Moleculaire genetica studiewijzer 4 atheneum domein C1 (gedeeltelijk), C3 (gedeeltelijk en D5 (gedeeltelijk) Overzicht leerstof Chromosomen Gebruik Binas of Biodata Chromosomen Bestaan uit DNA Bij alle organismen op dezelfde manier gebouwd. Alleen volgorde en aantal van de nucleotiden is anders. Volgorde nucleotiden = genetische code Genetische code --> erfelijke eigenschappen. Bepaalt welke eiwitten door de ribsomen gemaakt worden. Zitten in de kern (behalve bij bacteriën). Komen meestal in paren voor. Eén afkomstig van vader, één afkomstig van moeder. 2n per kern = diploïd. Bij mens 2n = 46 Bij geslachtscellen n (halve aantal) per kern = haploïd. Genetische vingerafdruk (DNA fingerprint) Basenvolgorde van (een deel van) het DNA wordt bepaald - DNA-sequencen. Nodig kleine hoeveelheid cellen Bijvoorbeeld uit: druppel bloed; speeksel; haar; sperma. Isoleren van het DNA uit de cellen. Zuivering en vermeerdering van DNA via PCR methode (Polymerase Chain Reaction). DNA wordt in in kleine stukjes verdeeld . Met behulp van speciale enzymen. Restrictie-enzymen. De stukjes DNA worden gescheiden op grootte (gel electoforese). Bij fingerprint wordt specifiek DNA bekeken: het niet-coderend DNA (wordt ook wel junk-DNA genoemd). Korte stukjes DNA met 2 tot 10 nucleotiden (short tandem repeats). Stukjes bevatten zich herhalende code, bijvoorbeeld: AATCAATCAAATCAAATCAAT Plaats in het DNA en de lengte van de stukjes verschillen per individu. Genen Gen (genen) Stukje van het DNA dat de informatie bevat voor de vorming van een eiwit. Eiwitten zijn bouwstoffen van de cel. Een groot deel van de eiwitten werkt als enzym (reactieversnellers). Regelt via enzymen de processen in de cel. Er wordt kopie gemaakt van het gen. Kopie is RNA. RNA gaat door de kernmembraan naar ribosoom in cytoplasma. Ribosoom leest RNA af. Aminozuren worden in bepaalde volgorde aan elkaar gekoppeld --> eiwit Allel (allelen) Bepaald gen kan verschillende vormen hebben. In cel twee chromosomen met genen voor dezelfde erfelijke eigenschappen. Homologe chromosomen. Eén afkomstig van moeder, één van vader. Genen op die chromosomen kunnen verschillende van samenstelling zijn. Er kunnen andere de nucleotiden in zitten. Een allel is dus een variant van een gen. DNA en RNA Gebruik Binas of Biodata DNA = desoxyribonucleïnezuur (acid) Overzicht animaties en afbeeldingen moleculaire genetica De bouw van het DNA Afbeelding DNA Dubbele streng nucleotiden in spiraal (dubbele helix). Nucleotide bestaat uit: desoxiribose (een mono-sacharide); een fosfaatgroep; één van de organische stikstofbasen: adenine (A) thymine (T) guanine (G) cytosine (C). De twee ketens van het DNA zijn met elkaar verbonden met waterstofbruggen tussen de basen. Adenine <--> Thymine Guanine <--> Cytosine Drie opeenvolgende basen vormen een triplet (codon). Triplet bepaalt welk aminozuur in een eiwit ingebouwd wordt. Volgorde van de tripletten bepaalt in welke volgorde de verschillende aminozuren aan elkaar gekoppeld worden en dus welke structuur het eiwit krijgt. Eén keten vormt de template streng, de andere keten de coderende streng. RNA = ribonucleïnezuur Afbeelding RNA Vergelijking RNA-DNA Enkele streng nucleotiden. Nucleotide bestaat uit: ribose (een mono-sacharide); een fosfaatgroep één van de organische stikstofbasen: adenine (A) uracil (U) in plaats van thymine (T) guanine (G) cytosine (C). Typen RNA Messenger-RNA (mRNA) Is een kopie van een deel van het DNA (van een gen) Brengt de genetische code over naar het ribosoom. Bestaat alleen uit de exons. Transfer-RNA (tRNA) Zorgt voor transport van aminozuur naar het ribosoom. Bevat één triplet. Triplet (anticodon) bepaalt aan welk deel van het mRNA het gebonden wordt. A <--> U G <--> C Ieder tRNA molecuul vervoert specifiek één bepaald aminozuur. Eiwitsynthese Gebruik Binas of Biodata Overzicht animaties en afbeeldingen moleculaire genetica Eiwitsynthese (vorming van eiwitten) Transcriptie Afbeelding transcriptie Er wordt RNA gemaakt van een deel (gen) van één streng van het DNA. Het mRNA dat zo ontstaat verlaat de kern via de poriën in de kernmembraan en gaat naar een ribosoom in het cytoplasma. voor de translatie. Translatie Afbeelding translatie mRNA wordt door het ribosoom afgelezen. tRNA voert aminozuren aan. Anticodon van tRNA koppelt aan een triplet (codon) van het mRNA. De aminozuren worden aan elkaar gekoppeld (peptidebindingen). Gevormde eiwitten worden afgegeven aan het ruw endoplasmatisch reticulum. Verdere bewerking eiwitten. Via (membraan) blaasjes worden de eiwitten vervoerd naar Golgi-systeem. De eiwitvorming start vanuit het startcodon. Er is één startcodon in het mRNA. Het triplet AUG). AUG codeert ook voor een aminozuur (methionine). De eiwitvorming eindigt als in het mRNA een stopcodon zit. Er zijn drie verschillende stopcodons (UAA, UAG en UGA). De stopcodons coderen niet voor aminozuren. Celcyclus G1-fase Toename hoeveelheid cytoplasma en bijmaken van celorganellen. Transcriptie en translatie. S-fase Maken van nieuw DNA (replicatie) Van ieder chromosoom wordt een kopie gemaakt. De twee strengen DNA (chromatiden) blijven met elkaar verbonden door het centromeer G2-fase Toename van cytoplasma. Transcriptie en translatie. Mutaties Mutatie - verandering in het DNA Komen spontaan voor. Bijvoorbeeld door fout bij de replicatie. Kunnen veroorzaakt worden: door straling. Bijvoorbeeld: radioactieve straling; röntgenstraling. door bepaalde stoffen (mutagene stoffen). Bijvoorbeeld: teer (sigaretten); asbest. Kleine mutatie (puntmutatie) Wordt ook SNP genoemd (Single Nucleotide Polymorphisms). Verandering van één nucleotide. Nucleotide is vervangen (substitutie). Nucleotide is verwijderd (deletie). Nucleotide is toegevoegd (suppletie). Puntmutaties in het junk-DNA hebben weinig gevolgen voor het fenotype. Puntmutaties in het coderend deel van het DNA kunnen wel grote gevolgen hebben. Gevolgen van deletie en suppletie zijn over het algemeen groter dan die van substitutie. Grote mutatie (chromosoommutatie) Veranderingen in grotere delen van het chromosoom. Chromosoom of deel vanchromosoom te veel (suppletie). Chromosoom of deel vanchromosoom te weinig (deletie). Deel van een chromosoom gaat vast zitten aan ander chromosoom (translocatie). Chromosoommutaties zijn meestal schadelijk. Celspecialisatie Genregulatie Celspecialisatie en differentiatie Alle cellen in een organisme bevatten hetzelfde DNA. Niet gespecialiseerde cellen heten stamcellen. Uit stamcellen kunnen gespecialiseerde cellen ontstaan. Celspecialisatie ontstaat doordat: in een cel niet alle in een genen worden afgelezen. Er zijn bepaalde genen ingeschakeld en andere juist weer uitgeschakeld. Regeling activiteiten in de cel Meestal door stoffen die van buiten de cel komen. Hormonen (via het bloed). Signaalstoffen van cellen uit de directe omgeving (inductie). Celspecialisatie wordt gestuurd door regelgenen. Regelgenen hebben ook invloed op elkaar. De celspecialisatie begint tijdens de groei van een embryo. Veroudering Er lijkt verband te bestaan met schade aan het DNA. Bij de celstofwisseling ontstaan stoffen (zuurstofradicalen) die daarbij betrokken zijn. Beschadigd DNA wordt voortdurend gerepareerd, maar de reparatie is niet feilloos. Hoe ouder men wordt, hoe meer schade aan het DNA. Toepassing kennis Verbeteren