MOLECULAIRE BIOLOGIE
H1: DNA
INLEIDING
BIOCHEMISCHE DEFINITIES VAN LEVEN
De volgende factoren spelen een rol:
- Levende organismen zijn afgescheiden van hun leefomgeving door celmembranen of celwanden. De
samenstelling van de inhoud van de organismen is sterk verschillend en/of complexer dan die van zijn
omgeving.
- Energieopname en -verbruik is noodzakelijk voor de instandhouding van het organisme. Eten en
drinken zijn noodzakelijk voor alle leven.
- Groei; elk organisme evolueert in de tijd; het neemt toe in complexiteit tot het volwassen stadium is
bereikt. Uiteindelijk zal elk organisme sterven, door ouderdom (ruim begrip) of deling in
dochterorganismen
- Voortplanting; elk levend organisme kan zich voortplanten door seksuele of aseksuele voortplanting,
wat noodzakelijk is om uitsterven te voorkomen.
- Beweging; Levende organismen kunnen op eigen kracht bewegen (let wel; dit hoeft geen
voortbewegen te zijn; planten)
- Interpretatie van prikkels; reactie op de omgeving is noodzakelijk
- Communicatie: cellen communiceren met elkaar m.b.v. moleculaire signalen. Leven is enkel mogelijk
dankzij communicatie tussen soortgenoten en verschillende levensvormen.
WAARUIT BESTAAT EEN LEVENDE CEL
Een cel is een eenheid die afgescheiden is van zijn omgeving en bestaat uit een georganiseerde opbouw die tot
stand komt door de wisselwerking tussen biomoleculen: proteïnen, lipiden, carbohydraten en nucleïnezuren.
Deze moleculen zijn betrokken bij verschillende functies en activiteiten van de cel.
Eukaryoot celtype: meer opgedeeld in verschillende compartimenten door membranen.
Prokaryoot celtypen: geen celkern
MIJLPALEN UIT DE GESCHIEDENIS VAN DE ERFELIJKHEIDSLEER
EIGENSCHAPPEN ZIJN ERFELIJK: DE GENEN
Genen = informatie-bevattende elementen die de karakteristieken van een individu en de soort waartoe dit
individu behoort, bevat; daarmee coderen ze voor erfelijke eigenschappen.
Mendel kwam via het experiment met de lange en korte erwten tot de volgende wetmatigheden:
- Waarneembare eigenschappen zijn terug te brengen tot overerfbare eenheden
, - Elke diploïde cel bevat 2 gekoppelde genen, waarbij eventueel meerdere allelen mogelijk zijn → elke
mogelijke variant van een gen.
- Genen zijn óf dominant versus recessief óf intermediair.
LINK TUSSEN GENEN EN BIOMEDISCHE PROCESSEN DOOR GARROD
Garrod legde vervolgens de link tussen genen en biochemische processen, via alkaptonurie (=de urine van
baby’s met dit verschijnsel kleurt zwart door een ander pigment (alkapton) door een fout in de stofwisseling
van tyrosin). Hij was de eerste die voorstelde dat deze pathologie te wijten was aan een defect gen. Dit vormde
de start van onderzoek naar de moleculaire verklaring van de erfelijkheid.
WELKE STOFFEN BEVATTEN DE GENETISCHE INFORMATIE
Met deze nieuwe feiten werd er meer onderzoek gedaan en kon men zo besluiten via microscopisch onderzoek
dat de chromosomen de dragers zijn van de genen; Chromosomen = de draadvormige structuren in de cel die
bestaan uit het DNA en zo de drager vormen van de erfelijke eigenschappen.
Welke stoffen bevatten de genetische informatie? Hiertoe moet men eerst in staat zijn de verschillende
componenten van de cel te zuiveren. De cellen moeten gehomogeniseerd zijn. Dan kan men de oplossingen
verdelen in fracties m.b.v. centrifugatie.
- Differentieel ultracentrifugeren:
o Cellen worden kapot gemaakt m.b.v. detergenten (oplossen van membranen) of mechanische
krachten (mixer)
o Homogenaat wordt gefilterd
o Lage snelheid-centrifugatie zwaartekracht wordt overtroffen door middelpuntvliedende
kracht: de zwaarste celorganellen bevinden zich als eerste op de bodem en vormen daar een
pellet. De resterende oplossing vormt het supernatans.
o Het pellet kan worden gescheiden van het supernatans en het supernatans kan opnieuw
worden gescheiden d.m.v. een hoger toerental.
