Erfelijk materiaal - Biologie - Theorie - Toelatingsexamens arts en tandarts

Erfelijk materiaal

Erfelijk materiaal

Voorwoord

Deze theoriehoofdstukken werden in eerste instantie samengesteld om in de theorie te voorzien die vereist is voor het afleggen van de toelatingsexamens arts en tandarts, maar heeft mettertijd een bredere bestemming gekregen, waardoor meer theorie voorzien is dan gekend moet zijn voor het toelatingsexamen. Toch is de theorie relatief beknopt gehouden: ze is vooral bedoeld voor wie het allemaal al eens gezien heeft en wil herhalen en daardoor zijn basis verstevigen. Ik denk dat ze daardoor nuttig kan zijn bij de voorbereiding van die toelatingsexamens, voor olympiades of voor een herhaling van leerstof voor het aanvangen van hogere studies. Maar als je besluit dit document te gebruiken voor welke test dan ook, check dan zelf welke leerstof gekend moet zijn op de officiële sites.
De auteur van dit document kan in geen enkel geval aansprakelijk gesteld worden voor eventuele gevolgen van of schade die kan ontstaan uit het gebruik van dit document.

Chromatine

In het plasma van de celkern zit een kluwen van draden dat we chromatine noemen. Dit bestaat hoofdzakelijk uit DNA-moleculen en in mindere mate uit RNA-moleculen.
Daarnaast komen in het chromatine ook aan DNA-gebonden eiwitten voor.

Nucleïnezuren

DNA is de afkorting voor deoxyribose nucleic acid.
RNA is de afkorting voor ribose nucleic acid.
Zij bevatten de erfelijke informatie. Ze zijn opgebouwd uit nucleotiden.
Elke nucleotide is opgebouwd uit:
Een suiker
Een stikstofhoudende base
Een fosfaatgroep

De suiker in nucleotiden

Bij DNA is de suiker desoxyribose (engels: deoxyribose).
Bij RNA is de suiker ribose.
ribose
desoxyribose

Stikstofhoudende basen

De nucleotiden worden aangeduid met een lettercode, die bepaald wordt door de basen (“stikstofhoudende basen”).
In DNA zijn er 4 basen: A (adenine), T (thymine), G (guanine) en C (cytosine).
In RNA vervangt de base U (uracil) de base T (thymine). Dus in RNA zijn de 4 basen A, U, G en C.
Adenine en guanine zijn purines (twee ringen).
Cytosine, thymine en uracil zijn pyrimidines (één ring).

Aaneenschakeling van nucleotiden

De nucleotiden vormen een lange keten, waarin de informatie opgeslagen is door de volgorde van basen, vb. C-C-G-A-C-T-C…
DNA komt meestal dubbelstrengig voor. Daarbij zullen de volgende paren gevormd worden:
C in de ene DNA-streng koppelt met G in de andere streng.
A in de ene DNA-streng koppelt met T in de andere streng.
De verbindingen zijn waterstofbruggen.
De twee strengen zijn dus complementair aan mekaar.

Aaneenschakeling van nucleotiden

Van onder naar boven gezien verloopt de ene streng in de richting 3' naar 5', de andere in de richting 5' naar 3'.
Deze nummering is gebaseerd op de nummering van de koolstofatomen in de desoxyribose.

Dubbele helix

De twee strengen zijn gewonden als een rechtsdraaiende wenteltrap (dubbele helix).
Opmerking: RNA is meestal enkelstrengig.

Leven is DNA

Alle levende organismen hebben DNA als erfelijk materiaal. De enige uitzonderingen zijn RNA-virussen, maar virussen worden meestal niet als levende organismen beschouwd.
De lengte van het DNA in één cel bij de mens is ongeveer 2 meter lang en bevat ongeveer 3 miljard nucleotidenparen.
Opmerking: het menselijk lichaam bestaat uit ongeveer 4.1013 cellen. Als we dus al het DNA van één mens zouden uitrekken en achter elkaar leggen, komen we tot een ontstellende lengte: 8.1013 = 80000.109 m = 80000 miljoen kilometer! (ter vergelijking: de afstand Aarde-Zon is ongeveer 150 miljoen kilometer).

