6.2 - H1. Genetisch materiaal en celcyclus.pdf

HOOFDSTUK 1 Genetisch materiaal en celcyclus 1. Genetisch materiaal in de cel Alle levende organismen hebben genetische of erfelijke informatie in hun cellen. Men noemt DNA de drager van de genetische informatie, dat wil zeggen dat de genetische informatie opgeslagen zit in DNA-moleculen. Deze in...

HOOFDSTUK 1 Genetisch materiaal en celcyclus 1. Genetisch materiaal in de cel Alle levende organismen hebben genetische of erfelijke informatie in hun cellen. Men noemt DNA de drager van de genetische informatie, dat wil zeggen dat de genetische informatie opgeslagen zit in DNA-moleculen. Deze informatie wordt in elke cel gebruikt om eiwitten op te bouwen. (Nagenoeg) elke menselijke cel bevat een identieke kopie van dat genetisch materiaal.  Enkel rode bloedcellen (erythrocyten) en bloedplaatjes (trombocyten) bevatten geen celkern. Ze ontstaan na differentiatie van de stamcellen in het beenmerg. 1.1. Prokaryote en eukaryote cellen Prokaryoten zijn eencelligen zoals bacteriën en archaea. Ze hebben geen celkern of andere celorganellen die door een membraan zijn omgeven. Het DNA van deze organismen ligt los in het cytoplasma. In eukaryote cellen, zoals die van de mens, is er wel een nucleus of celkern aanwezig. Samen met andere celorganellen zorgt de nucleus die voor een duidelijke compartimente- ring van de cel. Het genetisch materiaal zit opgeborgen in de nucleus. 1.2. Structuur van DNA  Chemische samenstelling van DNA DNA-moleculen zijn nucleïnezuren. Nucleïnezuren zijn macromoleculen, opgebouwd uit een groot aantal monomeren, nucleotiden. Elke nucleotide bestaat uit drie aan elkaar gebonden moleculen:  1 monosacharide: desoxyribose  1 fosfaatgroep: PO43-  1 organische base: adenine (A), thymine (T), guanine (G) of cytosine (C) In elk nucleotide worden de C-atomen van de suikermolecule genummerd in wijzerzin, vertrekkend na het O-atoom. De cijfers worden aangegeven met een accent. HOOFDSTUK 1Genetisch materiaal en celcyclus 1 DNA staat voor desoxyribonucleïnezuur (Eng.: deoxyribonucleic acid), een nucleïnezuur met desoxyribose in de nucleotiden. In een DNA-molecule kunnen vier verschillende nu- cleotiden voorkomen, afhankelijk van de aard van de base.  Ruimtelijke structuur van DNA DNA is opgebouwd uit twee afzonderlijke ketens van aaneengeschakelde nucleotiden. Deze twee ketens zijn met elkaar gebonden (d.m.v. waterstofbruggen) ter hoogte van de orga- nische basen (A, T, C en G) waardoor de vorm van de molecule vergeleken kan worden met een touwladder. Deze ‘ladder’ is vervolgens om zijn lengteas gedraaid. We noemen deze ruimtelijke vorm een dubbele helix. De volgorde van de basen op de nucleotidenketens heeft geen vaste regelmaat, maar elke base kan slechts met één andere base binden. Zo vormen de basen A en T en de basen C en G een complementair basenpaar. DNA heeft dus een complementaire structuur DNA heeft ook een antiparallelle structuur. Als je de twee nucleotidenketens van boven naar onder bekijkt, valt het op dat ze ten opzichte van elkaar tegengesteld georiënteerd zijn. We zeggen dat de twee ketens antiparallel zijn. Dit wil zeggen dat de nucleotiden in de ketens zo gericht zijn dat de ene streng 5’ → 3’ georiënteerd is en de complementaire streng 3’ → 5’. De naamgeving van deze oriëntatie is afgeleid van de nummering van de C-atomen van desoxyribose.  