Cursus NWE 2024-2025 Deel Biologie PDF

NATUURWETENSCHAPPEN 6SO 2024-2025 DEEL - BIOLOGIE 1. GENETISCH MATERIAAL EN CELDELING 1.1. DNA EN DE STRUCTUUR VAN CHROMATINE EN CHROMOSOMEN Alle instructies om een cel te laten functio...

NATUURWETENSCHAPPEN 6SO 2024-2025 DEEL - BIOLOGIE 1. GENETISCH MATERIAAL EN CELDELING 1.1. DNA EN DE STRUCTUUR VAN CHROMATINE EN CHROMOSOMEN Alle instructies om een cel te laten functioneren liggen opgeslagen in de code van het DNA. In elke cel, ongeacht het celtype (bloedcel, levercel, spiercel,..) zit exact hetzelfde DNA. Vorig jaar leerden jullie dat het DNA in onze cellen opgeslagen ligt in de ………………………… van de cel. In dit deel van de cursus gaan we dieper in op hoe het DNA molecule er chemische en ruimtelijk uitziet. We staan stil bij hoe het DNA verdeeld wordt wanneer een cel gaat delen. En we bestuderen hoe we de code van het DNA kunnen vertalen in eiwitten. 1.1.1. DNA chemisch De organische verbindingen (verbindingen met C-atomen) in ons lichaam zijn: Suikers Eiwitten Vetten Nucleïnezuren DNA behoort samen met het RNA tot de laatste groep, de groep van de nucleïnezuren. Alle nucleïnezuren zijn een aaneenschakeling van bouwstenen die we de nucleotiden noemen. Eén DNA nucleotide bestaat uit : een suikergroep (desoxyribose) een fosfaatgroep een organische base. Figuur 1: 1 DNA-nucleotide De DNA nucleotiden kunnen vier verschillende basen bevatten: cytosine (C) guanine (G) thymine (T) adenine (A). 1.1.2. DNA ruimtelijk We stellen het DNA steeds voor als een ………………………………………… of een rondgedraaide ladder. De sporten van de ladder worden gevormd door bruggen te vormen tussen de 2 basen. Om ervoor te zorgen dat deze ladder steeds even brede sporten heeft liggen de basenkoppels vast. Thymine (T) combineren we altijd met adenine (A) en guanine (G) altijd met cytosine (C). Deze eigenschap noemen we de complementariteit van het DNA. Tussen A en T zitten altijd 2 waterstofbruggen en tussen C en G zitten altijd 3 waterstofbruggen. 5 NATUURWETENSCHAPPEN 6SO 2024-2025 De volgorde van de DNA nucleotiden vormt de basis van de genetische code. Figuur 2: de complementariteit van het DNA Omdat de koppels vastliggen kan je wanneer je de volgorde hebt van 1 streng ook de nucleotidenvolgorde van de andere streng bepalen. Pas dit toe op onderstaande streng en zorg dat ook alle waterstofbruggen aanwezig zijn. Figuur 3: DNA nucleotide, DNA streng, DNA dubbele helix Oefening: In een DNA-fragment werd er 20% thymine gevonden. a Wat is de basensamenstelling van het fragment?........................................................................ b Hoeveel procent guanine bevat dat fragment?............................................................................ 1.1.3. Chromatine en chromosomen Alle informatie die de erfelijke eigenschappen zoals haarkleur, oogkleur,… bepalen ligt in je DNA. Zoals je reeds vorig jaar leerde, zit je DNA in de celkern van de cel en deze celkern is slechts enkele cm/mm/µm/nm (schrap wat niet past) groot en dus niet met het blote oog zichtbaar. Het DNA in elke cel is echter een draad van maar liefst 2m. 6 NATUURWETENSCHAPPEN 6SO 2024-2025 Om deze lange draad in deze kleine celkern te krijgen, moeten we de draad oprollen. Hiervoor gebruikt ons lichaam ‘bobijntjes’. Deze bobijntjes noemen we HISTONEN en ze behoren tot de eiwitten. DNA zal steeds rond 8 histonen gedraaid worden tot EUCHROMATINE (= vertaalbaar DNA). Daarna wordt alles nog compacter gemaakt tot HETEROCHROMATINE (=onvertaalbaar DNA) om uiteindelijk de meest compacte vorm van het DNA in de cel te hebben: CHROMOSOMEN. TEKENING: Elk chromosoom bestaat uit 2 ZUSTERCHROMATIDEN. De zusterchromatiden