- Densiteitscentrifugatie:
o In de centrifugebuis worden verschillende lagen met een stijgende sucrose-concentratie
aangebracht (er zal géén homogeen mengsel ontstaan door densiteitsverschillen.)
o Hier bovenop komt het celhomogenaat en het wordt gecentrifugeerd.
o De organellen migreren richting de bodem totdat ze op een laag zijn gekomen waarin de
sucrosedichtheid gelijk is aan hun eigen densiteit: de opwaartse druk is hier gelijk aan de
neerwaartse, wat een scheiding oplevert.
Het experiment van Griffith. Hier werd gebruik gemaakt van 2 verschillende stammen van de Streptococcus
pneumoniae: de S-stam en de R-stam. De volgende homogenaten werden ingespoten bij een muis:
- De S-stam (smooth) → longontsteking, dodelijk
- De R-stam (rough) → geen longontsteking, niet dodelijk
- Een gehomogeniseerde S-stam + de R-stam → longontsteking, dodelijk
Hij besloot hieruit dat bacteriën de dragers van eigenschappen (of genen) uit de omgeving kunnen
opnemen = transformatie
welke stof in het S-homogenaat is verantwoordelijk? S-homogenaat gefractioneerd in RNA, eiwitten, DNA,
vetten en koolwaterstoffen. Bij alle 5 de groepen werd de R-stam toegevoegd en ingespoten bij de muis
alleen de muizen met DNA (afkomstig van het S-homogenaat) kregen longontsteking.
, Het Hershey-Chase experiment; bovenstaande conclusie werd opnieuw verkregen via het volgende
experiment:
Bacteriofaag = de virussen van bacteriën.
- Twee culturen E. Coli die beiden werden besmet met bacteriofagen. Één cultuur bevatte radioactief
fosfaat en de ander bevatte radioactief zwavel. Dit zwavel wordt ingebouwd in de eiwitten van de
nieuwe bacteriofagen, en het fosfaat in het DNA van de fagen. Men verkrijgt dus bacteriofagen met
gelabelde eiwitten en gelabeld DNA.
- Deze fosfaat- en zwavelbacteriofagen werden toegevoegd aan verschillende (schone) kolonies E. Coli
voor infectie en daarna werd het contact tussen de bacteriofagen en de bacteriën onmiddellijk
verbroken, zodat alleen het DNA in de bacteriën terechtkwam.
- Na centrifugatie kwamen de bacteriën op de bodem en de bacteriofagen in het supernatans: men zag
dat het pellet radioactief was door het fosfor en het radioactieve zwavel in het supernatans was
achtergebleven.
Conclusie: het is niet het eiwit maar DNA dat in de bacterie terecht komt en de bacteriën gaat conditioneren
om bacteriofagen te maken.
DE STRUCTUUR VAN DNA
DNA = SUIKER + FOSFAAT + BASEN
DNA = deoxyribonucleïnezuur. Nucleïnezuur komt voor in twee vormen: DNA (drager an erfelijkheid) en RNA.
Cellulair DNA bestaat uit zeer lange polymeren.
DNA bestaat uit:
- Deoxyribose (specifieke suiker)
- fosfaatgroepen (die samen met de suikers de backbone (ruggengraat) van het DNA vormen)
- De 4 verschillende basen A, C, G & T:
o Purines → adenine en guanine
o Pyrimidines → thymine en cytosine
- Nucleoside = een base verbonden aan een deoxyribose via N-β-glycosidische binding:
o Adenosine → adenine verbonden aan een ribose (A)
o Cytidine → cytosine verbonden aan een ribose (C)
o Thymidine → thymine verbonden aan een ribose (T)
o Guanosine → guanine verbonden aan een ribose (G)
o Uridine → uracil verbonden aan een ribose (U)
- Nucleotide = een fosfaatgroep aan de 5’ koolstof verbonden is. Vrije nucleotiden komen in grote
hoeveelheden in cellen voor. De synthese van nucleotiden is mogelijk via 3 manieren:
o De meeste cellen kunnen ze zo opbouwen
o Via partiële hydrolyse van nucleïnezuren door nucleasen
o Door afbraak van vrijgekomen basen en een enzymatisch recuperatieproces
Aan het C-atoom van de suiker kunnen maximaal 3 fosfaatgroepen worden gehangen via fosfo-
anhydridebindingen tot vorming van nucleotide-tri-fosfaten. Hierin worden de fosfaatgroepen
achtereenvolgens aangeduid met α, β en γ, startend vanaf de α-C van de suiker = dNTP’s
- De ribosen zijn met elkaar verbonden via fosfodiësterbindingen: de 5’-C van de ene deoxyribose
wordt verbonden via een fosfaatgroep met de 3’-C van de vorige suiker.
