Study Notes bij Van cel tot molecuul - Geneeskunde UL (2015-2016)

Deze aantekeningen zijn gebaseerd op collegeweek 1 t/m 5 van het studiejaar 2015-2016.

Notes (Thema: Het Humane Genoom en Chromosomen)

HC: Inleiding blok

Tijdens dit blok komen er twee basisvakken en één klinisch vak ten sprake. Moleculaire celbiologie, genetica en klinische genetica. Tijdens dit blok wordt er gewerkt aan de competenties AWV en gezondheidsbevordering. De twee coördinatoren van dit blok zijn Prof M. Breuning en Prof T. Raap.

Dit blok bevat zeven thema’s.

1. Humane Genoom en Chromosomen
2. Mono genetische Ziekten en Overervingspatronen
3. Replicatie, Transcriptie, Repair en Recombinatie
4. Translatie en Structuur/Functie van Eiwitten
5. Metabolisme en Enzymologie
6. Membranen en Transportprocessen
7. Communicatie en Signaaloverdracht

Bij elk thema hoort een werkgroep en twee studieopdrachten. Bij elke SO-2 worden er 2 studenten uitgekozen die de casus moeten presenteren. Ook moeten zij een verslag over die casus maken. Dit verslag moet schriftelijk ingeleverd worden tijdens de werkgroep, gemaild worden naar de werkgroep docent en online ingevoerd worden in TurnItin (via blackboard). Je moet goed voorbereid naar de werkgroep komen en je kernboeken meenemen. Het verslag wat je samen met een medestudent inlevert moet beoordeelt worden met een voldoende of goed. Wanneer het verslag met een onvoldoende beoordeelt is wordt het tentamencijfer van cel tot molecuul niet vrijgegeven.

Toetsing

Het deeltentamen gaat over de thema’s 1 tot en met 4. Het bestaat uit 35 meerkeuzenvragen en duurt 2 uur lang.

Het eindtentamen gaat over alle 7 thema’s.

HC: Genoom organisatie

Nucleotiden zijn de bouwstenen van het DNA. DNA bestaat uit een suikermolecuul (desoxyribose), fosfaatgroep en een stikstofbase (guanine, cytosine, adenine en thymine). De fosfaatgroep is negatief geladen. Een DNA-streng heeft een 5’ en een 3’ kant: polariteit. Nieuwe nucleotiden worden aan de 3’ kant aangezet. In losse vorm zit bij RNA een H-groep en bij DNA OH-groep aan 3'. De fosfaatgroep zit aan koolstofatoom 5' en de base aan koolstofatoom 1'. Het DNA-molecuul bestaat uit een dubbele helix, dus uit 2 DNA strengen. Deze strengen zijn doormiddel van waterstofbruggen aan elkaar geketend. Tussen T en A zitten 2 waterstofbruggen en tussen G en C 3 (hierdoor is de C - G verbinding sterker). Bij de aanmaak van nieuw DNA wordt 1 streng gebruikt als matrijsstreng.

Het menselijk DNA bestaat uit 3 miljard basenparen, 22000 genen en is 1 m lang, 2nm dik en 3 picogram zwaar. DNA kent 22 autosomen chromosomen en 1 geslachtschromosoom. Dit is voor haploïde situatie. Spermacellen en eicellen zijn haploïd en een lichaamscel is diploïd. DNA zit verpakt in chromatine. Er zijn twee soorten chromatine: heterochromatine en euchromatine. Heterochromatine is donker, gecondenseerd, niet actief en er vindt geen DNA transcriptie plaats. Euchromatine is licht van kleur, is actief en er vindt transcriptie plaats. Bij euchromatine is het DNA gedecondenseerd zodat enzymen en polymerasen er beter bij kunnen. Een cel met een grote kern bevat meer euchromatine aangezien er meer chromatine actief zijn. 

DNA is negatief geladen. DNA bindt met positief geladen histonen om een chromatine te vormen. Allereerst windt het DNA zich om de histonen (2x4 eiwitten) dit vormt een nucleïosoom. Vervolgens condenseert dit verder met behulp van een 5e histon om een chromatine fiber te vormen. Die fibers maakt dan nog loops en die loops worden gecondenseerd met als resultaat het interfase chromosoom. De meest gecondenseerde vorm van chromatine is in de metafase. Een chromosoom is vaak in de metafase afgebeeld.

Een chromosoom bestaat uit 2 chromatiden. Het punt waarop deze chromatiden aan elkaar zitten wordt het centromeer genoemd. De uiteinden van de chromosoom/chromatiden noemt men het telomeer. Wanneer het centromeer zich niet exact in het midden bevindt (submetacentrisch), heeft de chromosoom lange (Q-armen) en korte (P-armen) armen. Overigens wordt ook bij chromosomen waarbij de armen evenlang zijn (metacentrisch) de P en Q armen benoemd. Dit is om onderscheid te maken en zo genlocaties te kunnen aanduiden. Hele kleine armen noemt men satelliet armen. Dit komt voor bij acrocentrische chromosomen

Chromosomen worden geclassificeerd op lengte en op de positie van het centromeer. Wanneer hieruit geen onderscheid kan worden gemaakt, wordt er gekeken naar de G-bandering van de chromosoom. Deze G-bandering vindt plaats in de metafase met behulp van Giemsa, vervolgens krijgt het chromosoom een uniek licht-donker bandpatroon. Dit noemt men karyotypering, een geïdealiseerde vorm is een idiogram.

