MOLECULAIRE BIOLOGIE
HOOFDSTUK 1: DNA, CHROMOSOMEN EN CELLEN
STRUCTUUR EN FUNCTIE VAN NUCLEÏNEZUREN
Een DNA-streng bestaat uit nucleotiden. Iedere nucleotide bestaat uit 3 delen: een
desoxyribose-groep, 1-3 fosfaatgroepen en één nucleobase: adenine, guanine, cytosine
of thymine.
RNA is gelijkaardig opgebouwd maar bevat een ribose-groep in plaats van
desoxyribose, en uracil in plaats van thymine.
Er bindt baseparing plaats tussen G en C, en T en A (of U en A).
Tussen T en A zitten 2 waterstofbruggen
Tussen G en C zitten 3 waterstofbruggen → houdt DNA helix sterker in elkaar
Sub-DNA met veel G-C’s zit sterker in elkaar dan eentje met veel A-T’s.
Men kan de dubbelstreng uit elkaar trekken tot 2 enkele strengen door de temperatuur op te drijven tot de
smelttemperatuur. De smelttemperatuur is afhankelijk van het aantal G-C’s in de helix.
Een DNA-streng heeft een 3’ en 5’ uiteinde. We lezen de DNA-sequentie vanaf de 5’ kant. DNA polymerase
verlengt de DNA streng aan 3’ kant. DNA polymerase zet afzonderlijke nucleotiden aan elkaar tot DNA molecule.
WATSON EN KIRCK MODEL (EN ROSALIN FRANKLIN )
In 1950 kregen ze een nobelprijs voor dit model.
Zij beschreven voor het eerst dat DNA-info twee maal aanwezig is, en dat daardoor DNA replicatie kan
plaatsvinden. Bij DNA replicatie wordt de dubbelstreng uit elkaar getrokken, en wordt er een nieuwe streng
gesynthetiseerd op de oude. De twee dochterstrengen zijn identiek aan de moederstreng.
DNA REPLICATIE
DNA helicase trekt de DNA streng uit elkaar
DNA polymerase maakt de DNA streng langer door telkens de
passende base in te voegen n 3’ –> 5’ richting
- Langs 3’-kant van DNA kan DNA polymerase gewoon
basen blijven aanzetten in 3’ –> 5’ richting
- Langs 5’-kant begint DNA polymerase steeds opnieuw en
vormt allemaal aparte Okazaki fragmenten
Versch. DNA polymerasen: α, β, γ (gamma), δ (delta), ε (epsilon)
- δ en ε zijn belangrijkste polymerasen: doen meeste werk
TERT (telomerase enzyme) synthetiseert DNA aan einde van lineaire chromosomen
DNA ligase zet de Okazaki fragmenten aan elkaar
,DNA TRANSCRIPTIE
= het proces waarbij DNA wordt omgezet in RNA (mRNA)
DNA streng wordt gebruikt om een kopie van te maken in RNA adhv RNA polymerasen. Dit systeem wordt ook
gebruikt voor genregulatie: verschillende cellen/weefsels met verschillende functies: andere cellen brengen
andere genen tot expressie (bv. spiercellen vs. endotheelcellen)
TRANSLATIE
= het proces waarbij RNA wordt omgezet in eiwitten
Zie verder in zelfstudies!
STRUCTUUR EN FUNCTIES VAN CHROMOSOMEN
CHROMOSOMEN
Bij de mens zijn er 22 chromosomenparen aanwezig, met 21 de kleinste, en 1 de grootste chromosoom.
Onder de microscoop kunnen we chromosomen en chromosoomafwijkingen bekijken: cytogenetica
- Trisomie 21: een extra chromosoom 21
- Geeft het syndroom van Down
- Oorzaak: als de aanhechting van de spoeldraden aan de centromeren niet goed gebeurd en de
chromosomen niet tegoei uit elkaar werden getrokken
COMPACTIE
Een eukaryoot chromosoom kan honderden miljoenen basenparen lang zijn:
- 1 m lang uitgestrekt
- MAAR moet passen in cel van 10-100 µm, in kern van 2-4 µm!