zijn genetische identiek als gevolg van de DNA replicatie (zie later). Deze zusterchromatiden hangen aan elkaar in het CENTROMEER. Het centromeer kan variëren van plaats. Het aantal chromosomen per cel is afhankelijk van soort tot soort. Zo heeft een houtduif 80 chromosomen in elke cel, een fruitvliegje 8, een erwt 14, een kat 38, een konijn 44 en wij als mensen hebben 46 chromosomen in elke ‘lichaamscel’. Die 46 chromosomen kunnen we (bij meisjes) ook opdelen als 23 paar HOMOLOGE CHROMOSOMEN. Elk paar homologe chromosomen: - is genetisch niet identiek, - bevat wel dezelfde aard informatie - is ongeveer even groot en - heeft het centromeer op ongeveer dezelfde plaats. Van elk paar is er één chromosoom afkomstig van je mama en 1 chromosoom van je papa. Figuur 4: chromosomenkaart van de mens Van de 23 paar homologe chromosomen zijn er 22 paar die je ‘lichaamskenmerken’ bepalen (oogkleur, bloedgroep, haarkleur, vorm neus,…). Deze 22 paar homologe chromosomen noemen we ook de AUTOSOMEN. 7 NATUURWETENSCHAPPEN 6SO 2024-2025 Het ene resterende paar (dat onderaan recht staat in een chromosomenkaart) is dan bepalend voor je geslacht. Dit paar noemen we de GESLACHTSCHROMOSOMEN. Jongens hebben een een X-chomosoom en een Y-chromosoom als geslachtschromosomen. Meisjes hebben 2 X-chromosomen als geslachtschromosomen. In ons lichaam is er 1 celtype dat geen 46, maar maar 23 chromosomen in de celkern heeft. Dit zijn de ……………………………………. Cellen die van elk chromosoom twee exemplaren hebben (46), noemen we diploïde cellen (2n). Cellen die slechts één exemplaar van elk chromosoom hebben (23), noemen we haploïde cellen (n) en zijn dus de voortplantingscellen. Maar waar liggen dan nu die erfelijke eigenschappen? Concreet moet je dit voorstellen als een stukje van het chromosoom. In dat stukje chromosoom zitten DNA nucleotiden in een welbepaalde volgorde (vb. -AAGCTTC-). De volgorde van die DNA nucleotiden is bepalend voor de vorming van een specifiek eiwit. Het stukje DNA op een chromosoom met een welbepaalde volgorde van DNA nucleotiden noemen we een gen en de specifieke opeenvolging van DNA nucleotiden noemen we de genetische code. Alle genen samen vormen de genetische informatie van dat individu. Men spreekt ook van het genoom. 1.2. CELCYCLUS Elke seconde, elk uur, elke dag vindt in je lichaam één van de belangrijkste gebeurtenissen in het leven plaats: cellen delen. Het delen van cellen is veel meer dan een gewone splitsing van 1 cel in 2 cellen. Cellen doorlopen een celcyclus. Deze celcyclus bevat een voorbereidende fase, de interfase, en de celdeling. Maar wat is die ‘voorbereiding’? CELCYCLUS = INTERFASE + CELDELING De duur van de celcyclus is afhankelijk van het celtype. Ons lichaam beschikt over een zeer goed controlesysteem om fouten tijdens de celcylcus op te sporen en te herstellen. Indien de fouten te groot zijn, zal een cel een geprogrammeerde celdood ondergaan. 1.3. DNA REPLICATIE Wanneer we even inzoomen op de celcyclus, dan zie je dat er telkens voor een celdelingsfase een ‘voorbereidende’ interfase is. Hierin zal de cel z’n DNA ook exact kopiëren om het dan te verdelen over de dochtercellen. Het maken van deze exacte kopie noemen we DNA replicatie. 