Thema 1
Thema 1
Thema 1
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Thema</strong> 1<br />
jij en je genen<br />
6<br />
intro<br />
Een ontroerende familiefoto met veel vragen<br />
De zussen Kris en Elisabeth verloren hun moeder en hun zus door borstkanker. Zelf hebben<br />
ze de ziekte ook gehad, maar ze werden met succes behandeld. Blijkbaar ‘zit’ de ziekte ‘in de<br />
familie’. De vraag die zich nu opdringt is of de dochters van de zussen ook borstkanker zullen<br />
krijgen. Hoe groot is de kans daarop? Wat zijn de opties als het gebeurt? Moeten de kinderen<br />
al op jonge leeftijd getest worden? Als de genetische test uitwijst dat de kinderen inderdaad<br />
een verhoogde kans op borstkanker hebben, moet dat dan ook aan hen meegedeeld worden en<br />
zo ja: wanneer dan wel? Zijn er misschien middelen om de ontwikkeling van de kanker te voorkomen,<br />
ondanks de slechte samenstelling van hun genen? Dit is het soort vragen dat gesteld<br />
wordt op een consultatie menselijke genetica. Kennis van de genetica kan vragen beantwoorden,<br />
maar roept er ook veel op.<br />
Nogal wat aandoeningen worden veroorzaakt door een fout in de erfelijke informatie in de cellen<br />
van de patiënt: een fout in één of meer genen. Een gen is opgebouwd uit een stof die DNA<br />
heet en die te vinden is in de kern van onze cellen. Meestal bevat het een ‘recept’, een ‘bouwplan’<br />
voor een bepaald eiwit in onze cellen. Als er in het ‘bouwplan’ een fout staat, gebeurt de<br />
bouw van het ‘product’ – het eiwit dus – niet zoals het hoort, en vaak heeft dat ernstige gevolgen.<br />
Vaak erf je dergelijke fouten over nadat ze al generaties lang ‘doorgegeven’ zijn, maar ze<br />
kunnen ook plots ontstaan, door een ‘vergissing’ bij de vorming van geslachtscellen of onder<br />
invloed van de omgeving. We noemen ze dan mutaties.<br />
inkijkexemplaar<br />
Bij Kris en Elisabeth staat er een fout in het zogenaamde BRCA1-gen. Het eiwit dat op basis van<br />
dat gen gevormd wordt moet cellen een halt toeroepen als ze zich voldoende gedeeld hebben.<br />
Het lichaam groeit door het aanmaken van nieuwe cellen in de celdeling. Als een lichaamsdeel<br />
volgroeid is, moet de celdeling natuurlijk stoppen. Dat gebeurt door toedoen van eiwitten die<br />
de cel maakt op basis van genen zoals BRCA1. Bevat zo’n gen een fout, dan gebeurt ook de regeling<br />
van de celdeling niet correct: de cel blijft onbeperkt delen en er ontstaat een tumor. Er<br />
ontstaat een vorm van borstkanker die, in tegenstelling tot vele andere vormen, erfelijk is.
DNA<br />
BRCA1-eiwit<br />
een cel in de borst<br />
microscopische<br />
tumor<br />
BRCA1-gen<br />
grote tumor,<br />
duidelijk zichtbaar<br />
bij mammografie<br />
erfelijk materiaal<br />
bevat informatie over een...<br />
verliest bij foute constructie de<br />
controle over de deling van...<br />
cellen<br />
lichaam<br />
In de genetica kijken we naar de samenstelling van genen (DNA)<br />
en de eiwitten die op basis van de informatie in die genen gemaakt<br />
worden. Als er een fout voorkomt in de informatie, wordt<br />
een bepaald eiwit niet op de correcte manier samengesteld en<br />
wordt een bepaalde lichaamsfunctie niet naar behoren vervuld.<br />
In dit voorbeeld verliest een cel de controle over haar celdeling<br />
door een fout in het BRCA1-gen. Daardoor kan ze zich tot een<br />
tumor ontwikkelen.<br />
Genen worden door ouders aan hun kinderen doorgegeven via de geslachtscellen waaruit die<br />
kinderen ontstaan. Die geslachtscellen worden gevormd door een speciale celdeling: de meiose.<br />
De genen van de ouders worden daarbij in twee gelijke groepen verdeeld over twee cellen.<br />
Kennis van dat mechanisme helpt de wetmatigheden van de erfelijkheid te begrijpen: het<br />
helpt je de kans te berekenen waarmee je een bepaald kenmerk van je ouders overerft. De kans,<br />
bijvoorbeeld, dat de dochters van Kris en Elisabeth het foutieve BRCA1-gen van hun moeder<br />
overerven en daardoor een verhoogd risico lopen op de ontwikkeling van borstkanker.<br />
inkijkexemplaar<br />
7
8<br />
1 erfelijke kenmerken<br />
Gelukkig is de informatie die genen bevatten lang niet altijd zo kritiek<br />
dat een foutje levensbedreigend is. Ook veel alledaagse kenmerken<br />
worden door je genen bepaald: of je een meisje of een jongen<br />
bent, welke kleur je ogen hebben, of je oorlellen al dan niet<br />
vastzitten aan je hoofd, welke vorm je haarlijn heeft … Genen bepalen<br />
je bloedgroep, bepalen of je bepaalde stoffen kan ruiken of<br />
proeven, of je je tong kan oprollen … De lijst is haast eindeloos.<br />
Maar niet al je kenmerken worden door je genen bepaald – of toch<br />
niet helemaal. Zo zijn de mensen in de geïndustrialiseerde landen<br />
de laatste honderd jaar gemiddeld een 15-tal centimeter langer<br />
geworden, en dat heeft alles te maken met onze verbeterde levensomstandigheden,<br />
niet met een verandering in onze genen.<br />
Een ander mooi voorbeeld is huidskleur: ook al is die voor een deel<br />
erfelijk bepaald, iedereen weet dat je ze kan beïnvloeden door te<br />
zonnen. Zo gaat het met veel kenmerken: ze zijn niet alleen het<br />
resultaat van de samenstelling van je genen, maar ook van omgevingsfactoren.<br />
Er zijn twee grote verschillen tussen kenmerken die door je genen<br />
bepaald worden en kenmerken die door je omgeving bepaald worden.<br />
Ten eerste kan je bij een volledig erfelijk bepaald kenmerk (in eenvoudige gevallen) precies<br />
de kans berekenen dat de kinderen van een bepaald koppel het zullen vertonen – als je<br />
voldoende gegevens hebt over de ouders tenminste. Stel dat een man en een vrouw drager<br />
zijn van mucoviscidose (zie module 1, p. 88). Nog voor er sprake is van kinderen, kan<br />
je berekenen dat er voor elk kind van dit koppel 1 kans op 4 is dat het muco zal hebben.<br />
De kans dat een kind een niet-genetisch bepaalde ziekte zal krijgen (een infectieziekte<br />
bijvoorbeeld) kan je natuurlijk niet berekenen met alleen de genetische gegevens van de<br />
ouders.<br />
Ten tweede kan je van een individueel kind in principe al van bij de geboorte of zelfs<br />
nog daarvoor, tijdens de zwangerschap, bepalen of het bepaalde erfelijke kenmerken (bv.<br />
mucoviscidose) zal ontwikkelen. Dat komt omdat de genen in kwestie al vanaf de bevruchting<br />
in alle cellen van het lichaam aanwezig zijn. Dat geeft natuurlijk aanleiding tot<br />
moeilijke ethische discussies: heeft het zin iemand te informeren dat hij jaren later een<br />
bepaalde ziekte zal ontwikkelen als er voor die ziekte nog geen therapie bestaat? Wat<br />
doen werkgevers of verzekeraars met dit soort informatie?<br />
Voor een niet of maar gedeeltelijk erfelijk kenmerk als intelligentie kan je zo’n kans niet<br />
zwart op wit berekenen.<br />
Om te bepalen of een kenmerk erfelijk is, kan je twee wegen bewandelen.<br />
Je kan de stamboom bestuderen van families waarin het kenmerk voorkomt. Op de stamboom<br />
van de familie in de intro kan je duidelijk vaststellen dat het defecte BRCA1-gen<br />
door de moeder doorgegeven werd aan haar drie dochters.<br />
I<br />
II<br />
Elizabeth Kris<br />
III ? ?<br />
De vaardigheden van je tong<br />
of de vorm van je oor: het is allemaal<br />
genetisch bepaald.<br />
inkijkexemplaar<br />
In een stamboom worden vrouwen voorgesteld door een<br />
cirkel, mannen door een vierkant. Ouders worden met elkaar<br />
verbonden via een horizontale lijn, broers en zussen via een<br />
vork. De symbolen van individuen met een bepaalde aandoening<br />
worden meestal gearceerd of ingekleurd.<br />
Op deze stamboom zie je dat de moeder van Elizabeth en Kris<br />
haar defecte BRCA1-gen doorgegeven heeft aan haar drie<br />
dochters. De kans bestaat dat Elizabeth en Kris het aan hun<br />
dochters doorgeven.
De tweede weg is het bestuderen<br />
van tweelingen. Daarbij wordt<br />
nagegaan hoe vaak een kenmerk<br />
voorkomt bij de twee leden van<br />
tweelingen. Als een kenmerk vaker<br />
voorkomt in de twee leden van een<br />
eeneiige tweeling (die per definitie<br />
genetisch identiek zijn) dan in<br />
de twee leden van een twee-eiige<br />
tweeling (die genetisch niet meer<br />
overeenkomsten vertonen dan willekeurige<br />
broers of zussen), dan zit<br />
er een belangrijke genetische factor<br />
in het kenmerk.<br />
concordantie<br />
1,0<br />
0,8<br />
0,6<br />
0,4<br />
0,2<br />
0,0<br />
alcoholisme<br />
(vrouwen)<br />
De gebroeders Janssens, een eeneiige tweeling, verloren elkaar in hun prille jeugd uit het oog.<br />
Op hun 50ste kwamen ze elkaar toevallig weer tegen ... op het octrooibureau.<br />
alcoholisme<br />
(mannen)<br />
eeneiige (identieke) tweelingen<br />
twee-eiige (niet identieke) tweelingen<br />
schizofrenie<br />
De hoogte van de balken geeft aan hoe vaak een eigenschap voorkomt bij beide leden van een tweeling (concordantie).<br />
Als een kenmerk vaker voorkomt in de twee leden van een eeneiige tweeling (linkerbalk) dan in de twee leden van een<br />
twee-eiige tweeling (rechterbalk), dan zit er een belangrijke genetische factor in het kenmerk.<br />
• Erfelijke kenmerken kan je doorgeven van generatie op generatie. Ze worden bepaald<br />
door je genen: stukken erfelijke informatie in je cellen.<br />
• Niet alle kenmerken zijn erfelijk: de meeste worden zowel door je genen als door je omgeving<br />
bepaald, of zelfs helemaal door je omgeving. In dit thema gaat het alleen over<br />
zuiver erfelijke kenmerken.<br />
• Typisch voor een erfelijk kenmerk is dat men de kans op het voorkomen ervan wiskundig<br />
kan berekenen als men voldoende informatie heeft over de ouders. Bij een individueel<br />
persoon kan men vaak vooraf, zelfs voor de geboorte al, bepalen of een erfelijk<br />
kenmerk zich zal ontwikkelen, als men weet door welk gen het bepaald wordt.<br />
• Om te bepalen of een kenmerk erfelijk is, kan je stambomen of tweelingen bestuderen:<br />
in een stamboom kan je ‘volgen’ hoe het kenmerk overgaat van één generatie op de<br />
volgende, in een tweelingstudie ga je na of een kenmerk vaker voorkomt bij eeneiige<br />
tweelingen dan bij twee-eiige. Als dat zo is, is het kenmerk (grotendeels) erfelijk.<br />
Alzheimer<br />
inkijkexemplaar<br />
autisme<br />
depressie<br />
leesproblemen<br />
9
10<br />
2 erfelijke informatie in de cel<br />
2.1 In elke cel zit een volledig instructieboekje voor je lichaam<br />
De erfelijke informatie van een cel zit in de celkern. De<br />
informatie zit ook in alle lichaamscellen: elke cel van het<br />
lichaam – met uitzondering van de voortplantingscellen<br />
– bevat de volledige informatie die nodig is voor de opbouw<br />
van het lichaam. Dat cellen van hetzelfde lichaam<br />
onderling verschillen in uitzicht en werking komt doordat<br />
de cellen hun informatie niet allemaal op dezelfde<br />
manier gebruiken: ze specialiseren zich in verschillende<br />
functies en gebruiken daarbij een verschillend deel van<br />
de informatie die ze bevatten.<br />
2.2 Bits & bytes: DNA en RNA<br />
2.2.1 Een beetje geschiedenis<br />
Al in de tweede helft van de 19de eeuw ging de Zwitser Friedrich<br />
Miescher op zoek naar de chemische samenstelling van celkernen.<br />
Hij wilde weten welke stof de erfelijke informatie van de cel<br />
bevat en onderzocht daarvoor de kernen van witte bloedcellen.<br />
Hij ontdekte de drie groepen biologische moleculen die elke leerling<br />
op het einde van het vijfde jaar secundair nu ook kent: sachariden,<br />
vetten en eiwitten. Maar Miescher ontdekte ook een<br />
stof die op het eerste gezicht een beetje op eiwit leek, maar er<br />
op bepaalde punten toch sterk van verschilde. Net als eiwitten<br />
bestond ze uit heel grote moleculen, maar ze bevatte fosfor en<br />
geen zwavel, terwijl eiwitten wel zwavel maar geen fosfor bevatten.<br />
Ook reageerde ze zuur, terwijl eiwitten dat niet doen. Omdat<br />
de onbekende stof alleen in celkernen voorkwam, noemde Miescher<br />
ze nucleïne, en omdat ze zuur reageerde werd dat al gauw nucleïnezuur. Andere<br />
onderzoekers vonden een gelijkaardige stof in plantencellen, met een iets verschillende<br />
samenstelling. In het begin sprak men daarom over dierlijk en plantaardig nucleïnezuur.<br />
Nu weten we dat dieren en planten over de twee soorten nucleïnezuur beschikken: we<br />
noemen ze DNA (deoxyribonucleïnezuur) en RNA (ribonucleïnezuur).<br />
2.2.2 Nucleïnezuren bestaan uit nucleotiden<br />
Verder onderzoek, lang na Miescher, leerde dat nucleïnezuren lange, ketenvormige moleculen<br />
zijn. Een beetje zoals polysachariden of eiwitten dus, maar in plaats van uit monosachariden<br />
of aminozuren zijn nucleïnezuren opgebouwd uit schakels die we nucleotiden<br />
noemen.<br />
Een nucleotide is zelf nog eens opgebouwd uit drie componenten:<br />
• een sacharide met vijf koolstofatomen: deoxyribose bij DNA, ribose bij RNA;<br />
• fosforzuur;<br />
• een organische base. Bij beide nucleïnezuren kunnen dat er vier zijn:<br />
– adenine (A), cytosine (C), guanine (G) of thymine (T) bij DNA;<br />
– adenine (A), cytosine (C), guanine (G) of uracil (U) bij RNA.<br />
Hoewel dat niet de eerste bedoeling was van<br />
het experiment, vormt het schaap Dolly een<br />
mooi bewijs van het feit dat de kern van je<br />
cellen je erfelijke eigenschappen bepaalt.<br />
inkijkexemplaar
A<br />
B<br />
C<br />
Onderdelen van een nucleotide<br />
A Deoxyribose heeft een O-atoom minder t.o.v. ribose, de suikermolecule die voorkomt in RNA.<br />
B Fosfaatgroep<br />
C Organische, stikstofhoudende basen: adenine en guanine zijn basen die behoren tot de groep van de purines; cytosine,<br />
uracil en thymine zijn basen die behoren tot de pyrimidines. Uracil is een base die alleen voorkomt in RNA, thymine<br />
is een base typisch voor DNA.<br />
De drie componenten zijn altijd op dezelfde manier samengevoegd.<br />
inkijkexemplaar<br />
Schematische voorstelling van een nucleotide<br />
Nucleotiden van eenzelfde nucleïnezuur verschillen alleen in de base die ze bevatten:<br />
daarom worden ze meestal met de naam van die base aangeduid.<br />
11
12<br />
Nucleotiden worden met elkaar verbonden tot ketens door een<br />
condensatiereactie tussen de fosforzuurgroep van één nucleotide<br />
met het sacharide van het volgende. De sachariden van<br />
opeenvolgende nucleotiden zijn dus met elkaar verbonden<br />
via fosforzuurgroepen: men spreekt ook wel eens van fosfaatbruggen.<br />
De basen zitten zijdelings vast op deze ‘ruggengraat’<br />
van sachariden en fosfaatgroepen. Zij bevatten in hun volgorde<br />
de informatie die het nucleïnezuur draagt, een beetje zoals letters<br />
op een blad papier.<br />
Schematische voorstelling van de binding tussen twee nucleotiden<br />
2.2.3 DNA: de dubbele helix<br />
In 1952 vatte de Amerikaanse biochemicus Erwin Chargaff<br />
het idee op om de nucleotidensamenstelling van DNA uit<br />
verschillende dieren- en plantensoorten precies te bepalen<br />
en met elkaar te vergelijken. Hij verkreeg resultaten zoals<br />
deze:<br />
soort % A % C % G % T<br />
tarwe 27,3 22,8 22,7 27,1<br />
zee-egel 32,8 17,3 17,7 32,1<br />
rat 28,6 20,5 21,4 28,4<br />
mens 29,3 20,0 20,7 30,0<br />
Minstens twee dingen zouden je moeten opvallen:<br />
.............................................................................................................................................................................................................<br />
.............................................................................................................................................................................................................<br />
De regel van Chargaff zegt dat ................................................................................................................................... .<br />
.............................................................................................................................................................................................................<br />
inkijkexemplaar<br />
De Amerikaan James Watson en de Brit Francis Crick leidden daaruit af dat in DNA adenine<br />
altijd samen voorkomt met thymine en cytosine altijd samen met guanine. Samen met<br />
de resultaten van Maurice Wilkins en Rosalind Franklin, die DNA-kristallen bestudeerden,<br />
leidde dat in 1953 tot de ontrafeling van de bouw van DNA. Het model dat Watson en<br />
Crick opstelden noemen we het dubbele helixmodel. Volgens dat model<br />
• bestaat DNA uit 2 antiparallelle nucleotidenketens;<br />
• zijn in elke keten de nucleotiden met elkaar verbonden via fosfaatbruggen;<br />
• zijn beide ketens met elkaar verbonden door waterstofbruggen tussen de complementaire<br />
basen adenine en thymine of guanine en cytosine;<br />
• zijn beide ketens spiraalvormig gedraaid rond een gemeenschappelijke as.