Andere belangrijke basen en nucleotiden
- Co-enzym A: betrokken bij acyltransferreacties
H1: DNA
INLEIDING
BIOCHEMISCHE DEFINITIES VAN LEVEN
De volgende factoren spelen een rol:
- Levende organismen zijn afgescheiden van hun leefomgeving door celmembranen of celwanden. De
samenstelling van de inhoud van de organismen is sterk verschillend en/of complexer dan die van zijn
omgeving.
- Energieopname en -verbruik is noodzakelijk voor de instandhouding van het organisme. Eten en
drinken zijn noodzakelijk voor alle leven.
- Groei; elk organisme evolueert in de tijd; het neemt toe in complexiteit tot het volwassen stadium is
bereikt. Uiteindelijk zal elk organisme sterven, door ouderdom (ruim begrip) of deling in
dochterorganismen
- Voortplanting; elk levend organisme kan zich voortplanten door seksuele of aseksuele voortplanting,
wat noodzakelijk is om uitsterven te voorkomen.
- Beweging; Levende organismen kunnen op eigen kracht bewegen (let wel; dit hoeft geen
voortbewegen te zijn; planten)
- Interpretatie van prikkels; reactie op de omgeving is noodzakelijk
- Communicatie: cellen communiceren met elkaar m.b.v. moleculaire signalen. Leven is enkel mogelijk
dankzij communicatie tussen soortgenoten en verschillende levensvormen.
WAARUIT BESTAAT EEN LEVENDE CEL
Een cel is een eenheid die afgescheiden is van zijn omgeving en bestaat uit een georganiseerde opbouw die tot
stand komt door de wisselwerking tussen biomoleculen: proteïnen, lipiden, carbohydraten en nucleïnezuren.
Deze moleculen zijn betrokken bij verschillende functies en activiteiten van de cel.
Eukaryoot celtype: meer opgedeeld in verschillende compartimenten door membranen.
Prokaryoot celtypen: geen celkern
MIJLPALEN UIT DE GESCHIEDENIS VAN DE ERFELIJKHEIDSLEER
EIGENSCHAPPEN ZIJN ERFELIJK: DE GENEN
Genen = informatie-bevattende elementen die de karakteristieken van een individu en de soort waartoe dit
individu behoort, bevat; daarmee coderen ze voor erfelijke eigenschappen.
Mendel kwam via het experiment met de lange en korte erwten tot de volgende wetmatigheden:
- Waarneembare eigenschappen zijn terug te brengen tot overerfbare eenheden
, - Elke diploïde cel bevat 2 gekoppelde genen, waarbij eventueel meerdere allelen mogelijk zijn → elke
mogelijke variant van een gen.
- Genen zijn óf dominant versus recessief óf intermediair.
LINK TUSSEN GENEN EN BIOMEDISCHE PROCESSEN DOOR GARROD
Garrod legde vervolgens de link tussen genen en biochemische processen, via alkaptonurie (=de urine van
baby’s met dit verschijnsel kleurt zwart door een ander pigment (alkapton) door een fout in de stofwisseling
van tyrosin). Hij was de eerste die voorstelde dat deze pathologie te wijten was aan een defect gen. Dit vormde
de start van onderzoek naar de moleculaire verklaring van de erfelijkheid.
WELKE STOFFEN BEVATTEN DE GENETISCHE INFORMATIE
Met deze nieuwe feiten werd er meer onderzoek gedaan en kon men zo besluiten via microscopisch onderzoek
dat de chromosomen de dragers zijn van de genen; Chromosomen = de draadvormige structuren in de cel die
bestaan uit het DNA en zo de drager vormen van de erfelijke eigenschappen.
Welke stoffen bevatten de genetische informatie? Hiertoe moet men eerst in staat zijn de verschillende
componenten van de cel te zuiveren. De cellen moeten gehomogeniseerd zijn. Dan kan men de oplossingen
verdelen in fracties m.b.v. centrifugatie.
- Differentieel ultracentrifugeren:
o Cellen worden kapot gemaakt m.b.v. detergenten (oplossen van membranen) of mechanische
krachten (mixer)
o Homogenaat wordt gefilterd
o Lage snelheid-centrifugatie zwaartekracht wordt overtroffen door middelpuntvliedende
kracht: de zwaarste celorganellen bevinden zich als eerste op de bodem en vormen daar een
pellet. De resterende oplossing vormt het supernatans.
o Het pellet kan worden gescheiden van het supernatans en het supernatans kan opnieuw
worden gescheiden d.m.v. een hoger toerental.