8 NATUURWETENSCHAPPEN 6SO 2024-2025 Hoe kan onze cel het DNA kopiëren? Hiervoor zal de cel gebruik maken van 3 enzymen (=eiwitten): 1. DNA helicase 2. DNA polymerase 3. DNA ligase DNA helicase zal de dubbele helix open breken. Of nog: de verbindingen tussen A en T /C en G zullen verbroken worden. Daarna zal DNA polymerase nieuwe nucleotiden aanhechten. DNA-ligase is de ‘lijm’ en zal gaten nog dichten TEKENING VERLOOP REPLICATIE: Het resultaat van deze DNA replicatie zijn 2 semi-conservatieve strengen. Nu begrijp je ook hoe het komt dat de 2 zusterchromatiden van 1 chromosoom genetisch identiek zijn. 1.4. HOE VERTALEN WE DE CODE VAN HET DNA NAAR EEN EIWIT? Zoals jullie in het 5e jaar natuurwetenschappen leerden zijn eiwitten opgebouwd uit …………………………. We hebben in ons lichaam ………… verschillende bouwstenen om alle eiwitten aan te maken. De helft daarvan maken we zelf aan, de andere helft moeten we opnemen via onze voeding. De informatie die de volgorde van de bouwstenen in de eiwitketens van een levend organisme bepaalt, ligt besloten in de volgorde van de basenparen in het DNA, in de genetische code. Een gen is het stukje DNA dat codeert voor een welbepaalde eiwitketen. 9 NATUURWETENSCHAPPEN 6SO 2024-2025 Ons lichaam moet er dus voor zorgen dat de informatie in het DNA kan worden vertaald in een aaneenschakeling van aminozuren. Hierbij stoot ons lichaam op 2 problemen: 1. Ons DNA mag/kan de celkern nooit verlaten en de synthese van eiwitten vindt plaats in de ribosomen (=buiten de celkern) 2. DNA bestaat uit DNA nucleotiden en we moeten eiwitten verkrijgen die uit aminozuren bestaan. We moeten dus ‘de taal’ wijzigen. Voor deze 2 problemen heeft ons lichaam oplossingen: We gaan DNA eerst ‘overschrijven’ in RNA. Dit proces noemen we transcriptie. Het bekomen mRNA moet dan vertaald worden in eiwitten met behulp van een’genetische code’. Dit proces noemen we translatie. SCHEMA: 1.4.1. DNA transcriptie RNA is ook een nucleïnezuur dat in een paar facetten verschilt van DNA. DNA RNA Een nucleotide bestaat uit: Een nucleotide bestaat uit: - de basen: ……………………………… - de basen: ……………………………….. ……………………………………………. ………………………………………………… - een suiker: ……………………………. - een suiker: ………………………………….. - fosfaatgroep. - fosfaatgroep. DNA is dubbelstrengig/enkelstrengig (schrap wat RNA is dubbelstrengig/enkelstrengig (schrap wat niet past) niet past). DNA komt vooral voor…………………... RNA komt voor in en buiten de celkern. 10 NATUURWETENSCHAPPEN 6SO 2024-2025 Figuur 5: RNA molecule versus DNA molecule Hoe kan onze cel de code in het DNA overschrijven in eenzelfde RNA code? Hiervoor zal de cel gebruik maken van 1 enzym (=eiwitten): RNA polymerase RNA polymerase zal de dubbele DNA helix open breken. Of nog: de verbindingen tussen A en T /C en G zullen verbroken worden. Daarna zal het RNA polymerase nieuwe RNA nucleotiden aanhechten. Om niet steeds heel de DNA streng over te schrijven, zal het RNA polymerase starten aan een startplaats en eindigen op de stopplaats. Omdat elke cel hetzelfde DNA bevat en we in elke cel andere eiwitten aanmaken zullen de start- en de stopplaatsen ook variëren naargelang het celtype. Het verkregen RNA noemen we het messenger-RNA (=mRNA) omdat in dit RNA de genetische boodschap van het DNA zit. TEKENING VERLOOP TRANSCRIPTIE: 11 NATUURWETENSCHAPPEN 6SO 2024-2025 1.4.2. DNA translatie 1.4.2.1. De genetische code Om de mRNA streng te vertalen in een keten van allemaal aminozuren, moeten we eerst een taal leren om met 4 nucleotiden (A, U, C en G), 20 verschillende aminozuren te maken. Hierbij gaan we telkens 3 mRNA nucleotiden (=codon) vertalen in 1 aminozuur. Hierdoor kunnen we 64 (=43) mogelijke combinaties maken. Wanneer we een zin vertalen moeten we weten waar de zin start en eindigt. Bij de translatie is dit ook zo. Daarom bevat de genetische code een startcodon (=AUG) en 3 stopcodons. (=UAA, UAG en UGA) Het m-RNA verlaat de kern via de kernporiën en begeeft zich naar de ribosomen. De ribosomen zorgen er o.a. voor dat de geschikte aminozuren aangevoerd worden uit het cytoplasma. Het genetisch leesraam hieronder gebruiken we