Maurice Wilkins bij een model van<br />
de DNA dubbele helix<br />
James Watson (links) en<br />
Francis Crick bij hun structuur-<br />
model van de DNA dubbele helix<br />
Rosalind Franklin<br />
Rosalind Franklin bestudeerde DNA met behulp van<br />
X-stralendiffractie. De symmetrische patronen die ze daarmee<br />
verkreeg wezen in de richting van een dubbele helixstructuur.<br />
inkijkexemplaar<br />
Schematische voorstelling van de DNA dubbele helix. De<br />
suiker-fosfaatruggengraten zijn weergegeven als gedraaide<br />
linten. Omdat elk basenpaar opgebouwd is uit 1 purine- en<br />
1 pyrimidinebase,is de onderlinge afstand tussen de suikerfosfaatruggengraten<br />
overal even groot, nl. 2 nm.<br />
Bolkapmodel van een stukje DNA dubbele helix<br />
13
14<br />
inkijkexemplaar<br />
Schematische voorstelling van de posities en de oriëntatie van de componenten in beide nucleotidenketens van DNA<br />
Het belangrijkste aan dit model is dat beide ketens niet gelijk maar complementair zijn.<br />
Als je de samenstelling van één van de ketens kent, ken je automatisch ook de samenstelling<br />
van de andere keten. Dat maakt dat de hele molecule eigenlijk heel makkelijk te<br />
kopiëren is: zoals we later zullen zien maakt de cel beide ketens van elkaar los en vult<br />
op elk aan wat er ontbreekt. Door het complementariteitsprincipe gaat dat bijna automatisch.<br />
De waterstofbruggen tussen de complementaire basen zijn op zich eigenlijk zwakke bindingen,<br />
maar door hun grote aantal zorgen ze ervoor dat DNA een heel stabiele molecule<br />
is, die heel lang bewaard blijft.
De waterstofbruggen kunnen in de cel verbroken worden door enzymen. In een proefbuis<br />
kan het echter ook door het DNA eenvoudigweg te verwarmen tot 80-85 °C. Technisch is<br />
dat heel handig, zoals we later zullen zien.<br />
Het allerbelangrijkste is dat de informatie die in het DNA vervat zit, in de volgorde van de<br />
nucleotiden zit. Ze bepaalt de samenstelling van de eiwitten die op basis van het DNA door<br />
de cel gemaakt worden, en die samenstelling bepaalt wat die eiwitten in de cel doen.<br />
Het DNA in een mensencel bevat in totaal zo’n 3 miljard nucleotidenparen. Een deel daarvan<br />
staat in voor de bouw van eiwitten, de rest heeft een andere functie. Welke functie<br />
dat precies is, is lang niet altijd bekend. Daarom werd er vroeger wel eens van junk-DNA<br />
(rommel-DNA) gesproken.<br />
2.2.4 RNA: een variatie op hetzelfde thema<br />
Naast DNA, dat dient voor de opslag van erfelijke informatie, komt er nog een tweede<br />
type nucleïnezuur in de cel voor: RNA, dat hoofdzakelijk een functie heeft in de verwerking<br />
van die erfelijke informatie. RNA vinden we vooral in het cytoplasma van de cel, terwijl<br />
het overgrote deel van het DNA in de celkern zit.<br />
Chemisch zijn DNA en RNA vrijwel identiek; alleen heeft RNA als sacharide ribose in plaats<br />
van deoxyribose, en wordt de base thymine in RNA vervangen door uracil.<br />
DNA RNA<br />
deoxyribose<br />
thymine<br />
ribose<br />
Maar in tegenstelling tot DNA bestaat RNA maar uit één nucleotidenketen. Deze keten<br />
kan een ingewikkelde driedimensionale structuur vormen doordat er op eenzelfde molecule<br />
gebieden voorkomen met een complementaire basenvolgorde, zodat basenparen<br />
ontstaan. Uracil is, net als thymine in DNA, complementair met adenine.<br />
inkijkexemplaar<br />
uracil<br />
15
16<br />
C<br />
C<br />
A<br />
A<br />
C<br />
A<br />
A<br />
U<br />
U<br />
A<br />
G<br />
G<br />
G<br />
G<br />
A<br />
U<br />
G A<br />
G C<br />
basen<br />
A<br />
C<br />
G<br />
C<br />
A<br />
U<br />
A<br />
waterstofbrug<br />
tussen complementaire<br />
basen<br />
G<br />
U<br />
A<br />
G<br />
G<br />
G<br />
U<br />
C<br />
A<br />
U<br />
A<br />
C<br />
G<br />
C<br />
U<br />
A<br />
A<br />
A<br />
G<br />
G<br />
U<br />
U<br />
keten van sachariden<br />
en fosfaatgroepen<br />
Er bestaan verschillende soorten RNA (r-, t- en m-RNA), elk met een zeer specifieke functie.<br />
We zullen die nader bespreken in het deel over de eiwitsynthese.<br />
2.3 DNA en chromosomen<br />
Virussen bestaan uit nauwelijks meer dan een stuk DNA (of het verwante RNA), ingepakt<br />
in een mantel die uit eiwitten bestaat. Ze kunnen dan ook niet zelfstandig leven, maar<br />
planten zich voort met de ‘hulp’ van hun gastheer.<br />
inkijkexemplaar<br />
De primitiefste cellulaire organismen bewaren hun erfelijk materiaal als een naakte,<br />
ringvormige DNA-molecule, los in het protoplasma: in tegenstelling tot meer ontwikkelde<br />
organismen hebben ze nog geen echte kern. We noemen hen dan ook prokaryoten.<br />
Alle bacteriën behoren tot deze groep.
Veel bacteriën hebben naast hun ‘chromosoom’ nog één of meer plasmiden:<br />
kleine ringvormige stukken DNA met slechts enkele genen. Ze kunnen<br />
van de ene bacterie aan de andere doorgegeven worden, maar ook<br />
kunstmatig in een bacterie binnengebracht worden: dat is natuurlijk erg<br />
interessant in de biotechnologie.<br />
Bij alle andere organismen (de eukaryoten) ligt het erfelijk materiaal<br />
in een celkern, afgesloten door een dubbele kernmembraan met kernporiën.<br />
Schematische voorstelling van een bacterie<br />
Schematisceh voorstelling van de celkern met een nucleolus en chromatine<br />
Elektronenmicroscopische foto van een celkern<br />
A nucleolus<br />
B chromatinenetwerk<br />
C kernmembraan<br />
D cytoplasma<br />
In het kernplasma ligt een kluwen van chromatinedraden, die zelf opgebouwd zijn uit<br />
DNA-moleculen, gecombineerd met histonen. Histonen zijn basische eiwitten die zich<br />
gemakkelijk binden aan (zure) DNA-moleculen. De DNA-draad is op regelmatige afstanden<br />
rond een octameer (een complex van acht) histonen gewonden: ze vormt nucleosomen.<br />
Die geven aan de DNA-draad het uitzicht van een parelsnoer. Het snoer is zo opgevouwen<br />
dat de nucleosomen op twee stapels komen te liggen, samengehouden door weer een<br />
andere soort histonen (H1-histonen). Die H1-histonen regelen de mate van condensatie<br />
(oprollen) van de chromatinedraad: actief DNA wordt tijdelijk gedecondenseerd (ontrold).<br />
inkijkexemplaar<br />
B<br />
C<br />
A<br />
D<br />
17
18<br />
A<br />
Schematische voorstelling van een compacte chromatinevezel<br />
A Nucleosomen in parelsnoerchromatine<br />
B Compacte 30 nm chromatinevezel<br />
Vooral tijdens de celdeling worden de chromatinedraden zeer sterk gecondenseerd. De<br />
verdeling van het erfelijk materiaal over de twee dochtercellen kan zo ordelijker verlopen:<br />
chromatinedraden nemen de vorm aan van chromosomen.<br />
Structuur van een chromosoom<br />
Condensatie van een chromatinevezel tot een chromosoom<br />
inkijkexemplaar<br />
B<br />
Elektronenmicroscopische foto van een<br />
menselijk geslachtschromosomenpaar
Vóór de celdeling heeft de cel haar DNA al verdubbeld – van elke DNA-molecule zijn er<br />
twee identieke kopieën gemaakt, die voorlopig nog in één punt met elkaar verbonden<br />
zijn. Als de twee dochtermoleculen gecondenseerd worden, ontstaat een chromosoom<br />
dat bestaat uit twee identieke chromatiden, samengehouden door een centromeer (= het<br />
nog niet gesplitste stuk). In de andere richting kan een chromosoom ook in twee (meestal<br />
ongelijke) delen verdeeld worden: de armen. De kortste arm noemen we de p-arm, de<br />
langste de q-arm.<br />
Behalve de geslachtscellen hebben alle cellen van een organisme hetzelfde aantal chromosomen.<br />
Dat aantal is typisch voor de soort. Zo bevatten alle lichaamscellen van de mens 46<br />
chromosomen, van het fruitvliegje 8, van de aardappel en de chimpansee 48 ...<br />
Bij de meeste organismen zijn de chromosomen even in aantal en twee aan twee gelijk.<br />
We kunnen het totale (diploïde) aantal chromosomen voorstellen door 2n. De bij elkaar<br />
horende chromosomen noemen we homologe chromosomen. Elke lichaamscel heeft dus<br />
n homologe chromosomenparen. Van elk homoloog paar is één van de chromosomen afkomstig<br />
van de vader, en één van de moeder. Bij de vorming van geslachtscellen wordt<br />
het aantal chromosomen gehalveerd: deze cellen zijn dus haploïd, ze bevatten één chromosoom<br />
van elk homoloog paar.<br />
De twee leden van elk homoloog chromosomenpaar zien er hetzelfde uit, op één uitzondering<br />
na: de geslachtschromosomen of heterosomen. Bij vrouwen bestaat dit paar uit<br />
twee gelijke chromosomen (X-chromosomen) en bij mannen uit een X-chromosoom en<br />
een veel kleiner Y-chromosoom. Men zegt dat de mens 22 paar autosomen en één paar<br />
geslachtschromosomen heeft.<br />
2n = 46 44 autosomen = 22 chromosomenparen<br />
2 heterosomen 2 X-chromosomen = XX = ♀<br />
1 X-chromosoom + 1 Y-chromosoom<br />
= XY = ♂<br />
Door speciale kleurtechnieken ontstaan op de chromosomen bepaalde bandenpatronen<br />
die specifiek zijn voor elk chromosoom: op die manier wordt het makkelijker om ze te herkennen,<br />
te rangschikken en te bestuderen. De chromosomen van een mens zien er onder<br />
de microscoop als volgt uit:<br />
inkijkexemplaar<br />
A B<br />
De chromosomen van de mens<br />
A Niet-geordend karyogram<br />
B Geordend karyogram van een man; de horizontale lijnen geven de ligging van de centromeren aan.<br />
19
20<br />
• Elke cel van het lichaam – met uitzondering van de voortplantingscellen – bevat in<br />
haar kern de volledige informatie die nodig is voor de opbouw van het lichaam.<br />
• De nucleïnezuren DNA en RNA zijn al van in de tweede helft van de 19de eeuw bekend,<br />
maar het heeft tot in de helft van de 20ste eeuw geduurd voor men hun structuur en<br />
hun rol in de erfelijkheid ontdekte.<br />
• Beide nucleïnezuren bestaan uit lange ketens van nucleotiden, die zelf weer opgebouwd<br />
zijn uit een sacharide, een fosfaatgroep en een organische base. De nucleotiden<br />
verschillen onderling alleen in de organische base die ze bevatten. Ze zijn met elkaar<br />
verbonden via hun fosfaatgroep. De informatie die een nucleïnezuurmolecule bevat zit<br />
in de volgorde van haar nucleotiden.<br />
• DNA bestaat uit de nucleotiden adenine, cytosine, guanine en thymine. Het sacharide<br />
in DNA-nucleotiden is deoxyribose. DNA is opgebouwd volgens het dubbele helixmodel,<br />
dat in 1953 ontdekt werd door de wetenschappers Watson en Crick. Het bestaat<br />
uit twee evenwijdige nucleotidenketens die samengehouden worden door waterstofbruggen<br />
tussen de basen die ze bevatten. Daarbij kan adenine alleen samengaan met<br />
thymine, en guanine met cytosine. Deze koppels noemen we complementaire basen.<br />
Beide ketens zijn spiraalvormig gedraaid rond een gemeenschappelijke as.<br />
• DNA zit in eukaryote cellen voornamelijk in de kern en dient voor de opslag van de<br />
erfelijke informatie.<br />
• RNA bestaat uit de nucleotiden adenine, cytosine, guanine en uracil. Het sacharide in<br />
RNA-nucleotiden is ribose. RNA is opgebouwd uit één enkele nucleotidenketen, die een<br />
ingewikkelde driedimensionale structuur kan vormen.<br />
• Bij eukaryoten, zoals de mens, speelt RNA een rol bij de verwerking van de erfelijke<br />
informatie, voornamelijk in de eiwitsynthese. De drie types RNA spelen elk een rol in<br />
een verschillend aspect daarvan.<br />
• DNA komt in de kern van onze cellen samen voor met basische eiwitten: histonen. Samen<br />
vormen ze de chromatine die je met de microscoop kan waarnemen.<br />
• Behalve wanneer de cel zich deelt, ligt het chromatine grotendeels gedecondenseerd<br />
(‘uitgerold’) in de kern: het moet immers ‘afgelezen’ kunnen worden. Als de cel zich<br />
deelt is het belangrijk dat de chromatinedraden zo compact mogelijk ‘opgerold’ worden:<br />
ze worden sterk gecondenseerd tot chromosomen. Elk chromosoom bestaat uit<br />
twee identieke chromatiden: opgerolde kopieën van één chromatinedraad, die aan elkaar<br />
vastzitten in het centromeer.<br />
• Bij de meeste organismen is het aantal chromosomen in de lichaamscellen even: dergelijke<br />
cellen noemen we diploïd. Het aantal chromosomen stellen we voor als 2n. Deze 2n<br />
chromosomen zijn twee aan twee gelijk. De bij elkaar horende chromosomen noemen<br />
we homoloog. Elke lichaamscel heeft dus n homologe chromosomenparen. Van elk homoloog<br />
paar is één van de chromosomen afkomstig van de vader, en één van de moeder.<br />
Bij de vorming van geslachtscellen wordt het aantal chromosomen gehalveerd:<br />
deze cellen zijn dus haploïd, ze bevatten één chromosoom van elk homoloog paar.<br />
• De twee leden van elk homoloog chromosomenpaar zien er hetzelfde uit, op één uitzondering<br />
na: de geslachtschromosomen of heterosomen. Bij vrouwen bestaat dat paar<br />
uit twee gelijke chromosomen (X-chromosomen) en bij mannen uit een X-chromosoom<br />
en een veel kleiner Y-chromosoom. We zeggen dat de mens 22 paar autosomen en één<br />
paar geslachtschromosomen heeft.<br />
inkijkexemplaar
3 hoe gebruiken je cellen hun informatie?<br />
3.1 De werkpaarden van de cel<br />
Als er één groep moleculen is die belangrijk is voor een levende cel of een levend organisme,<br />
dan is het wel die van de eiwitten. Zij zijn zo complex en zo gesofistikeerd<br />
opgebouwd dat er letterlijk voor elke functie in het lichaam wel een eiwit te vinden is.<br />
Je botten zijn voor een belangrijk deel opgebouwd uit het eiwit collageen, het eiwit hemoglobine<br />
vervoert het zuurstofgas in je bloed, de antistoffen die je lichaam beschermen<br />
tegen vreemde indringers zijn eigenlijk eiwitten. Eiwitten helpen je je voedsel te verteren,<br />
zorgen ervoor dat je je armen en benen kan bewegen … De lijst is haast eindeloos.<br />
In module 1 zag je dat eiwitten bestaan uit lange ketens aminozuren die in een welbepaalde<br />
driedimensionale vorm opgevouwen zitten. Die vorm maakt het mogelijk dat eiwitten<br />
bepaalde structuren in de cel ‘herkennen’ en op een bepaalde manier doen reageren. Waar<br />
het op aankomt is dat de juiste aminozuren in de juiste volgorde met elkaar verbonden<br />
zijn. De driedimensionale vorm volgt dan vanzelf.<br />
20<br />
ASP ASN TYR<br />
LEU ARG GLY<br />
25<br />
TYR<br />
GLY<br />
SER<br />
LEU<br />
15<br />
GLY<br />
HIS<br />
ASN<br />
TRY<br />
ARG<br />
LYS<br />
MET<br />
GLN VAL ASP<br />
ALA<br />
THR<br />
120 GLY<br />
LYS<br />
TRY<br />
CYS<br />
VAL 30<br />
CYS<br />
ALA<br />
ALA<br />
H<br />
115<br />
ALA<br />
ILU<br />
125<br />
ALA<br />
ARG<br />
10<br />
ALA<br />
GLY<br />
127<br />
LEU<br />
CYS 129<br />
GLU<br />
ARG OH<br />
LEU<br />
CYS<br />
C<br />
6<br />
O<br />
5 ARG<br />
Carboxyl-einde<br />
1<br />
GLY<br />
ARG<br />
ASN<br />
ARG<br />
TRY<br />
110 ALA<br />
VAL<br />
TRY<br />
LYS<br />
PHE<br />
35<br />
GLU<br />
SER<br />
ASN<br />
PHE<br />
ASN<br />
N LYS VAL PHE<br />
H<br />
Amino-einde<br />
100<br />
105 ALA<br />
ASP GLY ASP<br />
SER<br />
GLY ASN<br />
MET<br />
VAL<br />
ILU<br />
THR 40<br />
GLN<br />
ALA<br />
LYS<br />
THR<br />
LYS<br />
95<br />
ALA<br />
94<br />
CYS<br />
ASN<br />
VAL<br />
ARG SER<br />
GLY<br />
ASN<br />
PRO<br />
LEU<br />
70<br />
75<br />
THR<br />
CYS<br />
76<br />
ARG<br />
ASN<br />
ASN<br />
ARG 45<br />
ASN<br />
THR<br />
ASP<br />
SER<br />
90<br />
ALA<br />
THR<br />
ILU<br />
ILU<br />
PRO<br />
80 CYS<br />
GLY<br />
ASN<br />
ASP 65<br />
CYS<br />
64<br />
GLY<br />
SER<br />
50<br />
THR<br />
ASP<br />
SER<br />
ASP<br />
ALA<br />
SER<br />
LEU<br />
SER LEU<br />
85<br />
TRY<br />
TYR<br />
TRY<br />
55<br />
GLY<br />
ARG 60<br />
ILU<br />
SER<br />
LEU<br />
ASN ILU GLN<br />
S<br />
S<br />
S<br />
S<br />
S<br />
S<br />
S<br />
S<br />
Eiwitten als lysozyme bestaan uit een lange keten aminozuren. De volgorde van die aminozuren zie je op de linkertekening.<br />
Zoals op de twee figuren rechts te zien is, vouwt deze keten zich echter driedimensionaal op. De vorm van deze driedimensionale<br />
structuur is essentieel voor de werking van het eiwit: ze maakt het mogelijk dat het bepaalde structuren ‘herkent’, zoals<br />
de donker gekleurde substraatmolecule die perfect in de opening in de lysozymemolecule past.<br />
Veel experimenten hebben aangetoond dat DNA de informatie bevat voor het aanmaken<br />
van eiwitten. Eigenlijk is dat logisch: DNA is net als een eiwit een lange ketenvormige<br />
molecule, bestaande uit schakels – nucleotiden deze keer – in een bepaalde volgorde.<br />
Blijkbaar kunnen cellen de juiste volgorde van de aminozuren in een eiwit afleiden uit de<br />
volgorde van de nucleotiden in hun DNA.<br />
inkijkexemplaar<br />
Een stukje DNA waarin op de juiste plaats de nucleotidenvolgorde ATGCCAGGCGCTTAG<br />
voorkomt zal er bijvoorbeeld voor zorgen dat de cel een peptide maakt, bestaande uit de<br />
aminozuren methionine, proline, glycine en alanine, in die volgorde.<br />
Elke cel in het menselijk lichaam heeft voldoende informatie om duizenden verschillende<br />
eiwitten te maken. Een stuk DNA dat de informatie bevat voor het samenstellen van één<br />
eiwit (of, correcter gezegd, één polypeptide) noemen we een gen. Menselijke cellen bevatten<br />
20 000 à 25 000 genen: ze kunnen dus in principe 20 000 à 25 000 polypeptiden maken.<br />
Eigenlijk gebruiken cellen trucjes om op basis van één gen verschillende poly peptiden<br />
te kunnen maken, maar dat valt buiten het bestek van dit boek.<br />
21
22<br />
3.2 DNA ‘vertalen’ in eiwit<br />
3.2.1 Twee probleempjes<br />
Bij de aanmaak van eiwitten zijn er twee dingen die de zaak complexer maken dan ze op<br />
het eerste gezicht lijkt.<br />
• De informatie voor de aanmaak van eiwitten zit in de kern, de eiwitten zelf in het cytoplasma.<br />
Ze worden daar ook gevormd. De informatie moet dus op één of andere manier<br />
naar het cytoplasma gebracht worden, terwijl het DNA in de kern blijft.<br />
De cel lost dit op door bij de aanmaak van een eiwit in twee stappen te werken. Eerst<br />
wordt er een ‘werkkopie’ gemaakt van het gen dat de informatie draagt voor dat eiwit.<br />
Voor het maken van die kopie wordt RNA gebruikt, geen DNA. We noemen deze kopie<br />
boodschapper-RNA of mRNA (m van ‘messenger’). Deze eerste stap noemen we de<br />
transcriptie.<br />
De tweede stap is de translatie. Daarbij wordt<br />
het mRNA naar het cytoplasma overgebracht<br />
en daar afgelezen door een ribosoom. Dat ribosoom<br />
koppelt aminozuren aan elkaar in een<br />
volgorde die bepaald wordt door de nucleotidenvolgorde<br />
van het mRNA, en dus ook van het<br />
DNA. Op die manier ontstaat een eiwitmolecule<br />
met een samenstelling volgens de instructies<br />
in één bepaald gen.<br />
• Het DNA dat de instructies bevat voor het maken van eiwitten bevat vier verschillende<br />
nucleotiden. Eiwitten bevatten twintig verschillende aminozuren. De cel zal dus<br />
groepjes van meerdere nucleotiden moeten gebruiken als ‘code’ voor elk aminozuur.<br />
Je kan uitrekenen dat zo’n groepje uit drie nucleotiden moet bestaan: alleen dan beschik<br />
je over minstens twintig combinaties, oftewel minstens één voor elk aminozuur.<br />
De verzameling van al die combinaties – de vertaalsleutel zeg maar – noemen we de<br />
genetische code. We zien verderop hoe die precies in elkaar zit.<br />
3.2.2 Transcriptie: het ‘overschrijven’ van DNA in RNA<br />
Bij de transcriptie worden de complementaire strengen van het DNA over de hele lengte<br />
van het ‘af te schrijven’ gen van elkaar losgemaakt door een enzym dat helicase heet.<br />
Op één van de twee ketens, die we de codogene streng noemen, maakt het enzym RNApolymerase<br />
een nieuwe complementaire streng uit RNA-nucleotiden (geen DNA-nucleotiden).<br />
De complementariteitsregels zijn haast dezelfde als voor DNA: tegenover een C<br />
in de codogene DNA-streng komt een G, tegenover een G een C en tegenover een T een<br />
A. Maar tegenover een A in het DNA komt een U. Er ontstaat dus een RNA-molecule die<br />
overeenstemt met de streng van het DNA tegenover de codogene streng: die noemen we<br />
de coderende streng. Waar er in de coderende streng een T staat, staat er in het gevormde<br />
RNA een U – en de nucleotiden bevatten natuurlijk ribose in plaats van deoxyribose.<br />
inkijkexemplaar<br />
De RNA-molecule die op die manier ontstaan is, noemen we boodschapper-RNA of mRNA.<br />
Ze wordt na haar afwerking doorheen de poriën in het kernomhulsel naar het cytoplasma<br />
getransporteerd en daar opgevangen door een ribosoom. De twee complementaire strengen<br />
van het DNA sluiten na het verdwijnen van het mRNA terug op elkaar aan. Aan het<br />
DNA is niets veranderd: het heeft gewoon als ‘matrijs’ gediend voor de vorming van het<br />
mRNA.