Bij chromosoom preparatie kan men levende cellen gebruiken (lymfocyten, fibroblasten etc.) en kan men in de metafase met behulp van Giemsa karyotyping ontwikkelen. Wangslijmvlies kan men niet gebruiken, aangezien deze cellen dood zijn (geen metafase hebben).

Er bestaan unieke (single copy genen) en repetitieve sequenties (geclusterd, junk DNA). Bij de FISH methode wordt het DNA verhit, hierdoor vallen de waterstofbruggen uiteen en ontstaat er een enkele streng DNA. Vervolgens voegt men aan 1 DNA streng een gelabelde probe (DNA streng) toe. Waar deze probe aan het DNA streng past worden er waterstofbruggen gevormd en vindt er een fluorescerende kleuring plaats.

Bij de methode is het tumor DNA rood en het normale DNA groen. Op basis van kopie aantallen wordt het genoom in kaart gebracht. Hiermee kan gekeken worden of er sprake is van DNA deletie of amplificatie.

HC: Mitose en meiose

Mensen hebben 46 chromosomen (44 autosomen en 2 geslachtschromosomen). Het SRY-gen zorgt voor de ontwikkeling van het mannelijke geslacht. Chromosomen 13, 14, 15, 21 en 22 zijn de acrocentrische chromosomen.

Belangrijke begrippen in de celdeling zijn:

• Centromeer: de plek waar na replicatie de zusterchromatiden bijeengehouden worden

• Kinetochoor: structuur van eiwitten waar de microtubuli zich aan hechten

• Microtubuli/spoeldraden: binden zich aan kinetochoor om de zusterchromatiden uit elkaar te trekken

• Centrosoom: bestaat uit twee centriolen en is het centrum waar vandaan de microtubuli zich vormen

De chromosomen zijn alleen zichtbaar tijdens de celdeling, dus alleen zichtbaar in de mitose en meiose. Een celcyclus heeft 4 fases: de G1, S, G2 (samen interfase) en M fase. G1-fase omvat vooral metabole activiteit, S-fase omvat DNA-replicatie, G2-fase omvat voorbereiding celdeling en de M-fase is de mitose. Om de celcyclus goed te laten verlopen heeft de cyclus 3 checkpoints (in de G1, G2 en M fase).

Mitose vindt plaats in een normale celdeling. Er ontstaat uit een lichaamscel met 46 chromosomen, twee cellen met elk 46 chromosomen. Er ontstaan twee nieuwe cellen die genetisch identiek zijn. In de interfase is er een duidelijke kern, het DNA is gedespiraliseerd en er vindt voorbereiding voor de mitose plaats, zoals: replicatie van chromosomen, productie van eiwitten en organellen en het verdubbelen van de centrosomen. De profase bestaat uit condensatie van chromatine (zorgt voor zichtbare chromosomen), verdwijning van het kernmembraam, de centrosomen verplaatsen zich naar tegenoverliggende polen en spoeldraden vormen. In de pro-metafase zijn de chromosomen volledig gespiraliseerd, de spoeldraden verbinden zich met het kinotochoor en de chromosomen beginnen zich te bewegen. In de metafase verplaatsen centromeren zich naar het midden van de cel (equatoriaal vlak) en er is een checkpoint of alle chromatiden vastzitten aan een spoeldraad. In de anafase splitsen de chromatiden op het kinetochoor, deze bewegen naar tegenoverliggende polen via de spoeldraden en elke losse chromatide wordt gezien als chromosoom. In de telofase liggen chromosomen op tegenoverliggende polen: dochter kernen en nucleoli worden gevormd en chromosomen despiraliseren. Daarna verdwijnen de spoeldraden en ontstaat er een nieuw kernmembraam. De cytokinese sluit aan op de mitose. Hierin deelt de cel zich in twee dochtercellen.

Meiose vindt plaats bij de vorming van geslachtscellen. Er ontstaat uit een cel met 46 chromosomen een geslachtscel met 23 chromosomen. De eerste functie van de meiose is het halveren van het aantal chromosomen, de tweede functie is het ontstaan van genetische variatie (door cross-over en segregatie van homologe chromosomen). Tijdens de meiose kan er crossingover/chiasmata plaatsvinden. Dit is het uitwisselen van genetisch materiaal tussen twee homologe chromosomen en heeft ook als functie de homologe chromosomen bij elkaar te houden in profase 1. Paren van homologe chromosomen vindt plaats in de profase, er ontstaan bivalenten. De paring van het X en Y chromosoom vindt plaats in de pseudoautosomale regio, aan de bovenkant van de korte arm. In de metafase 1 gaan de chromosomen liggen in het equatoriaal vlak. In de anafase 1 worden de chromosomen uit elkaar getrokken door de spoeldraden. In de tweede anafase en metafase gebeurt hetzelfde proces, maar dan worden in plaats van de chromosomen de chromatiden uit elkaar getrokken. Aan het einde van de meiose zijn er bij de man 4 zaadcellen ontwikkeld, bij de vrouw 1 eicel met 3 poollichamen. De chromosomen bestaan ieder uit 1 chromatide.

