HC4. Nucleïnezuren en eiwitten
Algemene informatie
- Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
- In dit college wordt de DNA-replicatie behandeld
- Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
- Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
- Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
- Er worden geen recente ontwikkelingen besproken
- Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
- Er zijn geen opmerkingen gemaakt over het tentamen
- Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
- Er zijn geen potentiële tentamenvragen besproken
Het centrale dogma van de moleculaire biologie
DNA repliceert zich op het moment dat celdeling plaatsvindt → aan elke dochtercel wordt hetzelfde DNA doorgegeven. DNA heeft pas impact als het tot expressie komt.
DNA bevat een code die kan leiden tot mRNA, dat codeert voor eiwitten:
- De overschrijving van DNA naar RNA heet transcriptie
- RNA is uit hetzelfde materiaal opgebouwd als DNA: nucleotiden
- De stap van RNA naar eiwitten heet translatie
- Eiwitten zijn van een hele andere structuur dan RNA: aminozuren
De bouwstenen van DNA:
DNA en RNA zijn opgebouwd uit nucleotiden:
- Suikermolecuul
- Ribose wordt gebruikt in RNA
- Des-oxyribose wordt gebruikt in DNA
- Fosfaatgroepen
- Bases:
- DNA: adenine, thymine, guanine, cytosine
- RNA: adenine, uracil, guanine, cytosine
Bouwstenen van DNA zijn deoxy-ribonucleotides, hier zijn 4 soorten van:
- dAMP
- dTMP
- dGMP
- dCMP
De bases zijn van belang om een dubbele helix te kunnen vormen. Adenine vormt een waterstofbrug met het tegenoverliggende thymine (of uracil), cytosine met guanine. Een DNA-streng krijgt een backbone doordat de fosfaatgroepen verbonden zijn aan de suikergroep van de voorganger. Hierdoor ontstaat de 5’ → 3’ binding:
- DNA heeft een strengrichting met een 5’ (fosfaatgroep) begin en een 3’ (OH groep) uiteinde
- De 2 DNA-strengen moeten antiparallel aan elkaar zijn om baseparing te laten plaatsvinden
DNA-replicatie
Met DNA-replicatie wordt het kopiëren van DNA bedoeld. Om celdeling te laten plaatsvinden moet DNA verdubbeld zijn.
Gegevens over DNA-replicatie:
- DNA-replicatie is semi-conservatief:
- De dubbele helix (die bestaat uit twee DNA-strengen) wordt in tweeën gesplitst
- De ene streng vormt de template voor een nieuwe streng van het ene DNA-molecuul, de andere streng voor het andere DNA-molecuul
- DNA-synthese verloopt altijd in de 5’ → 3’ richting
- Aan de template streng moeten nieuwe nucleotiden gemaakt worden → hiervoor zorgt DNA-polymerase: vormt een 3’ → 5’ binding
- De nieuwe nucleotide (een trifosfaat) komt eraan → brengt zijn eigen energie mee om de polymerisatie te laten verlopen
- 2 fosfaten worden van de nucleotide afgeknipt → energie komt vrij en zorgt ervoor dat het 3e fosfaat een verbinding vormt met de OH-groep (base) van de vorige nucleotide
- DNA-replicatie is zeer nauwkeurig, er zijn anders te veel mutaties → er is slechts 1 fout per 107 baseparen
- Dit omdat DNA-polymerase heel zelden een andere nucleotide inbouwt
- Als dit wel gebeurt worden replicatiefouten onmiddellijk verwijderd door “proofreading” van de activiteit:
- DNA-polymerase voelt dat er iets niet klopt → verwijdert de laatste ingebouwde nucleotide
- Dit heet ook wel 3’ → 5’ exonuclease
- Door “mismatch repair” kunnen replicatiefouten ontsnapt aan de “proofreading” alsnog hersteld worden
Replicatie in zijn werking:
- DNA-replicatie begint bij “origins of replication”: specifieke regio’s in het DNA waarvan een eiwit weet dat daar de helix geopend kan worden om DNA-polymerase de ruimte te geven om een nieuwe streng in te bouwen
- Het mensengenoom heeft 30.000 tot 35.000 “origins of replication”
- Deze regio’s zijn vaak rijk aan adenine en thymine → de A-T baseparing is minder sterk omdat hiertussen maar 2 waterstofbruggen zitten
- De splitsing van de 2 DNA-strengen wordt gedaan door initiatoreiwitten:
- Herkennen het A-T rijke gebied → trekken de strengen uit elkaar
- Als de strengen uit elkaar zijn getrokken bindt het enzym helicase op het DNA → despiraliseert en splitst
- Replicatie induceert rotatiespanning in de helix → hierdoor wordt de winding van het dubbelstrengs DNA vóór de replicatievork steeds strakker: “supercoiling”
- Het enzym topo-isomerase zorgt ervoor dat de windingen worden opgeheven: breekt enkele DNA-strengen op → haalt een lus eruit → plakt ze weer aan elkaar
- Topoisomerase heeft een endonuclease-activiteit en een plakactiviteit
- Het enzym topo-isomerase zorgt ervoor dat de windingen worden opgeheven: breekt enkele DNA-strengen op → haalt een lus eruit → plakt ze weer aan elkaar
- Replicatie induceert rotatiespanning in de helix → hierdoor wordt de winding van het dubbelstrengs DNA vóór de replicatievork steeds strakker: “supercoiling”
- Het ringvormige eiwit sliding clamp bevindt zich rondom het DNA en zorgt ervoor dat het DNA-polymerase vast blijft zitten
- Vanuit de “origin of replication” gaat de replicatie beide kanten op → in de cel ontstaan “replicatiebubbels” gerepliceerd DNA
- In één bubbel zijn dus twee replicatievorken die elk een andere kant op gaan
- Uiteindelijk is er wel volledige replicatie van het genoom
- Single strand DNA-binding proteins binden in de replicatiebubbel op het enkelstrengs DNA → voorkomt dat het niet opnieuw basenparen vormt en beschermt het tegen nucleases
- Doordat DNA-synthese alleen in de 5’ → 3’ richting kan plaatsvinden ontstaat er een leading strand en een lagging strand
- Leading strand synthese is continu
- Lagging strand synthese gebeurt in stukjes: okazaki-fragmenten
- Om replicatie van de lagging strand te laten plaatsvinden heeft DNA-polymerase een 3’-OH groep nodig om aan te binden
- Het eiwit primase synthetiseert een RNA-primer → deze kan uit het niets een paar nucleotiden maken die complementair zijn aan het DNA
- De synthese van RNA-primers heeft een interval van ongeveer 200 nucleotides
- DNA-polymerase synthetiseert DNA tot de eerdere RNA-primer
- Als het volgende okazaki-fragment aankomt bij de RNA-primer van het vorige stukje verwijdert nuclease de RNA-primer
- DNA-repair-polymerase vult de lege plek waar de RNA-primer op zat
- Ligase verbindt de 2 okazaki-fragmenten
- Ligase is een eiwit dat dat de 3’ OH-groep van het ene fragment aan de 5’ fosfaatgroep van het andere fragment plakt → hiervoor is ATP nodig
- Resultaat: een dichtgebreid stuk DNA uit de lagging strand
- Het eiwit primase synthetiseert een RNA-primer → deze kan uit het niets een paar nucleotiden maken die complementair zijn aan het DNA
Overzicht betrokken enzymen:
Primase | synthese RNA-primers |
DNA-polymerase | synthese DNA tot de vorige RNA-primer |
Nuclease | verwijdering RNA-primers en vorming gat |
DNA-repair-polymerase | opvulling gat i.p.v. proofreading |
Ligase | verbinding tussen okazakifragmenten |
Topo-isomerase | opheving windingen in de dubbele helix |
Het einde van een chromosoom:
Chromosomen zijn lineair: ze hebben een uiteinde. Telomeren zijn de uiteinden van DNA. Primase kan in de buurt van het uiteinde wel een primer maken, maar de kans is zeer klein dat dit precies bij het einde gebeurt. Op het moment dat nuclease zou komen, ontstaat er een gaatje dat niet meer dichtgemaakt kan worden omdat het niet in de 5’ → 3’ richting gaat. Als de telomeren dus net als de rest van de DNA-streng opgebouwd zouden zijn, zouden bij replicatie de telomeren steeds korter worden. Dit wordt opgelost door verdubbeling van de telomeerfrequenties. Het enzym telomerase maakt repeat sequences → telomeren bestaan uit steeds hetzelfde stukje DNA:
- In de meeste cellen worden telomeren steeds korter, omdat telomeren niet altijd tot expressie komen
- Bij kanker komt telomerase voortdurend tot expressie om celdeling mogelijk te blijven maken
Polymerase Chain Reaction (PCR)
Replicatie kan in het lab nagemaakt worden door het opwekken van een PCR. Hierbij worden korte fragmenten gesynthetiseerd:
- Een stukje duplex DNA wordt uit elkaar gehaald door verhitting tot 95 graden
- Er worden stukjes artificieel DNA (primers) toegevoegd voor de delen van het DNA die gerepliceerd moeten worden
- Hittebestendige DNA-polymerase en nucleotides worden toegevoegd
- Taq-polymerase is polymerase van de bacterie Thermus aquaticus, deze leeft in hittebronnen op IJsland
- Dit proces wordt herhaald → hoe meer cycli, hoe meer stukjes van hetzelfde DNA
- Er is een exponentiële toename: na 20 cycli zijn er 106 moleculen
Toepassingen:
PCR kan op veel gebieden gebruikt worden:
- Forensisch onderzoek (DNA-fingerprinting)
- Iedereen heeft kleine stukjes DNA in ons genoom geïncorporeerd: short tandem repeats
- Deze verschillen per individu van lengte → voor iedereen uniek
- Er worden primers toegevoegd die hybridiseren met het DNA vlak naast de STR’s → hiermee kan de lengte van de STR’s geïndentificeerd worden: individuen kunnen uit elkaar gehaald worden
- Iedereen heeft kleine stukjes DNA in ons genoom geïncorporeerd: short tandem repeats
- Prenatale diagnostiek
- Gevoelige detectie van pathogenen
- Biomedisch onderzoek
Transcriptie
DNA versus RNA:
DNA dient als template om RNA te maken. Messenger RNA (mRNA) codeert voor eiwitten. Doordat eiwitten niet direct uit DNA worden opgebouwd, is er flexibiliteit voor de hoeveelheid eiwitten die geproduceerd wordt.
Er zijn enkele verschillen tussen DNA en RNA:
- RNA bestaat uit ribose en heeft een extra OH groep op elke 2e C-atoom
- DNA gebruikt de base thymine en RNA gebruikt uracil
RNA gebruikt DNA als template (matrijsstreng). Het RNA-molecuul is dus complementair aan deze streng.
Soorten RNA | |
Messenger RNA | Code voor eiwitten |
Ribosomaal RNA | Het centrum van de ribosoomstructuur en de katalyse van de eiwitsynthese |
Micro RNA | Regulatie van genexpressie |
Transfer RNA | Communicatie tussen mRNA en aminozuren tijdens de eiwitsynthese |
Andere niet-coderende RNA’s | Gebruikt voor RNA splicing, genregulatie, onderhoud van telomeren en andere processen |
Transcriptie in prokaryoten:
RNA-polymerase maakt ketens door in de 5’ → 3’ richting een RNA-molecuul te maken. RNA-polymerase bevat een sigmafactor: deze bindt heel specifiek aan een bepaalde sequentie in het DNA. RNA-polymerase kan een bepaalde helix uit elkaar halen en kan de RNA-vorming starten. Bij prokaryoten vertellen specifieke DNA-volgordes waar de transcriptie gestart en beëindigd moet worden:
- De transcriptie start bij de promotor
- De transcriptie eindigt bij de terminator
Transcriptie in eukaryoten:
Transcriptie in eukaryoten is ingewikkelder omdat DNA verpakt zit in chromatine.
