Hoorcollege 1 – DNA structuur, organisatie en replicatie
(H11)
DNA en genoom
DNA vormt het genoom (totaal aan genen) van een organisme en vormt de basis van een organisme.
Elke cel uit elk organisme bevat hetzelfde genoom. Dit is de code waarmee elke cel zijn functie kan
uitvoeren. Genoom wordt niet in elke cel op dezelfde manier gebruikt. Verschillende soorten cellen,
maken er op verschillende manieren gebruik van.
- Alle cellen hebben hetzelfde genoom
- Genoom bepaalt wat een organisme doet
- Genoom wordt doorgegeven aan nakomelingen
Genoom bepaalt waarom een bepaald organisme dat bepaalde organisme is. Alle cellen het genoom,
maar het wordt niet allemaal afgelezen. Soms zijn eiwitten alleen op een bepaald moment nodig,
voor een reactie op een bepaalde omstandigheid en sommige eiwitten zijn altijd nodig in een cel. Er
is dus een regulatie in wat er wordt afgegeven.
Structurele genen coderen voor eiwitten (structural-gene). Structurele genen zijn de meest
voorkomende genen. Bij een niet-structureel gen, wordt het niet gebruikt voor de vorming van
eiwitten, maar bijvoorbeeld ribosomaal-RNA om ribosomen op te bouwen.
Genen coderen voor eiwitten en dit wordt het proteoom genoemd → verzameling eiwitten die je op
een bepaald moment in de cel bevindt. Het proteoom en dus de aanwezige eiwitten, bepalen hoe
een cel functioneert.
Het proteoom verschilt per celtype, per conditie en per tijd.
Eiwitten functioneren in metabolisme, signalering en regulatie.
Genoom en eigenschappen
Genoom bepaalt wat een organisme kan
→ overgeërfde eigenschappen van ouders
→ mutaties in genoom kunnen leiden tot andere processen in de cellen
Genetische oorzaak ziekten/afwijkingen:
→ erfelijke ziekten van ouder door het doorgeven van mutaties
Deze mutaties zijn in elke cel van het lichaam te vinden
→ kanker door ophopen mutaties tijdens leven (invloed door omgevingsfactoren)
Mutaties die alleen te vinden zijn in cellen die aangedaan zijn
Genoom en omgevingsfactoren
Omgevingsfactoren kunnen leiden tot mutaties. Dit zorgt voor schade aan het DNA en daarbij dus
een verstoring van de code. Dit kan uiteindelijk leiden tot de aantasting van de cel functie en daarbij
ook dood/kanker/veroudering.
Omgevingsfactoren kunnen ook de organisatiegraad van DNA beïnvloeden. Hierbij beïnvloeden ze
dus de structuur van het chromosoom. Hierbij hebben ze invloed op de structuur en de vouwing van
de chromatine. Het DNA zit ingepakt in een chromatine.
Hoe erg een mutatie uitpakt in een organisme, kan heel erg afhangen van de omgeving.
Omgevingsfactoren → chemische stoffen, gedrag, gewoonten, humeur
,DNA-analyse en genomics
De code van het DNA kan vastgesteld worden door de sequentie van het DNA te bepalen. Welke base
in welke volgorde in het DNA-molecuul.
De sequentie moet ook geanalyseerd worden en dat gebeurt met behulp van genomics.
Als dit goed gebeurt, kan het gebruikt worden voor de diagnostiek:
- Voorspellen kans op ziekte
bevolkingsonderzoek
- Relateren aandoening aan genetische kenmerken
Genetisch profiel en risico op aandoening
Omgevingsfactoren spelen hier ook een grote rol
DNA structuur
Criteria genetisch materiaal:
1. Informatie → codering
2. Replicatie → maken kopie voor dochtercel (codering moet betrouwbaar zijn)
3. Transmissie → overgeven aan dochtercel
4. Variatie → evolutie/individu vs soort
Griffith’s bacterial transformation:
Twee stammen van de bacterie Streptococcus
pneumoniae (longontsteking of
hersenvliesontsteking) werd ingespoten bij
muizen. Stammen die er glad uitzagen, zorgden
ervoor dat de muis waar de bacterie in werd
gespoten dood ding. Bij de ruwe vorm gingen de
muizen niet dood.,
Bij de gladde vorm hebben de bacteriën een
kapsel en kunnen ze overleven in de bloedbaan.