In 1953 slaagden James Watson en Francis Crick erin om de ruimtelijke structuur van DNA op te helderen. Voor deze verwezenlijking ontvingen ze later de Nobelprijs. HOOFDSTUK 1Genetisch materiaal en celcyclus 2 1.3. DNA, genen en het genoom De basensequentie in een DNA-molecule vormt een code. Een DNA-fragment dat de code bevat voor de aanmaak van één eiwit noemen we een gen. Het zijn de eiwitten die de structuur en de werking van een cel bepalen. Het is door de vorming van eiwitten, dat de erfelijke eigenschappen tot uiting kunnen komen. Het geheel aan erfelijke informatie dat in een organisme voorkomt, alle genen dus, noemt men het genoom van dat organisme. 1.4. Andere nucleïnezuren in een cel In onze cellen komt nog een ander belangrijk nucleïnezuur voor, namelijk RNA ofwel ribonucleïnezuur (Eng. ribonucleic acid). RNA is, net zoals DNA, opgebouwd uit nucleo- tiden. De drie componenten van een RNA-nucleotide zijn:  1 monosacharide: ribose  1 fosfaatgroep: PO43-  1 organische base: uracil (U), adenine (A), guanine (G) of cytosine (C) De base thymine komt niet voor bij RNA maar wordt vervangen door uracil. Hieruit volgt dat bij RNA naast C en G ook A en U complementaire basen zijn. In tegenstelling tot DNA is een RNA-molecule enkelstrenging. Het bestaat uit 1 keten van honderden tot duizenden nucleotiden. RNA heeft dus ook een duidelijke 5’ → 3’ oriën- tatie. Een RNA-molecule kan ruimtelijk opgevouwen zijn als er basenparing optreedt tussen de complementaire basen. Er zijn verschillende types RNA aanwezig in een cel. Elk type heeft een eigen specifieke functie. HOOFDSTUK 1Genetisch materiaal en celcyclus 3 2. De celcyclus 2.1. Het leven van een cel Elke cel doorloopt een celcylus. Je kan deze cyclus beschouwen als de levensloop van een cel. Een moedercel doorloopt een volledige celcyclus en splitst zich in twee dochtercellen. Deze dochtercellen worden op hun beurt moedercellen die ook de volledige cyclus doorlopen, enz. De duur van de celcyclus kan sterk variëren afhankelijk van het type cel en de omstan- digheden. Huidcellen, darmcellen en levercellen hebben een relatief korte celcyclus. Deze celtypes delen zich soms al na één dag. De zenuwcellen in onze hersenen of bepaalde cellen in onze nieren hebben we daarentegen al ons hele leven. De celcyclus bestaat uit twee grote fasen: de interfase en de delingsfase. Tijdens de interfase voert een cel haar functies uit en bereidt ze zich voor op de celdeling. 2.2. Genetisch materiaal tijdens de interfase De manier waarop DNA in de cel verpakt zit hangt af van het moment in de celcyclus. Tijdens de interfase zit DNA verpakt in de vorm van chromatine. Chromatine of chro- matinevezels zijn erg fijne, draderige structuren. Het is opgebouwd door DNA rond gespe- cialiseerde eiwitten of histonen te wikkelen. Hierdoor worden de erg lange DNA-moleculen compacter waardoor ze efficiënt in de nucleus opgeborgen kunnen worden. Chromatine komt voor in twee verschillende vormen:  Euchromatine is losser en minder compact verpakt. Het bevat genen die belangrijk zijn voor de cel, het wordt actief DNA genoemd. Door de losse structuur is het mogelijk om deze genen te decoderen. Euchromatine heeft een lichte kleur op sub- microscopische beelden. HOOFDSTUK 1Genetisch materiaal en celcyclus 4   Heterochromatine is veel compacter doordat de histonen dichter bij elkaar lig- gen. Het bevat genen die niet relevant zijn voor de cel. Ze worden dan ook niet gedecodeerd, we spreken over inactief DNA. Heterochromatine heeft een donkere kleur op submicroscopische beelden. 2.3. Verloop van de interfase De interfase is de periode tussen twee celdelingen. Het is steeds de langste fase van de celcyclus. Het is de fase waarin een cel haar celfunctie(s) uitvoert, groeit en zich voorbereid op de celdeling. De interfase kan worden onderverdeeld in drie opeenvolgende deelprocessen.  