RNA<br />
C<br />
U<br />
G<br />
U<br />
U<br />
T G T C A T T C G G<br />
A<br />
G<br />
coderende streng (DNA) DNA<br />
U<br />
C<br />
A<br />
mRNA<br />
U U<br />
C G<br />
C A G T A A G C C<br />
codogene streng (DNA)<br />
Het mRNA dat bij de transcriptie gevormd wordt is complementair met één streng van het DNA: de codogene streng. Ze<br />
stemt dus in nucleotidenvolgorde overeen met de DNA-streng tegenover de codogene streng: de coderende streng. Na<br />
zijn vorming komt het mRNA los van het DNA en begeeft het zich doorheen de kernporiën naar het cytoplasma.<br />
3.2.3 Translatie: het ‘vertalen’ van de RNA-boodschap in eiwit<br />
Voor de translatie hebben we nog twee ‘hulpstukken’ nodig: ribosomen die het mRNA<br />
aflezen, en transport-RNA’s (tRNA’s) die aminozuren aanvoeren voor de bouw van het polypeptide.<br />
3.2.3.1 Ribosomen<br />
Als het mRNA in het cytoplasma aankomt,<br />
wordt het opgevangen door een ribosoom.<br />
Ribosomen zijn kleine organellen die voor<br />
een groot deel uit RNA bestaan (rRNA). Dat<br />
wordt gevormd in het nucleool, in de kern.<br />
Een ribosoom is opgebouwd uit twee ongelijke<br />
helften die rond het mRNA passen.<br />
Het ribosoom hecht zich aan één uiteinde<br />
van de mRNA-molecule (even vóór het startcodon,<br />
zie verder) en schuift dan langzaam<br />
op langs de molecule. Als het een startcodon<br />
tegenkomt, begint het met het aaneen-<br />
kleine subeenheid:<br />
schakelen van aminozuren in functie van de<br />
1 molecule RNA en 33 eiwitmoleculen<br />
basenvolgorde op het mRNA. Er wordt een Een ribosoom van een eukaryote cel bestaat uit twee onge-<br />
geleidelijk langer wordende eiwitketen geculen<br />
en 82 eiwitmoleculen.<br />
vormd. Nog vóór die af is hecht er zich al<br />
een tweede ribosoom aan het mRNA-uiteinde, dat op zijn beurt een eiwitmolecule begint<br />
te bouwen, en zo verder. Er ontstaat een complex dat bestaat uit een mRNA-molecule<br />
met daarop een reeks ribosomen, elk met een groeiende eiwitketen eraan: een polysoom<br />
(zie p. 26). Is een ribosoom aan het eind van het coderende deel van de mRNA-molecule<br />
gekomen, dan ‘rolt het van de band’, de voltooide polypeptideketen komt vrij en het ribosoom<br />
kan aan een nieuwe cyclus beginnen.<br />
3.2.3.2 tRNA<br />
Voor de synthese van een eiwit, in de ribosomen, moeten er natuurlijk aminozuren aangevoerd<br />
worden. Dat is de taak van het transport- of transfer-RNA (tRNA). Voor elk aminozuur<br />
zijn er één of meer soorten tRNA die alleen dat specifieke aminozuur transporteren.<br />
De tRNA-moleculen zijn ongeveer 80 nucleotiden lang en hebben een typische klaverbladvorm.<br />
Het aminozuur is gebonden aan het ‘steeltje’ van het klaverblad. Recht ertegenover<br />
zit in het tRNA het anticodon, een groepje van drie nucleotiden (een triplet) dat<br />
specifiek is voor elk aminozuur.<br />
G<br />
grote subeenheid:<br />
3 moleculen RNA en 49 eiwitmoleculen<br />
lijke helften (subeenheden). Samen bevatten ze 4 rRNA-mole-<br />
inkijkexemplaar<br />
23
24<br />
tRNA voor asparaginezuur Asp (A: 3-dimensioneel, B: schematisch), het codon van mRNA past op het anticodon van<br />
tRNA<br />
Zoals twee DNA-strengen of een DNA- en een RNA-streng zich via waterstofbruggen aan<br />
elkaar binden wanneer hun basenvolgorde complementair is, zo hecht ook een tRNAmolecule,<br />
met bijbehorend aminozuur, zich met het anticodon aan de mRNA-streng op<br />
een bepaalde plaats in het ribosoom, als de drie nucleotiden (het codon) daar complementair<br />
zijn met het anticodon. De nucleotidenvolgorde in het mRNA bepaalt dus het<br />
tRNA-met-aminozuur dat zich bindt. Op een stukje mRNA met de volgorde AUG bindt zo<br />
een tRNA waarvan het anticodon de volgorde UAC vertoont. Op dat tRNA zit altijd het<br />
aminozuur methionine gebonden. Op een stukje mRNA met de volgorde GGA zou een<br />
tRNA met anticodon CCU binden en het aminozuur glycine meebrengen.<br />
mRNA<br />
tRNA<br />
A<br />
U<br />
U<br />
A<br />
Met<br />
G<br />
C<br />
G<br />
C<br />
G<br />
C<br />
Gly<br />
A<br />
U<br />
U<br />
A<br />
G<br />
C<br />
Cys<br />
U<br />
A<br />
codon<br />
anticodon<br />
aminozuur<br />
Een tRNA met een bepaald anticodon brengt altijd hetzelfde aminozuur mee en bindt zich op het mRNA op het codon<br />
dat complementair is met zijn anticodon.<br />
inkijkexemplaar<br />
3.2.3.3 De translatie<br />
De rest is eigenlijk bandwerk. Stel, een mRNA-molecule komt uit de kern in het cytoplasma<br />
aan en bindt zich aan een ribosoom. Het ribosoom beweegt zich langs het mRNA. Als<br />
het ribosoom op het mRNA een startcodon tegenkomt, bindt er zich daarop een eerste<br />
tRNA-aminozuur-combinatie (initiatie). Het startcodon is altijd AUG: het bindt dus het<br />
tRNA met anticodon UAC, waaraan het aminozuur methionine gebonden is.
Translatie: initiatie. De twee delen van het ribosoom hechten zich aan het mRNA en beginnen het ‘af te lezen’. Als het<br />
ribosoom een startcodon bereikt hecht zich daarop een eerste tRNA met daaraan het eerste aminozuur van het polypeptide:<br />
dat is altijd methionine.<br />
Tussen de twee subeenheden van het ribosoom kan er nog een tweede tRNA-met-aminozuur<br />
op het mRNA binden. Als dat gebeurt, zitten er twee aminozuren vlak naast elkaar,<br />
elk aan het uiteinde van hun tRNA. Een enzym zorgt er dan voor dat er een peptidebinding<br />
ontstaat tussen deze twee aminozuren. Tegelijk schuift de mRNA-molecule – mét de<br />
2 tRNA’s-met-aminozuren – verder, zodat het eerste codon buiten het ribosoom valt.<br />
Het eerste tRNA wordt dan losgekoppeld, zowel van het mRNA als van zijn aminozuur, en<br />
het tweede tRNA blijft over, nu met een dipeptide eraan gebonden. Er is ook plaats vrijgekomen<br />
voor het binden van een derde tRNA-aminozuur-combinatie, achter de tweede.<br />
Tussen het tweede en het derde aminozuur ontstaat een peptidebinding, het mRNA met<br />
groeiende polypeptideketen schuift op, het tweede tRNA komt los, het vierde tRNA-metaminozuur<br />
hecht zich vast ... en zo gaat het steeds verder (elongatie), tot het ribosoom<br />
een stopcodon bereikt (UAA, UAG of UGA).<br />
Translatie: elongatie: opbouw van de polypeptideketen. Telkens als een nieuw aminozuur zich aan de keten bindt,<br />
verschuift het ribosoom, waardoor een nieuw tRNA, met een nieuw aminozuur, kan binden.<br />
inkijkexemplaar<br />
Op het stopcodon bindt zich geen tRNA-met-aminozuur, maar een eiwit: een terminatiefactor<br />
(TF). Die zorgt ervoor dat het hele complex uit elkaar valt (terminatie). Het polypeptide<br />
is afgewerkt, het hele proces kan opnieuw beginnen.<br />
Translatie: slot, bij het stopcodon stopt de translatie<br />
25
26<br />
Een ribosoom koppelt dus geen aminozuren aan elkaar in functie van het volledige mRNA,<br />
maar alleen van het stuk mRNA van het startcodon (inbegrepen) tot aan het stopcodon<br />
(niet inbegrepen). Dat stuk van het mRNA noemen we het open leesraam.<br />
Ondertussen zijn er wel al andere ribosomen met groeiende polypeptideketens langs het<br />
mRNA onderweg. Een mRNA-molecule met meerdere ribosomen in verschillende stadia<br />
van de translatie noemen we een polysoom.<br />
Verschillende ribosomen op één mRNA: een polysoom<br />
3.3 De genetische code<br />
Puur mathematisch kan je berekenen dat voor elk van de 20 aminozuren die in eiwitten<br />
voorkomen, er op DNA- of RNA-niveau een code moet bestaan die minstens 3 nucleotiden<br />
bevat. Als de code voor een aminozuur uit 1 of 2 nucleotiden bestond, dan zouden er te<br />
weinig combinatiemogelijkheden zijn – resp. 4 en 16 – om een code te vormen voor alle<br />
bestaande aminozuren. Vier nucleotiden kunnen echter op 64 verschillende manieren in<br />
groepjes van drie gerangschikt worden: ruim genoeg voor 20 aminozuren.<br />
Door proeven met radioactief gemerkte aminozuren hebben wetenschappers de genetische<br />
code volledig kunnen ontcijferen. Elk codon van drie nucleotiden codeert specifiek<br />
voor één aminozuur. De code is echter ‘gedegenereerd’: voor de meeste aminozuren bestaat<br />
er meer dan één codon. Verder zijn er drie nonsens- of stopcodons. AUG, dat in het<br />
mRNA codeert voor het aminozuur methionine, fungeert ook als startcodon.<br />
eerste<br />
base<br />
tweede base derde<br />
U C A G<br />
base<br />
U UUU: Phe UCU: Ser UAU: Tyr UGU: Cys U<br />
UUC: Phe UCC: Ser UAC: Tyr UGC: Cys C<br />
UUA: Leu UCA: Ser UAA: Stop UGA: Stop A<br />
UUG: Leu UCG: Ser UAG: Stop UGG: Trp G<br />
C CUU: Leu CCU: Pro CAU: His CGU: Arg U<br />
CUC: Leu CCC: Pro CAC: His CGC: Arg C<br />
CUA: Leu CCA: Pro CAA: Gln CGA: Arg A<br />
CUG: Leu CCG: Pro CAG: Gln CGG: Arg G<br />
A AUU: Ile ACU: Thr AAU: Asn AGU: Ser U<br />
AUC: Ile ACC: Thr AAC: Asn AGC: Ser C<br />
AUA: Ile ACA: Thr AAA: Lys AGA: Arg A<br />
AUG: Met ACG: Thr AAG: Lys AGG: Arg G<br />
G GUU: Val GCU: Ala GAU: Asp GGU: Gly U<br />
GUC: Val GCC: Ala GAC: Asp GGC: Gly C<br />
GUA: Val GCA: Ala GAA: Glu GGA: Gly A<br />
GUG: Val GCG: Ala GAG: Glu GGG: Gly G<br />
inkijkexemplaar<br />
De genetische code is universeel, d.w.z. dat elk codon in elk organisme hetzelfde betekent<br />
– op de paar onvermijdelijke uitzonderingen na.
3.4 Fouten in de informatie<br />
Wanneer de inhoud of de hoeveelheid van de erfelijke informatie afwijkt van het normale,<br />
spreken we van een mutatie – tenminste wanneer de afwijking merkbare gevolgen heeft.<br />
Als dat niet het geval is, spreken we eerder van een polymorfisme.<br />
Mutaties kunnen op verschillende manieren ontstaan:<br />
• spontaan:<br />
Bij het kopiëren van het DNA (replicatie, zie 4.1.2) werkt een cel ongelooflijk nauwkeurig,<br />
maar gemiddeld kopieert een cel toch nog één nucleotide op 100 miljoen verkeerd.<br />
Aangezien het DNA van een cel zo’n drie miljard nucleotiden bevat, moet je dus toch<br />
rekenen op zo’n 30 mutaties per keer.<br />
• door straling:<br />
De schade is afhankelijk van de energie van de straling. Door UV-straling worden soms<br />
twee basen aan elkaar ‘geplakt’, zodat ze afgelezen worden als één base: een kleine fout<br />
op het eerste gezicht, maar met grote gevolgen. Gammastraling breekt hele stukken<br />
uit het DNA.<br />
• door chemische stoffen:<br />
Sommige stoffen brengen chemische veranderingen aan in het DNA, zodat het verkeerd<br />
afgelezen wordt. Wanneer menselijke cellen blootgesteld worden aan sigarettenrook,<br />
breken sommige chromosomen doormidden door de chemische stoffen in die<br />
rook. Dat is natuurlijk zeer ernstig en zou een verklaring kunnen zijn voor het ontstaan<br />
van kanker door sigarettenrook.<br />
Mutaties worden volgens hun omvang ingedeeld in drie groepen: genmutaties, chromosoommutaties<br />
en genoommutaties.<br />
3.4.1 Genmutaties<br />
Een genmutatie is een verandering in de nucleotidensamenstelling van één gen. Meestal<br />
heeft dat gevolgen voor de samenstelling van het eiwit dat op basis van het betreffende<br />
gen gemaakt wordt. In het gen dat codeert voor de β-keten van hemoglobine is bij patiënten<br />
met sikkelcelanemie in het zesde codon een adenine vervangen door een thymine.<br />
Het codon waarin dat gebeurt verandert van GAA in GTA. Het GAA-triplet in normaal hemoglobine<br />
codeert voor het aminozuur glutaminezuur, het GTA-triplet in het gemuteerde<br />
gen codeert voor valine. Het gevolg is, zoals we al eerder zagen, een andere structuur<br />
van de β-keten en dus van heel de hemoglobinemolecule. Dat heeft een vermindering<br />
van functionaliteit tot gevolg, wat resulteert in zware bloedarmoede. Bij één persoon op<br />
10 000 is de hemoglobinemolecule op één of andere manier gemuteerd. Hemoglobine is<br />
maar één van de duizenden verschillende eiwitten die een levend organisme bevat. Mutatie<br />
is dus niet echt een zeldzaam verschijnsel.<br />
Rode bloedlichaampjes bij sikkelcelanemie: bij<br />
een laag O 2 -gehalte krijgen de bloedcellen een<br />
gerafeld uitzicht of een sikkelvorm<br />
inkijkexemplaar<br />
Normale en sikkelcelhemoglobine<br />
27
28<br />
Genmutaties kunnen verschillende vormen aannemen:<br />
• Als één nucleotide vervangen wordt door een ander nucleotide, spreken we van een<br />
puntmutatie. Meestal heeft dat tot gevolg dat één aminozuur in het eiwit vervangen<br />
wordt door een ander aminozuur (= missense mutatie). Dat heeft soms grote gevolgen,<br />
zoals bij sikkelcelanemie.<br />
We vergelijken die code met een zin in onze taal, die ook is opgebouwd uit woorden<br />
of woorddelen van drie letters, weliswaar uit een groter alfabet. De normale zin luidt:<br />
MET DIT GEN KAN EEN CEL EEN HER SEN CEL WOR DEN<br />
Als één letter vervangen wordt door een andere (T > G op plaats 18), verandert de betekenis<br />
van de zin:<br />
MET DIT GEN KAN EEN CEL EEN KER SEN CEL WOR DEN<br />
Deze zin zal wellicht verkeerd geïnterpreteerd worden.<br />
Soms ontstaat er in plaats van het oorspronkelijke codon een stopcodon (T > G op plaats<br />
21): het eiwit wordt dan korter. We spreken dan van een nonsense mutatie.<br />
MET DIT GEN KAN EEN CEL EEN HER …<br />
De zin is helemaal onverstaanbaar geworden.<br />
Het gebeurt ook dat het nieuwe codon hetzelfde betekent als het originele (T > C op<br />
plaats 21). Er is dan wel een verandering in het DNA, maar niet in het eiwit: een stille<br />
mutatie.<br />
inkijkexemplaar<br />
MET DIT GEN KAN EEN CEL EEN HER SEN CEL WOR DEN<br />
De zin blijft toevallig even goed leesbaar.