Replicatie van DNA

DNA zal de erfelijke informatie niet enkel opslaan, maar ook getrouw kopiëren om aan de dochtercellen door te geven.
DNA-replicatie : verdubbeling van de DNA-keten.
Eerst gaat de keten open: de waterstofbruggen worden verbroken.
Dan hecht er zich een RNA-primer (een stukje complementaire nucleotiden) op de keten.
Dan hecht DNA-polymerase zich op de primer en begint vanaf dat punt een keten van complementaire nucleotiden te bouwen.
DNA-ligase hecht de nieuwe keten aan de oude.
Opmerking: de replicatie gebeurt altijd van 3’ naar 5’.
Hierdoor kan op één streng (3’ -> 5’) de replicatie doorlopend gebeuren, op de andere streng (5’ -> 3’) gebeurt de replicatie in stukken die aaneen gezet worden (“Okazaki-fragmenten”).

Handleiding voor de aanmaak van eiwitten

De opeenvolging van basen in het DNA is een handleiding voor de productie van eiwitten: de volgorde van de basen bepaalt de volgorde van aminozuren in de eiwitten (zie later).

Mutaties

Bij eenzelfde soort is ongeveer 99,9% gelijk bij alle leden ervan.
Veranderingen kunnen ontstaan door mutaties door:
UV-stralen of radioactieve straling
Chemische stoffen
Toevallige foutjes bij replicatie van DNA
Mutaties zijn vaak vernietigend en dodelijk voor het organisme.
Bij langlevende organismen leidt het vaak tot kanker.

Bouw van het chromatine

Als de cel zich niet op een celdeling aan het voorbereiden is, zit het DNA in de vorm van chromatine in de kern.
Dit zijn vezels waarin het DNA gebonden zit op eiwitcomplexen (nucleosomen, bestaande uit histoneiwitten) als in een parelsnoer.

Chromosomen

Als de cel begint te delen, verdicht het chromatine zich tot chromosomen.
Elk chromosoom bestaat dan uit twee identieke chromatiden (er is dus een verdubbeling, maar enkel tijdens de celdeling) en elk bevat één lange DNA-molecule.
De eiwitten vormen het skelet, waarrond het DNA gekronkeld zit.
De twee DNA-moleculen in een chromosoom zijn identiek.
Een chromosoom is ongeveer 5 mm lang.

Chromosomen bij de mens

Chromosomen komen bij diploïde dieren zoals de mens in lichaamscellen altijd in paren voor, in elk paar zijn er twee homologe chromosomen.
De homologe chromosomen bevatten informatie voor dezelfde kenmerken, maar de DNA moleculen zijn niet identiek.
Bij de mens zijn er 23 paar chromosomen = dus 46 chromosomen.

Geslachtschromosomen

Bij de mens is paar 23 niet homoloog: vrouwen hebben twee X chromosomen, mannen een X en een Y chromosoom, dit noemen we de geslachtschromosomen.
De andere chromosomen noemen we autosomen.
Opmerking: niet bij alle diersoorten komt dit XY/XX schema voor

Bevruchting

Opmerking: geslachtscellen (spermatozoïden en eicellen) zijn haploïd (n) : ze hebben maar één stel chromosomen, vb. bij de mens 23.
Bij de bevruchting zullen de chromosomen van beide geslachtscellen een nieuwe diploïde cel opleveren, met de chromosomen van beide.
De vader bepaalt het geslacht van het kind, want die geeft X of Y.
Spermacel: 23 chromosomen (n), X of Y
Eicel: 23 chromosomen (n), X
46 chromosomen
Zygote
Bevruchting

Chromosomenkaart

Voorbeeld bij de mens (een man):
Merk op dat de chromatiden hier niet verdubbeld zijn, in een karyogram neemt men normaal wel de metafase-chromosomen (dus verdubbelde chromatiden).