- RNA-polymerase-II kan door binding van algemene transcriptiefactoren de transcriptie op het DNA beginnen
- Binden aan TATA-binding proteïnen
- TFIIB bindt aan TFIID → TFIIE en TFIIH komen vrij
- TFIIH heeft een helicase
- Een TFII fosforyleert RNA-polymerase → de RNA-synthese start
- Nieuw gesynthetiseerd RNA is pre-mRNA: het moet nog “mature” mRNA worden → dit vindt plaats in 3 processen die gereguleerd worden door het binden van eiwitten
- RNA-polymerase-II kan door binding van algemene transcriptiefactoren de transcriptie op het DNA beginnen
- 5’ capping: het aanbrengen van een speciale nucleotide aan de 5’-fosfaatgroep met daartussen een trifosfaatbrug
- Draagt bij aan de stabiliteit van het mRNA en is van belang voor de herkenning van mRNA door ribosomen voor de translatie
- Beschermt het mRNA tegen nucleases
- De eerste 5’ capping vindt plaats nadat ongeveer 30 nucleotiden van het RNA zijn gevormd
- Draagt bij aan de stabiliteit van het mRNA en is van belang voor de herkenning van mRNA door ribosomen voor de translatie
- Splicing: het verwijderen van de niet-coderende gedeeltes (intronen) in het RNA
- Intronen zijn stukjes DNA die niet coderen voor eiwit
- Exonen coderen wel voor een eiwit
- Alternatieve splicing is het uitknippen van steeds verschillende delen uit het pre-mRNA → er ontstaan mRNA’s voor verschillende eiwitten
- Wordt uitgevoerd door eiwit-complexen (snRNPs: small nuclear ribonucleoproteins)die specifieke sequenties herkennen en intron-exon boundaries aan elkaar zetten
- Zo’n specifieke sequentie moet ook aan het uiteinde zitten om herkend te worden
- Specifieke sequentie: vrijwel altijd een AG in het ene deel gevolgd door een G in het andere deel
- Dit gebeurt in 5’ → 3’ richting
- 3’-polyadenylering: aan het einde van een RNA-molecuul wordt een lange poly-a staart gezet
- Een poly(A)-staart is een lange staart van 150-250 adenines
- Op het pre-mRNA ligt het poly(A)-signaal (AUAAAtt) dat door het poly(A)complex herkend wordt → knipt 30 nucleotiden van het pre-mRNA → het enzym poly(A)-polymerase plakt de poly(A)-staart aan het 3’ einde van het pre-mRNA
- Dit is van belang voor de stabiliteit en bescherming tegen nucleases: om bij het coderende RNA te komen moet eerst de poly(A)-staart doorbroken worden
Als mRNA helemaal is afgemaakt kan het door eiwitten herkend worden en wordt het naar het cytoplasma getransporteerd worden. Hiervoor zijn 3 eiwitten nodig:
- Het cap-binding proteïne bindt na 5’ capping aan de “cap” op het mRNA
- In het cytoplasma wordt het cap-binding protein verwijderd: initiatiefactors voor translatie kunnen aan de cap binden
- Een “exon junction complex” die na splicing gevormd wordt
- Een poly(A)-binding proteïne die na polyadenylering aan de poly(A)-staart bindt
Deze eiwitten functioneren als controlemechanisme voor het mRNA → als er iets niet klopt in het mRNA, wordt het in de kern gelijk afgebroken.