• Als er één of meer nucleotiden ontbreken, spreken we van een deletie. Als het ontbrekende<br />
aantal nucleotiden geen veelvoud van drie is, verandert de indeling van het open<br />
leesraam in codons. Heel de samenstelling van het polypeptide zal dus veranderen vanaf<br />
het mutatiepunt: we noemen dat een nonsense mutatie. Soms ontstaat er toevallig<br />
een stopcodon, waardoor het polypeptide ook nog eens korter wordt. In ons voorbeeld<br />
ontbreekt de G op plaats 6 – in de zin de E op plaats 8:<br />
Deze zin is niet meer te lezen.<br />
MET DIT GNK ANE ENC ELE ENH ERS ENC ELW ORD EN<br />
Als het ontbrekende aantal nucleotiden wel een veelvoud van drie is, ontbreekt er een<br />
aantal volledige codons. In het eiwit zal er dus een overeenstemmend aantal aminozuren<br />
ontbreken, de rest blijft hetzelfde.<br />
• Als er één of meer nucleotiden extra voorkomen spreken we van een insertie. De gevolgen<br />
zijn volledig analoog aan die van een deletie – alleen omgekeerd natuurlijk. In ons<br />
voorbeeld is er een T bijgekomen op plaats 6 – in de zin een L op plaats 9.<br />
De zin is eveneens onleesbaar.<br />
MET DIT GEL NKA NEE NCE LEE NHE RSE NCE LWO<br />
Genmutaties zijn klein: ze zijn microscopisch niet zichtbaar maar wel op andere manieren<br />
vast te stellen, bv. door DNA-onderzoek.<br />
In oefening 12 kan je zelf nagaan welke gevolgen genmutaties zoal kunnen hebben.<br />
3.4.2 Chromosoommutaties<br />
Chromosoommutaties zijn grote, microscopisch zichtbare veranderingen aan één of enkele<br />
chromosomen. Een deletie kan bijvoorbeeld zo groot zijn dat je die met de microscoop<br />
kan waarnemen.<br />
Er bestaan meerdere soorten chromosoommutaties. Eentje waaraan we verderop speciaal<br />
aandacht zullen besteden is de translocatie. Dat is het verschijnsel waarbij één chromosoom<br />
(of een groot stuk ervan) vastgehecht zit aan een ander chromosoom. Vaak heeft<br />
dat geen gevolgen voor de drager of draagster van de translocatie zelf, maar het kan wel<br />
problemen veroorzaken voor zijn of haar kinderen.<br />
inkijkexemplaar<br />
29
30<br />
3.4.3 Genoommutaties<br />
A: Translocaties komen relatief veel voor tussen chromosomen<br />
met een heel korte p-arm (acrocentrische<br />
chromosomen) zoals de chromosomen 21 en 14. De<br />
korte arm van beide chromosomen breekt dan af en<br />
de centromeren hechten zich aan mekaar vast.<br />
B: In dit karyogram zie je dat een van de chromosomen<br />
14 langer is dan het andere. Dat komt omdat<br />
er een chromosoom 21 aan ‘vastplakt’. Dit meisje<br />
heeft dus in totaal drie chromosomen 21: twee losse<br />
en eentje vast aan een van de chromosomen 14.<br />
Daarom lijdt ze aan het syndroom van Down.<br />
Bij een genoommutatie is er iets mis met het aantal chromosomen, dus met de hoeveelheid<br />
erfelijk materiaal.<br />
• Bij een polyploïdie komt elk type chromosoom in een te groot aantal voor. Polyploïdieën<br />
zijn bij mensen en dieren niet leefbaar, maar bij planten wel: de moderne tarwe<br />
die we gebruiken voor brood en pasta is bijvoorbeeld hexaploïd (6n chromosomen).<br />
inkijkexemplaar<br />
Een triploïdie is bij de mens niet leefbaar. Ze<br />
is de oorzaak van 1/6de van de miskramen.<br />
Ze ontstaat bijvoorbeeld wanneer een eicel<br />
bevrucht wordt door twee zaadcellen.<br />
• Bij een trisomie komt één type chromosoom in drie exemplaren voor in plaats van twee.<br />
De meeste trisomieën zijn niet leefbaar bij de mens. Trisomie 21 – drie chromosomen<br />
21 in plaats van twee, de oorzaak van het syndroom van Down – zou je een uitzondering<br />
kunnen noemen. Chromosoom 21 is een zeer klein chromosoom, en de gevolgen<br />
bij een verkeerd aantal zijn dan ook minder ernstig dan bij een groter chromosoom.<br />
Ook van de geslachtschromosomen komen trisomieën voor.
Karyogram van een man met het syndroom van<br />
Down, dat veroorzaakt wordt door een afwijking in<br />
het normale aantal chromosomen; het chromosoom<br />
21 komt in drievoud i.p.v. in tweevoud voor.<br />
• Bij een monosomie komt er van één type chromosoom maar één exemplaar voor in<br />
plaats van twee. Bij mensen is alleen monosomie X leefbaar. Die mensen hebben 45<br />
chromosomen, waarvan één X-chromosoom: geen tweede X, geen Y-chromosoom. Zulke<br />
meisjes lijden aan het Turnersyndroom.<br />
Afwijkende chromosomenaantallen worden verderop uitgebreider behandeld.<br />
• Eiwitten zijn de moleculen die alle levensprocessen in de cel uitvoeren. Om dat te<br />
kunnen doen moeten ze de juiste aminozurensamenstelling en -volgorde hebben. Die<br />
wordt bepaald door de nucleotidenvolgorde in het DNA van de genen: elk gen bepaalt<br />
de bouw van één polypeptide.<br />
• De synthese van eiwitten gebeurt in twee stappen: transcriptie en translatie.<br />
• Tijdens de transcriptie wordt in de kern een RNA-kopie gemaakt van één DNA-streng<br />
van een gen. De RNA-molecule die ontstaat noemen we boodschapperRNA (mRNA).<br />
• Tijdens de translatie wordt in het cytoplasma de nucleotidenvolgorde van het mRNA<br />
afgelezen door een ribosoom. Op basis van de nucleotidenvolgorde in het coderende<br />
gedeelte van het mRNA (= open leesraam) worden de juiste aminozuren in de juiste<br />
volgorde aan elkaar gekoppeld, zodat er een polypeptide ontstaat. Die aminozuren<br />
worden aangevoerd en in de juiste volgorde gezet door kleine tRNA-moleculen.<br />
• Wanneer er een verandering (= mutatie) optreedt in de nucleotidenvolgorde van een<br />
gen, zal er meestal ook een verandering optreden in het eiwit dat op basis van dat gen<br />
gemaakt wordt. Meestal zal dat eiwit daardoor niet meer naar behoren functioneren.<br />
We noemen een mutatie in één gen een genmutatie. We onderscheiden o.m. deleties,<br />
inserties en puntmutaties. De gevolgen zijn afhankelijk van de aard en het aantal van<br />
de nucleotiden die bij de mutatie betrokken zijn.<br />
• Naast genmutaties onderscheidt men ook grotere mutaties, die microscopisch waarneembaar<br />
zijn: een chromosoommutatie is een grote verandering in de samenstelling<br />
van één of enkele chromosomen. Een genoommutatie is een verandering in het aantal<br />
chromosomen.<br />
inkijkexemplaar<br />
31
32<br />
4 doorgeven van informatie<br />
4.1 Het lichaam groeit<br />
4.1.1 Waarom celdeling?<br />
Als je groeit maak je meer cellen aan. Dat heeft zo zijn voordelen. Cellen kunnen immers<br />
niet eindeloos groter worden. Twee kleine cellen kunnen ook efficiënter voedingstoffen<br />
opnemen dan één grote. Als je uit veel cellen bestaat, kan je de taken bovendien verdelen.<br />
Cellen specialiseren zich in bepaalde functies: sommige nemen zuurstof op uit de lucht,<br />
andere vangen licht op ...<br />
Het aanmaken van nieuwe cellen stopt niet zodra je lichaam volgroeid is. Je cellen verslijten<br />
immers, worden beschadigd ... Ze moeten dan vervangen worden door nieuwe cellen.<br />
Een huidcel gaat bijvoorbeeld twee tot vier weken mee, daarna moet ze vervangen worden<br />
door een nieuwe – tenzij ze eerder al beschadigd werd, natuurlijk.<br />
De groei van deze foetus (20 weken) is het gevolg van celdeling. Wondheling gebeurt door herhaalde celdelingen.<br />
Nieuwe lichaamscellen worden aangemaakt door celdeling: een bestaande cel splitst zich<br />
in twee nieuwe cellen. De bedoeling daarbij is dat beide nieuwe cellen precies dezelfde<br />
erfelijke informatie – dus hetzelfde DNA – krijgen als de oorspronkelijke. Het bestaande<br />
DNA moet dus eerst gekopieerd worden in een proces dat replicatie heet. Zodra dat gebeurd<br />
is, kunnen de twee kopieën netjes verdeeld worden over de twee nieuw te vormen<br />
cellen: dat is de eigenlijke celdeling of mitose.<br />
4.1.2 De voorbereiding: erfelijke informatie wordt gekopieerd<br />
Voor een cel zich kan delen, moet ze ervoor zorgen dat er voor elk van haar dochtercellen<br />
een perfecte kopie van haar erfelijke informatie beschikbaar is. Vóór de celdeling zal ze<br />
dus al haar DNA kopiëren. Als je de opbouw van de DNA-molecule uit twee complementaire<br />
ketens bekijkt, zie je al meteen hoe dat waarschijnlijk zal gebeuren. Watson en Crick<br />
zagen het al in 1953: het kan voor een cel niet zo moeilijk zijn om de twee complementaire<br />
helften van haar DNA los te maken van elkaar en op elk van beide aan te vullen wat<br />
er ontbreekt. Op die manier krijg je twee dubbelstrengige moleculen die identiek zijn aan<br />
de oorspronkelijke.<br />
inkijkexemplaar<br />
Het proces waarbij op basis van één DNA-molecule twee identieke DNA-moleculen gemaakt<br />
worden heet replicatie. Eenvoudig gesteld verloopt replicatie in twee stappen:<br />
1 De twee complementaire ketens worden van elkaar losgemaakt door het verbreken<br />
van de waterstofbruggen tussen de complementaire basen. Dat gebeurt door het enzym<br />
helicase, dat de DNA-molecule geleidelijk aan van de ene kant naar de andere<br />
‘openritst’. Je krijgt op die manier twee enkele ketens met vrije basen.
A B C D<br />
Schematisch overzicht van semiconservatieve DNA-replicatie<br />
A Oorspronkelijke DNA-molecule<br />
B Onder invloed van helicase wijken de twee strengen uiteen.<br />
C Op de twee strengen worden met behulp van DNA-polymerase complementaire nucleotiden aangehecht.<br />
D De nieuwgevormde DNA-moleculen zijn onderling identiek en identiek aan de oorspronkelijke DNA-molecule.<br />
2 Naarmate het enzym helicase vordert bij het ‘openritsen’ van de DNA-molecule vult<br />
een tweede enzym, DNApolymerase, de ontbrekende complementaire nucleotiden<br />
aan op elk van de ketens die ontstaan zijn. Dat gaat haast automatisch omdat door de<br />
complementariteit het juiste nucleotide op de juiste plaats terecht komt: het enige<br />
dat polymerase hoeft te doen is de nucleotiden onderling verbinden tot een keten. Dat<br />
gebeurt op de twee oorspronkelijke ketens in tegengestelde richting, wat ons, zoals je<br />
kan lezen in de context, technisch gezien erg goed uitkomt.<br />
Het resultaat van de actie van deze twee enzymen is het ontstaan van twee DNA-moleculen<br />
die identiek zijn aan de oorspronkelijke molecule. Elk bestaat uit twee complementaire<br />
ketens, waarvan er één afkomstig is van de oorspronkelijke molecule en één nieuw<br />
gemaakt werd. Omdat elke dochtermolecule dus voor de helft uit ‘oud’ en voor de helft<br />
uit ‘nieuw’ materiaal bestaat, noemen we replicatie een semiconservatief proces.<br />
inkijkexemplaar<br />
33
34<br />
context<br />
DNA à volonté<br />
Kary Mullis is een Amerikaanse scheikundige die PCR uitvond, een<br />
techniek om DNA te vermenigvuldigen. Het verhaal gaat dat hij de<br />
techniek bedacht toen hij op een nacht in 1983 met zijn vriendin in<br />
het maanlicht door de Californische heuvels reed. Hij dacht aan de<br />
precisie van het DNA-replicatieproces en aan een manier om het in<br />
de proefbuis toe te passen om DNA te vermenigvuldigen.<br />
Het idee was zo simpel dat Mullis zijn superieuren in de biotechnologische<br />
firma waar hij werkte maar met moeite kon overtuigen<br />
dat het echt iets betekende. Hij besteedde een jaar aan het op punt<br />
stellen van de techniek, en het werkte! Mullis kreeg een bonus van<br />
10 000 dollar voor zijn uitvinding, en de firma waarvoor hij werkte<br />
verkocht ze later voor 300 miljoen dollar. Mullis kreeg er in 1993<br />
ook de Nobelprijs chemie voor.<br />
PCR is de afkorting van polymerase chain reaction of polymerase-kettingreactie. De techniek<br />
is gebaseerd op het natuurlijke replicatieproces, waarbij het enzym DNA-polymerase vóór elke<br />
celdeling een kopie maakt van al het DNA van de cel. Mullis’ idee was dat je dit mechanisme<br />
kan gebruiken om DNA miljoenen keren te kopiëren, gewoon door het replicatieproces van<br />
hetzelfde stukje DNA telkens weer opnieuw te laten beginnen: een kettingreactie dus.<br />
Het onderzoek van DNA kan erg nuttig zijn, niet alleen in fundamenteel wetenschappelijk onderzoek<br />
maar ook bijvoorbeeld in gerechtelijke en medische contexten. Je kan er iemand mee<br />
identificeren, verdachten uitsluiten in een gerechtelijk onderzoek, erfelijke afwijkingen opsporen<br />
... Het probleem is dat je in die contexten vaak over erg weinig DNA beschikt, te weinig<br />
om onderzoek op te doen. Enkele haren, een spatje bloed, een cel van een embryo: over meer<br />
materiaal beschik je vaak niet. Een techniek om DNA te vermenigvuldigen (amplificeren) is dus<br />
erg nuttig, en de beste techniek daarvoor, tot nu toe, is PCR.<br />
Wat heb je zoal nodig voor PCR?<br />
• DNA met daarin het stukje dat je wilt onderzoeken. Voorwaarde is wel dat je de volgorde<br />
van een aantal nucleotiden aan weerskanten van dat stukje kent.<br />
• Twee stukjes enkelstrengig DNA – in de proefbuis gemaakt – die complementair zijn aan<br />
het DNA aan weerszijden van het te onderzoeken stuk. Gewoonlijk zijn deze stukjes een<br />
20-tal nucleotiden lang. We noemen ze primers omdat ze als ‘startblok’ dienen voor DNApolymerase.<br />
• Warmtebestendig DNApolymerase. Dit enzym moet warmtebestendig zijn omdat het<br />
grootste deel van de reactie bij hoge temperatuur gebeurt.<br />
• Een flinke voorraad DNAnucleotiden om nieuw DNA mee te bouwen.<br />
inkijkexemplaar<br />
Dat alles gaat in een proefbuis. Die proefbuis gaat in een machine die op voorgeprogrammeerde<br />
tijdstippen van temperatuur verandert: een thermocycler.
Hoe werkt het?<br />
PCR bestaat uit drie stappen die telkens terugkeren, in een cyclus.<br />
1 denaturatie:<br />
De complementaire DNA-strengen worden van elkaar gescheiden door verwarming tot<br />
94 °C.<br />
2 hybridisatie:<br />
Bij afkoeling – tot 55 °C bijvoorbeeld – zullen de primers zich binden op de complementaire<br />
stukken DNA aan weerskanten van het te onderzoeken stuk.<br />
3 extensie of elongatie:<br />
Met de primers als startpunten maakt DNA-polymerase een complementaire keten aan op<br />
elk van de helften van de te onderzoeken molecule. Dat gebeurt bij 72 °C. Resultaat: twee<br />
nieuwe dubbelstrengige moleculen met als eindpunten de primers die je toegevoegd hebt.<br />
Deze cyclus wordt 20-30 keer herhaald. Reken maar eens uit hoeveel moleculen DNA je zo<br />
maakt: 2 moleculen na 1 cyclus, 4 moleculen na 2 cycli ...<br />
Samengevat selecteer je dus een klein stukje DNA uit een ingewikkeld DNA-mengsel – bijvoorbeeld<br />
een stukje van 100 nucleotidenparen lang uit de 3 miljard nucleotidenparen in een<br />
menselijke cel – en vermenigvuldig je alleen dat stukje zo vaak als je maar wil, door toepassing<br />
van het natuurlijke replicatieproces. Het is zoals de spreekwoordelijke naald in de hooiberg<br />
die je vindt en dan een paar miljoen keer namaakt. Het gevonden stukje kan je dan op allerlei<br />
manieren gebruiken of onderzoeken. De toepassingen van PCR zijn eindeloos: van genetische<br />
vingerafdrukken tot het diagnosticeren van erfelijke aandoeningen, van het opsporen van allerlei<br />
infecties zoals aids tot het doelbewust aanbrengen van mutaties in DNA om te zien wat<br />
de gevolgen daarvan zijn. Je leest er meer over in het thema biotechnologie in module 4.<br />
Benodigdheden:<br />
doelsequentie<br />
doelsequentie<br />
primers vrije nucleotiden polymerase<br />
denaturatie<br />
(94 °C)<br />
strengen gescheiden<br />
bij hoge temperatuur<br />
hybridisatie<br />
(55 °C)<br />
herhaal dit proces<br />
meerdere keren<br />
binding van primers<br />
op complementaire<br />
stukken van DNA<br />
extensie<br />
(72 °C)<br />
inkijkexemplaar<br />
DNA-polymerase<br />
voegt aan elke streng<br />
een complementaire<br />
streng toe<br />
Kopiëren van een specifieke DNA-sequentie: in de polymerasekettingreactie gebruikt men specifieke primers, hittebestendige<br />
DNA-polymerase en een overmaat aan vrije nucleotiden om een specifiek stukje DNA miljoenen malen te kopiëren.<br />
35
36<br />
4.1.3 De celdeling zelf: verdelen van de kopieën<br />
De twee kopieën van het DNA van de oorspronkelijke cel worden gelijk verdeeld over twee<br />
nieuwe cellen in de celdeling of mitose. Hoewel de mitose een continu proces is, worden<br />
er vier fasen onderscheiden die geleidelijk in elkaar overgaan: de profase, de metafase, de<br />
anafase en de telofase. Een middeltje om die namen in de juiste volgorde te onthouden?<br />
Denk aan het zinnetje ‘Prosper gaat Met Ana Telefoneren’!<br />
1 profase:<br />
De chromatinedraden condenseren geleidelijk tot<br />
chromosomen. Dat is nodig om de verdeling straks<br />
ordelijk te laten verlopen: chromatinedraden zijn<br />
immers heel lang en heel dun (2 m per cel!). Ze zouden<br />
bij de verdeling vast in de knoop geraken of<br />
breken als ze niet eerst opgerold werden. Elk chromosoom<br />
bestaat uit twee chromatiden, samengehouden<br />
door een centromeer. Per cel zijn er nu 2n<br />
chromosomen, met allemaal samen 4n chromatiden.<br />
Tegelijkertijd verdwijnt het nucleool en de<br />
kernmembraan.<br />
Het centriool heeft zich voor de eigenlijke celdeling<br />
al gedeeld. De twee nieuwe centriolen plaatsen<br />
zich tegenover elkaar aan de ‘polen’ van de<br />
kern. Vanuit de centriolen worden vezels gevormd:<br />
spoeldraden, die de spoelfiguur vormen. Elk chromosoom<br />
zit met zijn centromeer vast aan een<br />
spoeldraad.<br />
Cel in de profase: 2n chromosomen zijn zichtbaar, de spoelfiguur<br />
wordt aangelegd tussen de centriolen en het kernmembraan verdwijnt.<br />
2 metafase:<br />
Alle chromosomen plaatsen zich nu met hun centromeer<br />
in het evenaarsvlak.<br />
Voor microscopie – het opstellen van een karyogram,<br />
bv. in het kader van genetisch advies – is dit de interessantste<br />
fase, omdat alle chromosomen in één vlak<br />
liggen: ze kunnen dus allemaal tegelijk in beeld gebracht<br />
worden.<br />
inkijkexemplaar<br />
Cel in de metafase; de chromosomen liggen<br />
in het middenvlak of evenaarsvlak tussen de twee polen.<br />
3 anafase:<br />
Het laatste stukje van de chromatinedraden gaat nu ook ontdubbelen, zodat de centromeren<br />
van de chromosomen splitsen. De chromatiden komen van elkaar los (vanaf<br />
dit moment worden ze vaak ook gewoon chromosomen genoemd) en worden door de<br />
korter wordende spoeldraden naar de tegenoverliggende polen getrokken: één chromatide<br />
van elk chromosoom – samen 2n dus – naar elke pool.