eigenschappen Ongeslachtelijke voortplanting Wordt toegepast als: nakomelingen precies dezelfde erfelijke eigenschappen moeten hebben. Er ontstaat een kloon klonen kunnen ontstaan door: knollen en bollen uit te planten. planten te stekken. een weefselkweek te maken. bij dieren o.a. door delende eicel te splitsen. Kloneren Reproductief klonen Klonen met de bedoeling om genetisch identieke nakomelingen te krijgen. Verboden bij mensen. Therapeutisch klonen Klonen met de bedoeling om lichaamscellen te produceren die kunnen helpen bij de genezing van ziekten. In experimenteel stadium. Embryo laat men ontwikkelen tot een bepaald stadium. Stamcellen worden verwijderd. Stamcellen worden verder gekweekt tot een bepaald celtype. Gevormde cellen worden in het lichaam van de patiënt gebracht. Het kloneren van menselijke embryo's ter verkrijging van stamcellen of voor onderzoek is in Nederland voorlopig verboden Klassieke veredelingstechnieken Geslachtelijke voortplanting Wordt toegepast om: nieuwe combinaties van erfelijke eigenschappen te krijgen = recombinatie. Twee geslachtscellen met verschillend DNA versmelten met elkaar --> nieuwe combinatie. Veredelen Kruisen van planten/dieren met bepaalde eigenschappen. Uitzoeken individuen met gewenste eigenschap = selecteren. Deze individuen onderling kruisen = fokken (bij dieren) en kweken (bij planten). Nadeel: verlies aan genetische variatie. Kwetsbaarder voor ziektes. Verlies van bepaalde genencombinaties. Kunnen alleen met veel moeite opnieuw verkregen worden. Oplossing: inrichten van zogenaamde genenbanken (opslagplaats van zaden). Moderne veredelingstechnieken Genetische modificatie (genetische manipulatie) wijziging van DNA door: Mutatie op te wekken door bijv straling of mutagene stoffen. Celfusie: twee cellen van verschillende soorten dieren laat men versmelten tot één cel (de hybridecel). Zo kunnen nieuwe soorten organismen ontstaan. Voorbeeld: de scheit. Dit dier is een combinatie van een schaap en een geit . Recombinant-DNA-techniek: "vreemde" genen in te bouwen in (ei)cel. Een stukje DNA van een cel (donorcel) wordt overgebracht in een andere cel (gastheer cel) van een ander soort organisme. Eigenschappen van verschillende soorten organismen worden dus gecombineerd. --> Transgene organismen Voordelen Jarenlang kruisen is niet meer nodig (tijdwinst). Er worden nieuwe soorten gevormd met voor ons gunstige eigenschappen. Dieren worden meer geschikt om organen voor transplantatie te leveren. Nadelen Minder genetische variatie --> kwetsbaarder als bepaalde ziekte uitbreekt. Verspreiding van de eigenschap onder in het wild voorkomende soorten (door toevallige kruising). Gevaar dat meer bestrijdingsmiddelen gebruikt gaan worden omdat de gekweekte plant daar resistent tegen gemaakt is. Onder andere toegepast bij: bacteriën voor o.a. wasmiddelen medicijnen en hormonen (o.a. insuline) zuivering van afvalwater productie van voedsel Onderzoek Stamcelonderzoek Stamcel is een cel die nog ongedifferentieerd is. Heeft delingsvermogen. Kan nog uitgroeien tot allerlei typen cellen. Stamcellen kunnen worden gekweekt. Afkomstig van: patiënt zelf. van donor. Worden als stamcel in het lichaam (terug)gebracht. Voorbeelden van mogelijke toepassingen: stamcellen uit het oog voor herstel van het hoornvlies. stamcellen uit beenmerg om door chemotherapie beschadigde cellen te vervangen. Onderzoek kan met: embryonale stamcellen (afkomstig van materiaal dat overblijft na IVF). volwassen stamcellen. Bijvoorbeeld: beenmergcellen. cellen uit navelstreng bloed. Behandeling (stamceltransplantaties) mag alleen met volwassen stamcellen. © scholte/marree 2009