G1-fase Gedurende de G1-fase (Eng. “gap”) worden de dochtercellen uit een vorige celdeling op- nieuw net zo groot als de moedercel door toename van het cytoplasma. De cel bereidt zich voor op de volgende stappen van de celcyclus door grote hoeveelheden proteïnen (door de genen die gedecodeerd worden voor de werking van de cel) en nucleotiden aan te maken.  S-fase Tijdens de S-fase of synthesefase gebeurt er DNA-replicatie. Het DNA in de celkern wordt verdubbeld of gekopieerd als voorbereiding op de celdeling. De DNA-replicatie is noodzakelijk om beide dochtercellen evenveel en identiek genetisch materiaal te kunnen meegeven. HOOFDSTUK 1Genetisch materiaal en celcyclus 5   G2-fase De G2-fase is belangrijk omdat er een controle en eventuele reparatie wordt uitgevoerd op het nieuw gevormde DNA. Gespecialiseerde proteïnen speuren in beide DNA-strengen fouten in de basenvolgorde op en rekruteren andere proteïnen die instaan voor het herstel. Als de DNA-schade te groot is, dan treedt meestal apoptose op. Die geprogrammeerde celdood voorkomt dat de cel zou ontsporen tot een kankercel.  Ook op andere momenten doorheen de celcyclus zijn er controlemomenten waarop wordt gecon- troleerd of de celcyclus normaal verloopt. De controlemechanismen die hier voor verantwoordelijk zijn kunnen de cyclus stilleggen indien nodig. Tijdens de G2-fase zal de cel zich ook voorbereiden op de celdeling door bijvoorbeeld extra membraanmateriaal aan te maken om de twee toekomstige dochtercellen te voorzien van een celmembraan.  G0-fase Cellen die zich (tijdelijk) niet meer delen en enkel nog hun celfunctie uitvoeren, verlaten de celcyclus en bevinden zich in de G0-fase. Sommige cellen kunnen na verloop van tijd, onder invloed van bepaalde extracellulaire omstandigheden of intracellulaire signalen, terugkeren naar de G1-fase. Zenuwcellen (neuronen) delen zich vanaf de geboorte vrijwel niet meer. Ook spiercellen kunnen vele jaren in een G0-fase verkeren.  Lymfocyten, de witte bloedcellen die instaan voor onze immuniteit, kunnen zich ook in de G 0-fase bevinden. Ze kunnen terugkeren naar de G1-fase na contact met een vreemd antigen. 2.4. Verloop van DNA-replicatie Tijdens de S-fase van de interfase is het belangrijk dat het aanwezige DNA in de moedercel nauwgezet gekopieerd wordt om het vervolgens te kunnen verdelen over de dochtercellen. Dit kopieerproces heet DNA-replicatie. HOOFDSTUK 1Genetisch materiaal en celcyclus 6 Door het openbreken van de dubbele helix kan aan elke oude streng, één nieuwe comple- mentaire streng gebouwd worden. Hierdoor ontstaan twee identieke nieuwe DNA-mo- leculen die overigens ook identiek zijn aan de oorspronkelijke DNA-molecule. Elke nieuwe molecule bestaat steeds uit één oude en één nieuwe streng, men spreekt van een semi- conservatief proces. DNA-replicatie is een complex proces dat door een heel arsenaal van enzymen gestuurd wordt. Hieronder wordt de werking van een aantal cruciale enzymen uit het proces toege- licht.  STAP 1: Het enzym DNA-helicase ontwindt de dubbele helix, door de waterstof- bruggen tussen de complementaire basenparen te verbreken. Er ontstaat een replicatielus. De dubbele helix wordt op meerdere plaatsen tegelijk ontwonden waardoor de DNA- replicatie op meerdere plaatsen tegelijk kan starten. Dit is nodig omdat de replicatie anders veel te veel tijd in beslag zou nemen.  STAP 2: Het enzym primase vormt een primer. Dat is een kort stukje RNA dat complementair is aan het opgeritste DNA.  