Cel in de anafase: de zusterchromatiden worden uit elkaar getrokken naar de celpolen en zijn vanaf nu volwaardige<br />
chromosomen.<br />
4 telofase:<br />
Nu zijn er aan elke pool 2n chromosomen (of chromatiden).<br />
Geleidelijk aan ontrollen die zich, zodat er<br />
weer een chromatinenetwerk ontstaat. Het nucleool<br />
wordt weer zichtbaar en er wordt een nieuwe kernmembraan<br />
gevormd.<br />
Cel in de telofase: de spoelfiguur wordt afgebroken, de twee groepen<br />
chromosomen gaan over naar chromatinevezels waarrond een kernmembraan<br />
wordt gevormd.<br />
Daarmee is de eigenlijke mitose afgelopen. Strikt genomen<br />
is de mitose beperkt tot de kerndeling, maar vaak<br />
bedoelt men er de volledige celdeling mee: niet alleen de<br />
kern, maar ook het cytoplasma deelt zich. Bij dierencellen<br />
gebeurt dat door een eenvoudige insnoering van de<br />
celmembraan. Bij plantencellen wordt er tussen de twee<br />
nieuwe kernen een middenlamel of celplaat aangelegd<br />
(door het Golgi-apparaat), die later zal uitgroeien tot celwand.<br />
De celorganellen worden willekeurig verdeeld over<br />
de twee dochtercellen. Soms wordt de kerndeling karyokinese<br />
genoemd, en de deling van het cytoplasma cytokinese.<br />
Cytokinese bij een dierlijke cel<br />
In de mitose wordt het reeds vooraf (tijdens de interfase, zie 4.1.4) verdubbelde erfelijk<br />
materiaal gelijk verdeeld over twee cellen. Deze twee dochtercellen zijn dus genetisch<br />
identiek aan elkaar en aan de moedercel. Ze bevatten elk een diploïd aantal chromosomen<br />
(2n).<br />
inkijkexemplaar<br />
37
38<br />
Overzicht van de celdeling.<br />
De duur van de mitose varieert van cel tot cel en van weefsel tot weefsel. Ook milieufactoren kunnen hierop een invloed<br />
uitoefenen. In levercellen duurt de mitose bv. 70 tot 110 minuten, nl. profase: 18 min, metafase: 17-38 min, anafase:<br />
14-24 min en telofase: 28 min.<br />
context<br />
Karyogrammen<br />
Een karyogram zou je een chromosomenportret kunnen noemen. Het is een voorstelling van<br />
de chromosomen van een mens, die op een welbepaalde manier gerangschikt werden.<br />
inkijkexemplaar<br />
De bedoeling van een karyogram is om na te gaan of alle chromosomen van een bepaalde<br />
persoon in zijn cellen aanwezig zijn en of ze allemaal intact zijn. Bij sommige erfelijk bepaalde<br />
aandoeningen komt er in de cellen een onjuist aantal chromosomen voor, of zijn bepaalde<br />
chromosomen beschadigd.<br />
Het klassieke karyogram<br />
Voor het opstellen van een karyogram worden uit een bloedstaal de witte bloedcellen geisoleerd<br />
(1). Die witte bloedcellen zet men in een voedingsvloeistof in cultuur, en men zorgt<br />
ervoor dat ze zich gaan delen: alleen in delende cellen kan je immers chromosomen zien! Dat<br />
gebeurt door het toevoegen van een mitogen, een stof die de celdeling bevordert (2). Door<br />
het toevoegen van een andere stof, colchicine, worden de cellen in de metafase geblokkeerd<br />
(3). Omdat alle chromosomen dan in één vlak liggen, zijn ze allemaal tegelijk te zien. De cellen<br />
worden op een draagglaasje gebracht en gekleurd met een kleurstof die op de chromosomen
een streepjespatroon aanbrengt dat typisch is voor elk type chromosoom. De cellen worden<br />
bestudeerd onder de microscoop (4) en er wordt een foto genomen van de kern met de chromosomen<br />
(5). Uit die foto worden de chromosomen geknipt, die dan volgens bepaalde regels<br />
op een blad gerangschikt worden (6). Er wordt hiervoor gekeken naar drie dingen:<br />
• de grootte van het chromosoom: ze worden gerangschikt van groot naar klein;<br />
• de symmetrie: de ligging van het ‘middenstuk’ en de lengte van de twee armen;<br />
• het bandenpatroon: bij de bewerking ontstaat er op de chromosomen een soort ‘streepjescode’,<br />
die verschilt van chromosoom tot chromosoom.<br />
1. afzondering witte bloedcellen<br />
2. stimuleren mitose<br />
3. stoppen in metafase<br />
Onderzoeker, bezig met de analyse van een ongeordend<br />
chromosomenbeeld om te komen tot een geordend karyogram<br />
1 2 3 4 5 6 7<br />
8 9 10 11 12 13 14 15<br />
16 17 18 19 20 21 22 XX<br />
6. karyotypering<br />
4. microscopie 5. fotografie<br />
inkijkexemplaar<br />
In plaats van bloed kan eigenlijk eender welk weefsel dat cellen met een kern bevat bestudeerd<br />
worden. Dit kan heel nuttig zijn, bijvoorbeeld voor prenatale diagnose (zie verder).<br />
39
40<br />
Het computerkaryogram<br />
Het nadeel van het klassieke karyogram is dat het veel handwerk vraagt en veel tijd in beslag<br />
neemt. Tegenwoordig gebruikt men een computer die de microscoopfoto’s scant en de chromosomen<br />
rangschikt volgens de regels. Als de computer een onregelmatigheid vindt, haalt hij<br />
een aantal vergelijkbare gevallen uit zijn geheugen.<br />
FISHing<br />
Nog nieuwer is FISH: Fluorescent In Situ Hybridisation.<br />
Het is een techniek waarbij als kleuring stukjes DNA<br />
gebruikt worden die door complementariteit binden<br />
aan bepaalde stukken van bepaalde chromosomen.<br />
Aan het DNA is een fluorescerende molecule gebonden,<br />
zodat men een vlek in een bepaalde kleur ziet oplichten<br />
op de plaats waar het DNA zich bindt. Als er<br />
genoeg stukjes DNA gecombineerd worden, kleurt het<br />
hele chromosoom. Voor elk type chromosoom kan een<br />
ander kleurtje gekozen worden. De techniek wordt<br />
daarom ook wel chromosome painting genoemd. Ze<br />
levert niet alleen mooie beelden op, maar is ook veel<br />
nauwkeuriger dan het klassieke karyogram: er kunnen<br />
zelfs individuele genen mee teruggevonden worden.<br />
Chromosomen onder een fluorescentiemicroscoop<br />
na toepassing van FISH<br />
De centromeren lichten roze en geel op, en de<br />
armen van de chromosomen blauw en groen.<br />
4.1.4 De celcyclus<br />
Alles wel beschouwd kent het leven van een cel dus een cyclisch verloop: celdelingen wisselen<br />
af met schijnbare perioden van inactiviteit, interfases.<br />
De relatieve rust van de interfase is maar schijn: een cel in ‘rust’ bruist immers van de<br />
biochemische activiteit. Ademhaling, fotosynthese, aanmaak van eiwitten enz. vullen het<br />
grootste deel van het leven van een cel: uren, dagen, vaak zelfs jaren. Door al die activiteiten<br />
groeit de cel. Dit eerste deel van de interfase noemen de cytologen de G fase 1<br />
(G van ‘gap’ – er is met de microscoop immers niet veel te zien!). Je zou het ook de groeifase<br />
kunnen noemen.<br />
inkijkexemplaar<br />
Schematische voorstelling van de celcyclus. De celcyclus<br />
bestaat uit de celdeling (= mitose + cytokinese) en<br />
de interfase: een periode van celgroei en voorbereiding op<br />
de celdeling. De interfase bestaat zelf uit de G 1 -, S- en G 2 -fase.<br />
De duur van de fasen is aan gegeven in de binnenste cirkel en<br />
geldt voor een levercel.
Als de cel te groot wordt, krijgt ze een signaal dat ze zich beter zou delen. In de laatste<br />
tien uur van de interfase bereidt de cel zich daarom voor op de celdeling. Eerst kopieert<br />
ze haar DNA tijdens de Sfase (S voor ‘synthese’). Tijdens de G 2 fase treft ze de laatste<br />
voorbereidselen: deling van het centriool, aanmaak van extra histonen die de condensatie<br />
van chromatinedraad tot chromosoom mogelijk moeten maken, van tubuline voor de<br />
spoeldraden, van extra bestanddelen voor membranen ...<br />
Sommige cellen, zoals zenuw- of spiercellen bij zoogdieren, delen zich nooit meer als ze<br />
eenmaal volgroeid zijn. Na de celdeling komen ze in de G 1 -fase, maar die gaat over in een<br />
fase waarin ze niet meer groeien en alleen defecte bestanddelen vervangen, de G 0 fase.<br />
context<br />
Ontregeling van de celcyclus: het ontstaan van kanker<br />
Celdeling en de celcyclus zijn nauwkeurig geregelde processen in de cel. Cellen moeten zich<br />
delen als je nog moet groeien of als je je gekwetst hebt, maar niet meer als je volgroeid bent<br />
of als je wonde genezen is.<br />
Als je een cel met het nodige voedingsmedium in een kweekschaaltje zet, zal ze groeien en<br />
zich delen. De cellen die ontstaan zullen dat blijven doen tot de bodem van het schaaltje volledig<br />
bedekt is. Cellen vertonen iets dat men contactinhibitie noemt: ze stoppen met delen<br />
als ze te dicht op elkaar zitten. In je lichaam stoppen de<br />
cellen die deel uitmaken van een orgaan als dat orgaan<br />
volgroeid is. Kankercellen hebben dat soort remming<br />
niet: in een kweekschaaltje vormen ze een tweede en<br />
een derde laag cellen. In je lichaam blijven ze zich delen,<br />
ook al is het orgaan waarvan ze deel uitmaken allang<br />
volgroeid: ze vormen een tumor.<br />
Typisch voor een kwaadaardige tumor is dat de cellen die hij bevat niet alleen<br />
niet kunnen stoppen met delen, maar zich ook uitzaaien naar andere weefsels.<br />
Dat geeft een dergelijke tumor zijn typische vorm, waarin Hippocrates 2500<br />
jaar geleden al een krab zag, vandaar de naam van kanker (Lat. cancer = krab).<br />
De overgang van één fase in de celcyclus naar de volgende, de inzet van de mitose enz. worden<br />
geregeld door eiwitten, en die eiwitten worden natuurlijk gemaakt op basis van genen. Kanker<br />
is dus een genetisch proces – wat niet wil zeggen dat het erfelijk is, tenzij in een minderheid<br />
van de gevallen. Kanker ontstaat door iets dat misloopt in je genen, maar dat betekent niet dat<br />
je het kan overerven.<br />
inkijkexemplaar<br />
Kanker ontstaat altijd in één cel die de pedalen kwijtraakt door een fout die toevallig ontstaat<br />
in haar genen; ze raakt de controle over haar celcyclus kwijt. Omdat de kanker veroorzakende<br />
fout in een lichaamscel ontstaat en niet in je geslachtscellen, kan je de foutieve genen niet<br />
doorgeven. Wat je wel kan doorgeven is een gen dat je vatbaarder maakt voor kanker. Bij sommige<br />
mensen zal een mutatie door bijvoorbeeld chemische stoffen makkelijker tot kanker leiden<br />
dan bij anderen.<br />
Oncogenen en tumorsuppressorgenen zijn twee groepen van genen die vaak betrokken zijn bij<br />
het ontstaan van kanker.<br />
Genen waarvan het product de mitose stimuleert noemen we protooncogenen. Ze moeten<br />
actief zijn als je nog veel moet groeien of als je nieuwe cellen moet maken om een wonde te<br />
laten dichtgroeien. Maar als je volgroeid bent of als de snee in je vinger dichtgegroeid is, moet<br />
de activiteit van het proto-oncogen stoppen. Soms gebeurt dat niet, omdat het gen gemu-<br />
41
42<br />
teerd is of omdat het geactiveerd wordt door een virus, bijvoorbeeld. We noemen het dan een<br />
oncogen: een proto-oncogen dat op het verkeerde tijdstip of op de verkeerde plaats actief is.<br />
Het oncogen blijft bijvoorbeeld de celdeling stimuleren nadat de snee in je vinger dichtgegroeid<br />
is. Er blijft zich dan nieuw weefsel vormen waar het niet hoort en er ontstaat een tumor.<br />
Een tumorsuppressorgen is een gen waarvan het product de celdeling afremt. Het komt in<br />
actie wanneer het orgaan waarin het zit volgroeid is. Gebeurt dat niet, doordat het gen ontbreekt<br />
of gemuteerd is bijvoorbeeld, dan blijft de celdeling doorgaan en ontstaat er een tumor.<br />
Een derde groep genen die betrokken kan zijn bij het ontstaan van kanker bestaat uit genen<br />
die zorgen voor het herstel van je DNA. Op talloze manieren kunnen er foutjes ontstaan in je<br />
DNA: door het ultraviolette licht van de zon, door dingen die je eet, door chemische stoffen,<br />
door foutjes bij de replicatie ... Gelukkig beschikken je cellen over een arsenaal aan reparatieenzymen,<br />
elk gespecialiseerd in een bepaald soort foutjes. Als het gen voor zo’n enzym beschadigd<br />
is, werkt het enzym zelf natuurlijk ook niet naar behoren, en blijven de fouten staan.<br />
Als zo’n fout voorkomt in een oncogen of een tumorsuppressorgen kan er een tumor ontstaan.<br />
4.2 Voortplanting: geslachtelijk of ongeslachtelijk?<br />
4.2.1 Ongeslachtelijke voortplanting: de eenvoud zelf<br />
Naast groei en herstel kan mitose ook gebruikt worden om nieuwe organismen te vormen.<br />
Als pantoffeldiertjes of amoebes zich willen voortplanten, splitsen ze zich gewoon<br />
in tweeën: simpel! Omdat er hier geen sprake is van versmelting van cellen noemen we dit<br />
ongeslachtelijke voortplanting.<br />
Ook meer ontwikkelde organismen planten zich op deze manier voort. Hondsdraf (foto)<br />
en aardbei, bijvoorbeeld, vormen door mitose horizontale stengels (uitlopers) boven de<br />
grond. Waar zo’n uitloper de grond raakt, vormt zich een nieuwe plant – ook door mitose.<br />
Alle nakomelingen van de oorspronkelijke plant zijn op deze manier door mitose<br />
ontstaan. Ze zijn dus allemaal genetisch identiek. Zo’n verzameling van nakomelingen die<br />
door mitose ontstaan zijn en dus genetisch identiek zijn, noemen we een kloon.<br />
inkijkexemplaar<br />
4.2.2 Het nadeel van ongeslachtelijke voortplanting<br />
Klonen kunnen zo hun voordelen hebben, maar ze zijn erg kwetsbaar, precies omdat alle<br />
leden ervan genetisch identiek zijn. Omdat ze genetisch identiek zijn, zijn ze ook allemaal<br />
even gevoelig voor ziektes of andere ongunstige omstandigheden. Als er dan een ziekte<br />
opduikt kan een hele populatie op korte tijd uitgeroeid worden.
4.2.3 Meer variatie door geslachtelijke voortplanting<br />
Voor het overleven van een soort is het gunstig als er verschillen zijn tussen de leden<br />
van die soort. In ongunstige omstandigheden zijn er dan altijd wel een paar individuen<br />
die toevallig tegen die omstandigheden bestand zijn, en dus overleven en zich kunnen<br />
voortplanten. Er sterft misschien wel een groot aantal individuen, maar de soort blijft<br />
tenminste bestaan. Dat is ook de basis van evolutie: doordat de soort zich aanpast aan<br />
de omstandigheden, verandert ze geleidelijk aan. Organismen die zich ongeslachtelijk<br />
voortplanten evolueren langzamer.<br />
Een manier om aan meer variatie te komen is geslachtelijke<br />
voortplanting: het combineren van erfelijke kenmerken van<br />
twee individuen door het versmelten van geslachtscellen.<br />
Daarbij stelt zich echter één probleem: als twee cellen met<br />
het normale aantal chromosomen versmelten, hebben de<br />
nakomelingen in al hun cellen het dubbele aantal chromosomen.<br />
Dat kan natuurlijk niet: het aantal chromosomen moet<br />
bij alle individuen van een soort hetzelfde blijven.<br />
Lichtmicroscopisch beeld van de menselijke eicel (Ø 200 μm)<br />
Om dat probleem op te lossen heeft de natuur een speciale celdeling uitgevonden: de meiose<br />
of halveringsdeling. Bij de meiose worden cellen gevormd die maar de helft van het<br />
normale aantal chromosomen bevatten: één chromosoom van elk homoloog paar. Als je<br />
twee dergelijke cellen met elkaar versmelt, heb je terug het normale aantal chromosomen.<br />
inkijkexemplaar<br />
Mitose zorgt voor vermeerdering van lichaamscellen vanaf de zygote. Geslachtsrijpe organismen produceren door<br />
meiose gameten die slechts de helft van het normale aantal chromosomen in de lichaamscellen bevatten.<br />
43
44<br />
Bij mensen en dieren wordt de meiose alleen gebruikt voor het vormen van geslachtscellen.<br />
Zaadcellen en eicellen bevatten daardoor, als enige cellen in het menselijk lichaam,<br />
maar 23 chromosomen in plaats van 46. Als eicel en zaadcel bij de bevruchting met elkaar<br />
versmelten, bevat de bevruchte eicel terug twee chromosomen in elk paar, eentje van<br />
elke ouder, samen 46 chromosomen. Het kind dat uit die bevruchte eicel groeit zal in al<br />
zijn cellen 46 chromosomen hebben, want het ontstaat door mitose.<br />
4.2.4 Vorming van speciale voortplantingscellen: meiose<br />
De meiose bestaat uit twee celdelingen na elkaar (meiose I en meiose II), zonder replicatie<br />
van het DNA tussen de twee. In de eerste deling deelt een cel met 2n chromosomen zich<br />
in twee cellen met n intacte chromosomen: één chromosoom van elk homoloog paar.<br />
In de tweede deling delen de dochtercellen zich nogmaals, waarbij de n chromosomen<br />
gesplitst worden. In totaal krijg je dus uit één cel met 2n (ongedeelde) chromosomen 4<br />
cellen met elk n gesplitste chromosomen. De twee delingen bestaan elk uit profase, metafase,<br />
anafase en telofase.<br />
Meiose I en meiose II doen uit een diploïde kiemcel 4 haploïde gameten ontstaan.<br />
4.2.4.1 Meiose I<br />
Tijdens de interfase die aan deze deling voorafgaat, verdubbelen de chromatinedraden en<br />
het andere celmateriaal zoals de centriolen zich, net als voor de mitose.<br />
inkijkexemplaar<br />
• profase 1:<br />
In het begin van profase 1 gebeurt ongeveer hetzelfde als in de profase van de mitose<br />
– maar niet helemaal. De verdubbelde chromatinedraden spiraliseren zich en worden<br />
zichtbaar als chromosomen, elk bestaande uit twee zusterchromatiden, samengehouden<br />
door een centromeer. De gedeelde centriolen stoten elkaar af en verplaatsen zich<br />
geleidelijk naar de polen.
