Samenvatting genoom tot populatie
Lotte van der Linden
Thema A: DNA, structuur, replicatie en mutaties
HC01, HC02, HC03, ZS01, ZS02, ZS03
Nucleotiden
DNA is opgebouwd uit basen, fosfaten en de suiker deoxyribose. Een
DNA molecuul heeft 3 bindingsites waarvan 2 covalent en 1
niet-covalent. De basen van DNA staan ook wel bekend als
nucleotiden. In DNA zijn 4 nucleotiden te vinden: adenine, guanine,
thymine en cytosine. Ze zijn onder te verdelen in de purines en
pyrimidines. Adenine (A) en guanine (G) zijn een purine, en thymine (T)
en cytosine (C) zijn pyrimidines. De binding tussen 2 nucleotiden heet
een fosfordiesterbinding, en het zijn altijd dezelfde nucleotiden die met
elkaar paren. A & T gaan altijd samen, en G & C. De A-T binding heeft
maar 2 waterstofbruggen, terwijl de G-C binding er 3 heeft. De A-T binding is dus zwakker.
Dubbele helix
DNA is opgebouwd als een dubbele helix. Dit is deels voor stevigheid,
omdat DNA natuurlijk erg lang moet worden. Het grootste voordeel is dat je
makkelijk fouten kan herstellen uit een streng, omdat je natuurlijk altijd een
2e kopie hebt. Om deze 2 redenen is DNA erg geschikt om genetische
informatie te dragen. De kopie is complementair, wat inhoudt dat de
strengen antiparallel lopen. De coding streng loopt van de zogenaamde
5’ kant naar de 3’ kant, en de matrijsstreng/templatestreng is daar dus
antiparallel aan en loopt dan van 3’ naar 5’. DNA is een erg stabiel
molecuul.
Genen en chromosomen
Op het DNA liggen genen. Deze zijn opgemaakt uit basenparen. Elk
zoogdier heeft ongeveer 3 miljard unieke basenparen. Het DNA van
diersoorten is dan ook te onderscheiden door naar de verhouding A+T en
G+C te kijken. Genen coderen voor eiwitten. 1 gen is een sequentie van
basenparen die codeert voor 1 eiwit. Een gen bestaat uit een coderend
deel en en regulerend deel. Het DNA van een eukaryotische cel ligt
opgeslagen in chromosomen. De vouwing van deze chromosomen
bepaalt hoe het DNA wordt afgelezen.
Replicatie DNA
Tijdens de celcyclus moet het DNA gepubliceerd worden, om verspreid te kunnen worden over
de 2 cellen. Dit gebeurt in de S-fase van de celcyclus. DNA wordt gedupliceerd vanaf de
matrijsstreng. Voor deze replicate zijn deoxynucleotidentrifosfaten nodig (dATP, dTTP, dCTP
en DGTP). Het belangrijkst enzym in dit proces is DNA-polymerase. Dit enzym loopt op de
1
,matrijsstreng van de 5’ naar de 3’ kant. De energie om dit te doen haalt
dit energie uit de fosfaatgroepen, want in het daadwerkelijke
DNA-molecuul is er per nucleotide maar 1 nodig. Per ongeveer
1/1000000 basen wordt er een foutje gemaakt in de duplicatie. Dit wordt
meestal gewoon hersteld door DNA-polymerase, die basen ook weer
weg kan halen. De fout wordt herkend door een ‘bobbel’ in het DNA,
omdat de nucleotide niet goed past. Dit is proofreading en voorkomt
enorm veel mutaties.
Splitsen dubbele helix
Om zijn werk te kunnen doen heeft DNA-polymerase enkelstrengs DNA
nodig. De replicatie begint dan ook bij het splitsen van het DNA. Een
specifieke sequentie genaamd de replication origin geeft aan waar dit
splitsen moet beginnen. Nadat dit beginnetje is gemaakt wordt het DNA
verder op geritst door helicase. Dit gebeurt op meerdere plekken tegelijk
door het gehele DNA en allebei de richtingen uit. Omdat DNA-polymerase
vast zit aan helicase loopt het DNA in een loop tijdens de replicatie.
Leading en lagging strand
DNA-polymerase heeft altijd een vrije -OH groep nodig om op te beginnen.