Ze konden daar dus overleven en
vermenigvuldigen waarnaar ze de muis
overnamen.
Uit het experiment bleek dat er eigenschappen overdraagbaar zijn, dat bleek uit:
- Er waren levende bacteriën nodig
- Bij een mengsel van de gladde dode en ruwe levende bacteriën gingen de muizen dood. De
ruwe bacteriën hadden dus iets opgenomen dat ervoor zorgde dat de muizen toch dood
gingen. Bij het eruit halen van de bacteriën, bleek dat de bacteriën een glad uiterlijk hadden
gekregen.
Er was sprake van transformatie → overdracht van genetisch materiaal.
Via een vergelijkbaar experiment werden beide bacteriën opnieuw gebruikt om te kijken welk
molecuul werd overgedragen. DNA van gladde bacteriën mengen met ruwe bacteriën waardoor
transformatie op gang komt. Dit werd het DNA-extract genoemd. Dit werd verdeeld over een aantal
buisjes:
- controle (niks toegevoegd)
- DNA-extract en DNase(breekt DNA af)
- DNA-extract en RNase (breekt RNA af)
- DNA-extract en protease (breekt eiwitten af).
Dit lieten ze staan zodat de transformatie kon plaatsvinden en uiteindelijk voegde ze een antilichaam
toe dat aan de ruwe bacteriën bond. De ruwe bacteriën gingen dus samenklonteren. Klont bacteriën
op bodem buis wordt een palet genoemd. Gladde bacteriën die zijn ontstaan door opname genetisch
materiaal, zullen niet in het aggregaat terecht komen, omdat deze niet worden gebonden door de
antilichamen. Vervolgens kon het supernatant (overblijfsel, dus de gladde bacteriën) op platen zodat
,gecontroleerd kon worden welke toevoeging ervoor zorgde dat de ruwe bacteriën konden
transformeren naar gladde bacteriën. Het DNA zorgt ervoor dat er van de ruwe bacteriën gladde
bacteriën konden worden gevormd.
Hershey and Chase hebben ook aangetoond dat DNA de drager is van erfelijk materiaal.
Maakten gebruiken van bacteriofagen. Bacteriofaag is een virus voor een bacterie. In de capsule
bevinden zich eiwitten en DNA en als bacterie landt op celoppervlakte wordt er materiaal in een
bacterie gespoten. Dit wordt gebruikt om nieuwe virusdeeltjes te maken. Virus voor een mens en
bacterie werken hetzelfde.
- Maakten gebruik van chemische eigenschappen van DNA en eiwitten
In eiwitten bevinden zich in sommige van de aminozuren zwavel die radioactief gelabeld kunnen
worden. Ook gebruikten ze fosfor, dat ook radioactief gelabeld kon worden en vooral te vinden was
in DNA. Ze maakten bacteriofagen in aanwezigheid van radioactief zwavel en radioactief fosfor. Er
was dus radioactief DNA en radioactieve eiwitten. Dit lieten ze incuberen met de bacteriën. Als
eiwitten het genetisch materiaal was, zouden eiwitten ook in de nieuwe virusdeeltjes terecht komen.
Het radioactieve zwavel zou dan dus in het cytoplasma terecht komen, maar daar was geen sprake
van. Bij het radioactieve DNA werd het teruggevonden in de bacteriecel en sommige deeltjes uit de
bacteriën hadden het radioactieve DNA in de capsule.
Hieruit bleek dus dat DNA de drager is van genetische informatie en kan eigenschappen overdragen
van de ene naar de andere cel.
Nucleic Acid Structure
1. Nucleotiden – monomeren van DNA/RNA
Adeninen, Guanine, Cytosine, T
2. Streng – lineaire polymeer van DNA/RNA-nucleotiden, geen vertakkingen
3. Dubbele helix – twee verbonden strengen DNA
4. Chromosomen – complexe structuur van dubbelstrengs DNA en gespecialiseerde eiwitten. 46
chromosomen, bevat de genen.