Chromosomen bestaan uit chromatine (hierin zit DNA geassocieerd met histonen)
- Vormt een DNA-proteïne complex (want histonen zijn eiwitten)
- Chromosomen zijn dynamische structuren die alterneren tussen losse en
dichte opvouwing
Om dit probleem op te lossen: opvouwing over 3 niveaus bij euchromatine
1. Opvouwing rond histonen → beads on a string
2. 30 nm fiber: 7x korter
3. Chromatine lussen: variabel → 30 nm vezels worden aangehecht op
nucleaire lamina en vormt variabele lussen. Deze lussen zijn NIET at
random: de hechtingsplaatsen zijn vastgelegd in ons DNA.
Heterochromatine: heel erg compact, nog meer gevouwen dan de 3 niveaus
= genetisch inactief → geen transcriptie → een gen hier kan niet tot expressie komen
CHROMOSOOM FUNCTIE
Er zijn gespecialiseerde sequenties nodig voor de functies van chromosomen:
- Centromeren: hier bindt het kinetochoor bij celdeling
- ORI’s (origin of replication): plaats waar DNA replicatie zal starten
- Telomeren
,Telomeren = gespecialiseerde structuren aan einde chromosomen. Nodig voor behoud van integriteit van
chromosoom, want ze vermijden verlies van genetisch materiaal. Ze bestaan uit 6 nucleotide repeats (GGGTTA)
waardoor ze een lusje hebben op het einde van hun sequentie. Deze lus is waarschijnlijk als bescherming tegen
de cellulaire exonucleases die dubbel-strengige breuken herstellen.
TELOMERASE
= enzym bestaande uit eiwitten en een stukje RNA, complementair aan de herhalingssequentie van de telomeren
RNA primer hecht op streng → hier start polymerase → dan RNA primer verwijderd. De plaats van de primer kan
nu niet meer gerepliceerd worden en gaat eigenlijk verloren. Een telomeer codeert niet dus dat is geen probleem,
maar hij is wel korter dus moet terug verlengt worden.
- Telomerase verlengt telomeren aan 3’ kant van DNA
- = een reverse transcriptase want zet RNA streng om in DNA
- Kan niet oneindig doorgaan door genregulatie
Telomerase maakt de telomeren terug langer. Kan men telomerase
gebruiken voor eeuwige jeugd? Neen:
1. Telomeren verkorting is belangrijke bescherming tegen kanker
a. In tumorweefsel komt erg veel telomerase tot uiting → overmatige celgroei
2. Telomerase komt tot uiting bij andere sneldelende weefsels
a. Hierbij wordt telomerase soms wel, of soms niet geactiveerd
Het gekloneerde schaap Dolly had verkorte telomeren doordat het gekloond was van een ouder schaap.
Hierdoor kreeg het veel sneller ouderdomskwaaltjes
RECHTS: southern blot: DNA-moleculen scheiden volgens lengte (bp)
- Zwarte vlek = lengte telomeren, bovenaan = aantal celdelingen van de cel
- → telomeren worden steeds korter naarmate men meer deelt
TELOMEREN EN CELLULAIRE VEROUDERING
Lichaamscellen hebben vooraf bepaalde levensduur en delen een beperkt aantal keer.