om de codons te linken aan de aminozuren. Figuur 6: genetisch leesraam OEFENINGEN: 1. Welke aaneenschakeling van aminozuren krijg je als je de volgende mRNA streng vertaalt: AUG CCU GUA GGA UAU AGG UUG UGA GUA ANTWOORD: 2. Vul onderstaande zinnen aan: CAU codeert voor ……………………………………………… UUU codeert voor ……………………………………………… AUG codeert voor ……………………………………………… 12 NATUURWETENSCHAPPEN 6SO 2024-2025 Tryptofaan (Trp) wordt gecodeerd door: ……………………………………………… Asparaginezuur (Asp) wordt gecodeerd door:……………………………………… Arginine (Arg) wordt gecodeerd door: ………………………………………………… UAA is een …………………………………… code. De startcode is …………………………………..…… 3. Schrijf een mogelijke opeenvolging van nucleotiden (met letters) die resulteert in het stukje eiwit Leu- Gly-Thr-Gly-Ala. Antwoord: 1.4.2.2. tRNA Er is echter 1 groot probleem wanneer we het mRNA in de ribosomen willen vertalen naar aminozuren. De aminozuren kunnen niet rechtstreeks gekoppeld worden aan het mRNA. Hiervoor hebben we een ‘tussenschakel’ nodig. Deze tussenschakel is het tRNA. Het doel van het tRNA is een aminozuur aan het juiste codon plakken. We illustreren dit met een voorbeeld: Voorbeeld: AMINOZUUR: tRNA: mRNA: AUG CCU GGA UUG UGA 1.4.2.3. De eigenlijke translatie Nu we alle ingrediënten hebben (genetische code, tRNA) kunnen we de translatie bespreken. Deze verloopt zoals hieronder afgebeeld. 1 Vorming polypeptideketen Figuur 7: aaneenschakeling van aminozuren tijdens het translatieproces 13 NATUURWETENSCHAPPEN 6SO 2024-2025 2 Einde translatie Figuur 8: einde van het translatieproces 1.5. HET BELANG VAN EEN JUISTE GENETISCHE CODE Ons DNA kan jammer genoeg ook fouten bevatten. Zo zijn er verschillende erfelijke vormen van diabetes; één daarvan is MODY. MODY is een groep van ziektes waarbij de oorzaak een fout is in een gen. Een ander voorbeeld is taaislijmziekte of mucoviscidose. Deze erfelijke aandoening wordt veroorzaakt door een fout in het mucogen op chromosoom 7. 1 op 22 Belgen is drager van de ziekte, maar is zelf niet ziek. Enkel als het kind van beide ouders het chromosoom 7 met gendefect erft, ontstaat de ziekte mucoviscidose. Later in de cursus zullen we hier dieper op ingaan. 1.6. GENTECHNOLOGIE: HET WIJZIGEN VAN DNA DOOR DE MENS 1.6.1. Moderne en klassieke biotechnologie Hij wijzigen van DNA kan op een natuurlijke dan wel op een menselijke manier gebeuren. We spreken dan ook van klassieke (=natuurlijke) en moderne (menselijke) biotechnologie. Het doel van beide takken van de biotechnologie is om m.b.v. levende organismen, eigenschappen te verbeteren. De klassieke biotechnologie omvat enerzijds het bereiden van voeding waarbij de eigenschappen van gistcellen worden gebruikt. Voorbeelden daarbij zijn het maken van kaas, wijn, bier en yoghurt. Anderzijds omvat de klassieke biotechnologie eveneens het veredelen van planten en dieren. De 2 problemen waarbij men hier geconfronteerd wordt zijn: Het duurt heel lang alvorens een gewenste eigenschap zal worden bekomen. Er is een soortbarrière wat de uitwisseling van genen betreft De moderne biotechnologie biedt een oplossing voor deze 2 problemen. Hierbij zal men eigenschappen aanpassen door rechtstreeks in te grijpen op het DNA van de organismen. 