Chromosoomafwijkingen

Er zijn twee soorten chromosoomafwijkingen: numerieke (waarin het aantal afwijkt van 46 chromosomen) en structurele afwijkingen.
Numerieke afwijkingen kunnen ontstaan door:

1. Nondisjunctie in meiose 1 (homologe paren gaan niet uit elkaar)

2. Nondisjunctie in meiose 2 (de zusterchromatiden gaan niet uit elkaar)

3. Anafaselagging (hierbij hechten de spoeldraden niet goed aan het centromeer)

4. Mitotische nondisjunctie (mozaïek, de afwijking is slechts in een aantal lichaamscellen)

5. Mitotische anafaselagging (mozaïek, de afwijking is slechts in een aantal lichaamscellen)

Numerieke afwijkingen kunnen trisomie (47) zijn of monosomie (45).

• Syndroom van Down – trisomie 21

• Syndroom van Patau – trisomie 13

• Syndroom van Edwards – trisomie 18

• Syndroom van Klinefelter – 47,XXY

• Syndroom van Turner – 45,X (dit is de enige levensvatbare monosomie, dit komt doordat er in een ‘gezonde’ lichaamscel van een vrouw 1 X-chromosoom deels inactief is.)

Er is sprake van X-inactivatie in cellen. Hierdoor vindt er geen genexpressie plaats. Deze inactivatie wordt op een actieve manier doorgegeven aan de dochtercellen. Een inactieve cel is zichtbaar door het Barr lichaampje, een heterochromatine spot die sterk kleurt in de kern. Iemand met meer X-chromosomen heeft meer Barr lichaampjes.

Numerieke afwijkingen kunnen aneuploïdie (wanneer men 45 of 47 chromosomen heeft) of polyploïdie (meer dan twee sets: triploïdie 69 of tetraploïdie 92) zijn.

Structurele afwijkingen kunnen gebalanceerd of ongebalanceerd voorkomen. Wanneer er geen verlies is van genetisch materiaal en er geen afwijkend fenotype is ontstaan spreekt men van een gebalanceerde afwijking. Wanneer er wel verlies is van genetisch materiaal is en er een afwijkend fenotype is ontstaan spreekt men van een ongebalanceerde afwijking.

Gebalanceerde structurele afwijkingen kunnen ontstaan zijn door:

• Translocatie (de uitwisseling van genetisch materiaal tussen twee chromosomen). Er zijn twee soorten translocatie: reciproque en robertsoniaanse translocatie. Robertsoniaanse translocatie vindt alleen plaats bij de acrocentrische chromosomen. Bij een reciproque translocatie vormt zich tijdens de meiose een quadrivalent in plaats van een bivalent.

Ongebalanceerde structurele afwijkingen kunnen ontstaan zijn door:

• Deleties van genetisch materiaal. Deze deleties kunnen terminaal zijn, waardoor er 1 breuk ontstaat. Bij een deletie in een ringchromosoom en een interstitiële deletie ontstaan er twee breuken.

Afwijkingen die zijn ontstaan door een ongebalanceerde structurele afwijking is bijvoorbeeld het Wolf-Hirschhorn syndroom – deletie van 4e chromosoom.

Bij een isochromosoom worden de chromosomen anders uit elkaar getrokken. De ene chromosoom heeft 2 p-armen en de andere 2 q-armen.

Gevolgen chromosomale afwijkingen

Aan chromosomale afwijkingen zijn ernstige gevolgen verbonden. Bij de meeste afwijkingen vindt er een spontane abortus plaats. Ook overlijden de meeste kinderen met een chromosomale afwijkingen vaker net na de geboorte. Daarnaast hebben mensen met chromosomale afwijkingen vaak hartklachten, sociale problemen, een afwijkend fenotype en leerproblemen. Groeiretardatie, mentale retardatie en lichamelijke afwijkingen zijn dus de hoofdkenmerken.

PD: Chromosomale syndromen

Het Down syndroom

Het Down syndroom is de bekendste numerieke afwijking. Het downsyndroom is een andere benaming voor trisomie 21, echter kan het ook ontstaan door een mozaïek of Robertsiaanse translocatie van 21 op 14. De incidentie van het Downsyndroom is ongeveer 1:900. De kans op Down syndroom neemt toe bij hogere maternale leeftijd. Het Downsyndroom is te herkennen aan:

• (te) veel nekvel

• hypotonie – een lage spierspanning

• brachycefalie – een vlak gezicht/gelaat

• simpel gevormde en kleine oren

• opvallende epicanthus (oogplooi) en up-slant ogen

• tussen de 1e en 2e teen bevindt zich een grote ruimte

• open mond met uitstekende tong

• de 4-vingerlijn (50% bij Down syndroom, 2-3% in de populaite)

Naast de fenotypische afwijkingen heeft het Downsyndroom ook klinische afwijkingen, zoals:

• Hartafwijkingen (40-45%; VSD en ASD)

• De darmen zijn slecht aangelegd (anusatresie, duodenumatresie)

• Kleine lichaamslengte (ongeveer 150 cm)

• Scheelzien

• Een IQ tussen de 25 en 75

• Alzheimer (dit komt doordat het APP gen op chromosoom 21 ligt)