Eiwitsynthese

Als in een cel een bepaald eiwit moet worden aangemaakt (vb. spijsverteringsenzymen in de darmcel), gaan bepaalde chemische prikkels die van buiten de cel komen het stukje DNA dat de informatie bevat voor dat eiwit (een gen) activeren.
Het eerste dat gebeurt is de transcriptie van het DNA: het overschrijven van DNA in mRNA.
Daarna volgt de translatie: vertalen van mRNA in een eiwit.

Transcriptie van het DNA

Dit gebeurt in de celkern. Er wordt dan door RNA-polymerase een afdruk van het DNA in RNA gemaakt. Dit RNA wordt mRNA genoemd (messenger RNA of boodschapper-RNA).
Slechts één streng wordt overgeschreven (de “antisense-strand”), in de richting 3’ naar 5’).

Transcriptie van het DNA

Het mRNA verlaat de kern door de poriën in de kernmembraan.

Translatie

In het cytoplasma komen vrije ribosomen voor.
Dit zijn celorganellen die bestaan uit twee delen, een groot en een klein.
Het wordt voorgesteld als:
Bij aanwezigheid van mRNA gaan de twee delen zich verenigen, zich aan het mRNA hechten en actief worden.
Een ribosoom bestaat trouwens ook voor een groot gedeelte uit RNA (rRNA of ribosomaal RNA).
ribosoom
translatierichting

Translatie

Nu zijn er in het cytoplasma tRNA ketens (transport RNA) aanwezig, dit zijn klaverbladvormige RNA structuren, met aan één kant een triplet van drie basen (het zogenaamde anticodon) en aan de andere kant één aminozuur.
Bij hetzelfde anticodon hoort steeds hetzelfde aminozuur.
Een tRNA:
Aminozuur
Vb. GCA

Translatie

Er is een tRNA voor elk mogelijk triplet.
Dus zijn er 64 tRNAs voor 20 verschillende aminozuren.
Er zijn dus aminozuren die door meerdere tRNA’s aangebracht worden.

Translatie

De ribosomen beginnen het mRNA te vertalen: per codon (3 opeenvolgende basen – bvb. GGC) wordt een tRNA molecule aangetrokken met het complementaire anticodon.
De door het tRNA meegebrachte aminozuren worden aaneengeregen (met peptidebindingen) en het eiwit groeit.
Dit vertalen van de mRNA keten naar een eiwit noemen we de translatie.
Meerdere ribosomen kunnen samenwerken om samen het mRNA te vertalen.

De Universele Genetische Code

Met elk triplet op het mRNA (het codon) komt dus precies 1 aminozuur overeen.
Hoe deze vertaling gebeurt is vastgelegd in de Universele Genetische Code, die voor alle levende organismen geldt.
Het gaat hier over het codon, dus over de basenvolgorde op het mRNA!

Opmerkingen

We zien dat er een aantal STOP codons zijn, waar de translatie beëindigd wordt.
Het eiwit begint bij translatie dus altijd met methionine (Met), maar dit wordt er achteraf weer afgesplitst.

Andere voorstelling

Een andere voorstelling van de genetische code:
https://nl.wikipedia.org/wiki/Genetische_code

Voorbeeld

Vertaal de volgende mRNA keten in het overeenkomstige eiwit:
A U G U G G G A U C A U G U U A C U U G A
Oplossing: 
( Met ) – Trp – Asp - His – Val – Thr - STOP

Naverwerking van het eiwit

Het gevormd eiwit wordt dan naar het endoplasmatisch reticulum getransporteerd, verder afgewerkt (o.a. gevouwen) en indien nodig getransporteerd naar het Golgi-apparaat voor verzending.

Genen

Een gen is een stukje DNA dat codeert voor de vorming van een specifiek eiwit.
Zo leiden genen via de vorming van eiwitten tot bepaalde kenmerken van een organisme, bijvoorbeeld de oogkleur. Meestal zijn het wel meerdere eiwitten die één kenmerk bepalen.
Deze genen nemen slechts 2% van het menselijk DNA in (exons), de rest (zogenaamde introns) heeft een ongekende functie, een groot gedeelte ervan bestaat uit zich lange, zich herhalende DNA-sequenties.