Regulatie van transcriptie:
De transcriptie wordt op meerdere manieren gereguleerd:
- DNA bindt met activatoreiwitten die de vorming van het basale RNA Pol-II transcriptiecomplex versnellen
- Activatoreiwitten (transcriptieactivatoren) binden aan DNA
- Maken loops in het DNA waarmee ze andere factoren naar het basale RNA Pol-II transcriptiecomplex brengen → versnellen de opbouw van dit complex
- Zonder versnellen verloopt de transcriptie heet langzaam → er wordt onvoldoende RNA gesynthetiseerd
- Regulatie is dus gebaseerd op hoe snel het transcriptieproces plaatsvindt
- Chromatine “remodeling” complexes: DNA-modificatie en histonmodificatie spelen ook een rol in de regulatie van de transcriptie →maken de winding van DNA om de histonen wat losser → er komt ruimte in het transcriptiecomplex
- Histon-modifying enzymes veranderen de structuur van histonen → worden minder strak opgevouwen
- Binden aan het DNA en zorgen voor bepaalde modificaties van de histonen
- De staart van histon 3 bevat veel arginines, lysines en serines: deze hebben chemische groepen die gemodificeerd kunnen worden:
- Serine heeft een hydroxylgroep die gefosforyleerd kan worden
- Lysine heeft een groep die gemethyleerd kan worden
- Arginine heeft een groep die geacetyleerd kan worden
- Een histoncomplex bestaat uit histon 2A, 2B, 3 en 4 die elk een staart hebben: histon-modifying enzymes veranderen het histon vooral bij de staart → dit deel steekt uit en is daarom toegankelijk voor de enzymen
- Epigenetische overerving: na replicatie wordt een histonmodificatiepatroon doorgegeven aan de dochtercellen
- Na replicatie heeft slechts de helft van de dochternucleosomen de gemodificeerde histonen: het histonenmodificatiepatroon van de moeder moet opnieuw worden geconstrueerd door eiwitten die de modificaties herkennen → deze kunnen ze zelf katalyseren
- Histon-modifying enzymes veranderen de structuur van histonen → worden minder strak opgevouwen
- DNA-modificatie: cytosine wordt gemethyleerd
- Na de celdeling wordt het methyleringspatroon doorgegeven aan de dochtercellen
- DNA-methylering correleert met transcriptieremming
- Een mediator is een groot eiwitcomplex dat zowel bindt aan de algemene transcriptiefactoren als een RNA pol-II → het is een co-activator voor het transcriptie eiwit
Join with a free account for more service, or become a member for full access to exclusives and extra support of WorldSupporter >>
Collegeaantekeningen Cel tot Molecuul 2019/2020
- Cel tot Molecuul HC2: Genoomorganisatie
- Cel tot Molecuul HC3: Mitose en meiose
- Cel tot Molecuul PD1: Velocardiofaciaal syndroom
- Cel tot Molecuul PD2: Chromosoomafwijkingen
- Cel tot Molecuul HC4: Nucleïnezuren en eiwitten
- Cel tot Molecuul HC5: Translatie en eiwitstructuur
- Cel tot Molecuul HC6: Repair
- Cel tot Molecuul PD3: Familiaire Kanker
- Cel tot Molecuul PD4: Hemoglobinopathieën (HbP)
- Cel tot Molecuul HC7: Genomics in de moderne Geneeskunde (thema overstijgend)
- Cel tot Molecuul HC8: Celmembranen en transport
- Cel tot Molecuul PD5: Ionkanaalziekte
- Cel tot Molecuul HC9: Eiwittransport in de cel
- Cel tot Molecuul WC1: Inzoomen op organellen (thema overstijgend)
- Cel tot Molecuul HC10: Prenatale diagnostiek en screening (thema overstijgend)
- Cel tot Molecuul HC11: Ligand-eiwitbinding en enzymologie
- Cel tot molecuul HC12: Glucose en vetmetabolisme
- Cel tot Molecuul HC13: Glucose homeostase
- Cel tot Molecuul PD6: Mono-genetische diabetes
- Cel tot Molecuul HC14: Van zeldzaam naar veelvoorkomend (thema overstijgend)
- Cel tot Molecuul HC15+16: Overervingspatronen
- Cel tot Molecuul HC17: Kansrekenen
- Cel tot Molecuul HC18: Triplet expansie ziekte
- Cel tot Molecuul HC19: Wil je het weten? (thema overstijgend)
- Cel tot Molecuul HC20: Inleiding communicatie en signaaloverdracht
- Cel tot Molecuul HC21: GPRC's en 2nd messengers
- Cel tot Molecuul HC22: RTK's en insulinesignalering
- Cel tot Molecuul PD7: Cellulaire communicatie verstoord
- Cel tot Molecuul HC23: Therapieën in de maak (thema overstijgend)
- Cel tot Molecuul HC24: Cytoskelet
- Cel tot Molecuul HC25: Extracellulaire matrix
- Cel tot Molecuul PD8: Bindweefselziekte
- Cel tot Molecuul Proeftentamen
- Cel tot Molecuul: Antwoorden proeftentamen
Contributions: posts
Spotlight: topics
Collegeaantekeningen Cel tot Molecuul 2019/2020
Een complete bundel van de hoorcolleges behorend bij het blok van Cel tot Molecuul geschreven in studiejaar 2019/2020
- Lees verder over Collegeaantekeningen Cel tot Molecuul 2019/2020
- 2603 keer gelezen
Online access to all summaries, study notes en practice exams
- Check out: Register with JoHo WorldSupporter: starting page (EN)
- Check out: Aanmelden bij JoHo WorldSupporter - startpagina (NL)
How and why use WorldSupporter.org for your summaries and study assistance?