Patau syndroom

Een ander syndroom is het Patau syndroom. Dit komt door een trisomie 13 of Robertsiaanse translocatie of mozaïek. De incidentie van dit syndroom is ongeveer 1:5000. De meeste kinderen met dit syndroom worden niet ouder dan 10 dagen. Slechts 10% van de kinderen wordt ouder dan 1 jaar. De klinische afwijkingen van dit syndroom zijn:

• Een groeiachterstand

• 90% heeft een hartafwijking (ASD en VSD)

• Holoprosencephalie (60-70%), hierbij zijn de hersenen niet gescheiden in twee helften

• Een splijting in de lip

• Een extra vinger aan de pink-zijde: postaxiale polyactylie

• Huidbeschadiging op de schedel

• Nierafwijkingen

• Een navelbreuk (omfalocele)

• Ernstige verstandelijke beperking

Edwards syndroom

Een ander syndroom is het Edwards syndroom. Dit is trisomie 18. De incidentie voor dit syndroom is ongeveer 1:5000. De meeste kinderen worden niet ouder dan 1 week, zij overlijden meestal door hartfalen. Slechts 1% bereikt de leeftijd van 10 jaar. Er is sprake van een ernstige verstandelijke handicap. De gezichtskenmerken vallen minder op op latere leeftijd.

De fenotypische kenmerken van dit syndroom zijn:

• Een lager geboortegewicht, dunne kindjes

• Microcephalie: een te kleine schedel

• Klompvoetjes

• Hoog voorhoofd

• Kleine neus en mond

• Smalle ooglidspleten en driehoek gezicht

• Oren die lager staan dan normaal

• Verminderde spiermassa; weinig spontane beweging

• De stand van de vingers: vinger 2 over 3 en vinger 5 over 4

De klinische kenmerken van dit syndroom zijn:

• Hartafwijkingen (90%; VSD en ASD)

• Nierafwijkingen (hoefijzernier, cysten of hypoplasie)

• Afsluiting van de slokdarm (oesofagusatresie)

• Buikwanddefect

• 10% radius- en/of duimaplasie

Turner syndroom

Het Turner syndroom komt ongeveer op 1:5000 meisjes voor. In de meeste gevallen heeft men een X-chromosoom te weinig. Het genotype is 45,X. Ook kan het zo zijn dat er een ernstige structurele afwijkende X-chromosoom aanwezig is, het genotype is dan 46,XX. 10% van het abortusmateriaal van afwijkende vroege spontane abortussen bestaat uit 45, X. 98-99% komt te overlijden tijdens de zwangerschap.

Dit syndroom kan men herkennen aan:

• Korte lichaamslengte

• Een brede nek

• Tepels die ver uit elkaar staan

• Een lage haargrens aan de dorsale zijde

• Neonataal lymfoedeem

De klinische kenmerken zijn:

• Hartafwijkingen

• Nierafwijkingen

• Infertiliteit (niet vruchtbaar)

• Het uitblijven van de eerste menstruatie

Klinefelter syndroom

Het Klinefelter syndroom komt voor op ongeveer 1:1000 jongens. Het genotype is 47,XXY. Jongens met dit syndroom zijn erg lang, hebben leer- en gedragsproblemen, in 30% van de gevallen borstgroei en het IQ is ongeveer 20 punten lager dan broertjes of zusjes. Bij het Klinefelter syndroom is men onvruchtbaar (azoöspermie).

XYY en XXX

Mensen met een extra X of een Y chromosoom (XYY en XXX) zijn vaak erg lang en scoren qua IQ ongeveer 20 punten lager dan broertjes of zusjes. Ook heeft men vaak last van gedrag en leerproblemen. Men kan zich nog wel voortplanten. Er is geen opvallend uiterlijk.

Wolf-Hirsch Horn syndroom (niet onderdeel van de leerstof)

Bij het Wolf-Hirsch Horn syndroom heeft er een deletie plaatsgevonden op de korte arm van chromosoom 4. Men kan dit syndroom herkennen aan:

• Een hoge neusbrug

• Een hoog voorhoofd

• Ogen die ver uit elkaar staan

• De afstand tussen de lippen en de neus is klein

Cri-du-chatsyndroom 

Bij het Cri-du-chatsyndroom heeft er een deletie plaatsgevonden op chromosoom 5. Men kan dit syndroom herkennen aan:

• Dunne en slecht groeiende kinderen

• Het huilen als een kat

• Verstandelijke handicap

• Hartafwijkingen

• Laagstaande en simpele oren

PD: VeloCardioFaciaal Syndroom (VCF)

Bij het velocardiofaciaal syndroom (VCF) mist er een stukje van chromosoom 22. Het komt bij ongeveer 1:2000 kinderen voor. Je kan dit syndroom herkennen aan:

• Korte lichaamslengte

• Hartafwijkingen

• Het gehemelte sluit de neus niet goed af

• Kleine mond die vaak open staat

• Lage spierspanning

• Rechte neus

Bij een chromosomale numerieke afwijking heeft men meestal last van meerdere aandoeningen tegelijk (groeiachterstand, hartfalen, verstandelijke handicap etc.). De overlevingskansen bij mozaïek zijn groter.