- Cellen die niet meer delen = senescent
- Progressieve verkorting van telomeren met celdeling
- Relatie tussen deze twee is niet goed begrepen
Telomerase is aanwezig in kiemlijncellen en in snel delende somatische cellen
- De functie van telomerase vermindert met de leeftijd
- Inductie van telomerase kan cellijn immortaliseren → gebeurt in 90% van de menselijke kankers
, VERSCHILLEN IN DNA COPY NUMBER
Ploïdie is het aantal kopies van de basis chromosomenset, dit verandert tijdens de celcyclus
- Meeste cellen bij mens: diploïd (2C) maar spermacellen en eicellen zijn haploïd (1C)
- Sommige cellen zijn nulliploïd (0C): rode bloedcellen, bloedplaatjes…
- Sommige cellen zijn polyploïd: 2 mechanismen:
o Replicatie zonder celdeling of celfusie
DNA EN CHROMOSOMEN IN CELDELING EN CELCYCLUS
G1 (gap 1) is het belangrijkste, want hierin doen de cellen gewoon hun werk. Als de cellen gaan delen gaan
ze over naar de S fase. Bij deze overgangen zijn er wel controles voor foutjes in het DNA.
In S fase (synthese) wordt DNA gerepliceerd. Als de cel overgaat naar G2 is er eerst opnieuw een controle.
- In de S-fase wordt DNA eerst gerepliceerd: van 2C naar 4C
- De dubbele helixen worden hier samen gehouden door cohesines
- Hierna worden de meeste cohesines verwijderd, behalve thv centromeer
- Men heeft nu 2 zusterchromatiden die worden samengehouden thv de centromeer
In de M-fase (mitose) gebeurt celdeling
- Zusterchromatiden scheiden van elkaar en geven 2 aparte chromosomen
- 4C → 2C
MITOCHONDRIËN
= cytoplasmatische organellen, er zijn tot 1000 mitochondriën per cel aanwezig, dit hangt af van de
energiebehoefte van de cel
In mitochondriën zit mitochondriaal DNA
- Heel kort: 16.000 bp t.o.v. 3 miljard bp in de kern
- In mitochondriën gebeurt oxidatieve fosforylatie: productie ATP
- Hebben eigen DNA en genetische code, maar ook eigen DNA replicatie, transcriptie en translatie
- Ze kunnen hun eigen eiwitten aanmaken:
o 2 rRNA’s, 22 tRNA’s, 13 eiwitten
o Geen intronen en geen recombinantie
- Er zijn dan ook mitochondriële mutaties
HOOFDSTUK 1: DNA, CHROMOSOMEN EN CELLEN
STRUCTUUR EN FUNCTIE VAN NUCLEÏNEZUREN
Een DNA-streng bestaat uit nucleotiden. Iedere nucleotide bestaat uit 3 delen: een
desoxyribose-groep, 1-3 fosfaatgroepen en één nucleobase: adenine, guanine, cytosine
of thymine.
RNA is gelijkaardig opgebouwd maar bevat een ribose-groep in plaats van
desoxyribose, en uracil in plaats van thymine.
Er bindt baseparing plaats tussen G en C, en T en A (of U en A).
Tussen T en A zitten 2 waterstofbruggen
Tussen G en C zitten 3 waterstofbruggen → houdt DNA helix sterker in elkaar
Sub-DNA met veel G-C’s zit sterker in elkaar dan eentje met veel A-T’s.
Men kan de dubbelstreng uit elkaar trekken tot 2 enkele strengen door de temperatuur op te drijven tot de
smelttemperatuur. De smelttemperatuur is afhankelijk van het aantal G-C’s in de helix.
Een DNA-streng heeft een 3’ en 5’ uiteinde. We lezen de DNA-sequentie vanaf de 5’ kant. DNA polymerase
verlengt de DNA streng aan 3’ kant. DNA polymerase zet afzonderlijke nucleotiden aan elkaar tot DNA molecule.
WATSON EN KIRCK MODEL (EN ROSALIN FRANKLIN )
In 1950 kregen ze een nobelprijs voor dit model.
Zij beschreven voor het eerst dat DNA-info twee maal aanwezig is, en dat daardoor DNA replicatie kan
plaatsvinden. Bij DNA replicatie wordt de dubbelstreng uit elkaar getrokken, en wordt er een nieuwe streng
gesynthetiseerd op de oude. De twee dochterstrengen zijn identiek aan de moederstreng.