Profase 1 met chiasmen tussen niet-zusterchromatiden<br />
Profase 1 na de overkruising. Stukjes chromatiden<br />
breken ter hoogte van een chiasma af en worden<br />
tussen de niet-zusterchromatiden uitgewisseld.<br />
Wat zo bijzonder is aan de profase van de eerste meiotische deling is dat de homologe<br />
chromosomen, terwijl ze geleidelijk korter en dikker worden, over hun<br />
hele lengte tegen elkaar gaan aanliggen: we zeggen dat ze in synaps zijn. Ertussen<br />
wordt een eiwitachtige tussenstructuur gevormd, waardoor ze als het ware aaneengekit<br />
zijn. De chromosomen liggen hierbij zodanig tegen elkaar dat de overeenkomstige<br />
genenparen ook precies langs elkaar liggen. Aangezien elk chromosomenpaar<br />
uit vier chromatiden bestaat (tweemaal twee zusterchromatiden) liggen er nu<br />
vier chromatiden tegen elkaar: daarom spreken we over een tetrade. De 2n chromosomen<br />
van elke cel vormen zo n tetraden. Heel vaak liggen de chromatiden van<br />
een homoloog chromosomenpaar over elkaar. De plaats waar dat gebeurt noemen<br />
we een chiasme. Deze speciale positie van de chromosomen is belangrijk. Ze maakt<br />
het mogelijk dat er stukjes uitgewisseld worden tussen de twee chromosomen van<br />
eenzelfde paar. De samenstelling van de chromatiden verandert daardoor, zodat<br />
de dochtercellen na de meiose niet meer precies gelijk zijn, en dat is goed voor de<br />
variatie. Deze uitwisseling noemen we overkruising of crossingover. We hebben het er<br />
verderop nog uitgebreider over.<br />
• metafase 1:<br />
Intussen zijn kernomhulsel en nucleolen verdwenen. De<br />
spoelfiguur wordt gevormd. De chromosomen gaan nu<br />
in het evenaarsvlak liggen. Ze blijven daarbij twee aan<br />
twee: de centromeren tegenover elkaar aan beide zijden<br />
van het evenaarsvlak. Er liggen dus n tetraden in dat<br />
vlak. Het centromeer van elk chromosoom is verbonden<br />
met twee spoeldraden.<br />
inkijkexemplaar<br />
• anafase 1:<br />
De homologe chromosomen gaan uiteen (disjunctie) en migreren elk naar één van beide<br />
polen, ‘getrokken’ door twee spoeldraden.<br />
45
46<br />
• telofase 1:<br />
In veel gevallen is er geen telofase en zet de tweede meiotische deling dadelijk in. Soms<br />
is er wel een telofase, gevolgd door een zeer korte interfase. In ieder geval wordt het<br />
DNA niet verdubbeld tussen meiose I en meiose II.<br />
4.2.4.2 Meiose II<br />
• profase 2:<br />
Deze fase is zeer kort: de n chromosomen zijn immers al gevormd. De verplaatsing<br />
van de centriolen en de vorming van de spoelfiguur gebeurt snel.<br />
• metafase 2:<br />
De n chromosomen leggen zich naast elkaar zodat het centromeer in het evenaarsvlak<br />
ligt.<br />
• anafase 2:<br />
Elk centromeer splitst zich in tweeën: beide losgekomen chromatiden worden<br />
naar een verschillende pool getrokken, elk aan een spoeldraad. Zo zijn er nu aan<br />
elke pool n chromatiden (die we nu gemakshalve terug chromosomen noemen).<br />
inkijkexemplaar<br />
• telofase 2:<br />
Zoals bij de telofase van de mitose verdwijnen de resten van de spoelfiguur en<br />
ontrollen de chromosomen weer tot chromatinedraden. Het nucleool wordt terug<br />
zichtbaar en de kernmembraan wordt opnieuw gevormd. Daarna snoert het<br />
cytoplasma zich in, zodat er uiteindelijk vier haploïde cellen gevormd worden.<br />
Belangrijk is dat deze cellen niet gelijk zijn.
inkijkexemplaar<br />
47
48<br />
4.2.5 Geslachtsbepaling<br />
Mensen hebben in hun lichaamscellen 22 paar lichaamschromosomen of autosomen en<br />
één paar geslachtschromosomen: bij vrouwen 2 X-chromosomen en bij mannen een X- en<br />
een Y-chromosoom.<br />
Bij de vorming van geslachtscellen – door meiose – worden al die chromosomen in twee<br />
gelijke groepen verdeeld: in elke voortplantingscel 22 lichaamschromosomen en één geslachtschromosoom.<br />
Bij vrouwen is dat geslachtschromosoom altijd een X-chromosoom:<br />
alle eicellen bevatten dus 22 lichaamschromosomen en één X-chromosoom. Bij mannen<br />
zijn er twee mogelijkheden: een zaadcel kan als geslachtschromosoom een X-chromosoom<br />
of een Y-chromosoom krijgen. De helft van de zaadcellen van een man zal dus 22<br />
lichaamschromosomen en een X-chromosoom bevatten, de andere helft 22 lichaamschromosomen<br />
en een Y-chromosoom.<br />
Later, bij de bevruchting, wordt er een meisje gevormd als een eicel (met een X-chromosoom)<br />
versmelt met één van de zaadcellen die ook een X-chromosoom dragen (50 %).<br />
Versmelt die eicel met één van de zaadcellen die een Y-chromosoom dragen (50 %), dan<br />
ontstaat er een jongen. De kans op de geboorte van een jongen is dus in principe even<br />
groot als de kans op de geboorte van een meisje.<br />
Een meisje ontstaat wanneer een eicel versmelt met een zaadcel die een X-chromosoom bevat; een jongen wanneer een<br />
eicel versmelt met een zaadcel die een Y-chromosoom bevat.<br />
4.2.6 Meiose en variatie<br />
Het eerste doel van de meiose is natuurlijk de vorming van voortplantingscellen met<br />
slechts de helft van het normale aantal chromosomen. Door het mechanisme van de meiose<br />
ontstaat er echter – als toegift als het ware – een enorme variatie. Daar zijn twee<br />
oorzaken voor.<br />
inkijkexemplaar<br />
4.2.6.1 Willekeurige verdeling van de homologe chromosomen tijdens meiose I<br />
Van twee homologe chromosomen in je cellen is er telkens eentje afkomstig van je vader<br />
en eentje afkomstig van je moeder. Onder de microscoop zien ze er wel hetzelfde uit,<br />
maar dat betekent niet dat ze identiek zijn. Ze dragen dezelfde genen, maar dat kunnen<br />
verschillende varianten (allelen) van die genen zijn. Ze kunnen bijvoorbeeld allebei een<br />
gen bevatten dat je haarkleur bepaalt, maar op het chromosoom dat je van je vader geërfd<br />
hebt kan de informatie staan voor blond haar, terwijl op dat van je moeder de informatie<br />
voor bruin haar staat.<br />
Als de homologe chromosomen over twee cellen verdeeld worden in meiose I, is er natuurlijk<br />
niets dat zegt dat alle chromosomen die oorspronkelijk van je moeder afkomstig<br />
zijn in één cel terechtkomen en al die van je vader in de andere cel. Dat kan, maar de<br />
kans daarop is heel klein: de homologe chromosomen worden immers willekeurig verdeeld<br />
over de twee cellen. Deze menging van ‘vaderlijke’ en ‘moederlijke’ chromosomen<br />
noemen we mixing.
Zelfs een denkbeeldige lichaamscel met maar twee paar chromosomen levert door mixing bij de meiose vier verschillende<br />
geslachtscellen op. P staat voor paternaal: een chromosoom dat oorspronkelijk afkomstig is van de vader; M staat<br />
voor maternaal: een chromosoom dat oorspronkelijk afkomstig is van de moeder.<br />
Reken maar even mee: als er één homoloog paar is, kan je twee verschillende cellen vormen:<br />
één met het chromosoom van je vader en één met het chromosoom van je moeder.<br />
Als er twee chromosomenparen zijn (twee grote en twee kleine), zijn er vier mogelijkheden:<br />
één met beide chromosomen van je vader, één met het grote chromosoom van<br />
je vader en het kleine van je moeder, één met het grote chromosoom van je moeder en<br />
het kleine van je vader, en tenslotte één met beide chromosomen van je moeder. Nu je<br />
hiermee een beetje op weg bent moet je kunnen uitrekenen hoeveel verschillende chromosomencombinaties<br />
er mogelijk zijn met 23 chromosomenparen: .......................................................... .<br />
Hoe groot is dan de kans dat je als man tweemaal dezelfde zaadcel of als vrouw tweemaal<br />
dezelfde eicel maakt? ................................................................................... . En hoe groot is de kans dat man<br />
én vrouw tweemaal dezelfde geslachtscel maken, m.a.w. dat er bij de bevruchting tweemaal<br />
dezelfde chromosomencombinatie ontstaat? ................................................................................... . Vergelijk<br />
de noemer van dat getal even met het aantal mensen op aarde. Juist: door de willekeurige<br />
verdeling van de chromosomen is het zo goed als onmogelijk dat er twee dezelfde<br />
kinderen ontstaan, zelfs bij dezelfde ouders. Eeneiige tweelingen laten we even buiten<br />
beschouwing: da’s een ander verhaal.<br />
4.2.6.2 Overkruising<br />
Tijdens de intense verstrengeling van twee homologe chromosomen tijdens profase 1<br />
kan het voorkomen dat chromatiden breken. Op zich is dat geen probleem, want de cel<br />
beschikt over een herstelmechanisme dat de stukken terug met elkaar verbindt. Komt<br />
een dergelijke breuk nu voor op overeenkomstige plaatsen in twee chromatiden, in een<br />
zogenaamd chiasme of kruising tussen twee chromatiden, dan kan het zijn dat de cel zich<br />
‘vergist’ en de stukken chromatide ‘verwisselt’. Dat proces noemen we overkruising of<br />
crossingover. Als een dergelijke verwisseling optreedt tussen twee niet-zusterchromatiden<br />
– die niet identiek zijn! – ontstaan chromatiden die bestaan uit stukken van twee<br />
verschillende chromatiden: chromatiden die m.a.w. nieuwe combinaties van erfelijke informatie<br />
bevatten. We zeggen dat bepaalde erfelijke eigenschappen gerecombineerd<br />
worden. Hoe verder de genen van elkaar liggen, hoe groter de kans op recombinatie.<br />
inkijkexemplaar<br />
49
50<br />
4 genetisch unieke zaadcellen<br />
Door crossing-over wisselen niet-zusterchromatiden DNA-fragmenten uit, waardoor na meiose unieke gameten ontstaan.<br />
A<br />
B<br />
AB<br />
A A<br />
B B<br />
A<br />
B<br />
AB<br />
A A<br />
B B<br />
a a<br />
b b<br />
meiose I<br />
meiose II<br />
Als de genen op de homologe chromosonen verschillen, onstaan<br />
door meiose zonder over-kruising twee soorten gameten.<br />
a<br />
b<br />
ab<br />
a a<br />
b b<br />
Het aantal mogelijke genencombinaties in de gameten neemt toe door overkruising.<br />
Het aantal mogelijke genencombinaties neemt toe door overkruising.<br />
a<br />
b<br />
ab<br />
A<br />
B<br />
AB<br />
A A<br />
B b<br />
A<br />
b<br />
Ab<br />
A A<br />
B b<br />
a a<br />
B b<br />
meiose I<br />
meiose II<br />
a<br />
B<br />
aB<br />
a a<br />
B b<br />
Door het uitwisselen van genen tijdens over-kruising ontstaan<br />
gameten met nieuwe genencombinaties.<br />
Stel dat op een bepaald chromosomenpaar het gen voor haarkleur samen voorkomt met<br />
dat voor oogkleur, en dat op het ene chromosoom de informatie staat voor blauwe ogen<br />
(a) en blond haar (b), en op het andere die voor bruine ogen (A) en bruin haar (B). Zonder<br />
overkruising kan er in de geslachtscellen dan alleen maar de informatie zitten voor blauwe<br />
ogen en blond (ab) haar óf die voor bruine ogen en bruin haar (AB). Overkruising zorgt<br />
ervoor dat er nog twee andere combinaties mogelijk zijn: bruine ogen met blond haar<br />
(Ab), en blauwe ogen met bruin haar (aB). Je hebt dus geen twee maar vier combinatiemogelijkheden<br />
– en dan hebben we nog maar naar twee genen gekeken!<br />
inkijkexemplaar<br />
4.2.7 Meiose en mutatie<br />
Meiose zorgt voor oneindig veel variatie, maar ze vergroot ook de kans op mutaties. Sommige<br />
mutaties kunnen immers alleen maar ontstaan tijdens de meiose. Mutaties zijn overigens<br />
niet altijd negatief: ze kunnen ook positief zijn. Evolutie zou niet mogelijk zijn<br />
zonder mutaties.<br />
Iets dat kan mislopen bij de meiose is bijvoorbeeld overkruising. Normaal worden daarbij twee<br />
precies even grote stukken chromatide verwisseld, zodat de gerecombineerde chromatiden<br />
precies even groot zijn als de oorspronkelijke. Het kan echter ook gebeuren dat de breuken<br />
in de chromatiden niet op overeenkomstige plaatsen gebeuren (asymmetrisch). Dan worden<br />
er twee stukken chromatide van verschillende grootte geruild. Het gevolg is dat één van de<br />
a<br />
b<br />
ab
chromatiden een stuk erfelijk materiaal dubbel heeft<br />
(duplicatie), terwijl de andere dat stuk net mist (deletie).<br />
Een deletie is altijd negatief, een duplicatie niet<br />
noodzakelijk: ze kan zelfs positief zijn.<br />
4.2.8 Afwijkende chromosomenaantallen<br />
Afwijkende chromosomenaantallen of aneuploïdieën<br />
ontstaan door fouten in de meiose die we<br />
nondisjunctie noemen. Dat betekent dat de homologe<br />
chromosomen niet uiteenwijken in anafase<br />
1, terwijl ze dat normaal wel doen. Het gevolg is<br />
dat één van de dochtercellen beide chromosomen<br />
krijgt van een bepaald paar en de andere dochtercel<br />
geen enkel. Versmelt een geslachtscel met<br />
twee chromosomen van een bepaald type met een<br />
normale cel – met één chromosoom van dat type<br />
– dan ontstaat er een bevruchte eicel met drie<br />
chromosomen van hetzelfde type (een trisomie).<br />
Elke cel van het kind dat uit de bevruchte eicel<br />
groeit zal in al zijn cellen drie chromosomen van<br />
hetzelfde type hebben. Versmelt er anderzijds een<br />
geslachtscel die een chromosoom van een bepaald<br />
type mist met een normale cel, dan ontstaat er een<br />
bevruchte eicel met slechts één chromosoom van<br />
dat type (een monosomie). Het kan ook gebeuren<br />
dat een chromosoom niet splitst in anafase 2, met<br />
gelijkaardige gevolgen.<br />
A<br />
A<br />
A A a a<br />
non-disjunctie<br />
in de eerste deling<br />
van de meiose<br />
A a<br />
A A a a<br />
A a<br />
A A a A A a<br />
monosomie monosomie trisomie trisomie<br />
primaire<br />
spermatocyt<br />
secundaire<br />
spermatocyt<br />
zaadcel<br />
bevruchting<br />
van eicel met<br />
normaal aantal<br />
chromosomen<br />
bevruchte<br />
eicellen<br />
meiose I<br />
meiose II<br />
A A a a<br />
a. non-disjunctie in de eerste deling van de meiose b. non-disjunctie in de tweede deling van de meiose<br />
A<br />
A<br />
A A<br />
A A<br />
normaal aantal<br />
chromosomen<br />
A<br />
A<br />
normaal aantal<br />
chromosomen<br />
a a<br />
A A a a<br />
monosomie trisomie<br />
a<br />
non-disjunctie<br />
in de tweede deling<br />
van de meiose<br />
Een ongelijke verdeling van de chromosomen of chromosomenparen kan zowel in de eerste als in de tweede deling van de<br />
meiose voorkomen. Als het in de eerste deling gebeurt (a), heeft de helft van de zaadcellen (in dit voorbeeld) een chromosoom<br />
te veel en de andere helft een chromosoom te weinig. Gebeurt de non-disjunctie in de tweede deling (b), dan heeft<br />
één zaadcel op vier een chromosoom te veel en één op vier een chromosoom te weinig. De overige helft heeft dan een<br />
normaal aantal chromosomen. Versmelt een zaadcel met een chromosoom te veel met een eicel die een normaal aantal<br />
chromosomen heeft, dan ontstaat een kind met in al zijn cellen drie exemplaren van eenzelfde type chromosoom: een<br />
trisomie. Versmelt een zaadcel met een chromosoom te weinig met een eicel die een normaal aantal chromosomen heeft,<br />
dan ontstaat een kind met in al zijn cellen maar één exemplaar van een bepaald type chromosoom: een monosomie.<br />
Non-disjunctie komt ook voor bij de vorming van eicellen.<br />
A<br />
B<br />
C<br />
D<br />
E<br />
F<br />
G<br />
A<br />
B<br />
C<br />
D<br />
E<br />
F<br />
G<br />
a<br />
b<br />
c<br />
d<br />
e<br />
f<br />
g<br />
a<br />
b<br />
c<br />
d<br />
e<br />
f<br />
g<br />
a<br />
b<br />
c<br />
D<br />
E<br />
F<br />
G<br />
A<br />
B<br />
f<br />
g<br />
deletie<br />
c, d, e<br />
a<br />
+<br />
+<br />
A<br />
B<br />
C<br />
d<br />
e<br />
f<br />
g<br />
a<br />
b<br />
c<br />
d<br />
e<br />
C<br />
D<br />
E<br />
F<br />
G<br />
duplicatie<br />
c, d, e<br />
Bij een symmetrische overkruising zijn de<br />
gerecombineerde chromosomen even lang als<br />
de oorspronkelijke, bij een asymmetrische niet:<br />
er ontstaat altijd een chromosoom waaraan<br />
een stuk ontbreekt (deletie) en eentje waarin een<br />
stuk dubbel aanwezig is (duplicatie).<br />
inkijkexemplaar<br />
51
52<br />
Het gebeurt vrij vaak dat er geslachtscellen met afwijkende chromosomenaantallen gevormd<br />
worden. Als er met zo’n cel een embryo gevormd wordt, eindigt de zwangerschap<br />
meestal in een miskraam. Van de kinderen met een afwijkend aantal autosomen zijn vrijwel<br />
alleen kinderen met een extra exemplaar van chromosoom 21 – het kleinste chromosoom<br />
– levensvatbaar. Zij lijden aan het syndroom van Down. Kinderen met het syndroom<br />
van Down hebben een typische halvemaanvormige huidplooi over de binnenhoek van de<br />
ogen, een relatief kleine bovenkaak en een platte, brede neus. Ze spreken moeilijk omdat<br />
het verhemelte smal en de tong dik is. Hun intelligentiepeil is laag.<br />
De kans op de geboorte van een kind met het syndroom van Down neemt toe met de<br />
leeftijd van de moeder. Grofweg is de kans bij een vrouw van 20 1/1700, bij een vrouw van<br />
35 1/250 en bij een vrouw van 45 1/25. Vooral boven de 35 jaar stijgt de kans sterk. Daarom<br />
wordt zwangere vrouwen boven de 35 aangeraden een prenatale test te ondergaan.<br />
kinderen met<br />
downsyndroom<br />
per duizend geboortes<br />
40<br />
30<br />
20<br />
10<br />
inkijkexemplaar<br />
16-24 25-29 30-34 35-39 40-44 45+<br />
16-24<br />
25-29<br />
30-34<br />
35-39<br />
40-44<br />
45+<br />
1/1700<br />
1/1100<br />
1/770<br />
1/250<br />
1/80<br />
1/25<br />
0,58<br />
0,91<br />
1,30<br />
4<br />
12,5<br />
40<br />
leeftijd moeder<br />
aantal per duizend<br />
De oorzaak van de met de leeftijd stijgende kans op een kind met het syndroom van Down<br />
ligt in de vorming van eicellen bij vrouwen. De meiose begint bij vrouwen, zoals we zullen<br />
zien, al voor de geboorte, maar stopt nog voor de geboorte in profase 1: de fase waarin
de homologe chromosomen twee aan twee met elkaar verstrengeld zitten. Pas 14 dagen<br />
voor een eisprong, jaren later, gaat de meiose verder. De homologe chromosomen zouden<br />
dan uiteen moeten wijken in anafase 1, maar blijkbaar wordt dat moeilijker naargelang<br />
de zich vormende eicel langer geblokkeerd heeft gezeten in profase 1: de kans op nondisjunctie<br />
wordt dus groter.<br />
Kinderen met een afwijkend aantal geslachtschromosomen zijn ook levensvatbaar. Blijkbaar<br />
heeft een onregelmatig aantal geslachtschromosomen relatief minder ernstige gevolgen<br />
dan een onregelmatig aantal lichaamschromosomen.<br />
Meisjes die lijden aan het Turnersyndroom hebben maar één X-chromosoom. Ze zijn klein<br />
van gestalte en seksueel weinig ontwikkeld. Bij een aantal is er een lichte mentale achterstand.<br />
Het syndroom komt bij ongeveer 1 op 2000 meisjes voor. Er is geen verband met<br />
de leeftijd van de moeder.<br />
zwakke baardgroei<br />
borstontwikkeling<br />
onderontwikkelde<br />
teelballen<br />
zwakke<br />
borstontwikkeling<br />
typisch gezicht<br />
huidplooi in de nek<br />
vernauwing van de aorta<br />
zwakke ontwikkeling<br />