Chromosomale afwijkingen kan men tegenwoordig ‘opsporen’ tijdens de zwangerschap. Tijdens de eerste trimester screening vindt er een combinatietest plaats. Men neemt bloed af en er vindt een nekplooimeting plaats. Er wordt een kansberekening gemaakt op een afwijking. Bij de SEO (standaard echo onderzoek) kan men zien of er congenitale afwijkingen zijn. Deze SEO vindt
plaats tussen de 18e en 20e week van de zwangerschap.

Bij een serumscreening wordt er bloed afgenomen tijdens de 9e – 14e week. Er wordt gekeken naar de vrij beta-HCG en PAPP-A. Aan de hand van deze uitslag kan vast worden gesteld of men een verhoogde risico heeft op een kindje met een chromosomale afwijking. Ook kan men een vruchtwaterpunctie (transabdominaal) of een vlokkentest (transabdominaal en transvaginaal) nemen.

Deze patiëntdemonstratie stond in het teken van VCFS (VeloCardioFacaal Syndroom). Bij patiënten met VCFS ontbreekt er een stukje op een van de twee chromosomen 22; deletie 22q11. Enkele symptomen zijn:

• Psychische problemen

• Afwijkend uiterlijk: klein gestalte, kleine oren, kleine oogspleet, lang aangezicht

• Lichamelijke beperkingen

• Schisis: Open gehemelte (Shprintzen) / hazenlip.

• Laat met ontwikkelen

• Hartafwijking

• Immuunproblemen (Di George)

• Aanlegstoornis van de thymus

• Laag calciumgehalte

De deletie kan erg duidelijk tot expressie komen, maar het kan ook nauwelijks te merken zijn. Op chromosoom 22 zitten veel repeterende stukken die grote overeenkomsten hebben. Dit is in nog wel meer chromosomen het geval. Tijdens de meiose vindt er recombinatie plaats tussen homologe paren. Als deze fout gaat, doordat de chromatiden verschoven zijn en op de verkeerde plekken tegen elkaar aan gaan liggen kan er een stuk wegraken of zou er bij de andere een stuk bij kunnen komen. Zo kan dus deze deletie ontstaan.

De deletie is op te sporen met de FISH techniek. Met een gelabelde probe kun je aantonen dat het stukje maar één keer in het DNA zit in plaats van twee keer. Behalve een geslachtscel met een deletie ontstaat hierbij ook een geslachtscel met een duplicatie met dit deel. De deletie kan ook nog plaatsvinden door een ringvorming waarbij het chromosoom recombineert met zichzelf. Een bisattellited chromosoom ontstaat als een inversie plaatsvindt. Hierbij komt dan in één chormosoom twee centromeren. Als je zelf drager bent, heb je 50% kans om het door te geven. Als het de eerste keer is dat deze deletie voorkomt in een gezin, is de kans gering dat het nogmaals voorkomt.

Bij het cat eye syndrome heeft iemand een klein extra chromosoom 22. Dit geeft milde afwijkingen, maar is niet zo erg als VCFS. Het voornaamste kenmerk is de coloboom iris.

Andere kenmerken zijn:

• Milde mentale retardatie

• Milde hypertelorisme

• Hartdefecten

• Anale atresie (anus is niet goed aangelegd)

• Renale agenesie (nieren zijn niet aangelegd)

Notes (Thema: Replicatie, Transcriptie, Reparatie, Recombinatie)

Deel 1: Replicatie, Transcriptie en Repair

HC: DNA Replicatie

DNA wordt omgezet in mRNA wordt omgezet in eiwit.

Het centrale dogma houdt in dat ons erfelijk materiaal gecodeerd wordt door het DNA, maar dat in onze cellen de meeste functies worden uitgevoerd door eiwitten en door RNA. Om van het DNA tot eiwitten te komen, wordt het DNA, waar de boodschap in gecodeerd ligt, afgelezen. Het mRNA zorgt er vervolgens voor dat er eiwitsynthese plaats kan vinden. Het omzetten van DNA naar RNA gebeurt door transcriptie (=overschrijving van nucleotiden) en de eiwitsynthese vindt plaats door translatie (=vertaling in aminozuren).

Nucleotiden

De bouwstenen van DNA en RNA zijn nucleotiden. Nucleotiden zijn opgebouwd uit drie componenten: een base, een ribose-molecuul en een fosfaatgroep. DNA en RNA verschillen in de hydroxylgroep die bij het RNA (ribonucleic acid) op het tweede C-atoom van het ribose-molecuul zit. Bij DNA (deoxyribonucleic acid) zit daar alleen een waterstofatoom. Het tweede verschil is dat bij RNA op elke plek van een Thymine een Uracil is ingebouwd. De basen zijn opgesplitst in twee soorten: purinen (adenine en guanine) en pyrimidinen (thymine, cytosine en uracil). De basen paren met de ‘andere soort’ A met T of U en G met C (complementaire basen). Purines zijn opgebouwd uit twee ringen en zijn wat groter dan de pyrimidines die opgebouwd zijn uit een enkele ring.

Replicatie

DNA replicatie is het polymeriseren van de nucleotiden waardoor er een lange keten wordt aangemaakt. DNA wordt gesynthetiseerd in de 5` naar de 3` richting en gebeurt semiconservatief (de dubbele helix in de dochtercellen bestaat uit een oude en een nieuwe enkele helix). De 5’ naar een 3’ richting wordt zo genoemd omdat DNA wordt gesynthetiseerd vanaf de fosfaatgroepkant naar de hydroxylgroepkant van het vijfde C-atoom naar het derde C-atoom op het ribose molecuul.

