Aantekeningen Moleculaire Biologie PDF

Hoofdstuk 5 ----------- ### H.5.5 Genen bestaan uit DNA, dat behoort tot de klasse van verbindingen die nucleïnezuren worden genoemd. **Nucleïnezuren** zijn polymeren die zijn gemaakt van monomeren die nucleotiden worden genoemd. De twee typen nucleïnezuren, **desoxyribonucleïnezuur** (DNA) en **...

Hoofdstuk 5 ----------- ### H.5.5 Genen bestaan uit DNA, dat behoort tot de klasse van verbindingen die nucleïnezuren worden genoemd. **Nucleïnezuren** zijn polymeren die zijn gemaakt van monomeren die nucleotiden worden genoemd. De twee typen nucleïnezuren, **desoxyribonucleïnezuur** (DNA) en **ribonucleïnezuur** (RNA), stellen levende organismen in staat hun complexe componenten van de ene generatie op de andere te reproduceren. DNA geeft richtingen voor zijn eigen replicatie. DNA stuurt ook RNA-synthese aan en, via RNA, reguleert het de eiwitsynthese; dit proces heet **genexpressie.** DNA is het genetisch materiaal dat organismen van hun ouders erven. Elk chromosoom bevat één lang DNA-molecuul dat meestal honderden genen bevat. De informatie die alle activiteiten van de cel programmeert, is gecodeerd in de structuur van het DNA. Het DNA is echter niet direct betrokken bij het uitvoeren van de handelingen van de cel, om genetische programma\'s uit te voeren zijn eiwitten nodig. RNA speelt een cruciale rol in genexpressie, het proces waarbij genetische informatie van DNA wordt omgezet in eiwitten. Een gen in het DNA kan de aanmaak van messenger RNA (mRNA) sturen, dat de genetische instructie van de celkern naar het cytoplasma transporteert. In het cytoplasma interageert het mRNA met ribosomen, waar de eiwitsynthese plaatsvindt. Hier wordt de genetische code van het mRNA vertaald in een polypeptide, dat uiteindelijk een functioneel eiwit vormt. Dit proces van DNA-\> RNA -\> eiwit is essentieel voor de werking van zowel eukaryote als prokaryote. *De componenten van nucleïnezuren* Nucleïnezuren zijn macromoleculen die bestaan uit polynucleotiden. Elk polynucleotide bestaat uit monomeren genaamd **nucleotiden**. Een nucleotide bestaat over het algemeen uit drie delen: 1. 2. 3. Het beginmonomeer dat wordt gebruikt om een polynucleotide te bouwen, heeft 3 fosfaatgroepen, maar er gaan 2 verloren tijdens het polymerisatieproces. Het deel van een nucleotide zonder fosfaatgroepen wordt een nucleoside genoemd. (ZIE REST ANDERE SAMENVATTING) Hoofdstuk 16 ------------ ### H.16.1 *Bewijs dat DNA bacteriën kan transformeren* Frederick Griffith was een Britse arts die een vaccin tegen longontsteking probeerde te ontwikkelen. Hij bestudeerde *Streptococcus pneumoniae*, een bacterie die longontsteking veroorzaakt bij zoogdieren. Griffith had twee stammen van de bacterie, één pathogeen (ziekteverwekkend) en één niet-pathogeen (onschadelijk). Nadat hij de resten van een door hitte gedode pathogene stam mixte met levende cellen van een niet-pathogene stam, werden sommige cellen pathogeen. Hij noemde dit **transformatie**, de verandering van het genotype en fenotype als gevolg van het opnemen en integreren van vreemd DNA. Later onderzoek van Oswald Avery, Maclyn McCarty en Colin MacLeod gaf aan dat DNA en niet eiwit, de transformerende stof was. *Bewijs dat viraal DNA cellen kan programmeren* Aanvullend bewijs dat DNA het genetische materiaal was, kwam uit studies van virussen die bacteriën infecteren. Deze virussen worden **bacteriofagen** (of fagen) genoemd. Virussen zijn veel eenvoudiger dan cellen en is niet meer dan DNA (of soms RNA) omgeven door een beschermende mantel, die vaak alleen uit eiwit bestaat. Om meer virussen te produceren, moet een **virus** een cel infecteren en de metabolische machinerie van de cel overnemen. In 1952 voerden Alfred Hershey en Martha Chase experimenten uit die aantoonden dat DNA het genetische materiaal is van een fage die bekendstaat als T2. Het was bekend dat net als veel andere fagen de T2 bijna volledig uit DNA en eiwit bestond. Hershey en Chase onderzochten welk onderdeel van het T2-virus verantwoordelijk was voor het herprogrammeren van een gastheercel om virussen te produceren, was het eiwit of DNA. Om antwoord te krijgen op deze vraag bedachten ze een experiment dat aantoonde dat slechts één van de twee componenten van T2 daadwerkelijk de E.coli-cel binnenkomt tijdens de infectie. Ze infecteerden de E. doli-cellen met de gelabelde virussen en ontdekten dat alleen het DNA de cellen binnendringt en ze herprogrammeren wat aangetoond dat DNA de genetische informatie draagt, niet het eiwit. *Extra bewijs dat DNA het genetische materiaal is* Verder bewijs dat DNA het genetische materiaal is, kwam van biochemicus Erwin Chargaff. DNA is een polymeer van nucleotiden, elk met drie componenten: 1. 