STAP 3: DNA-polymerase-enzymen zorgen voor de aanmaak van een nieuwe nu- cleotidenketen die complementair is aan de oude. Deze enzymen kunnen enkel een bestaande nucleotidenketen verlengen. De primer doet dus dienst als startpunt voor DNA-polymerase. De opbouw van de nieuwe nucleotidenketen kan slechts in 1 richting gebeuren, namelijk van 5’ naar 3’. Omdat de opengeritste strengen een antiparallelle oriënta- tie hebben, zullen deze enzymen op beide oude strengen in tegengestelde richting werken. Aan de oude 3’ → 5’-streng zal DNA-polymerase zonder onderbreking, continu, nieuwe nucleotiden koppelen. Daarom noemen we deze nieuwe streng de leidende streng of snelle streng. Aan de oude 5’ → 3’-streng zal DNA-polymerase werkzaam zijn in de tegenoverge- stelde richting waarin DNA-helicase de dubbele helix openritst. Hierdoor zal de HOOFDSTUK 1Genetisch materiaal en celcyclus 7  nieuwe streng in afzonderlijke fragmenten, zogenoemde Okazaki-fragmenten, discontinu aangemaakt worden. Dit is de trage streng of achterblijvende streng. Op de trage streng zullen bijgevolg dus ook meerder primers gemaakt worden.  STAP 4: De RNA-primers worden verwijderd door het enzym ribonuclease en ver- vangen, door het enzym DNA-polymerase, door DNA-nucleotiden.  STAP 5: Tot slot worden de afzonderlijke, nieuwe fragmenten aan elkaar geplakt door het enzym DNA-ligase. Dat enzym zal de suikerfosfaatruggengraten van de afzonderlijke fragmenten met elkaar verbinden. 2.5. Genetisch materiaal tijdens de delingsfase Wanneer een cel zich gaat delen, zullen de chromatinevezels nog veel compacter worden. Het is immers veel makkelijker om het DNA over beide dochtercellen te verdelen wanneer het sterk gecompacteerd is dan wanneer het als warrig netwerk van chromatinedraden voorkomt. Aan het begin van de delingsfase wordt elke chromatinevezel gespiraliseerd of in lussen geplooid, die lussen worden op hun beurt sterk opgerold of gecondenseerd. De twee identieke chromatinevezels, gevormd tijdens de DNA-replicatie, worden gecom- pacteerd tot één chromosoom. Chromosomen zijn zichtbaar met een lichtmicroscoop en zijn doorgaans X-vormig. De twee identieke helften worden nu zusterchromatiden ge- noemd, ze zitten aan elkaar vast ter hoogte van het centromeer. Het centromeer bepaalt in belangrijke mate de vorm van het chromosoom. HOOFDSTUK 1Genetisch materiaal en celcyclus 8 Tijdens de celdeling zullen de zusterchromatiden uit elkaar getrokken worden waardoor beide dochtercellen een identieke kopie ontvangen. Aan de uiteinden van chromosomen bevinden zich telomeren. Deze uiterste stukjes DNA bevatten geen genen en coderen dus niet voor proteïnen, maar hebben een bescher- mende functie. Bij elke celdeling wordt een chromosoom een beperkt aantal basenparen korter. Door de aanwezigheid van de telomeren gaat geen genetische informatie verloren, maar wordt enkel het telomeer korter. Wetenschappers bestuderen het verband tussen veroudering en het korter worden van de telomeren.  Aan het eind van de DNA-replicatie zal van elke streng een stukje niet gekopieerd worden doordat de trage streng op zijn 5’-uiteinde eindigt op een primer. Deze primer kan niet vervangen worden door DNA-nucleotiden. Dit zorgt ervoor dat het aantal keer dat een cel zich kan delen beperkt is tot zo’n veertig tot zestig keer. Er bestaan echter cellen waarbij de telomeren niet korter worden en het aantal celdelingen niet beperkt is. Dat is zo bij de kiemcellen waaruit eicellen en zaadcellen ontstaan, bij stamcellen en bij heel wat kankercellen. Die cellen bezitten een enzym, telomerase, die de telomeren na elke celdeling opnieuw herstelt. 