van de eierstokken<br />
inkijkexemplaar<br />
Jongen met het Klinefeltersyndroom Meisje met het Turnersyndroom<br />
Jongens met het Klinefeltersyndroom hebben één Y-chromosoom en twee X-chromosomen.<br />
Dikwijls wordt het syndroom pas vastgesteld in de puberteit. Er treedt een lichte<br />
borstvorming op en de teelballen blijven klein. De mannen zijn meestal steriel. Soms<br />
wordt er een achterstand in de verstandelijke ontwikkeling vastgesteld. Ongeveer 0,2 %<br />
van de mannelijke bevolking lijdt aan het syndroom. De kans op een kind met Klinefeltersyndroom<br />
neemt toe met de leeftijd van de ouders.<br />
53
54<br />
• Een cel kan zich delen door mitose of door meiose, afhankelijk van het precieze doel<br />
van de celdeling.<br />
• Voor ze zich deelt, tijdens de interfase, kopieert de cel in ieder geval eerst haar DNA in<br />
een proces dat replicatie heet, om de kopieën die zo ontstaan te kunnen verdelen over<br />
haar dochtercellen.<br />
• DNAreplicatie is een kopieerproces waarbij al de informatie in het DNA getrouw gekopieerd<br />
wordt tot de dubbele hoeveelheid, zodat het later verdeeld kan worden over de<br />
dochtercellen. Het proces verloopt grofweg in twee stappen:<br />
– Het enzym helicase ontwindt de dubbele helix en laat de twee strengen een stukje<br />
uit elkaar wijken door het verbreken van de waterstofbruggen tussen de complementaire<br />
basen.<br />
– Het enzym DNApolymerase vult op de twee enkele strengen die zo ontstaan de<br />
ontbrekende complementaire basen aan.<br />
• Na de replicatie zijn er twee nieuwe DNA-moleculen ontstaan die identiek zijn aan de<br />
oorspronkelijke molecule. Ze bestaan elk uit één streng van de oorspronkelijke molecule<br />
en één nieuwe: daarom noemen we replicatie een semiconservatief proces.<br />
• De polymerasekettingreactie of PCR is een technische toepassing van de replicatie,<br />
waarbij met behulp van specifieke primers, warmtebestendige DNA-polymerase en een<br />
overmaat aan losse nucleotiden een specifiek stukje uit een ingewikkeld DNA-mengsel<br />
miljoenen malen gekopieerd kan worden, zodat het makkelijker onderzocht kan worden.<br />
De toepassingen van PCR zijn eindeloos.<br />
• De mitose verloopt in vier fasen:<br />
– profase, waarin de chromosomen gevormd worden;<br />
– metafase, waarin de chromosomen zich in het middenvlak verzamelen;<br />
– anafase, waarin de chromosomen gesplitst worden;<br />
– telofase, waarin de chromosomen terug ontrollen tot chromatinedraden.<br />
• Het eindresultaat bestaat uit twee cellen die genetisch identiek zijn aan de oorspronkelijke<br />
cel.<br />
• Mitose wordt gebruikt voor groei, herstel en ongeslachtelijke voortplanting.<br />
• De mitose maakt deel uit van de celcyclus. In feite kan je het leven van een cel beschouwen<br />
als een voortdurende afwisseling van celdeling (mitose) en een periode waarin de<br />
cel zich niet deelt: de interfase. We kunnen de interfase indelen in drie periodes:<br />
– de G -fase, waarin de cel groeit tot ze een signaal krijgt dat ze groot genoeg is om<br />
1<br />
zich te delen;<br />
– de S-fase, waarin de cel haar DNA kopieert door middel van replicatie;<br />
– de G -fase, waarin de cel de laatste voorbereidselen treft voor de volgende celdeling;<br />
2<br />
– sommige cellen, zoals zenuwcellen en spiercellen, stoppen met delen als ze zich gedifferentieerd<br />
hebben. Ze komen dan in een zgn. G -fase, waarin ze blijven voor de<br />
0<br />
rest van hun leven.<br />
• Kanker ontstaat wanneer cellen de controle over hun celcyclus verliezen en eindeloos<br />
blijven delen. Daar zijn altijd genen bij betrokken, ook al is kanker maar zelden erfelijk.<br />
Twee soorten genen die vaak bij kanker betrokken zijn, zijn oncogenen en tumorsuppressorgenen.<br />
• Organismen die zich geslachtelijk voortplanten beschikken nog over een tweede soort<br />
celdeling: de meiose. Bij mensen en vele andere organismen dient die alleen voor het<br />
aanmaken van geslachtscellen. De hoofdbedoeling van de meiose is het aantal chromosomen<br />
in de dochtercellen terug te brengen tot de helft van het normale aantal. Dat is<br />
nodig opdat er bij de versmelting van twee geslachtscellen terug een cel zou ontstaan<br />
– de bevruchte eicel – die het normale aantal chromosomen bevat. Zonder dit mechanisme<br />
zou het aantal chromosomen elke generatie verdubbelen.<br />
inkijkexemplaar
• De meiose bestaat uit twee celdelingen na elkaar, meiose I en meiose II. Elk van die delingen<br />
bestaat uit profase, metafase, anafase en telofase.<br />
– In meiose I worden de 2n chromosomen van de cel verdeeld over twee dochtercellen<br />
op zo’n manier dat elke dochtercel één chromosoom bevat van elk homoloog paar: n<br />
ongesplitste chromosomen dus.<br />
– In meiose II delen de dochtercellen zich nogmaals, waarbij de chromosomen zich<br />
splitsen. Er ontstaan dus in totaal vier dochtercellen met elk n gesplitste chromosomen.<br />
• Belangrijk is dat de 4 dochtercellen van de meiose gegarandeerd ongelijk zijn. Dat komt<br />
hoofdzakelijk door twee dingen:<br />
– De homologe chromosomen worden op een willekeurige manier verdeeld tijdens<br />
anafase I (mixing): op die manier krijg je een haast oneindig aantal mogelijke combinaties<br />
van chromosomen van beide ouders.<br />
– Tijdens profase I komen de homologe chromosomen zo dicht bij elkaar te liggen dat<br />
ze stukjes kunnen uitwisselen: overkruising of crossingover. Daardoor ontstaan er<br />
nieuwe genencombinaties: de samenstelling van de chromosomen is anders na de<br />
profase I dan ervoor.<br />
• Bij de meiose kunnen een aantal mutaties ontstaan:<br />
– Deleties en duplicaties ontstaan door asymmetrische crossing-over. Deleties zijn altijd<br />
negatief, duplicaties niet.<br />
– Non-disjunctie is het niet uiteenwijken van chromosomen of chromosomenhelften<br />
tijdens anafase I of anafase II. Het gevolg is het ontstaan van voortplantingscellen<br />
met een onregelmatig aantal chromosomen. Wanneer dergelijke geslachtscellen<br />
versmelten heeft het versmeltingsproduct – de bevruchte eicel en het nieuwe individu<br />
dat daaruit groeit – ook een onregelmatig aantal chromosomen.<br />
• De meest voorkomende chromosomale afwijkingen zijn Downsyndroom (trisomie 21),<br />
Klinefeltersyndroom (47XXY) en Turnersyndroom (45X0). Een aantal van die aandoeningen<br />
komen vaker voor bij kinderen van oudere vrouwen.<br />
inkijkexemplaar<br />
55
56<br />
de kern van de zaak<br />
erfelijke kenmerken<br />
• Erfelijke kenmerken kan je doorgeven van generatie op generatie. Ze worden bepaald door<br />
je genen: stukken erfelijke informatie in je cellen.<br />
• Niet alle kenmerken zijn erfelijk: de meeste worden zowel door je genen als door je omgeving<br />
bepaald, of zelfs helemaal door je omgeving.<br />
• Typisch voor een erfelijk kenmerk is dat men de kans op het voorkomen ervan wiskundig kan<br />
berekenen als men voldoende informatie heeft over de ouders. Bij een individueel persoon<br />
kan men vaak vooraf, zelfs voor de geboorte al, bepalen of een erfelijk kenmerk zich zal ontwikkelen,<br />
als men weet door welk gen het bepaald wordt.<br />
• Om te bepalen of een kenmerk erfelijk is, kan je stambomen of tweelingen bestuderen: in<br />
een stamboom kan je ‘volgen’ hoe het kenmerk overgaat van één generatie op de volgende,<br />
in een tweelingstudie ga je na of een kenmerk vaker voorkomt bij eeneiige tweelingen dan<br />
bij twee-eiige. Als dat zo is, is het kenmerk (grotendeels) erfelijk.<br />
erfelijke informatie in de cel<br />
• Elke cel van het lichaam – met uitzondering van de voortplantingscellen – bevat in haar<br />
kern de volledige informatie die nodig is voor de opbouw van het lichaam.<br />
• De nucleïnezuren DNA en RNA zijn al van in de tweede helft van de 19de eeuw bekend maar<br />
het heeft tot in de helft van de 20ste eeuw geduurd voor men hun structuur en hun rol in de<br />
erfelijkheid ontdekte.<br />
• Beide nucleïnezuren bestaan uit lange ketens van nucleotiden, die zelf weer opgebouwd<br />
zijn uit een sacharide, een fosfaatgroep en een organische base. De nucleotiden verschillen<br />
onderling alleen in de organische base die ze bevatten. Ze zijn met elkaar verbonden via hun<br />
fosfaatgroep. De informatie die een nucleïnezuurmolecule bevat zit in de volgorde van haar<br />
nucleotiden.<br />
• DNA bestaat uit de nucleotiden adenine, cytosine, guanine en thymine. Het sacharide in<br />
DNA-nucleotiden is deoxyribose. DNA is opgebouwd volgens het dubbele helixmodel, dat<br />
in 1953 ontdekt werd door de wetenschappers Watson en Crick. Het bestaat uit twee evenwijdige<br />
nucleotidenketens die samengehouden worden door waterstofbruggen tussen de<br />
basen die ze bevatten. Daarbij kan adenine alleen samengaan met thymine, en guanine met<br />
cytosine. Deze koppels noemt men complementaire basen. Beide ketens zijn spiraalvormig<br />
gedraaid rond een gemeenschappelijke as.<br />
• DNA zit in eukaryote cellen voornamelijk in de kern en dient voor de opslag van de erfelijke<br />
informatie.<br />
• RNA bestaat uit de nucleotiden adenine, cytosine, guanine en uracil. Het sacharide in RNAnucleotiden<br />
is ribose. RNA is opgebouwd uit één enkele nucleotidenketen, die een ingewikkelde<br />
driedimensionale structuur kan vormen.<br />
• Bij eukaryoten zoals de mens speelt RNA een rol bij de verwerking van de erfelijke informatie,<br />
voornamelijk in de eiwitsynthese. De drie types RNA spelen elk een rol in een verschillend<br />
aspect daarvan.<br />
• DNA komt in de kern van onze cellen samen voor met basische eiwitten: histonen. Samen<br />
vormen ze de chromatine die je met de microscoop kan waarnemen.<br />
• Behalve wanneer de cel zich deelt ligt het chromatine grotendeels gedecondenseerd (‘uitgerold’)<br />
in de kern: het moet immers ‘afgelezen’ kunnen worden. Als de cel zich deelt is het<br />
belangrijk dat de chromatinedraden zo compact mogelijk ‘opgerold’ worden: ze worden sterk<br />
gecondenseerd tot chromosomen. Elk chromosoom bestaat uit twee identieke chromatiden:<br />
opgerolde kopieën van één chromatinedraad, die aan elkaar vastzitten in het centromeer.<br />
• Bij de meeste organismen is het aantal chromosomen in de lichaamscellen even: dergelijke<br />
cellen noemen we diploïd. Het aantal chromosomen stellen we voor als 2n. Deze 2n chromo-<br />
inkijkexemplaar
somen zijn twee aan twee gelijk. De bij elkaar horende chromosomen noemen we homoloog.<br />
Elke lichaamscel heeft dus n homologe chromosomenparen. Van elk homoloog paar is één<br />
van de chromosomen afkomstig van de vader, en één van de moeder. Bij de vorming van<br />
geslachtscellen wordt het aantal chromosomen gehalveerd: deze cellen zijn dus haploïd, ze<br />
bevatten één chromosoom van elk homoloog paar.<br />
• De twee leden van elk homoloog chromosomenpaar zien er hetzelfde uit, op één uitzondering<br />
na: de geslachtschromosomen of heterosomen. Bij vrouwen bestaat dit paar uit twee<br />
gelijke chromosomen (X-chromosomen) en bij mannen uit een X-chromosoom en een veel<br />
kleiner Y-chromosoom. Men zegt dat de mens 22 paar autosomen en één paar geslachtschromosomen<br />
heeft.<br />
hoe gebruiken je cellen hun informatie?<br />
• Eiwitten zijn de moleculen die alle levensprocessen in de cel uitvoeren. Om dat te kunnen doen<br />
moeten ze de juiste aminozurensamenstelling en –volgorde hebben. Die wordt bepaald door de<br />
nucleotidenvolgorde in het DNA van de genen: elk gen bepaalt de bouw van één polypeptide.<br />
• De synthese van eiwitten gebeurt in twee stappen: transcriptie en translatie.<br />
• Tijdens de transcriptie wordt in de kern een RNA-kopie gemaakt van één DNA-streng van<br />
een gen. De RNA-molecule die ontstaat noemen we boodschapperRNA (mRNA).<br />
• Tijdens de translatie wordt in het cytoplasma de nucleotidenvolgorde van het mRNA afgelezen<br />
door een ribosoom. Op basis van de nucleotidenvolgorde in het coderende gedeelte van<br />
het mRNA (=open leesraam) worden de juiste aminozuren in de juiste volgorde aan mekaar<br />
gekoppeld, zodat er een polypeptide ontstaat. Die aminozuren worden aangevoerd en in de<br />
juiste volgorde gezet door kleine tRNA-moleculen.<br />
• Wanneer er een verandering (=mutatie) optreedt in de nucleotidenvolgorde van een gen<br />
zal er meestal ook een verandering optreden in het eiwit dat op basis van dat gen gemaakt<br />
wordt. Meestal zal dat eiwit daardoor niet meer naar behoren functioneren. Men noemt een<br />
mutatie in één gen een genmutatie. Men onderscheidt o.m. deleties, inserties en puntmutaties.<br />
De gevolgen zijn afhankelijk van de aard en het aantal van de nucleotiden die bij de<br />
mutatie betrokken zijn.<br />
• Naast genmutaties onderscheidt men ook grotere mutaties, die microscopisch waarneembaar<br />
zijn: een chromosoommutatie is een grote verandering in de samenstelling van één of<br />
enkele chromosomen. Een genoommutatie is een verandering in het aantal chromosomen.<br />
doorgeven van informatie<br />
• Een cel kan zich delen door mitose of door meiose, afhankelijk van het precieze doel van de<br />
celdeling.<br />
• Voor ze zich deelt, tijdens de interfase, kopieert de cel alleszins eerst haar DNA in een proces<br />
dat replicatie heet, om de kopieën die zo ontstaan te kunnen verdelen over haar dochtercellen.<br />
• DNAreplicatie is een kopieerproces waarbij al de informatie in het DNA getrouw gekopieerd<br />
wordt tot de dubbele hoeveelheid, zodat het later verdeeld kan worden over de dochtercellen.<br />
Het proces verloopt grofweg in twee stappen:<br />
– Het enzym helicase ontwindt de dubbele helix en laat de twee strengen een stukje uit elkaar<br />
wijken door het verbreken van de waterstofbruggen tussen de complementaire basen.<br />
– Het enzym DNApolymerase vult op de twee enkele strengen die zo ontstaan de ontbrekende<br />
complementaire basen aan.<br />
• Na de replicatie zijn er twee nieuwe DNA-moleculen ontstaan die identiek zijn aan de oorspronkelijke<br />
molecule. Ze bestaan elk uit één streng van de oorspronkelijke molecule en één<br />
nieuwe: daarom noemt men replicatie een semiconservatief proces.<br />
• De polymerasekettingreactie of PCR is een technische toepassing van de replicatie, waarbij<br />
met behulp van specifieke primers, hittebestendige DNA-polymerase en een overmaat aan<br />
losse nucleotiden een specifiek stukje uit een ingewikkeld DNA-mengsel miljoenen malen<br />
inkijkexemplaar<br />
57
58<br />
gekopieerd kan worden, zodat het makkelijker onderzocht kan worden. De toepassingen van<br />
PCR zijn eindeloos.<br />
• De mitose verloopt in vier fasen:<br />
– profase, waarin de chromosomen gevormd worden;<br />
– metafase, waarin de chromosomen zich in het middenvlak verzamelen;<br />
– anafase, waarin de chromosomen gesplitst worden;<br />
– telofase, waarin de chromosomen terug ontrollen tot chromatinedraden.<br />
• Het eindresultaat bestaat uit twee cellen die genetisch identiek zijn aan de oorspronkelijke cel.<br />
• Mitose wordt gebruikt voor groei, herstel en ongeslachtelijke voortplanting.<br />
• De mitose maakt deel uit van de celcyclus. In feite kan je het leven van een cel beschouwen<br />
als een voortdurende afwisseling van celdeling (mitose) en een periode waarin de cel zich<br />
niet deelt: de interfase. Men kan de interfase indelen in drie periodes:<br />
– de G 1 -fase, waarin de cel groeit tot ze een signaal krijgt dat ze groot genoeg is om zich te<br />
delen;<br />
– de S-fase, waarin de cel haar DNA kopieert door middel van replicatie;<br />
– de G 2 -fase, waarin de cel de laatste voorbereidselen treft voor de volgende celdeling.<br />
Sommige cellen, zoals zenuwcellen en spiercellen, stoppen met delen als ze zich gedifferentieerd<br />
hebben. Ze komen dan in een zgn. G 0 -fase, waarin ze blijven voor de rest van hun leven.<br />
• Kanker ontstaat wanneer cellen de controle over hun celcyclus verliezen en eindeloos blijven<br />
delen. Daar zijn altijd genen bij betrokken, ook al is kanker maar zelden erfelijk. Twee<br />
soorten genen die vaak bij kanker betrokken zijn, zijn oncogenen en tumorsuppressorgenen.<br />
• Organismen die zich geslachtelijk voortplanten beschikken nog over een tweede soort celdeling:<br />
de meiose. Bij mensen en vele andere organismen dient die alleen voor het aanmaken<br />
van geslachtscellen. De hoofdbedoeling van de meiose is het aantal chromosomen in<br />
de dochtercellen terug te brengen tot de helft van het normale aantal. Dat is nodig opdat<br />
er bij de versmelting van twee geslachtscellen terug een cel zou ontstaan – de bevruchte<br />
eicel – die het normale aantal chromosomen bevat. Zonder dit mechanisme zou het aantal<br />
chromosomen elke generatie verdubbelen.<br />
• De meiose bestaat uit twee celdelingen na elkaar, meiose I en meiose II. Elk van die delingen<br />
bestaat uit profase, metafase, anafase en telofase.<br />
– In meiose I worden de 2n chromosomen van de cel verdeeld over twee dochtercellen op<br />
zo’n manier dat elke dochtercel één chromosoom bevat van elk homoloog paar: n ongesplitste<br />
chromosomen dus.<br />
– In meiose II delen de dochtercellen zich nogmaals, waarbij de chromosomen zich splitsen.<br />
Er ontstaan dus in totaal vier dochtercellen met elk n gesplitste chromosomen.<br />
• Belangrijk is dat de 4 dochtercellen van de meiose gegarandeerd ongelijk zijn. Dat komt<br />
hoofdzakelijk door twee dingen:<br />
– De homologe chromosomen worden op een willekeurige manier verdeeld tijdens anafase<br />
I (mixing): op die manier krijg je een haast oneindig aantal mogelijke combinaties van<br />
chromosomen van beide ouders.<br />
– Tijdens profase I komen de homologe chromosomen zo dicht bij elkaar te liggen dat ze stukjes<br />
kunnen uitwisselen: overkruising of crossingover. Daardoor ontstaan er nieuwe genencombinaties:<br />
de samenstelling van de chromosomen is anders na de profase I dan ervoor.<br />
inkijkexemplaar<br />
• Bij de meiose kunnen een aantal mutaties ontstaan:<br />
– Deleties en duplicaties ontstaan door asymmetrische crossing-over. Deleties zijn altijd<br />
negatief, duplicaties niet.<br />
– Non-disjunctie is het niet uiteenwijken van chromosomen of chromosomenhelften tijdens<br />
anafase I of anafase II. Het gevolg is het ontstaan van voortplantingscellen met een<br />
onregelmatig aantal chromosomen. Wanneer dergelijke geslachtscellen versmelten heeft<br />
het versmeltingsproduct – de bevruchte eicel en het nieuwe individu dat daaruit groeit<br />
– ook een onregelmatig aantal chromosomen.<br />
• De meest voorkomende chromosomale afwijkingen zijn Downsyndroom (trisomie 21), Klinefeltersyndroom<br />
(47XXY) en Turnersyndroom (45X0). Een aantal van die aandoeningen komen<br />
vaker voor bij kinderen van oudere vrouwen.