- Densiteitscentrifugatie:
o In de centrifugebuis worden verschillende lagen met een stijgende sucrose-concentratie
aangebracht (er zal géén homogeen mengsel ontstaan door densiteitsverschillen.)
o Hier bovenop komt het celhomogenaat en het wordt gecentrifugeerd.
o De organellen migreren richting de bodem totdat ze op een laag zijn gekomen waarin de
sucrosedichtheid gelijk is aan hun eigen densiteit: de opwaartse druk is hier gelijk aan de
neerwaartse, wat een scheiding oplevert.
Het experiment van Griffith. Hier werd gebruik gemaakt van 2 verschillende stammen van de Streptococcus
pneumoniae: de S-stam en de R-stam. De volgende homogenaten werden ingespoten bij een muis:
- De S-stam (smooth) → longontsteking, dodelijk
- De R-stam (rough) → geen longontsteking, niet dodelijk
- Een gehomogeniseerde S-stam + de R-stam → longontsteking, dodelijk
Hij besloot hieruit dat bacteriën de dragers van eigenschappen (of genen) uit de omgeving kunnen
opnemen = transformatie
welke stof in het S-homogenaat is verantwoordelijk? S-homogenaat gefractioneerd in RNA, eiwitten, DNA,
vetten en koolwaterstoffen. Bij alle 5 de groepen werd de R-stam toegevoegd en ingespoten bij de muis
alleen de muizen met DNA (afkomstig van het S-homogenaat) kregen longontsteking.
, Het Hershey-Chase experiment; bovenstaande conclusie werd opnieuw verkregen via het volgende
experiment:
Bacteriofaag = de virussen van bacteriën.
- Twee culturen E. Coli die beiden werden besmet met bacteriofagen. Één cultuur bevatte radioactief
fosfaat en de ander bevatte radioactief zwavel. Dit zwavel wordt ingebouwd in de eiwitten van de
nieuwe bacteriofagen, en het fosfaat in het DNA van de fagen. Men verkrijgt dus bacteriofagen met
gelabelde eiwitten en gelabeld DNA.
- Deze fosfaat- en zwavelbacteriofagen werden toegevoegd aan verschillende (schone) kolonies E. Coli
voor infectie en daarna werd het contact tussen de bacteriofagen en de bacteriën onmiddellijk
verbroken, zodat alleen het DNA in de bacteriën terechtkwam.
- Na centrifugatie kwamen de bacteriën op de bodem en de bacteriofagen in het supernatans: men zag
dat het pellet radioactief was door het fosfor en het radioactieve zwavel in het supernatans was
achtergebleven.
Conclusie: het is niet het eiwit maar DNA dat in de bacterie terecht komt en de bacteriën gaat conditioneren
om bacteriofagen te maken.
DE STRUCTUUR VAN DNA
DNA = SUIKER + FOSFAAT + BASEN
DNA = deoxyribonucleïnezuur. Nucleïnezuur komt voor in twee vormen: DNA (drager an erfelijkheid) en RNA.
Cellulair DNA bestaat uit zeer lange polymeren.
DNA bestaat uit:
- Deoxyribose (specifieke suiker)
- fosfaatgroepen (die samen met de suikers de backbone (ruggengraat) van het DNA vormen)
- De 4 verschillende basen A, C, G & T:
o Purines → adenine en guanine
o Pyrimidines → thymine en cytosine
- Nucleoside = een base verbonden aan een deoxyribose via N-β-glycosidische binding:
o Adenosine → adenine verbonden aan een ribose (A)
o Cytidine → cytosine verbonden aan een ribose (C)
o Thymidine → thymine verbonden aan een ribose (T)
o Guanosine → guanine verbonden aan een ribose (G)
o Uridine → uracil verbonden aan een ribose (U)
- Nucleotide = een fosfaatgroep aan de 5’ koolstof verbonden is. Vrije nucleotiden komen in grote
hoeveelheden in cellen voor. De synthese van nucleotiden is mogelijk via 3 manieren:
o De meeste cellen kunnen ze zo opbouwen
o Via partiële hydrolyse van nucleïnezuren door nucleasen
o Door afbraak van vrijgekomen basen en een enzymatisch recuperatieproces
Aan het C-atoom van de suiker kunnen maximaal 3 fosfaatgroepen worden gehangen via fosfo-
anhydridebindingen tot vorming van nucleotide-tri-fosfaten. Hierin worden de fosfaatgroepen
achtereenvolgens aangeduid met α, β en γ, startend vanaf de α-C van de suiker = dNTP’s
- De ribosen zijn met elkaar verbonden via fosfodiësterbindingen: de 5’-C van de ene deoxyribose
wordt verbonden via een fosfaatgroep met de 3’-C van de vorige suiker.
Andere belangrijke basen en nucleotiden
- Co-enzym A: betrokken bij acyltransferreacties
