Deze samenvatting bevat onderdelen uit de  subdomeinen B1.1 ‘DNA’, B1.2  ‘Eiwitsynthese’, C1.1 ‘Genexpressie’, D1.1: Genregulatie en interactie met (a)biotische factoren, F1.1: ‘DNA’ en F1.2 ‘Mutatie’. Allen uit 2015. 

Het belangrijkste bestanddeel van chromosomen is DNA, een nucleïnezuur.
– Bestaat uit twee om elkaar gedraaide ketens van nucleotiden: de dubbele helix

  • Beide ketens hebben een 3’-eind en een 5’-eind en liggen omgekeerd ten opzichte van elkaar

– Een nucleotide is weer opgebouwd uit:

  • Het suikermolecuul desoxyribose
  • Een fosfaatgroep
  • Een stikstofbase: adenine (A), thymine (T), cytosine (C) of guanine (G).

– Basenparing: de stikstofbasen van twee ketens binden met waterstofbruggen altijd in dezelfde combinaties:

  • Adenine en thymine
  • Guanine en cytosine

DNA-replicatie: verdubbeling van het DNA in de S-fase van de celcyclus

  • Het dubbelstrengs DNA-molecuul despiraliseert
  • De basenparen worden verbroken, er ontstaan twee enkele strengen DNA
  • DNA-polymerase maakt twee nieuwe nucleotidenketens aan de enkele strengen volgens de regels van basenparing
  • Nucleotiden worden gekoppeld aan de 3’- kant van de nieuwe streng. Replicatie verloopt dus van 3’ naar 5’ aan de bestaande streng. De replicatie heeft steeds deze vaste afleesrichting.
  • Als beide strengen volledig zijn aangevuld, zijn er twee identieke chromatiden ontstaan.

Behalve het kernDNA is er ook nog DNA in de mitochondriën: mtDNA. Dit DNA heeft een zelfstandige replicatie. Het DNA vormt de genetische code voor het maken van eiwitten.

  • Een afgebakend stukje van de nucleotidenketen is een gen.
  • Drie opeenvolgende basen in een gen vormen een triplet
  • Een triplet (codon) codeert voor één aminozuur
  • Genen bestaan uit afwisselend exons en introns
  • Exon: bevat informatie voor het maken van eiwitten
  • Intron: bevat geen coderend DNA informatie voor het maken van eiwitten.
    Bij eukaryoten, zoals de mens, komen in introns herhalingen van korte nucleotidereeksen voor. Zo’n reeks wordt repetitief DNA genoemd. Het aantal herhalingen op een bepaalde plaats in het genoom kan variëren en is net als een gen erfelijk. Per plaats erf je dus een reeks herhalingen van je vader en een andere reeks van je moeder. In het menselijk genoom zijn duizenden van deze plaatsen aangetroffen. Door deze variabiliteit kan repetitief DNA een hoofdrol vervullen in forensisch onderzoek en onderzoek naar verwantschap.

RNA is net als DNA opgebouwd uit nucleotiden, maar op enkele punten anders:

  • Het suikermolecuul is ribose
  • Bevat de base uracil (U) in plaats van thymine (T).
  • Komt voor als enkele streng nucleotiden

– Wordt gemaakt door RNA-polymerase door middel van basenparing langs een stuk DNA
– Er zijn vier verschillende typen RNA:

Eiwitsynthese: het proces waarbij eiwitten gemaakt worden op basis van de informatie in het DNA
– Bestaat uit meerdere processen:
– Bij transcriptie in de kern wordt een actief gen gekopieerd naar pre-mRNA

  • RNA-polymerase verbreekt de basenparing tussen twee DNA-strengen en koppelt RNA-nucleotiden volgens regels basenparing aan één DNA-streng, , de template of matrijsstreng (de andere streng heet de coderende streng). Pre-mRNA komt los en DNA-strengen binden weer aan elkaar.
  • Door splicing worden de introns verwijderd en ontstaat mRNA dat naar het cytoplasma gaat. Het is ook mogelijk om vanuit dit mRNA weer DNA te maken, zonder de introns: cDNA (copy-DNA of complement-DNA).

– Bij translatie in het cytoplasma koppelen ribosomen aminozuren tot een polypeptide op basis van de triplettenvolgorde van het mRNA

  • tRNA bindt met anticodon aan mRNA en bevat bijbehorend aminozuur. Het eerste codon (startcodon) is AUG en hierbij hoort het aminozuur methionine.
  • Aminozuur wordt met een peptidebinding aan bestaande aminozuurketen gekoppeld tot het ribosoom een stopcodontegenkomt.