Chromatine = complex dat chromosomen vormen. Opgevouwen DNA-structuur in complex met
chromatine-eiwitten.
5. Genoom – complete set aan genetisch materiaal van een organisme. Alle DNA-moleculen bij
elkaar.
Een DNA-molecuul is opgebouwd uit een:
- Suikergroep
Deoxyribose, met 5 koolstofatomen
- Fosfaatgroep
- Base
Adenine, Guanine, Cytosine en Thymine
De vier vormen een verbinding met elkaar door
middel van een waterstofbrug.
Er zit een nummering aan de nucleotiden en dat
heeft te met de positie waarin de verbindingen aan
het suikermolecuul zijn vastgezet.
3’-kant bevat een hydroxylgroep en 5’-kant bevat
de fosfaatgroep.
Een nucleotide wordt vastgezet aan een 3’-uiteinde. Aan een 5’-uiteinde kan geen nucelotide worden
vastgezet. Een DNA-molecuul gaat dus van een 5’ naar een 3’. Deze riching wordt in elk niveau
doorgegeven.
, Dit heeft een richting en de richting wordt bepaald door waar het volgende nucleotide in de keten
wordt vastgezet.
Een nucelotideketen wordt gevormd door een condensatiereactie waarbij een watermolecuul wordt
afgesplitst. Aan de 3’-kant wordt de nieuwe nucelotide ingebouwd. De covalente binding wordt
gevormd tussen de 3’-kant van het ene molecuul en de 5’-kant van het andere molecuul.
DNA is opgebouwd uit een phosphate-suger-backbone en de variatie wordt gevormd door
uitstekende basen. Basen zijn de nucelotiden die in de keten komen. Bij het opschrijven van een
keten wordt er geschreven en gesynthetiseerd van de 5’naar de 3’. Basen kunnen via basenparing
een verbinding aangaan met een basen van een tweede DNA-streng.
A-T → 2 waterstofbruggen
C-G → 3 waterstofbruggen
De koppeltjes bepalen de inbouw van de nucleotiden tijdens de replicatie. Per organisme verschilt
het aantal basen dat voorkomt, maar de verhouding tussen de onderliggende basen, is wel altijd
gelijk. DNA strengen zijn complementair aan elkaar. Ene streng gaat van 3’naar 5’ en de ander van 5’
naar 3’.
DNA vormt een template voor de vorming van RNA. Zowel DNA als RNA zijn nucleotideketens. Het
verschil is dat het twee verschillende nicelotideketens zijn. RNA bestaat uit:
- Fosfaatgroep
- Risbose
- Base
Adenine, Uracil, Guanine, Cytosine
Een RNA-keten zal niet snel een dubbele helix vormen
Het verschil zorgt ervoor dat een DNA-nucelotide wordt gekoppeld door DNA-polymerase en een
RNA-nucelotide wordt gekoppeld door RNA-polymerase.
Watson en Crick hebben paper geschreven over de structuur van een DNA-molecuul. Hebben
fotografische afbeelding gebruikt voor de herleiding van de strcutuur in DNA. Bepaald dat er sprake
was van baseparing, door het combineren van verschillende onderzoeken.
DNA replicatie
Met behulp van semi-conservatieve-replicatie. Eén streng dient als template voor het synthetiseren
van de tweede streng. De mattrijsstreng dient als template-streng.
Dubbele helix smelt uit tot twee losse engelstrengs en worden dan gerepliceerd. Nucleotiden worden
ingebouwd volgens AT/GC regel, complementair aan de template. Er ontstaat dan weer een dubbele
helix met één oude (parental strands) en één nieuwe streng (daughter strands). Hierbij wordt
gebruikgemaakt van DNA-polymerase.
Tijdens DNA-replicatie is er een replicatievork en daar worden beide strengen tegelijkertijd
gerepliceerd. Replicatievork ontstaat waar het DNA uit elkaar wordt gesmolten. Synthese van DNA
gaat van 5’naar 3’.