Leerstof verwerken<br />
1 Bij een proef neemt men een eicel van schaap 1 en verwijdert er de kern uit. Van schaap 2<br />
neemt men een cel uit de uier (een lichaamscel dus), neemt er de kern uit en stopt die in<br />
de eicel van schaap 1, waaruit men de kern verwijderd heeft. Deze ‘constructie’ (eicel van<br />
schaap 1 met kern uit uiercel van schaap 2) plaatst men in de baarmoeder van schaap 3. Na<br />
een kleine 5 maand wordt er een lammetje geboren. Op welke van zijn ‘moeders’ lijkt het<br />
lammetje het meest: schaap 1, schaap 2 of schaap 3 – en waarom?<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
2 De ‘bouwstenen’ waaruit DNA en RNA opgebouwd zijn, heten .............................................................. .<br />
Zo’n bouwsteen is zelf nog eens opgebouwd uit drie componenten. Welke? Geef door middel<br />
van een schets aan hoe de drie componenten samengevoegd zijn tot een bouwsteen.<br />
3 Een DNA-molecule bevat 17 % T. Wat zijn de percentages van de andere drie nucleotiden<br />
en waarom? Welke regel pas je hier toe?<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
4 Gegeven de volgende schematische voorstelling van DNA:<br />
inkijkexemplaar<br />
A<br />
C<br />
59
60<br />
a Wat stellen de verschillende delen van de figuur voor?<br />
......................................................................................................<br />
..........................................................................................................................................................................................<br />
...................................................................................................................................................................................................<br />
b Omlijn in de figuur één nucleotide. Uit welke bestanddelen bestaat zo’n nucleotide?<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
c Welke vier organische basen worden in de DNA-molecule gevonden?<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
d Twee basen zijn in de figuur al benoemd. Benoem nu ook de andere basen. Welk principe<br />
moet je daarvoor aanhouden? (naam + formulering)<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
e De twee helften van de molecule (links en rechts op de figuur) zijn niet met gewone<br />
chemische bindingen met elkaar verbonden, maar wel met ............................................................<br />
5 Eén streng van een DNA-molecule bevat de nucleotidenvolgorde ATGCCGTCTGTCCATCAGTAA.<br />
Leid de nucleotidenvolgorde van de complementaire streng af.<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
6 DNA en RNA lijken op elkaar. Toch zijn er belangrijke verschillen. Zoek op hoe ze verschillen<br />
in hun chemische samenstelling, hun structuur, hun plaats in de cel en hun functie. Vat die<br />
verschillen samen in de volgende tabel:<br />
DNA RNA<br />
chemische samenstelling ............................................................ ............................................................<br />
............................................................<br />
structuur ............................................................<br />
............................................................<br />
............................................................<br />
............................................................ ............................................................<br />
plaats in de cel ............................................................ ............................................................<br />
functie ............................................................ ............................................................<br />
inkijkexemplaar<br />
7 Eukaryoten en prokaryoten verschillen o.a. van elkaar in de organisatie van hun erfelijk materiaal.<br />
Leg uit. Welke organismen horen bij deze twee groepen?<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................
8 Teken een chromosoom en duid de onderdelen aan.<br />
9 Wat is de beste definitie van een gen? Plaats de letter van het juiste antwoord in het vakje.<br />
Motiveer je keuze.<br />
a Een gen is een stuk DNA dat erfelijke informatie bevat.<br />
b Een gen is een stuk DNA dat de informatie bevat voor de bouw van één enzym.<br />
c Een gen is een stuk DNA dat de informatie bevat voor de bouw van één eiwit.<br />
d Een gen is een stuk DNA dat de informatie bevat voor de bouw van één polypeptide.<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
10 De eiwitsynthese bestaat uit twee deelprocessen. Geef voor elk de naam, vermeld waar ze<br />
precies doorgaan in de cel en vat in één zin samen wat er gebeurt.<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
11 Het boodschapper-RNA bevat codons, die elk de toevoeging van één bepaald aminozuur<br />
aan het eiwit bepalen. Uit hoeveel nucleotiden moet een dergelijk codon minstens bestaan?<br />
Waarom?<br />
inkijkexemplaar<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
61
62<br />
12 Veronderstel dat, ergens in één van je chromosomen, in je DNA deze nucleotidenvolgorde voorkomt (conventioneel geeft men de volgorde van slechts<br />
één DNA-streng: de coderende streng):<br />
gtcgaagccgaaATGCCGCCACCCCGGACCGGCCGAGGCCTTTTGTTGATGCCTtgagttttgccaaccatg<br />
Leid dan af:<br />
• wat de nucleotidenvolgorde van de codogene streng is:<br />
..........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
• wat de nucleotidenvolgorde zal zijn van het mRNA dat ervan afgeschreven wordt:<br />
..........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
• wat de aminozurenvolgorde is van het (mini-)eiwit waarvoor het codeert:<br />
..........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
• wat het gevolg zou zijn – op eiwit-niveau – als resp. 1, 2 of 3 van de onderstreepte nucleotiden zou wegvallen:<br />
..........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
Besluit: ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
..........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
Besluit: ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
..........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
Besluit: ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
Wat als je de C op plaats 22 van het coderend gedeelte (het ‘open leesraam’) zou vervangen door:<br />
a een G?<br />
b een U?<br />
c een A?<br />
inkijkexemplaar<br />
a ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
b ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................<br />
c ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................
13 Stel de replicatie van een DNA-molecule met nucleotidenvolgorde ATGCCGTCTGTCCAT-<br />
CAGTAA voor in 3 figuren.<br />
Wat bedoelt men met de uitspraak ‘DNA-replicatie is een semiconservatief proces’?<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
Toon aan aan de hand van je figuur.<br />
14 a Geef een zo precies mogelijke definitie van PCR.<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
b Wat is de functie van DNA-polymerase in dit proces?<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
c Waarom moet het DNA-polymerase warmtebestendig zijn?<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
inkijkexemplaar<br />
d Wat is de functie van de primers in PCR?<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
e Hoeveel cycli moet je de PCR laten doorlopen om ongeveer 1 miljoen kopieën van hetzelfde<br />
stuk DNA te verkrijgen?<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
63
64<br />
15 Je onderzoekt delende cellen en vindt volgende delingsfiguren.<br />
A B C D E<br />
Zet ze in de juiste volgorde, beschrijf voor elk precies wat er gebeurt en vermeld welke fase<br />
van de mitose ze voorstelt.<br />
volgorde<br />
1<br />
figuur naam fase beschrijving<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
16 Een cel met 16 chromosomen ondergaat drie maal na elkaar mitose. Hoeveel cellen zijn er<br />
dan gevormd? Hoeveel chromosomen bevat elke cel?<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
17 Een normale lichaamscel van een mens bevat in de G1-fase van de celcyclus 14 ng DNA.<br />
Hoeveel DNA bevat<br />
a een cel in de S-fase?<br />
b een cel in de anafase van de mitose?<br />
c een cel in de metafase van meiose II?<br />
d een zaadcel?<br />
e een cel in de profase van meiose I?<br />
f een cel in de G2-fase?<br />
g een cel bij het begin van de mitose?<br />
Als de hoeveelheid DNA in de loop van een bepaalde fase verandert, geef je dat aan.<br />
inkijkexemplaar<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................
18 In de levenscyclus van vele organismen komt, naast mitose, bijna altijd meiose voor. Waarom<br />
een tweede soort celdeling?<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
19 De meiose bestaat uit twee delingen na elkaar: meiose I en meiose II. Vat kort samen wat er<br />
in essentie tijdens die twee delingen gebeurt.<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
20 a Benoem elk van de voorgestelde fasen van de meiose. Geef telkens in één zin aan wat<br />
er gebeurt in de betreffende fase.<br />
a<br />
d<br />
b<br />
e<br />
a ........................................................ .................................................................................................................................<br />
.................................................................................................................................<br />
b ........................................................ .................................................................................................................................<br />
inkijkexemplaar<br />
.................................................................................................................................<br />
c ........................................................ .................................................................................................................................<br />
.................................................................................................................................<br />
d ........................................................ .................................................................................................................................<br />
.................................................................................................................................<br />
e ........................................................ .................................................................................................................................<br />
.................................................................................................................................<br />
f ........................................................ .................................................................................................................................<br />
.................................................................................................................................<br />
c<br />
f<br />
65
66<br />
b In welke volgorde komen de voorgestelde fasen voor?<br />
1 2 3 4 5 6<br />
c Waar in het lichaam komt meiose voor? Wat is de precieze functie ervan?<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
21 Wat is crossing-over? Wat is het genetisch gevolg ervan?<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
22 Wat is een duplicatie? Hoe ontstaat ze?<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
23 a Waarom gebruikt men altijd delende cellen bij chromosomenonderzoek?<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
b In welke fase van de celdeling bekijkt men de cellen het best? Waarom?<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
24 Waarom kan je wel kinderen met trisomie 21 tegenkomen maar nooit kinderen met bv.<br />
trisomie 5?<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
25 Waarom lopen oudere vrouwen meer risico op de geboorte van een kind met trisomie 21?<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
inkijkexemplaar
omgaan met informatie<br />
1 Zoek op het internet op hoe James Watson en Francis Crick in 1953 de structuur van DNA<br />
ontrafelden.<br />
2 Zoek op het internet op hoe Alfred Hershey en Martha Chase in 1952 aantoonden dat DNA<br />
de drager is van de erfelijke informatie.<br />
3 Zoek op het internet op hoe Archibald Garrod in het begin van de 20ste eeuw ontdekte dat<br />
erfelijkheid iets met eiwitten, meer bepaald enzymen, te maken had.<br />
4 Zoek op welke functies de volgende eiwitten in je lichaam vervullen: hemoglobine, pepsine,<br />
lysozyme, myosine, gamma-globuline.<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
5 a Zoek op welk eiwit zijn functie niet vervult bij patiënten met mucoviscidose.<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
b Wat is zijn functie?<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
c Door welke mutatie wordt de ziekte in onze streken meestal veroorzaakt?<br />
.............................................................................................................................................................................<br />
6 Zoek op het internet een normaal karyogram, een karyogram van iemand met Downsyndroom,<br />
iemand met Turnersyndroom en iemand met Klinefeltersyndroom. Waarin wijken<br />
de laatste drie van het normale af?<br />
7 Wat is het philadelphia-chromosoom? Voor welke ziekte is het typisch?<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
inkijkexemplaar<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
8 Wat is het cri-du-chat-syndroom? Waardoor wordt het veroorzaakt?<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
67
68<br />
9 Wat zijn telomeren? Wat hebben ze te maken met het ontstaan van kanker?<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
10 Wat is de functie van het BRCA1-gen in je cellen? Wat gebeurt er als het niet naar behoren<br />
werkt?<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
....................................................................................................................................................................................<br />
practica<br />
1 Bereiding van dna uit kiwi<br />
Materiaal<br />
Bereiding kiwiextract<br />
• kiwi<br />
• weegschaal<br />
• NaCl (keukenzout)<br />
• afwasmiddel<br />
• gedistilleerd water (of water uit een fles)<br />
• 2 bekerglazen (250 ml)<br />
• groot, scherp mes en snijplank<br />
• waterbad 60 °C (kan gewoon een kom met<br />
water op 60 °C zijn)<br />
• klokje<br />
• ijs, in een grote beker<br />
• roerstaafje<br />
• koffiefilter<br />
• trechter<br />
Bereiding<br />
Bereiding van het kiwiextract<br />
Scheiding van het DNA uit het kiwiextract<br />
• zuigpeertje<br />
• pipet (10 ml)<br />
• kiwi-extract (zie onder werkwijze)<br />
• reageerbuis (of een ander recipiënt)<br />
• reageerbuisrek<br />
• 9 ml ijskoude alcohol 96 %<br />
• lange glasstaaf<br />
inkijkexemplaar<br />
a Meng 3 gram zout met 10 ml afwasmiddel. Vul aan met water tot 100 ml.<br />
b Snij de (gepelde) kiwi klein in stukjes van ruwweg 5 mm. Doe de stukjes in een beker en giet<br />
er het afwasmiddel/zoutmengsel op.
c Meng het geheel door draaibewegingen met de beker te maken. Plaats het gedurende 15<br />
minuten op 60 °C (in een waterbad).<br />
d Laat dit mengsel een beetje afkoelen.<br />
e Plaats de koffiefilter in de trechter. Giet het mengsel erdoor en vang het op in de tweede<br />
beker (= filtraat). Pas goed op dat het schuim op het oppervlak het filtraat niet verontreinigt.<br />
Dit filtraat is het kiwi-extract dat oplosbare eiwitten en DNA bevat.<br />
Scheiding van het DNA uit het kiwiextract<br />
a Breng 6 ml van het kiwi-extract in een reageerbuis.<br />
b Giet heel voorzichtig een laag ijskoude alcohol bovenop het extractmengsel (giet de alcohol<br />
langzaam in de schuin gehouden buis). Laat dit geheel 2 tot 3 minuten staan zonder<br />
aan te raken.<br />
c Draai zachtjes met het glasstaafje op het scheidingsvlak. Let er goed op dat je de verschillende<br />
lagen niet al te zeer verstoort, want zo zou het fragiele DNA kunnen breken. Er is een<br />
wit web van slijmerig DNA (lijkt op snot) te zien.<br />
2 microscopie: mitose<br />
Bestudeer een microscopisch preparaat van de worteltop van een ui. Wortel- en stengeltoppen<br />
zijn groeizones in planten: de ideale plaats dus om delende cellen te vinden (mitose). Zoek de<br />
verschillende fasen van de meiose op, teken en benoem ze.<br />
3 microscopie: meiose<br />
Bestudeer een microscopisch preparaat van de meeldraden van de lelie. De stuifmeelkorrels<br />
worden in de helmhokjes gevormd door meiose.<br />
a Maak een overzichtstekening van een dwarsdoorsnede door een helmhokje (zwakke vergroting).<br />
b Zoek de verschillende fasen van de meiose op, teken en benoem ze. Handig om weten:<br />
2n=24 bij de lelie.<br />
inkijkexemplaar<br />
69