Deze wordt gemaakt door primase. Als de polymerase eenmaal begonnen
is zit deze vast met een sliding clamp waardoor het niet van het DNA af
valt. DNA-polymerase kan op deze manier echter alleen de leading strand
repliceren, die van 3’ naar 5’ loopt. Polymerase synthetiseert immers altijd
van 5’ naar 3’. De lagging strand moet gedaan worden mbv okazaki
fragmenten. De stukjes die enkelstrengs zijn omdat ze nog wachten op
polymerase worden beschermd door single-strand binding proteins.
Okazaki fragmenten
De lagging strand kan dus niet in een keer gedupliceerd worden.
Er moet steeds achter helicase een primer bestaand uit RNA
gezet worden, vanaf waar DNA-polymerase weer aan de slag
kan, in de 5’ naar 3’ richting. Als resultaat hier van blijven er
kleine stukjes over, waar de primer zat, die niet gerepliceerd zijn.
Deze stukjes worden opgeruimd door nuclease, waarna
DNA-polymerase ze toch weer op kan vullen. De backbones
kunnen op dit stuk ook niet goed verbinden. Dit heet een NICK
en wordt opgelost door DNA-ligase die mbv ATP de verbinding kan
maken.
Telomerase
Door de okazakif fragmenten wordt de lagging strand steeds een
klein beetje korter, helemaal aan het einde. Dit wordt
normaalgesproken aangevuld door het enzym telomerase. Niet alle
2
, cellen hebben telomerase, en telomerase blijft ook niet onbeperkt
werken. Het korter worden van het DNA werkt namelijk ook als een
bescherming tegen tumoren. Als op gegeven moment het DNA te
kort wordt zal de cel niet meer delen, en zo is deze beschermd tegen
ongeremde celdelingen. In tumorcellen zul je ook vaak telomerase
aantreffen. De telomerase-einden kun je daarom ook wel aanzien
als het beschermkapsel van het DNA.
Mutaties
Ondanks proofreading en andere mechanismen om dit te voorkomen
ontstaat er bij iedereen toch mutaties in het DNA. Mutaties kunnen somatisch zijn, wat inhoudt
dat het in een van de cellen van het organisme is, of een germ mutatie zijn, wat een mutatie in
een geslachtscel is die doorgegeven kan worden aan nakomelingen. Hoe ouder een organisme
wordt, hoe meer somatische mutaties er plaatsvinden. Hele grote mutaties zijn chromosomale
mutaties, maar wat veel meer voorkomt zijn puntmutaties. Hier zijn verschillende vormen van:
● Substitutie: verwisselen van ene nucleotide voor een andere
- Transitie: verwisseling purine voor purine
- Transversie: verwisseling purine voor pyrimidine
● Coding mutatie: mutatie met effect op de aminozuurvolgorde
● Non-coding mutatie: mutatie in een niet coderend deel van gen
● Synonymmutatie: verandert de aminozuurcode maar niet het aminozuur
● Nonsensemutatie: wordt door een vervangen een stopcodon gecreëerd, weinig effect
als het aan het einde van een gen is maar kan leiden tot veel te kort eiwit
● Missensemutatie: geeft een ander aminozuur
● Insertie/deletie: 1 of meerdere basenparen vallen weg/komen er bij. Bij 1 of 2
extra/minder leidt dit tot een frame-shift, wat resulteert in een heel ander eiwit. Bij 3
alleen aminozuur minder of extra.
Een silent mutatie houdt in dat het aminozuur niet verandert door de mutatie. Bij een neutral
mutatie kan het aminozuur wel veranderen, maar zal de functie van het eiwit niet veranderen.
Een silent mutatie is dus altijd een neutral mutatie, maar een neutral mutatie is niet persee een
silent mutatie.
Loss- en gain of function
Het effect van een mutatie kan een loss of function betekenen, of een gain of function. Het
ligt er aan welk deel van een eiwit verandert. Voor enzymen kan dit bijvoorbeeld beteken dat ze
opeens een hele andere reactie gaan katalyseren. Een dominante mutatie hoeft maar in 1 van
de 2 chromosomen te liggen, en is meestal een gain of function mutatie. Een recessieve
mutatie moet op beide chromosomen liggen en geeft meestal een loss of function.
Oorzaken mutaties
Mutaties kunnen spontaan ontstaan door bijvoorbeeld een fout bij de replicatie, mismatches die
niet hersteld worden of de deaminering van een cytosine naar een uracil (komt redelijk vaak
voor). Mutaties kunnen ook veroorzaakt worden door mutagenen. Base analogs zijn
bijvoorbeeld stoffen die basen veranderen. Een ander voorbeeld is UV-straling, wat een
3