2. 3. De base kan adenine (A), thymine (T), guanine (G) of cytosine (C) zijn. Chargaff ontdekte dat de basissamenstelling van DNA van soort tot soort verschilt. Chargaff merkte dat in het DNA van elke soort het aantal adenines ongeveer gelijk aan het aantal thymines, en het aantal guanines ongeveer gelijk aan het aantal cytosines. Deze twee bevindingen noem je Chargaffs regels: 1. 2. *Een structureel model van DNA bouwen* DNA heeft een helixvorm en bestaat uit twee strengen (**dubbele helix**). Watson construeerde een model, waarin de twee suiker-fosfaat ruggengraten **antiparallel** zijn, dus hun subeenheden in tegengestelde richting lopen. Twee type DNA basen: 1. - - 2. - - Basenparen zijn alleen mogelijk als een purine koppelt met een pyrimidine. Het suikermolecuul bevat 5 koolstofatomen, bij het 3´- einde is er een -OH gebonden aan het derde koolstofatoom en bij het 5´- einde is er een fosfaat molecuul gebonden aan het vijfde koolstofatoom van het suikermolecuul. ### H.16.2 Doordat de twee DNA strengen complementair zijn, kan elk streng een template zijn voor een nieuwe streng door middel van replicatie. Tijdens DNA replicatie despiraliseert de ouder molecuul en ontstaan er twee dochter strengen op basis van de basenpaar regels. DNA-replicatie model van Watson en Crick genaamd **semi conservatieve model**, voorspelt dat wanneer een dubbele helix repliceert, elk van de twee dochtermoleculen één oude streng zal hebben en één nieuw gemaakte streng. Er zijn ook nog twee andere replicatie modellen: 1. 2. *DNA-replicatie: een nadere blik* Het kopiëren/repliceren van DNA is opvallend snel en nauwkeurig, waarbij vele enzymen en andere eiwitten de DNA replicatie ondersteunen. De basisstappen van replicatie gaat als volgt bij prokaryoten: 1. 2. 3. De basisstappen van replicatie bij eukaryoten: 1. 2. 3. Aan elk uiteinde van een replicatie bubbel bevindt zich een **replicatievork**, een Y-vormig gebied waar de ouderlijk strengen van DNA worden afgewikkeld. Verschillende soorten eiwitten nemen deel aan het afwikkelen. **Helicasen** zijn enzymen die de dubbele helix bij de replicatievorken afwikkelen, waardoor de twee ouderlijke strengen worden gescheiden en kunnen dienen als template strengen. Vervolgens binden **enkelstrengs bindende eiwitten** zich aan de ongepaarde DNA-strengen, waardoor ze niet opnieuw kunnen paren. **Topoisomerase** is een enzym dat DNA-strengen breekt, draait en weer samenvoegt om de spanning te verlichten die ontstaat bij het afwikkelen van de dubbele helix. Het afwikkelen van de dubbele helix veroorzaakt een strakkere draaiing en spanning voor de replicatievork. *Het synthetiseren van een nieuwe DNA-streng* De afgewikkelde delen van ouder-DNA dienen als sjablonen voor de synthese van nieuwe complementaire DNA-strengen. De enzymen die DNA-synthetiseren, kunnen de synthese van polynucleotide niet initiëren, ze kunnen alleen DNA-nucleotiden toevoegen aan het einde van een reeds bestaande keten die basenpaar vorming vertoont met de template streng. Tijdens de DNA-synthese wordt een **primer** (korte RNA-keten) gesynthetiseerd door het enzym primase. **Primase** start een complementaire RNA-keten met een enkele RNA-nucleotide en voegt RNA-nucleotiden één voor één toe, waarbij de ouderlijk DNA-streng als template wordt gebruikt. Deze primer, meestal 5 tot 10 nucleotiden lang basenpaart met de template streng en vormt het startpunt voor de nieuwe DNA-streng, die begint aan het 3´- einde van de RNA-primer. **DNA-polymerasen** zijn enzymen die de synthese van nieuw DNA katalyseren door nucleotiden toe te voegen aan het 3´- uiteinde van een nieuw aangemaakte keten. In bacteriën zijn er verschillende DNA-polymerase, maar twee daarvan spelen belangrijkste rollen bij DNA-replicatie: 1. 2. De meeste DNA-polymerasen hebben een ouder-sjabloon en de RNA-primer nodig. In bacteriën voegt DNA-polymerase III een DNA-nucleotide toe, die complementair zijn aan de ouderlijk DNA-templatestreng aan het groeiden uiteinde van de nieuwe DNA-streng. De verlenging snelheid is in bacteriën ongeveer 500 nucleotiden per seconde en in menselijke cellen 50 nucleotiden per seconde. ### H.16.3 Verschil chromosomen bacteriële en eukaryoten: Bacterie chromosomen (prokaryoten): Eukaryoot chromosomen: Dubbel-strengs circulair DNA molecuul met kleine hoeveelheid eiwit Dubbelstrengs lineair DNA met grote hoeveelheid eiwit -------------------------------------------------------------------- ------------------------------------------------------- DNA is super gespiraliseerd Complex van DNA en eiwitten= **chromatine** Bevindt zich in een bepaalde plek in een cel: Nucleoide. Bevindt zich voornamelijk in de kern