase chromosomen is er nog een verschil in euchromatide en heterochromatide.
- Mitotische chromosomen met condensine
- Heterochromatine met histoneiwit H1
- Euchromatine met alleen de andere histoneiwitten.
Chromoomstructuur is erg dynamisch, het condenseert en decondenseert tijdens de celcyclus.
Chromosoompakking is zo flexibel dat het op verzoek snelle toegang kan verschaffen tot
verschillende regio’s van de interfase chromosomen, zo dat het genoeg ontvouwen is voor eiwitten
om DNA te repliceren, herstellen en genexpressie uit te voeren.
DNA wordt opgerold in chromosomen op twee manieren, als eerst met histoneiwitten en vervolgens
met non-histon eiwitten. Het complex van de beide klassen van eiwitten met DNA is chromatine.
Eerste stap van pakking
DNA vormt nucleosomen, bestaande uit een nucleosoom kerndeeltje en link DNA. Het nucleosoom
kerndeeltje (diameter is 11 nm) bestaat uit een complex van acht histoneiwitten met DNA
eromheen, twee van elk van de histonen H2A, H2B, H3 en H4 in een octameer. Het DNA maakt 1,7
draai om zo’n complex links gedraaid (147 nucleotideparen). De lengte van het link DNA varieert.
Deze pakking verkleint het DNA met 1/3e. De histoneiwitten zijn klein en hebben veel positief
geladen aminozuren, lysine en arginine om te binden aan de negatieve groepen van de DNA
ruggengraat (suiker-fosfaat). Elk van de acht histoneiwitten heeft een lange, ongestructureerde N-
staart dat uitsteekt van het nucleosoom kerndeeltje. Dit stukje wordt reversibel en covalent
gemodificeerd om de chromatine structuur de bepalen. Histoneiwitten verschillen nauwelijks per
organisme en zijn dus hoog geconserveerd! Maar dus wel anders bij bacteriën.
Tweede stap van pakking
Een vijfde histoneiwit, H1, trekt de nucleosomen naar elkaar toe om een chromatine vezel te
vormen. Het trekt naast elkaar liggende nucleosomen naar elkaar toe op een regelmatig herhaalde
wijze. Het wordt telkens minder lang en steeds breder.
, 1e pakking (euchromatine): 11 nm in diameter.
2e pakking (heterochromatine): 30 nm in diameter.
Mitotisch: 700 nm in diameter
A en T en C en G kunnen alleen zo paren omdat alleen tussen die basen waterstofbruggen gevormd
kunnen worden zodat ze dicht genoeg bij elkaar zitten en de helix niet verstoren. Bovendien kan
deze basenparing alleen optreden als de ketens antiparallel lopen.
Hoorcollege 2 DNA replicatie
Stof: Hoofdstuk 6 Alberts: DNA replicatie, herstel en recombinatie
Bijbehorend: zelfstudie 2 + werkcollege 1
Hoofdstuk 6 DNA replicatie, herstel en recombinatie
Een cel kan alleen overleven en reproduceren als zijn genetische informatie nauwkeurig gedupliceerd
en hersteld wordt. Het DNA moet continu in de gaten gehouden worden en hersteld worden
aangezien mutaties kunnen optreden. De mutaties treden op door toevallige fouten in de replicatie,
door milieufactoren zoals chemicaliën en radiatie of door reactieve moleculen van het
celmetabolisme. De meeste mutaties hebben geen effect. Soms zijn de mutaties voordelig (ze
maken bacteriën resistent tegen antibiotica), maar meestal zijn ze nadelig (kanker en genetische
ziekten). De mutaties zijn bovendien verantwoordelijk voor de kleine variaties in genetisch materiaal
wat de ene diersoort onderscheidt van de ander. De mutaties zijn hiervoor geaccumuleerd in
miljoenen jaren. De snelheid van replicatie is zo’n 100 nucleotiden/s bij mensen en zo’n 1000
nucleotiden/s bij bacteriën.
DNA replicatie
Basenparing maakt DNA replicatie mogelijk
Elke helix bevat twee ketens van DNA die compleet complementair aan elkaar zijn (en ze lopen
uiteraard antiparallel). Elke keten kan door de complementariteit dienen als een mal voor een
nieuwe partnerstreng. Als de ene streng S heet en de andere gepaarde streng S’, dient S als mal voor
een nieuwe S’ streng en S’ als een mal voor een nieuwe S streng. Replicatie moet gebeuren met een
ongelofelijke snelheid en nauwkeurigheid; fouten treden wel maar heel zelden op. De replicatie