Aan elke oude strand (enkele DNA streng) wordt een nieuwe strand gekoppeld die complementair is. Elke keer wordt de hydroxylgroep van de bestaande keten gekoppeld aan de (tri)fosfaatgroep van de nieuwe geïndiceerde nucleotide. De energie die nodig is om te polymeriseren zit in die trifosfaatgroep. De verbinding (3 waterstofbruggen) tussen het G-C basenpaar is sterker dan de verbinding (2 waterstofbruggen) tussen het A-T basenpaar. Er is dus meer energie nodig om het G-C basenparen te verbreken. Ons genoom is voornamelijk A-T rijk, dat heeft er waarschijnlijk mee te maken dat het DNA dan gemakkelijker opengemaakt kan worden voor de replicatie.

Als het DNA wordt gerepliceerd door DNA polymerase wordt het door dat eiwit ook meteen gecontroleerd, dit heet proofreading. Dit zou niet mogelijk zijn als het DNA van 3’ naar 5’ werd gesynthetiseerd, omdat dan geen energie meer in de fosfaatgroep zit bij herstel. Bij replicatie is er ongeveer slechts 1 fout per 107 baseparen.

DNA replicatie begint bij de ‘origin of replication’. Er liggen een veelvoud van deze ‘origins of replication’ (10.000 in het menselijk genoom) verspreid over het genoom. Initiator eiwitten binden aan deze ‘origins of replication’ en openen de helix (door middel van het helicase eiwit) en bewegen beide kanten van het DNA op. Het single strand DNA kan vervolgens gebruikt worden voor DNA synthese. In het begin van de S-fase vind deze opening van de helix plaats.

Bij het begin van de synthese wordt door primase een RNA primer geplaatst waaraan polymerase kan hechten en zo de streng kan verdubbelen. De leading strand heeft een continue doorlopende synthese terwijl de lagging strand in stukjes (okazaki fragmenten) gesynthetiseerd wordt. Hiervoor wordt steeds een RNA primer geplaatst waaraan vervolgens een stukje DNA wordt aangebouwd tot het de vorige RNA primer tegenkomt. De RNA primer wordt vervolgens verwijdert door een nuclease (RNAse). Daarna wordt deze ruimte weer opgevuld door repair polymerase (wat bindt aan het einde van het vorige okazaki fragment) tot het begin van het volgende okazaki fragment. Ligase lijmt de twee stukken vervolgens aan elkaar. Hier is wel ATP voor nodig.

Topoisomerase is een eiwit dat ervoor zorgt dat de spanning die ontstaat bij het ontwinden van het DNA tijdens replicatie wordt weggehaald. Topoisomerase maakt hiervoor een breuk in één van de DNA strengen zodat de spanning eraf kan. Deze breuk wordt vervolgens weer aan elkaar gelijmd.

De sliding clamp is een ringvormige co-factor van DNA polymerase. De sliding clamp zit als ringstructuur om het DNA heen en houdt het DNA polymerase vast bij het DNA.

DNA polymertisatie in vitro = Polymerase chain reaction (PCR)

Het principe van PCR is van een klein specifiek stukje DNA heel veel maken. Het dubbelstrengs DNA wordt eerst ontwonden (94 graden). Vervolgens worden er specifieke DNA primers toegevoegd, die complementair zijn aan gebied waarin je geïnteresseerd bent. Vervolgens wordt de temperatuur optimaal gemaakt (55 graden) gemaakt, zodat alleen de primers kunnen binden aan het substraat (nucleotiden) en er geen andere bindingen ontstaan. Vervolgens worden er polymerases en nucleotiden toegevoegd en wordt de temperatuur op 72 graden gebracht waardoor de DNA strengen uit elkaar gaan. Nu kan het specifieke stukje dat je wilt bekijken gepolymeriseerd worden. Deze reactie kan worden herhaald en zo ontstaat er een exponentiele curve per cyclus van het aantal gepolymeriseerde fragmenten van het genoom. Na 20 cycli 106 moleculen en na 30 cycli 109 moleculen.

Toepassing van PCR:

• Forensisch onderzoek: gebaseerd op verschillen in ‘repeat’ regio’s tussen individuen

  • Scheiden op grootte door middel van gelelectroforese (DNA – fingerprinting)

  • Sequencing, de basenpaarvolgorde bepalen

• Prenatale diagnostiek (Klinefelter, syndroom van Bloom etc.)

• Detectie pathogenen

• Biomedisch onderzoek

HC: Translatie en transcriptie

Transcriptie betreft de overschrijving van DNA naar mRNA, dit is beide in nucleotiden. Vervolgens wordt bij translatie het messenger-RNA (mRNA), omgezet in aminozuren. Omdat mRNA en de aminozuren geschreven zijn in een ‘verschillende taal’ is er een tolk nodig: transfer-RNA (tRNA), die het mRNA vertaalt naar aminozuren. Specifieke enzymen koppelen het aminozuur aan het correcte tRNA, de aminoacyl-tRNA synthetase.