– De polypeptide vouwt zich tot een werkend eiwit (proteïne) door waterstofbruggen en zwavelbruggen.
– Het eiwit wordt langs het endoplasmatisch reticulum naar het Golgi-apparaat getransporteerd

  • Hier wordt het bewerkt, eventueel tijdelijk opgeslagen en afgescheiden in blaasjes

– De activiteit van een eiwit bepaalt een erfelijk kenmerk

 Overigens is de term “mutatie” officieel in de ban gedaan (zie http://varnomen.hgvs.org/bg-material/basics/)

Een mutatie in het DNA kan de genetische code veranderen en daarmee de functie van het eiwit dat gemaakt wordt. Dit kan het functioneren van het individu veranderen (bijvoorbeeld door ziekte)
– Mutaties hebben verschillende oorzaken:

  • Spontaan, door fout bij DNA-replicatie
  • Straling, radioactief of röntgen,
  • Mutagene stoffen, bijvoorbeeld teer of asbest

– Genmutatie: een verandering in de nucleotidenvolgorde van een gen

  • Het juiste eiwit of enzym wordt niet of in gewijzigde vorm aangemaakt
  • Bijvoorbeeld: verwijdering van een triplet zorgt dat er één aminozuur verdwijnt uit de polypeptideketen
  • Puntmutatie: één nucleotide in het DNA is gewijzigd
  • Substitutie: één nucleotide is vervangen
  • Deletie: één nucleotide is verwijderd
  • Insertie: één nucleotide is toegevoegd.

– Chromosoommutatie: veranderingen in grote delen van het chromosoom

  • Deletie: een (deel van een) chromosoom is verwijderd
  • Insertie: een (deel van een) chromosoom is te verdubbeld
  • Translocatie: een (deel van een) chromosoom zit vast aan een ander chromosoom

–  Genoommutatie: een verandering in het totaal aantal chromosomen

  • Trisomie: één chromosoom is in drievoud aanwezig
  • Monosomie: één chromosoom is in enkelvoud aanwezig.
  • Polyploïdie: er is een veelvoud ontstaan van het normale aantal chromosomen
  • Bijvoorbeeld 4n of 8n chromosomen in plaats van 2n.

Een mutant is een individu waarbij een mutatie tot uiting komt in het fenotype.
– Mutatie kan alleen tot uiting komen als:

  • Hij voorkomt in de zygote óf in één of beide geslachtscellen die samensmelten tot de zygote en:
  • De mutatie is dominant óf komt tweemaal voor in recessieve vorm.

DNA heeft een repair systeem om bepaalde mutaties ongedaan te maken. Daarbij worden foutief ingebouwde nucleotiden opgemerkt, weggeknipt en vervangen door de juiste nucleotiden.

Een transgeen organisme is een organisme dat een vreemd gen (een transgen), afkomstig van een ander soort organisme in zijn DNA draagt. Transgenese kan spontaan plaatsvinden door een natuurlijk proces, maar in de meeste gevallen, zeker bij hogere organismen, is er sprake van gericht menselijk handelen in de vorm van genetische modificatie. In dit laatste geval worden de termen transgeen organisme en genetisch gemodificeerd organisme (ggo) nogal eens door elkaar gebruikt. Het tegenovergestelde van transgeen is cisgeen, waarbij soorteigen genen, bijvoorbeeld van het ene naar het andere ras, worden overgebracht, vaak op natuurlijke wijze.

• Eiwitsynthese kan alleen plaatsvinden als bijbehorende structurele genen (genen die zorgen voor functionele eiwitten in de cel) zijn ingeschakeld. Dat gebeurt door een combinatie van DNA en eiwitten, de histonen, samen het nucleosoom. De plaats waar de histonen binden aan het DNA kan veranderen en daarmee de activiteit van de genen.

– In-of uitschakeling wordt geregeld door de operator (bij prokaryoten) en de promotor van een gen.

– Een gen gaat ‘aan’  (komt tot genexpressie) als een activator (histoneiwit) aan de promotor bindt. Zo’n activator is een stimulerende transcriptiefactor. Een repressor zorgt er juist voor dat een gen niet actief wordt. Activator en repressor worden gemaakt door regulatorgenen.

  • Hierdoor kan RNA-polymerase binden en start transcriptie
  • Een gen gaat ‘uit’ als repressors aan de operator binden
  • Deze blokkeren de voortgang van RNA-polymerase over het DNA en kan transcriptie niet plaatsvinden
  • Een inducer kan aan de repressor binden, deze komt dan los en transcriptie kan verder gaan. Het gen staat dan weer ‘aan’.
  • Soms werkt een gen niet doordat het veranderd is of niet geactiveerd kan worden. Dat kan zorgen voor erfelijke ziekte. Om de werking van een veranderd gen te onderzoeken, schakelen onderzoekers zo’n gen uit door een paar nucleotiden te verwijderen. Men spreekt dan van een knock-out-gen.