Splicing

Wanneer het mRNA door transcriptie is aangemaakt, gebeurt er nog een stap waarbij de introns verwijderd worden. Dit noemt men splicing.
Hierbij kunnen ook exons geskipt worden, zodat uit één gen verschillende eiwitten kunnen aangemaakt worden.

Poly-A staart

Aan het 3’ uiteinde van het gevormde mRNA wordt ook nog een poly-A staart toegevoegd, een opeenvolging van A-nucleotiden.

Operon

Een operon bestaat uit verschillende structuurgenen die coderen voor eiwitten met verwante functies (bvb. enzymen in één reactieketen), met een operator en een promotor.
De promotor is de bindplaats voor het RNA-polymerase, de operator is een bindplaats voor een eventuele repressor. (zie verder).
Promotor
Operator
Structuurgenen
Promotor
Operator
Structuurgenen
RNA-polymerase
Repressor
Als de repressor aanwezig is, kan het RNA-polymerase het DNA niet overschrijven.

Genregulatie door inductie

Naar voor gebracht door Jacob en Monod
Bijvoorbeeld: de bacterie Escherichia coli produceert alleen maar enzymen voor afbraak van lactose als er effectief lactose aanwezig is
In de “normale” toestand, als er geen lactose aanwezig is, worden de enzymen niet aangemaakt. Er is een repressor actief, die de overschrijving van het gen onderdrukt door op een operator te gaan zitten. Deze blokkeert de transcriptie van de genen, aangezien het RNA-polymerase, dat aan de promotor bindt, niet verder kan.
Regulatorgen
Promotor
Operator
Structuurgenen
Lac-repressor
Het Lac-operon is promotor-operator en structuurgenen
lac I is daar geen onderdeel van

Genregulatie door inductie

Lactose is de inductor, het hecht zich aan de repressor, die daardoor inactief wordt, waardoor de genen voor de afbraakenzymen van lactose overgeschreven worden
Lac-repressor
lactose
Opmerking: het is in feite allolactose, dat samen met lactose voorkomt, dat als inductor gaat optreden.

Genregulatie door repressie

Ook naar voor gebracht door Jacob en Monod
Bijvoorbeeld, de bacterie Escherichia coli zal het aminozuur histidine in “normale” omstandigheden zelf opbouwen = het gen staat onder positieve controle
Als er echter rijkelijk histidine aanwezig is in de omgeving, zal histidine (het eindproduct van de reactieketen) binden aan een repressor, die de transcriptie dan kan onderdrukken
Histidine is dan de corepressor
Dit regelmechanisme noemen we repressie

Genregulatie door repressie

Inactieve
repressor
histidine
Actieve
repressor

Genregulatie bij eukaryote cellen

Bij eukaryote cellen vinden we geen operons zoals bij de prokaryoten, maar wel gelijksoortige, maar complexere mechanismen.
Bij eukaryote cellen zijn de genen inactief totdat ze aangeschakeld worden
Onder invloed van hormonen zal een integrator(gen) een activator aanmaken, die de operator (receptor) activeert
Deze manier van genregulatie noemen we het basismodel van Britten en Davidson.

Celcylus

De celcyclus bestaat uit:
Celdeling: mitose
Fase ertussen: interfase
G1-fase: meer groei van de cel
S-fase: DNA-replicatie, zodat we weer volledige chromosomen krijgen
G2-fase: In deze fase worden stoffen gemaakt die belangrijk zijn voor de celdeling en eventuele DNA-replicatiefouten hersteld of, bij te grote fouten, wordt celdood geïnitieerd.
Opmerking: als de omstandigheden van een cel niet goed zijn, bijvoorbeeld bij DNA-schade, of als de cel niet voldoende organellen heeft, kan de cel overgaan in een speciale fase: de G0-fase.
Hoelang de cel in de G0-fase blijft, kan variëren van dagen tot zelfs jaren. Tijdens de G0-fase kan eventuele DNA-schade worden hersteld.