van de cel. In chromosomen van eukaryoten kan ook circulair DNA te vinden zijn in redox-organellen zoals chloroplasten en mitochondriën. Chromatine ondergaat opvallende veranderingen in hoe dicht het is verpakt tijdens de loop van de celcyclus. Chromatine verschijnt gewoonlijk als diffuse massa in de kern met enkele dichtere klonters, waaronder in regio\'s van centromeren en telomeren. Het minder compacte, meer verspreide interfase-chromatine wordt **euchromatine** genoemd. **Heterochromatine** is het meer compacte, dichter ogende chromatine. Omdat heterochromatine zo compact is, is het grotendeels ontoegankelijk voor de eiwitten die verantwoordelijk zijn voor het transcriberen, een cruciale stap in genexpressie. Bij euchromatine zorgt de lossere verpakking ervoor dat transcriptie wel kan plaatsvinden en wel genexpressie is. Eiwitten genaamd **histonen** zijn verantwoordelijk voor het eerste leven van DNA packing in chromatine. Het tweede level van DNA packing gebeurt door **nucleosomen**, bestaat uit DNA die twee keer is gewikkeld om een eiwit lichaam van 8 histonen. Het koord tussen nucleosomen noem je linker-DNA. Het amino-uiteinde van elke histone loopt uit de nucleosoom, deze uitsteeksels zijn histone staarten. Histonen verlaten het DNA kort tijdens de DNA replicatie. Nucleosomen zijn betrokken bij de regulatie van gen expressies. Het volgende level van DNA packing komt door interacties tussen de histon staarten van nucleosomen en het linker-DNA en nucleosomen aan de andere kant. Er ontstaat een chromatin 30nm vezel. De 30 nm vezel vormt lussen genaamd looped domains, hierdoor ontstaat een 300nm fiber. Het chromosoom is een dynamische structuur die wordt gecondenseerd, losgemaakt, gemodificeerd en hermodelleren zoals nodig is voor verschillende celprocessen, waaronder DNA-replicatie, mitose, meiose en genexpressie. Bepaalde chemische modificaties van histonen beïnvloeden de staat van chromatine condensatie en hebben ook meerdere effecten op gen expressie. Hoofdstuk 17 ------------ ### H.17.1 Een gen dicteert de productie van een specifiek enzym. Biochemici kwamen erachter dat cellen de meeste organische moleculen synthetiseren en afbreken via metabolische routes, waarbij elke chemische reactie in een sequentie wordt gekatalyseerd door een specifiek enzym. Zulke metabolische routes leiden bijvoorbeeld tot de synthese van de pigmenten die de bruine vacht kleurt van een ezel vormen.  *De producten van genexpressie* Naarmate onderzoekers meer te weten kwamen over eiwitten pasten ze de één gen-één enzym hypothese aan. Ten eerste zijn niet alle eiwitten enzymen. Keratine, het structurele eiwit van dierlijk haar en het hormoon insuline zijn twee voorbeelden van niet-enzym-eiwitten. Veel eiwitten zijn opgebouwd uit twee of meer verschillende polypeptideketens, en elk polypeptide wordt gespecificeerd door zijn eigen gen. Hemoglobine bevat bijvoorbeeld twee soorten polypeptiden, en dus coderen twee genen voor dit eiwit, één voor elk type polypeptide. *Basisprincipes van transcriptie en translatie* Genen geven de instructies voor het maken van specifieke eiwitten, maar een gen bouwt niet rechtstreeks een eiwit. De brug tussen DNA en eiwitsynthese is het nucleïnezuur RNA. Van DNA naar eiwit gaan omvat twee belangrijke fasen: 1. 2. Tijdens translatie vindt er een verandering in taal plaats, de cel moet de nucleotidesequentie van een mRNA-molecuul vertalen naar de aminozuursequentie van een polypeptide. De locatie van translaties zijn ribosomen, moleculaire complexen die de ordelijke koppeling van aminozuren in polypeptideketens vergemakkelijken. Ons begrip van transcriptie en translatie in archaea loopt achter, maar we weten wel dat archaeale cellen enkele kenmerken delen met bacteriën en andere met eukaryoten. De basismechanismen van transcriptie en translatie zijn vergelijkbaar voor bacteriën en eukaryoten, maar er is een belangrijk verschil in de stroom van genetische informatie binnen de cellen. Bacteriën hebben geen kernen, daarom scheiden kernmembranen bacterieel DNA en mRNA niet van ribosomen en de andere eiwitsynthese machines. Dit gebrek aan compartimentering zorgt ervoor dat de translatie van een mRNA kan beginnen terwijl de transcriptie nog gaande is. Eukaryotische cellen hebben daarentegen kernen. Transcriptie vindt plaats in de kern, maar het mRNA moet naar het cytoplasma worden getransporteerd voor translatie. Het product van transcriptie is mRNA - - Het **primair transcript** is het eerste RNA transcript van een gen voordat RNA processing plaatsgevonden heeft. Het centrale dogma is een concept dat beschrijft hoe cellen worden bestuurd door een moleculaire commandoketen met een gerichte stroom van genetische informatie.  *Het genetische code* De informatiestroom van gen naar eiwit is gebaseerd op een **tripletcode**, de genetische instructies voor een polypeptideketen zijn in het DNA geschreven als een reeks niet-overlappende (hergebruikt) woorden van drie nucleotiden. De reeks woorden in een gen wordt getranscribeerd in een complementaire reeks niet-overlappende woorden van drie nucleotiden in mRNA, die vervolgens wordt vertaald in een keten van aminozuren. Tijdens transcriptie bepaalt het gen de volgorde van nucleotidebasen langs de lengte van het RNA-molecuul dat wordt gesynthetiseerd. Voor elk gen wordt slechts een van de twee DNA-strengen getranscribeerd. Deze streng heet de **templatestreng**, omdat deze het patroon biedt voor de volgorde van nucleotiden in een RNA-transcript. De template streng is altijd dezelfde streng voor een gegeven gen. Net als een nieuw streng DNA wordt het RNA-molecuul gesynthetiseerd in een antiparallelle richting aan de templatestreng van DNA. Het nucleotide triplet 3´-ACC-5´ langs de DNA-templatestreng biedt een template voor 5´-UGG-3´ in het mRNA-molecuul. De mRNA nucleotide tripletten worden **codons** genoemd en worden gewoonlijk in de 5´-\>3´ richting geschreven. De **coderende streng** is de niet-template streng van DNA, die dezelfde sequentie heeft als mRNA, behalve de T's in plaats van de U's. Codons bestaan uit nucleotide tripletten, dus het aantal nucleotiden in een genetische boodschap is drie keer zo groot als het aantal aminozuren in het eiwit. Het aantal aminozuren dat door een specifieke DNA-sequentie wordt gecodeerd, bereken je door het aantal nucleotiden in de coderende sequentie te delen door 3. Bijvoorbeeld, 300 nucleotiden in een mRNA-streng coderen voor 100 aminozuren in het bijbehorende polypeptide. *De code kraken* Van de 64 tripletten coderen 61 voor aminozuren, de andere drie codons fungeren als stop-signalen of terminatie codons, die het einde van de translatie markeren. Genetische berichten beginnen meestal met het mRNA-codon AUG en functioneert als start-signaal. Geen enkel codon codeert voor meer dan één aminozuur, maar sommige codons coderen voor hetzelfde aminozuur. Codons moeten worden gelezen in het juiste **leesraam** om het juiste polypeptide te kunnen maken. ### H.17.2 RNA synthese wordt gekatalyseerd door een enzym genaamd **RNA-polymerase**, die de DNA strengen kan scheiden en dat RNA nucleotiden aan elkaar kan koppelen. Net als DNA-polymerasen die functioneren bij DNA-replicatie kunnen RNA-polymerasen een polynucleotide alleen in zijn 5´ -\> 3´ -\> richting samenstellen, waarbij ze zich hechten aan het 3´einde. In tegenstelling tot DNA-polymerasen zijn RNA-polymerasen echter in staat om een keten vanaf nul te beginnen, dus ze hoeven niet de eerste nucleotiden toe te voegen aan een reeds bestaande primer. De DNA-sequentie waar RNA-polymerase zich hecht en de transcriptie initieert, is de **promoter**. In bacteriën is de **terminator** de sequentie die het einde van de transcriptie aangeeft. De richting van transcriptie wordt beschouwd als stroomafwaarts en de andere richting als stroomopwaarts. Deze termen worden ook gebruikt om de posities van nucleotide-sequenties binnen het DNA of RNA te beschrijven. De promotor sequentie in DNA is stroomopwaarts van de terminator. Het stuk DNA stroomafwaarts van de promotor dat wordt getranscribeerd in een RNA-molecuul, wordt **transcriptie-eenheid** genoemd. Eukaryoten hebben minstens drie typen RNA-polymerase in hun kernen, RNA-polymerase II wordt in dit geval gebruikt voor pre-mRNA-synthese. De andere RNA-polymerasen transcriberen RNA-moleculen die niet worden vertaald in eiwitten. Bacteriën hebben daarentegen één type RNA-polymerase dat niet alleen mRNA synthetiseert, maar ook andere typen RNA die functioneren in genexpressie zoals ribosomale RNA. *Synthese van een RNA-transcript* De drie stadia van transcriptie zijn: 1. 2. 3. De promotor sequentie van een gen omvat het transcriptie **startpunt** nucleotide waar RNA-polymerase begint met het synthetiseren van het mRNA en strekt zich enkele tientallen nucleotidenparen stroomopwaarts van het startpunt uit. Op basis van interactie met eiwitten bindt RNA-polymerase op een precies locatie op de promotor. Deze binding bepaalt waar de transcriptie begint en in welke richting deze gaat, dus welke streng DNA als template wordt gebruikt. Bepaalde delen van een promotor sequentie zijn vooral belangrijk voor het binden van RNA-polymerase op een manier die zorgt dat de transcriptie op het juiste startpunt begint.  