2.6. Aantal chromosomen en karyogram Tijdens de celdeling is het mogelijk om een foto te maken van de chromosomen en de afbeeldingen te rangschikken volgens grootte en vorm. Op die manier bekom je een chro- mosomenkaart of karyogram. Elk soort organisme heeft een karakteristiek aantal chromosomen, bij de mens is dat 46. Dit noemen we het diploïde aantal en stellen we symbolisch voor als 2n. Voor de mens geldt dus dat diploïde cellen 46 chromosomen hebben. Diploïde cellen zijn bij de mens altijd somatische cellen of lichaamscellen. Eicellen en zaadcellen, kortweg geslachtscellen of gameten, bevatten slechts 23 chromo- somen. Dit is het haploïde aantal en wordt symbolisch voorgesteld als n. Tijdens de bevruchting versmelten twee gameten waardoor er een diploïde zygote ontstaat met 46 chromosomen. We kunnen deze 46 chromosomen verdelen in 23 homologe chromosomenparen. Elk paar bestaat uit één chromosoom van de vader en een homoloog chromosoom van de HOOFDSTUK 1Genetisch materiaal en celcyclus 9 moeder. ’Homoloog’ wil zeggen dat de chromosomen een gelijkaardige vorm en grootte hebben, maar ook dat ze genen voor dezelfde kenmerken dragen. De informatie in die genen is echter niet altijd identiek. Deze 23 homologe paren kunnen verder onderverdeeld worden in 22 paar autosomen en 1 paar heterosomen of geslachtschromosomen. De geslachtschromosomen worden altijd als laatste weergegeven op een karyogram. Deze chromosomen bepalen het ge- slacht. Vrouwen hebben twee homologe X-chromosomen terwijl mannen één X-chromo- soom en één Y-chromosoom hebben. Deze chromosomen zijn niet homoloog aangezien het X-chromosoom groter is dan het Y-chromosoom en dus ook meer (en andere) genen bevat.  De benaming X- en Y-chromosoom heeft, in tegenstelling tot wat heel vaak gedacht wordt, niks te maken met de vorm van het chromosoom. Het Y-chromosoom heeft net zoals elk ander chro- mosoom een X-vorm. Oefeningen 1. Benoem de genummerde onderdelen. 2. Rangschik onderstaande structuren van klein naar groot. chromatine – DNA – nucleotide – chromosoom – desoxyribose – gen 3. Meerkeuze: (a) De oriëntatie 5’ → 3’ in de ketens van DNA wordt bepaald door ❑ de O-atomen van de fosfaatgroep. ❑ de C-atomen van desoxyribose. ❑ de N-atomen van de organische basen. ❑ de C-atomen van de organische basen. HOOFDSTUK 1Genetisch materiaal en celcyclus 10  (b) DNA heeft een antiparallelle structuur. Dat betekent dat ❑ A tegenover T ligt en G tegenover C. ❑ er H-bruggen zijn tussen de complementaire basen. ❑ er twee nucleotidenketens met elkaar gebonden zijn. ❑ de oriëntatie van de suiker-fosfaatruggengraten tegengesteld is. (c) Wat bedoelt men met ‘een cel is 2n’? ❑ De cel heeft chromosomen met twee chromatiden. ❑ De cel heeft twee paar chromosomen. ❑ De cel heeft twee chromosomen. ❑ De cel heeft n paren chromosomen. 4. Welke fouten bevat deze schematische voorstelling van een stuk DNA? Leg uit. 5. Is de stelling juist of fout? Verduidelijk je keuze. “Euchromatine is een gecompacteerde vorm van DNA waarbij histonen erg dicht bij elkaar zitten waardoor het decoderen van dit DNA moeilijk is.” 6. Zet onderstaande gebeurtenissen uit de celcyclus in chronologische volgorde. Geef tel- kens de naam van de fase waarin deze gebeurtenissen plaatsvinden. (a) Aanmaak van extra membraanmateriaal (b) Werking van DNA-helicase (c) Aanmaak van extra nucleotiden (d) Controle en herstel van DNA (e) Vorming van Okazaki-fragmenten (f) Toename van het cytoplasma (g) Werking van DNA-ligase HOOFDSTUK 1Genetisch materiaal en celcyclus 11 7. Tijdens de DNA-replicatie wordt de oude DNA-streng opgesplitst in een snelle en een trage streng. Verduidelijk de reden voor dit tempoverschil. 8. Geef het passende begrip bij de volgende omschrijvingen. (a) de twee chromatiden van een chromosoom (b) de plaats waar twee chromatiden verbonden zijn (c) x- en y-chromosoom (d) chromosomen met gelijkaardige vorm en grootte en (e) met informatie over dezelfde kenmerken (f) chromosomenkaart HOOFDSTUK 1Genetisch materiaal en celcyclus 12