Opmerking

De mitose is een deling van een cel die twee dochtercellen oplevert, die een perfecte kopie van de moedercel zijn.
Het vormen van twee aparte cellen na de telofase, dus de deling van het cytoplasma, noemt men cytokinese.

Kanker

Tumors zijn goed- of kwaadaardige celwoekeringen(kankers), waarvan de cellen vaak een abnormale delingsactiviteit vertonen. Bij kanker is er sprake van beschadigd DNA, door bepaalde straling, kankerverwekkende stoffen of toevallige kopieerfouten bij celdeling.
Tumors worden in eerste instantie verwijderd met een chirurgische ingreep. Tumors worden doorgaans behandeld met radiotherapie, dit is radioactieve straling, waardoor ze vernietigd worden. Het gevaar is wel dat ook gezond weefsel beschadigd wordt.
Tumors worden ook behandeld met chemotherapie, dit zijn cytostatica die de aanmaak van nieuw DNA remmen of binden op het DNA van delende cellen. Maar ook andere delende cellen worden hierdoor getroffen. Zo zullen bij chemotherapie de delende cellen in het beenmerg (aanmaak bloedcellen), in de haarwortelcellen (haar valt uit) en de geslachtscellen ook getroffen worden.

Stamcellen

Stamcellen zijn ongedifferentieerde cellen, die nog geen specifieke functie uitvoeren en tot verschillende types van cellen kunnen uitgroeien. Voorbeelden zijn beenmergcellen, die tot verschillende types bloedcellen kunnen uitgroeien.
Stamcellen zouden kunnen gebruikt worden om beschadigde, zieke of slecht functionerende weefsels te vervangen, bijvoorbeeld bij aandoeningen als diabetes, ziekte van Parkinson, ruggenmergverlamming enzovoort.
De meest krachtige stamcellen zijn embryonale stamcellen, dit zijn stamcellen die we uit de vroege fasen van een embryo verwijderen. Deze cellen kunnen in principe nog tot elk van de minstens 220 celtypes in ons lichaam aanleiding geven.
De embryonale stamcellen worden bij de mens gehaald uit menselijke embryo’s bij IVF (reageerbuisbevruchting).

Meiose

Bij de geslachtelijke voortplanting:
worden geslachtscellen gevormd.
de vorming van geslachtscellen gebeurt door de meiose.
de meiose is een reducerende celdeling: omdat 2n + 2n → 4n zou geven, moeten de door meiose gevormd geslachtscellen n (haploïd) zijn.

Meiose

De meiose verloopt in twee cycli: meiose I en meiose II.

Crossing-over

Er ontstaan dus 4 haploïde cellen, elk verschillend door crossing-over.
Crossing-over is uitwisseling van materiaal tussen homologe chromosomen, waardoor nieuwe combinaties van erfelijk materiaal ontstaan in de chromatiden.

Epigenetica

Epi = “op” of “boven”.
Epigenetische code = de verzameling van mechanismen waardoor een stuk DNA tot expressie komt.
Ook histoneiwitten spelen hierbij een rol. De vorm van het chromatine kan zodanig veranderen dat genen als het ware afgeschermd worden.
Een voorbeeld van een epigenetisch mechanisme is methylering.
Veranderde omgevingsinvloeden wijzigen normaal gesproken de DNA structuur niet (behalve bij beschadiging), maar kan wel de epigenetica wijzigen, waardoor genen anders tot expressie komen.

Methylering

Er blijken enzymen te zijn die genen deactiveren door een methylgroep aan een cytosine te hechten, die dan weer door andere enzymen verwijderd kan worden.
Methylering of prenting is een mechanisme dat vooral gebruikt wordt tijdens de ontwikkelingsfase van een embryo, waar expressie van genen zeer nauwkeurig moet gefaseerd worden.
Methylering wordt doorgegeven bij DNA-replicatie.