In eukaryoten helpt een verzameling eiwitten genaamd **transcriptiefactoren** de binding van RNA-polymerase en de initiatie van transcriptie te begeleiden. Nadat transcriptiefactoren aan de promotor zijn gehecht, bind RNA-polymerase II eraan. Dit hele complex noem je de **transcriptie-initiatie complex**. Bij eukaryoten is de **TATA box** cruciaal in de vorming van het transcriptie-initiatie complex. *Verlenging van de RNA-streng* Terwijl RNA polymerase langs het DNA beweegt, wikkelt het de dubbele helix af met 10 tot 20 basen tegelijk. Transcriptie vindt plaats met een snelheid van 40 nucleotiden per seconden in eukaryoten. Nucleotiden worden toegevoegd aan het 3´ eind van het groeiende RNA molecuul. Een nieuwe streng RNA wordt tijdens transcriptie gemaakt van 5' naar 3', net als een nieuwe streng DNA tijdens replicatie gemaakt wordt van 5' naar 3'. Het RNA-polymerase beweegt zich langs de template streng van 3' naar 5'. Een gen kan door verschillende RNA polymerase tegelijkertijd worden vertaald. *Beëindiging van transcriptie* De manier waarop de transcriptie wordt beëindigd is verschillend tussen bacteriën (prokaryoten) en eukaryoten. 1. 2. ### H.17.3 Enzymen in de eukaryotische kern modificeren pre-mRNA op specifieke manieren voordat de genetische boodschap naar het cytoplasma wordt verzonden. Tijdens deze **RNA-verwerking** (pre-mRNA -\> mRNA)worden beide uiteinden van het primaire transcript gewijzigd. Ook worden in de meeste gevallen interne secties van het RNA-molecuul verwijderd en de resterende delen worden samengevoegd, waardoor een mRNA-molecuul ontstaat dat klaar is voor translatie. *Verandering van mRNA-einde* Elk uiteinde van een pre-mRNA-molecuul wordt op een bepaalde manier gemodificeerd. Het 3'- uiteinde, dat als eerste wordt gesynthetiseerd, ontvangt een 5'- cap, een gemodificeerde vorm van een guanine nucleotide die aan het 5'-uiteinde wordt toegevoegd nadat de transcriptie van de eerste 20-40 nucleotide is getranscribeerd. Het 3'- uiteinde van het pre-mRNA wordt ook aangepast voordat het de celkern verlaat. Zodra het polyadenylatie signaal (AAUAAA) is getranscribeerd, wordt het pre-mRNA geknipt en vrijgegeven. Vervolgens voegt een enzym aan het 3'- uiteinde 50-250 adenine nucleotide toe, waardoor een **poly-A-staart** ontstaat. De 5'-cap en poly-A-staart vervullen verschillende belangrijke functies: 1. 2. 3. Naast de cap en staart op een eukaryotische mRNA-molecuul, zijn er ook ongetransleerde gebieden (UTR) aan de 5'- en 3'- uiteinde. Deze UTR's worden niet in eiwit vertaald, maar spelen rol bij het binden van ribosomen en andere regulerende functies. *Gesplitste genen en RNA-splicing* **RNA-splicing** is een belangrijke fase van RNA-processing in de eukaryote cellen, waarbij grote delen van de primaire RNA-transcript moleculen worden verwijderd en de resterende delen opnieuw worden samengevoegd. De sequentie van DNA-nucleotiden die codeert voor een eukaryotische polypeptide is meestal niet continu, deze is opgesplitst in segmenten. Ze hebben namelijk lange stukken niet-coderende nucleotide die tussen de coderende stukjes liggen. De niet-coderende segmenten van nucleïnezuur die tussen coderende regio\'s liggen noem je **intronen**. **Exonen** zijn de coderende regio's die uiteindelijk tot expressie komen door te worden vertaald in aminozuursequenties, dus: - - - Hoe wordt pre-RNA-splicing uitgevoerd? Het verwijderen van introns wordt bereikt door een groot complex van eiwitten en kleine RNA's, een **spliceosoom**. Dit complex bindt zich aan verschillende korte nucleotide sequenties langs een intron, inclusief sleutel sequenties aan elk uiteinde. Intron wordt vervolgens vrijgegeven en het spliceosoom voegt de twee exonen samen die het intron flankeerden. De kleine RNA's in het spliceosoom nemen niet alleen deel aan de assemblage van het slipceosoom en de herkenning van de splice locatie, maar katalyseren ook de splicing reactie net als eiwitten kunnen RNA's als katalysator fungeren. *Ribozymen* In sommige organismen wordt RNA splicing zonder de hulp van eiwitten of aanvullende RNA's uitgevoerd. **Ribozymen** zijn katalyserende RNA moleculen die functioneren als enzym en RNA kunnen splicen. Deze theorie ontkrachtte het idee dat alle katalysatoren eiwitten zijn. Drie eigenschappen van RNA maken het mogelijk dat ze zich gedragen als een enzym: 1. 2. 3. **Aanvullen?