DNA REPLICATIE
DNA helicase trekt de DNA streng uit elkaar
DNA polymerase maakt de DNA streng langer door telkens de
passende base in te voegen n 3’ –> 5’ richting
- Langs 3’-kant van DNA kan DNA polymerase gewoon
basen blijven aanzetten in 3’ –> 5’ richting
- Langs 5’-kant begint DNA polymerase steeds opnieuw en
vormt allemaal aparte Okazaki fragmenten
Versch. DNA polymerasen: α, β, γ (gamma), δ (delta), ε (epsilon)
- δ en ε zijn belangrijkste polymerasen: doen meeste werk
TERT (telomerase enzyme) synthetiseert DNA aan einde van lineaire chromosomen
DNA ligase zet de Okazaki fragmenten aan elkaar
,DNA TRANSCRIPTIE
= het proces waarbij DNA wordt omgezet in RNA (mRNA)
DNA streng wordt gebruikt om een kopie van te maken in RNA adhv RNA polymerasen. Dit systeem wordt ook
gebruikt voor genregulatie: verschillende cellen/weefsels met verschillende functies: andere cellen brengen
andere genen tot expressie (bv. spiercellen vs. endotheelcellen)
TRANSLATIE
= het proces waarbij RNA wordt omgezet in eiwitten
Zie verder in zelfstudies!
STRUCTUUR EN FUNCTIES VAN CHROMOSOMEN
CHROMOSOMEN
Bij de mens zijn er 22 chromosomenparen aanwezig, met 21 de kleinste, en 1 de grootste chromosoom.
Onder de microscoop kunnen we chromosomen en chromosoomafwijkingen bekijken: cytogenetica
- Trisomie 21: een extra chromosoom 21
- Geeft het syndroom van Down
- Oorzaak: als de aanhechting van de spoeldraden aan de centromeren niet goed gebeurd en de
chromosomen niet tegoei uit elkaar werden getrokken
COMPACTIE
Een eukaryoot chromosoom kan honderden miljoenen basenparen lang zijn:
- 1 m lang uitgestrekt
- MAAR moet passen in cel van 10-100 µm, in kern van 2-4 µm!
Chromosomen bestaan uit chromatine (hierin zit DNA geassocieerd met histonen)
- Vormt een DNA-proteïne complex (want histonen zijn eiwitten)
- Chromosomen zijn dynamische structuren die alterneren tussen losse en
dichte opvouwing
Om dit probleem op te lossen: opvouwing over 3 niveaus bij euchromatine
1. Opvouwing rond histonen → beads on a string
2. 30 nm fiber: 7x korter
3. Chromatine lussen: variabel → 30 nm vezels worden aangehecht op
nucleaire lamina en vormt variabele lussen. Deze lussen zijn NIET at
random: de hechtingsplaatsen zijn vastgelegd in ons DNA.
Heterochromatine: heel erg compact, nog meer gevouwen dan de 3 niveaus
= genetisch inactief → geen transcriptie → een gen hier kan niet tot expressie komen
CHROMOSOOM FUNCTIE
Er zijn gespecialiseerde sequenties nodig voor de functies van chromosomen:
- Centromeren: hier bindt het kinetochoor bij celdeling
- ORI’s (origin of replication): plaats waar DNA replicatie zal starten
- Telomeren
,Telomeren = gespecialiseerde structuren aan einde chromosomen. Nodig voor behoud van integriteit van
chromosoom, want ze vermijden verlies van genetisch materiaal. Ze bestaan uit 6 nucleotide repeats (GGGTTA)
waardoor ze een lusje hebben op het einde van hun sequentie. Deze lus is waarschijnlijk als bescherming tegen
de cellulaire exonucleases die dubbel-strengige breuken herstellen.
TELOMERASE
= enzym bestaande uit eiwitten en een stukje RNA, complementair aan de herhalingssequentie van de telomeren
RNA primer hecht op streng → hier start polymerase → dan RNA primer verwijderd. De plaats van de primer kan
nu niet meer gerepliceerd worden en gaat eigenlijk verloren. Een telomeer codeert niet dus dat is geen probleem,
maar hij is wel korter dus moet terug verlengt worden.