- For free use of many of the summaries and study aids provided or collected by your fellow students.
- For free use of many of the lecture and study group notes, exam questions and practice questions.
- For use of all exclusive summaries and study assistance for those who are member with JoHo WorldSupporter with online access
- For compiling your own materials and contributions with relevant study help
- For sharing and finding relevant and interesting summaries, documents, notes, blogs, tips, videos, discussions, activities, recipes, side jobs and more.
Using and finding summaries, notes and practice exams on JoHo WorldSupporter
There are several ways to navigate the large amount of summaries, study notes en practice exams on JoHo WorldSupporter.
- Use the summaries home pages for your study or field of study
- Use the check and search pages for summaries and study aids by field of study, subject or faculty
- Use and follow your (study) organization
- by using your own student organization as a starting point, and continuing to follow it, easily discover which study materials are relevant to you
- this option is only available through partner organizations
- Check or follow authors or other WorldSupporters
- Use the menu above each page to go to the main theme pages for summaries
- Theme pages can be found for international studies as well as Dutch studies
Do you want to share your summaries with JoHo WorldSupporter and its visitors?
- Check out: Why and how to add a WorldSupporter contributions
- JoHo members: JoHo WorldSupporter members can share content directly and have access to all content: Join JoHo and become a JoHo member
- Non-members: When you are not a member you do not have full access, but if you want to share your own content with others you can fill out the contact form
Quicklinks to fields of study for summaries and study assistance
Main summaries home pages:
- Business organization and economics - Communication and marketing -International relations and international organizations - IT, logistics and technology - Law and administration - Leisure, sports and tourism - Medicine and healthcare - Pedagogy and educational science - Psychology and behavioral sciences - Society, culture and arts - Statistics and research
- Summaries: the best textbooks summarized per field of study
- Summaries: the best scientific articles summarized per field of study
- Summaries: the best definitions, descriptions and lists of terms per field of study
- Exams: home page for exams, exam tips and study tips
Main study fields:
Business organization and economics, Communication & Marketing, Education & Pedagogic Sciences, International Relations and Politics, IT and Technology, Law & Administration, Medicine & Health Care, Nature & Environmental Sciences, Psychology and behavioral sciences, Science and academic Research, Society & Culture, Tourisme & Sports
Main study fields NL:
- Studies: Bedrijfskunde en economie, communicatie en marketing, geneeskunde en gezondheidszorg, internationale studies en betrekkingen, IT, Logistiek en technologie, maatschappij, cultuur en sociale studies, pedagogiek en onderwijskunde, rechten en bestuurskunde, statistiek, onderzoeksmethoden en SPSS
- Studie instellingen: Maatschappij: ISW in Utrecht - Pedagogiek: Groningen, Leiden , Utrecht - Psychologie: Amsterdam, Leiden, Nijmegen, Twente, Utrecht - Recht: Arresten en jurisprudentie, Groningen, Leiden
JoHo can really use your help! Check out the various student jobs here that match your studies, improve your competencies, strengthen your CV and contribute to a more tolerant world
2115 |
Add new contribution