** ### H.17.4  In het proces van translatie leest een cel een genetische boodschap als het ware en bouwt op basis daarvan een polypeptide. De boodschap is een reeks codons langs een mRNA-molecuul en de vertaler wordt een transfer-RNA (**tRNA**) genoemd. De functie van een tRNA is om een aminozuur van de cytoplasmatische pool van aminozuren over te brengen naar een groeiende polypeptide in een ribosoom. Het ribosoom voegt elk aminozuur dat door een tRNA wordt aangevoerd toe aan het groeiende uiteinde van een polypeptideketen. *De structuur en functie van tRNA* Elk tRNA-molecuul maakt de vertaling van een gegeven mRNA-codon in een bepaald aminozuur mogelijk, dit is mogelijk omdat een tRNA een specifiek aminozuur aan het ene uiteinde van zijn 3d-structuur draagt, terwijl aan het andere uiteinde een nucleotide triplet zit dat een basepaar kan vormen met het bijbehorende codon op mRNA. Een tRNA molecuul bestaat uit een enkele RNA streng en is ongeveer 80 nucleotiden lang. In een 2D-model lijkt een tRNA molecuul op een klaverblad dankzij de basenparen die het vormt met zichzelf. Dankzij waterstofbruggen kan het tRNA molecuul ruimtelijk vouwen in een 3D-molecuul en heeft globaal gezien een L-vorm met de 5'- en 3'-uiteinden van het tRNA, beide gelegen nabij één uiteinde van de structuur. Het uitstekende 3'-uiteinde fungeert als de aanhechtingsplaats voor een aminozuur. De lus aan het andere uiteinde van de L omvat het **anticodon**, het specifieke nucleotidetriplet dat basenparen vormt met een specifiek mRNA-codon. Dus moleculen van tRNA zijn niet identiek elk tRNA heeft: - - Het anticodon vormt een basenpaar met het complementaire codon van het mRNA. Anticodons worden gewoonlijk genoteerd als 3' -\> 5'. om correct te worden uitgelijnd met codons die genoteerd worden als 5' -\> 3'. Voorbeeld: +-----------------------------------------------------------------------+ | mRNA-codon = 5´-GGC-3´ wordt vertaald als aminozuur glycine. | | | | Het tRNA dat baseparen vormt met dit codon door waterstofbindingen | | heeft tRNA= 3´-CCG-5´ als zijn anticodon en draagt glycine aan zijn | | andere uiteinde. | +-----------------------------------------------------------------------+ Het nauwkeurig uitvoeren van de translatie verloopt in twee stappen: 1. 2. Als er voor elk mRNA-codon dat een aminozuur specificeert één tRNA-type zou bestaan, zouden er 61 tRNA's zijn. In bacteriën zijn er echter ongeveer 45 tRNA's. Flexibele basenparing bij de derde base genaamd **wobble**, staat toe dat tRNA's aan meer dan één codon bindt. De nucleotidebase U aan het 5´-uiteinde van een tRNA-anticodon kan bijvoorbeeld koppelen met A of G op de derde positie aan het 3´-uiteinde van een mRNA-codon. Een tRNA met het anticodon 3´-UCU-5´ kan een basepaar vormen met het mRNA-codon 5´-AGA-3´ of 5´-AGG-3´(beide coderen voor arginine). *De structuur en functie van ribosomen* Hoewel de ribosomen van bacteriën en eukaryoten qua structuur en functie erg op elkaar lijken, zijn eukaryotische ribosomen iets groter en verschillen ze in hun moleculaire samenstelling een beetje. Ribosomen faciliteren de specifieke koppeling van tRNA-anticodons met mRNA-codons tijdens de eiwitsynthese. Ribosoom bestaat uit een grote en een kleine subeenheid, elk opgebouwd uit eiwitten en een of meer ribosomale RNA's (**rRNA**). **( aanvullen?)** De structuur van een ribosoom weerspiegelt zijn functie om een mRNA-molecuul samen te brengen met tRNA's die aminozuren dragen. Het mRNA zelf heeft een bindingsplaats voor het ribosoom. Het ribosoom zelf heeft ook een bindingsplaats voor mRNA, maar ook drie bindingsplaatsen voor tRNA: 1. 2. 3. *Een polypeptide bouwen* We kunnen translatie, de synthese van een polypeptide, verdelen in 3 fase: 1. 2. 3. Alle stadia vereisen eiwitten die we factors noemen die helpen bij het proces van translatie, energie is ook vereist voor sommige stappen in de translatie. Tijdens de initiatie komen mRNA, een tRNA met het eerste aminozuur en de twee ribosomale subunits samen. Eerst bindt een kleine ribosomale subeenheid aan zowel het mRNA als een specifieke initiator-tRNA, die het aminozuur methionine draagt. De kleine subunit beweegt langs het mRNA tot het een startcodon (AUG) bereikt. Eiwitten die we initiatie factoren noemen, brengen de grote ribosomale subeenheid erbij en het initiatiecomplex is nu gereed. *Verlenging van de polypeptideketen* In de verlengingsfase van translatie worden aminozuren één voor één toegevoegd aan het vorige aminozuur aan de C-terminus van de groeiende keten. Elke toevoeging omvat verschillende eiwitten genaamd elongatiefactoren en verloopt in drie stappen: 1. 2. 3. Energieverbruik vindt plaats in de eerste en derde stap. Codonherkenning vereist hydrolyse van één molecuul GTP. Voor de translocatie stap wordt nog één GTP gehydrolyseerd. Het mRNA wordt door het ribosoom in één richting verplaatst: 5´ -\> 3´ dus actie vindt aan de 3' kant plaats. De lege tRNA's die worden vrijgegeven van de E-site keren terug naar het cytoplasma om opnieuw geladen te worden met juiste aminozuur. *Beëindiging van de vertaling* De laatste fase van de translatie is terminatie. De verlenging gaat door totdat een stopcodon in het mRNA de A-site bereikt. De nucleotide base triplets (5´ -\> 3´): 1. 