Het mRNA codeert voor eiwitten in tripletten, 1 triplet wordt een codon genoemd en bevat 3 nucleotiden. Deze 64 verschillende mogelijke codons coderen weer voor 20 verschillende aminozuren. Er zijn dus meerdere codons die voor hetzelfde aminozuur coderen. Ook zijn er twee verschillende tripletten die aan AUG binden, één om te beginnen en één voor als het verderop in de keten nodig is.

Omdat de codering in tripletten is, kan de mRNA streng op verschillende manieren worden afgelezen. Er zijn dus drie verschillende leesramen (open reading frames). Waar wordt begonnen met lezen wordt bepaald door het startcodon AUG, vanaf hier wordt er met tripletten geteld. De eerste AUG (aan de meest 5’ kant) bepaalt dus het leesraam.

De transfer-DNA’s zetten het mRNA om in aminozuren, ze doen dit samen met de ribosomen. Ribosomen vormen samen met RNA een grote subunit en een kleine subunit. Tussen deze units liggen drie bindingsplekken: de A-site (aminoacyl tRNA) de P-site (peptidyl tRNA) en de E-site (empty tRNA).

Allereerst gaat het initiator tRNA (met het aminozuur methionine eraan op de P-site) op zoek samen met het kleine deel van het ribosoom naar de eerste AUG van de 5’ kant mRNA streng. Als deze gevonden is, bindt vervolgens ook het grote deel van het ribosoom aan het stukje tRNA en ribosoom. Vervolgens wordt het volgende aminozuur gebonden op de A-site en vormt een peptidebinding tussen het eerste en het tweede aminozuur. Het eerste aminozuur koppelt dan los van het tRNA. Het grote deel en het kleine deel van het ribosoom schuiven dan op, zodat het lege tRNA op de E-site komt. Het tRNA met de polypeptideketen eraan komt dan op de P-site. Vervolgens komt er een nieuw aminoacyl tRNA op de A-site en laat het lege tRNA op de E-site los. De translatie begint dus altijd met de initiator. De eiwitsynthese (elongatie) gaat verder vanaf hier. Er komt steeds en nieuw stukje tRNA bij, het aminozuur vormt een peptidebinding met die ernaast en het grote stuk ribosoom schuift op. Het einde van de eiwitsynthese in eukaryoten (terminatie) wordt gegeven door de stopcodons UAA, UAG of UGA. Er wordt een release factor gebonden en de translatie stopt. De initiator zoekt alleen de eerste AUG, dus bij een AUG verderop in het mRNA wordt geen nieuwe keten gevormd. Bij prokaryoten blijft het onderste, kleine deel van het ribosoom wel gebonden. Daar wordt bij een tweede startcodon wel een nieuwe keten gevormd. Het begin is bij prokaryoten ook anders. Er is ook een bindingssequentie nodig in de buurt van een AUG waaraan de ribosoom bindt. Dit hoeft dus niet de eerste AUG te zijn die voorkomt in het tRNA.

Cytoplasmatische eiwitten worden gesynthetiseerd in polyribosomen of polysomen. Dat wil zeggen dat een heleboel ribosomen tegelijk achter elkaar het mRNA aflezen. Eiwitten hebben vaak binding van een cofactor nodig en/of modificaties van aminozuren voor volledige functionaliteit. Vouwingen, fosforylering of glycosylering zijn voorbeelden van post translationele modificaties (veranderingen die na de translering plaatsvinden). Co-translationele modificaties vinden al plaats tijdens de translatie, dit gebeurt in prokaryoten.

Uiteindelijk vindt er eiwitafbraak plaats, dit is vaak via ubiquitine-afhankelijke, proteasomale afbraak. Ubiquitine wordt geactiveerd door E1. Deze geeft het ubiquitine door aan E2. E3 ubiquitine ligase herkent het eiwit waaraan ubiquitine moet binden en bindt het E2-ubiquitine complex daaraan. Nu weet het proteosoom welk eiwit moet worden afgebroken. Voordat het dat doet laat ubiquitine los en wordt hergebruikt. Ook het geknipte eiwit zal worden hergebruikt. De ubiquitine wordt gerecycled door DUBs voor het volgende eiwit. De ubiquitine reguleert zo de hoeveelheid eiwit in een cel. Dit is afhankelijk van een heleboel factoren. De resten van de eiwitten binden in het endoplasmatisch reticulum aan MHC eiwitten (HLA). Deze tonen de resten aan de buitenkant van de cel. Zo kunnen T-lymfocyten zien welke eiwitten in de cel zitten en of deze cel dus een virus bevat.

Transcriptie

Transcriptie is de synthese van RNA door RNA polymerase. Het proces lijkt erg op replicatie alleen zijn de basen anders. Bij prokaryoten zijn er specifieke DNA volgordes die het RNA polymerase ‘vertellen’ waar de transcriptie moet beginnen (promotor) en stoppen (terminator). De sigma factor herkent deze plekken. Bij Eukaryoten zijn er algemene transcriptie factoren die aangeven waar transcriptie moet beginnen. De TATA box zorgt ervoor dat de transcriptiefactoren kunnen binden en RNA polymerase II kan gaan transcripteren. Er zijn ook nog andere activatoreiwitten die de binding bevorderen of bemoeilijken. Chromatine ‘remodeling’ complexes en histon modifying enzymes zorgen dat het DNA zo is opgerold dat het gen juist wel of niet kan worden afgelezen. Het DNA kan ook gemodificeerd worden door methylering van cytosine. Hierdoor worden grotere delen van het DNA geïnactiveerd en dit wordt ook doorgegeven na de deling: epigenetische overerving.