14 NATUURWETENSCHAPPEN 6SO 2024-2025 1.6.2. De moderne biotechnologie gaat hand in hand met bacteriële en virale eigenschappen Tekening bacterie: De eigenschappen die de moderne biotechnologie van bacteriën gaat gebruiken zijn: Hun delingssnelheid De plasmiden die makkelijk kunnen worden overgedragen en makkelijk kunnen worden gemanipuleerd De restrictie-enzymen (zie virussen) Tekening virus: Bacteriën kunnen genetische informatie met elkaar uitwisselen en met planten, maar er kan nooit genetisch materiaal van een bacterie naar een mens worden overgedragen. Om op een snelle manier menselijk DNA aan te passen kunnen we gebruik maken van virussen. De eigenschappen die de moderne biotechnologie van bacteriën gaat gebruiken zijn: Hun gastheer-afhankelijkheid Doelwit-gericht De lysogene levenscyclus Figuur 9: Lytische en lysogene levenscyclus van een virus 15 NATUURWETENSCHAPPEN 6SO 2024-2025 Bacteriën beschermen zichzelf tegen infecties van virussen door de restrictie-enzymen. Dit zijn schaartjes waarmee de bacteriën het genetisch materiaal van de virussen stukmaken wanneer ze de bacteriën infecteren. Men ontdekte dat deze schaartjes ook het genetisch materiaal van mensen en planten kan knippen. Hierdoor is het nu mogelijk om menselijk DNA open te knippen en er vreemd materiaal in te plakken. Enkele voorbeelden uit de moderne biotechnologie: - Menselijk insuline maken in bacteriën - Gewone hartcellen omvormen in pacemakercellen - ‘lichtgevende’ bomen - Insecticide-resistente planten - … 1.7. CELDELING Even opfrissen: Celcyclus = interfase + celdeling. We bespraken hiervoor al wat er gebeurde tijdens de interfase. De cel ondergaat een DNA replicatie en een eventuele vertaling van het DNA naar eiwitten. De celdeling is letterlijk: het delen van 1 cel in 2 cellen. We onderscheiden hierbij de mitose en de meiose. Bij de mitose of normale celdeling ontstaan er twee diploïde (2n) dochtercellen uit één diploïde (2n) moedercel. Deze celdeling zal dus plaatsvinden bij alle lichaamscellen zoals die van de lever, maag, huid, spieren,… Bij de meiose of reductiedeling ontstaan er haploïde (n) dochtercellen uit één diploïde (2n) moedercel. Deze celdeling zal enkel plaatsvinden bij de geslachtscellen. Het is immers belangrijk dat een zaadcel en een eicel maar de helft van de genetische informatie hebben. Wanneer ze dan bij bevruchting opnieuw versmelten zullen de 23 chromosomen van de eicel en de 23 chromosomen van de zaadcel opnieuw een bevruchtte cel geven met 46 chromosomen. MITOSE MEIOSE 16 NATUURWETENSCHAPPEN 6SO 2024-2025 1.7.1. Mitose 1.7.1.1. Het belang van de mitose De mitose is een belangrijk proces voor ons lichaam. Zo speelt mitose een centrale rol in het vervangen van oude/afgestorven cellen. Bij een volwassen mens sterven ongeveer vijf miljoen cellen per seconde. Deze worden dadelijk vervangen doordat omliggende cellen zich delen. Alleen al om het status-quo te handhaven moeten er dus per seconde vijf miljoen cellen een deling ondergaan. Voor de groei en ontwikkeling van organismen (en dus ook de mens) is de mitose ook van vitaal belang. Eén bevruchte eicel moet immers uitgroeien tot een volwaardig individu. Bij beschadigingen van weefsels (bijvoorbeeld bij wondjes) moeten er meer cellen aangemaakt worden d.m.v. mitose om de beschadigde (of ontbrekende) cellen te vervangen. 1.7.2. Meiose 1.7.2.1. Belang van meiose Het grote voordeel van de geslachtelijke voortplanting is dat de nakomelingen een combinatie van kenmerken van de ouder-individuen hebben gekregen. Op die manier wordt er binnen de soort variatie gecreëerd. Voor de overleving van een soort is dat heel belangrijk. Bij veranderende omstandigheden in het milieu (temperatuur , vochtigheid , ziekte …) is er op die manier een grotere kans dat sommige individuen toevallig tegen de veranderende omstandigheden opgewassen zijn. Als alle individuen identiek zijn (door ongeslachtelijke voortplanting) , zijn ze ofwel allemaal opgewassen tegen de veranderingen, ofwel hebben ze geen van allen weerstand tegen de veranderende omstandigheden. In dat laatste geval sterven alle individuen. 17