2. 3. Coderen niet voor aminozuren maar fungeren als signalen om de translatie te stoppen. De A-site accepteer een eiwit genaamd release factor en deze voegt een watermolecuul toe in plaats van een aminozuur. Door deze reactie laat de polypeptideketen los en valt het geheel van mRNA, tRNA en ribosomale eenheden uit elkaar. Het afbreken van de translatie assemblage vereist de hydrolyse van nog eens twee GTP-moleculen. *Eiwitvouwing en posttranslationele modificaties* Het translatieproces is vaak niet voldoende om een functioneel eiwit te maken. Polypeptideketens worden vaak gemodificeerd na de translatie, post-translational modification. Eiwitten die voltooid zijn, worden verstuurd naar specifieke plaatsen in de cel. [Een gen bepaalt de primaire structuur van een eiwit en de primaire structuur bepaalt de vorm van het eiwit.] Tijdens de synthese begint een polypeptideketen zich al spontaan te vouwen in een specifieke vorm: een 3D molecuul. Deze heeft een bepaalde secundaire en tertiaire structuur. Het eiwit kan nodige aanvullende post-translationele modificaties moeten ondergaan voordat het zijn functie kan uitvoeren zoals: 1. 2. 3. *Polypeptiden op specifieke locaties richten* Er zijn twee populaties ribosomen: 1. - 2. - - De ribosomen zijn identiek en kunnen afwisselen van positie (vrije ribosomen naar gebone ribosomen). Polypeptidesynthese begint altijd los in het cytoplasma als een vrij ribosoom een mRNA-molecuul begint te vertalen. Daar gaat het proces door tot voltooiing, tenzij het groeiende polypeptide zelf het ribosoom aanspoort om zich aan het ER te hechten. Polypeptiden die bestemd zijn voor het ER of voor secretie dragen een **signaalpeptide** met zich mee. Een **signal-recognition particle** (SRP) bindt aan het signaalpeptide en brengt het signaalpeptide en het ribosoom naar het ER. *Het maken van meerdere polypeptiden in bacteriën en eukaryoten* Zowel bacteriën als eukaryoten vertalen meerdere ribosomen een mRNA tegelijkertijd, dus één enkel mRNA wordt gebruikt om gelijktijdig veel kopieën te maken van polypeptide. **Polyribosomen** is een groep van ribosomen die een cel in staat stelt om snel veel kopieën van een polypeptide te maken. Verschillen in translatie tussen eukaryoten en prokaryoten Eukaryoten: Prokaryoten: +-----------------------------------+-----------------------------------+ | - | - | +===================================+===================================+ | - | - | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | - | - | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | | - | +-----------------------------------+-----------------------------------+ | | | +-----------------------------------+-----------------------------------+ ### H.17.5 **Mutaties** zijn veranderingen in het genetische materiaal van een cel of een virus. Die er uiteindelijk verantwoordelijk zijn voor de grote diversiteit aan genen onder organismen. **Puntmutatie** is een chemische verandering in één enkele nucleotide paar van een gen. De verandering van een enkele nucleotide in de DNA template streng kan al een afwijkend eiwit opleveren. Als de mutatie een negatief effect heeft op het fenotype van een persoon, is er sprake van genetische stoornis of erfelijke ziekte. *Soorten kleinschalige mutaties* Mutaties op kleine schaal binnen een gen kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: 1. 2. *Substitutie* Een **nucleotide-paar substitutie** is de vervanging van één nucleotide en zijn partner door een ander paar nucleotiden. Sommige substituties hebben geen effect op het gecodeerde eiwit, omdat er een verandering in een nucleotide paar zorgt voor een codon dat transformeert in een ander dat wordt vertaald in hetzelfde aminozuur. Mutatie zonder waarneembaar effect op fenotype heet **stille mutatie**. Bij **missense mutatie** verandert één aminozuur in een ander en heeft mogelijk weinig effect op het eiwit. Het nieuwe aminozuur kan eigenschappen hebben die lijken op dat het vervangt of kan zich in een regio van het eiwit bevinden waar de exacte volgorde van aminozuur niet essentieel is voor de functie van het eiwit. Een puntmutatie kan ook een codon voor een aminozuur veranderen in een stopcodon, dit noem je **nonsense mutatie** en zorgt ervoor dat de translatie beëindigd. De resulterende polypeptide zal korter zijn en de meeste nonsense mutaties leiden tot niet functionele eiwitten. *Inserties en deleties* **Inserties** en **deleties** zijn toevoeging of verliezen van nucleotide paren in een gen. Deze mutaties hebben vaker een niet functionerend eiwit tot gevolg dan substituties. Deze kunnen het leesraam van de genetische boodschap veranderen, dat f**rameshift mutatie** heet, treedt op wanneer het aantal ingevoegde of verwijderde nucleotiden geen veelvoud van drie is. *Nieuwe mutaties en mutagenen* Spontane mutaties kunnen plaatsvinden gedurende DNA replicatie, recombinatie en herstel. **Mutagenen** zijn chemische of fysische stoffen die reageren met het DNA dat mutaties veroorzaken. De meeste carcinogenen zijn mutagenen en de meeste mutagenen zijn carcinogeen (kanker veroorzakende chemische stoffen). Chemische mutagenen vallen in verschillende categorieën: 1. 