Een gen kan ook worden uitgezet door fragmenten dubbelstrengs RNA. Deze schakelen het m-RNA dat is gevormd uit: RNA-i(interferentie).

Ook is het mogelijk dat een gen (tijdelijk) verandert in haar activiteit door invloeden vanuit het milieu. Dit kan zelfs worden doorgegeven aan het nageslacht, terwijl het gen zelf in de nucleotidensamenstelling niet is veranderd: epigenetische invloed. Aan bepaalde cytosinenucleotiden wordt een methylgroep gebonden: methylering. Een dusdanig gemethyleerd gen wordt niet actief, vormt dus geen mRNA.

Proto-oncogenen zijn normaal voorkomende genen die een regulerende rol vervullen bij celgroei, celdifferentiatie en apoptose (geprogrammeerde celdood). Door mutatie kan een proto-oncogen in een oncogen veranderen: een gen dat kanker kan veroorzaken.

Een tumorsuppressorgen is een gen dat onbeperkte deling van de cel voorkomt en daarmee het ontstaan van een tumor verhindert. Het eiwit dat door dit gen gecodeerd wordt, heeft namelijk een negatieve invloed op de celdeling.

Eiwitten hebben elk een specifieke molecuulstructuur, bepaald door de aminozuurvolgorde, de temperatuur en de pH van de oplossing.
– Primaire structuur: de polypeptideketen opgebouwd uit aminozuren die is bepaald door de genetische code.
– Secundaire structuur: windingen en vouwen in de polypeptideketen door waterstofbruggen tussen de peptidebindingen.
– Tertiaire structuur: vouwing van het eiwit door waterstofbruggen, zwavelbruggen en ionbindingen tussen restgroepen van aminozuren
– Quaternaire structuur: samenvoeging van meerdere polypeptideketens, bijvoorbeeld bij hemoglobine.

De structuur bepaalt de functie van het eiwit. Functies van eiwitten zijn:
– Structuureiwit: geeft stevigheid aan organen en weefsels
– Transporteiwit: transporteert stoffen in het bloed door het lichaam of zorgt dat grote moleculen de celmembraan kunnen passeren
– Receptoreiwit: vangt op het celmembraan signalen van hormonen en neurotransmitters op
– Plasma-eiwit: zitten in het bloed. Bijvoorbeeld stollingsfactoren voor bloedstolling, antistoffen en albumine voor transport van stoffen.
– Antistoffen: binden aan antigenen en spelen daarmee een rol in het uitschakelen van ziektekiemen.
– Enzym: biokatalysator. Versnelt een chemische reactie zonder zelf te worden opgebruikt.

  • Bestaan uit een eiwit en een co-enzym: een vitamine of metaalion
  • Zijn substraatspecifiek
  • Door tertiaire structuur passen ze maar op één substraat.
  • Zijn vaak genoemd naar het substraat waarop ze werken + de uitgang ‘ase’. Bijvoorbeeld: lipiden → lipase.
  • Zijn reactiespecifiek
  • Kunnen maar één bepaalde reactie versnellen
  • Versnellen reacties vaak wel in beide richtingen
  • De activiteit is afhankelijk van:
  • pH: deze beïnvloedt ionbindingen en daardoor de ruimtelijke structuur
  • Temperatuur: eiwitten denatureren bij hoge temperatuur
  • Enzymconcentratie: hoe meer enzymen een verbinding kunnen aangaan met een substraat, des te sneller de reactie verloopt.
  • Aanwezigheid van inhibitors, bijvoorbeeld medicijnen of gifstoffen
  • Bezetten de bindingsplaats van het substraat
  • Laten het enzym van vorm veranderen,  waardoor het substraat niet meer past.
  • Aanwezigheid van activatoren
  • Laat het enzym van vorm veranderen, waardoor het substraat beter kan binden.

– In verschillende delen van de cel komen specifieke enzymen voor die daar de stofwisselingsprocessen mogelijk maken

  • In de kern voor (re)productie en reparatie van DNA en mRNA
  • In de ribosomen in het cytoplasma en aan het endoplasmatisch reticulum voor de koppeling van aminozuren
  • In het endoplasmatisch reticulum en het golgi-systeem voor de bewerking van eiwitten
  • In de mitochondriën voor de citroenzuurcyclus en de ademhalingsketen
  • In de lysosomen voor vertering van stoffen

– Veel enzymen worden in onwerkzame vorm gemaakt

  • Worden pas actief als er een andere component bij komt
  • Voorkomt dat ze bij afgifte het eigen klierweefsel aantasten
  • Voorbeelden:
  • Stollingsenzymen in het bloed
  • Pepsinogeen in de maagwand
  • Trypsinogeen in de alvleesklier