- Telomerase verlengt telomeren aan 3’ kant van DNA
- = een reverse transcriptase want zet RNA streng om in DNA
- Kan niet oneindig doorgaan door genregulatie
Telomerase maakt de telomeren terug langer. Kan men telomerase
gebruiken voor eeuwige jeugd? Neen:
1. Telomeren verkorting is belangrijke bescherming tegen kanker
a. In tumorweefsel komt erg veel telomerase tot uiting → overmatige celgroei
2. Telomerase komt tot uiting bij andere sneldelende weefsels
a. Hierbij wordt telomerase soms wel, of soms niet geactiveerd
Het gekloneerde schaap Dolly had verkorte telomeren doordat het gekloond was van een ouder schaap.
Hierdoor kreeg het veel sneller ouderdomskwaaltjes
RECHTS: southern blot: DNA-moleculen scheiden volgens lengte (bp)
- Zwarte vlek = lengte telomeren, bovenaan = aantal celdelingen van de cel
- → telomeren worden steeds korter naarmate men meer deelt
TELOMEREN EN CELLULAIRE VEROUDERING
Lichaamscellen hebben vooraf bepaalde levensduur en delen een beperkt aantal keer.
- Cellen die niet meer delen = senescent
- Progressieve verkorting van telomeren met celdeling
- Relatie tussen deze twee is niet goed begrepen
Telomerase is aanwezig in kiemlijncellen en in snel delende somatische cellen
- De functie van telomerase vermindert met de leeftijd
- Inductie van telomerase kan cellijn immortaliseren → gebeurt in 90% van de menselijke kankers
, VERSCHILLEN IN DNA COPY NUMBER
Ploïdie is het aantal kopies van de basis chromosomenset, dit verandert tijdens de celcyclus
- Meeste cellen bij mens: diploïd (2C) maar spermacellen en eicellen zijn haploïd (1C)
- Sommige cellen zijn nulliploïd (0C): rode bloedcellen, bloedplaatjes…
- Sommige cellen zijn polyploïd: 2 mechanismen:
o Replicatie zonder celdeling of celfusie
DNA EN CHROMOSOMEN IN CELDELING EN CELCYCLUS
G1 (gap 1) is het belangrijkste, want hierin doen de cellen gewoon hun werk. Als de cellen gaan delen gaan
ze over naar de S fase. Bij deze overgangen zijn er wel controles voor foutjes in het DNA.
In S fase (synthese) wordt DNA gerepliceerd. Als de cel overgaat naar G2 is er eerst opnieuw een controle.
- In de S-fase wordt DNA eerst gerepliceerd: van 2C naar 4C
- De dubbele helixen worden hier samen gehouden door cohesines
- Hierna worden de meeste cohesines verwijderd, behalve thv centromeer
- Men heeft nu 2 zusterchromatiden die worden samengehouden thv de centromeer
In de M-fase (mitose) gebeurt celdeling
- Zusterchromatiden scheiden van elkaar en geven 2 aparte chromosomen
- 4C → 2C
MITOCHONDRIËN
= cytoplasmatische organellen, er zijn tot 1000 mitochondriën per cel aanwezig, dit hangt af van de
energiebehoefte van de cel
In mitochondriën zit mitochondriaal DNA
- Heel kort: 16.000 bp t.o.v. 3 miljard bp in de kern
- In mitochondriën gebeurt oxidatieve fosforylatie: productie ATP
- Hebben eigen DNA en genetische code, maar ook eigen DNA replicatie, transcriptie en translatie
- Ze kunnen hun eigen eiwitten aanmaken:
o 2 rRNA’s, 22 tRNA’s, 13 eiwitten
o Geen intronen en geen recombinantie
- Er zijn dan ook mitochondriële mutaties