2. 3. Hoofdstuk 19 ------------ ### H.19.1 Biotechnologie is het gebruikmaken van technologie waarbij kennis van biologie wordt toegepast om milieu, gezondheid en voedsel te innoveren en verbeteren. Dit gebeurt door manipulatie van organismen of hun onderdelen. Het gaat van kaasmaken tot hightech (DNA) labwerk. **Nucleïnezuurhybridisatie**, de baseparing van één streng van een nucleïnezuur aan een complementaire sequentie van een andere nucleïnezuur streng, zowel bij DNA of RNA. Nucleïnezuurhybridisatie vormt de basis van vrijwel elke techniek die wordt gebruikt in **genetische manipulatie**, de directe manipulatie van genen voor praktische doeleinden. *DNA-sequencing* Het proces dat de complete nucleotidesequentie van een DNA-molecuul kan bepalen is **DNA-sequencing**. De eerste geautomatiseerde procedure, dideoxy-sequencing werd in jaren 70 ontwikkeld en wordt nog steeds gebruikt voor routinematige kleinschalige sequencing-taken. Een andere techniek die later werd ontwikkeld heet next-generation sequencing. DNA fragmenten worden versterkt (gekopieerd) om een enorm aantal identieke fragmenten te hebben. Een enkele template streng van elk streng wordt geïmmobiliseerd en de complementaire streng wordt gesynthetiseerd, één nucleotide per keer. Een chemische techniek stelt elektronische monitoren in staat om in realtime te identificeren welke van de vier nucleotiden wordt toegevoegd, deze methode heet daarom sequencing door synthese. Third generation Nanopore is nog sneller en minder duur dan de vorige methode. Het is mogelijk één complete DNA streng te sequencen zonder deze eerst te kopiëren of fragmenteren. De streng gaat door een porie van een eiwit en iedere nucleotide heeft een andere weerstand zodra het door de porie gaat (A, T, C en G). Door de weerstand steeds op te meten wordt **(verder aanvullen) voor 452 blz** *Het maken van meerdere kopieën van een gen of ander DNA-segment* Om een specifiek gen te bestuderen kan je door middel van **DNA-klonen** een segment DNA isoleren dat dat gen draagt en er meerdere identieke kopieën van te maken. Om DNA te kloneren wordt gebruikgemaakt van **plasmiden**, kleine cirkelvormige DNA-molecuul die afzonderlijk worden gerepliceerd. Om stukken DNA te klonen met behulp van bacteriën hebben wetenschappers plasmiden geïsoleerd uit bacteriële cellen en deze veranderen door genetische manipulatie. DNA dat bestudeerd moet worden, wordt toegevoegd aan het plasmide en resulteert in een **recombinant DNA-molecuul**. Dit is een molecuul dat DNA bevat van twee verschillende bronnen, vaak van verschillende soorten. Het plasmide wordt vervolgens teruggebracht naar een bacteriële cel, waardoor een recombinantie bacterie ontstaat. Deze enkele cel reproduceert door herhaalde celdeling een populatie van genetisch identieke cellen. Omdat de delende bacteriën het recombinante plasmide repliceren en het doorgeven aan hun nakomelingen, worden het vreemde DNA en alle genen die het draagt tegelijkertijd gekloond. De productie van meerdere kopieën van een enkel gen is een type DNA-klonen dat **gene cloning** heet. **Kloonvector** is een DNA-molecuul dat vreemde DNA in een gastcel kan brengen en daar kan worden gerepliceerd. Gen kloning wordt gebruikt om veel kopieën te maken van, of te versterken van een bepaald gen en om er een eiwitproduct van te produceren. *Restrictie-enzymen gebruiken om een recombinant DNA-plasmide te maken* Om een recombinant DNA plasmide te maken zijn restrictie enzymen nodig. **Restrictie-enzymen** beschermen de bacteriële cel door vreemd DNA van andere organismen of fagen te knippen. Elk restrictie-enzym is specifiek en herkent een bepaalde korte DNA-sequentie of **restrictiesite**. En knipt beide DNA-strengen op precieze punten binnen deze restrictiesite. Bacteriële restrictie-enzymen scannen het DNA van het plasmide op zoek naar een restrictieplaats. Een restrictieplaats bestaat vaak uit 4 tot 8 nucleotiden en is symmetrisch/ palindroom: - **BEGRIPPENLIJST** ------------------ [Hoofdstuk 5] 1. 2. 3. 4. [Hoofdstuk 16] 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. [Hoofdstuk 17] 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39. Hoofdstuk 19 1.