Het ontstane pre-RNA moet nog afgemaakt worden. Aan het 5’ uiteinde wordt een cap toegevoegd (additie 7-methylguanosine). De functie van de 5’ cap is bescherming en transport van het mRNA. RNA splicing zorgt ervoor dat de niet-coderende gedeeltes (intronen) eruit worden geknipt en er alleen exonen overblijven. Splicing wordt uitgevoerd door eiwit/RNA complexen die specifieke sequenties bij exon/intron borders en in het intron herkennen (snRNPs). Het gebeurt in twee stappen. Eerst wordt er een lus gevormd die bestaat uit de intronsequenties en dan worden de uiteinden van de exanen aan elkaar geplakt. Tot slot treedt er polyadenilatie op aan het 3’ uiteinde (poly A-staart).

Alternatieve splicing (hierbij worden ook coderende exonen gespliced) zorgt ervoor dat er een variatie van eiwitten per gen kunnen worden gemaakt. Specifieke sequenties in introns geven aan waar er gespliced moet worden. Wanneer het RNA is afgemaakt kan het uit de celkern worden getransporteerd zodat in het cytoplasma translatie kan plaatsvinden.

HC: Reparatie

Het menselijk lichaam heeft 1014 cellen en er worden 1016 cellen omgezet in een leven. Het menselijk genoom heeft 6x109 basenparen en gedurende je leven zullen er 6x1025 basenparen worden gekopieerd. Een celdeling kost 5 uur en er wordt minder dan één fout gemaakt per deling. Zonder fouten in de deling is er geen evolutie. Dat is positief voor een soort, maar niet altijd voor een individu, omdat die mutaties ook kunnen leiden tot ziekte (bijv. kanker).

• Mutatie: permanente verandering in het DNA die wordt doorgegeven aan dochtercellen of nageslacht.

• Genoommutatie: het verliezen of verkrijgen van chromosomen.

• Chromosoom mutatie: een translocatie (verplaatsing) of een inversie (omkering).

• Genmutatie: een substitutie (verkeerd base paar), een insertie (extra base paren) of een deletie (verlies van base paren).

• Stille mutatie: veroorzaakt geen verandering van aminozuur.

• Missense mutatie: verandert aminozuur, dit kan positieve of negatieve of geen effect hebben op het eiwit.

• Nonsense mutatie: een stopcodon wordt geplaatst, dit heeft meestal negatieve gevolgen op het eiwit.

• Frameshift mutatie: een insertie of deletie verschuift het ‘frame’, alle aminozuren worden anders. Dit resulteert meestal in een voortijdig stopcodon en een niet functioneel eiwit.

Mutaties in niet coderend DNA kunnen ook ziektes veroorzaken, maar hoeft niet per se. De mutaties op de verschillende plekken kunnen de volgende effecten hebben:

• Promotor: meer of minder transcriptie van een eiwit

• Regulator element: verstoort regulatie van genen

• 5’UTR/3’UTR: beïnvloed de stabiliteit van het mRNA of de translatie

• Splice recognition sequence: geen correcte splicing

Als de mutatie germ-line is, geeft de persoon deze door aan zijn nageslacht en heeft dan deze mutatie in alle cellen. Somatische mutaties treden pas na de bevruchting op, deze bevinden zich in een deel van de cellen en worden niet doorgegeven aan het nageslacht.

Oorzaken

Tijdens replicatie worden de fouten in het DNA door proofreading (exonuclease) verminderd van 1 op 105 naar 1 op 107. De mismatch repair haalt hier nog eens 99% van de fouten weg wat minder dan 1 op 109 fouten maakt. Als mismatch repair niet werkt, is het risio op kanker verhoogd. Dit uit zich in de darmen omdat dat weefsel snel delend is. Dit is het geval bij het Lynch syndroom.

De fouten kunnen ook worden veroorzaakt door beschadigingen: levensstijl, milieu, medische handelingen en voedsel. UV-licht kan een binding tussen pyrimidines veroorzaken, waardoor deze niet meer goed herkend worden, Translesion synthesis polymerase (TLS) zet hier dan een willekeurige base tegenover. Dit gebeurt bij UV-schade door DNA polymerase η. Bij een van de Xeroderma Pigmentosum varianten, XP-V, werkt die niet meer waardoor de patiënt na weinig zonlicht al veel DNA schade accumuleert.

Door chemische schade verlies je 10.000 basen per dag door:

• depurinatie: een purine (G of A) reageert met water en gaat daardoor los van de deoxyribose, je verliest deze base.

• deaminatie: C reageert met water en daardoor splitst een methylgroep af en veranderd de cytosine in uracil. Hierna wordt de verkeerde base ingebouwd.

Schade kan worden gerepareerd, een mutatie niet meer. Het is dus belangrijk om de schade te herstellen voor replicatie.

Base excisie herstel: gebeurt bij base modificaties door vrije radicalen en sigarettenrook. Gedeamineerde uracil wordt weggehaald door urcacil DNA glycosylase. De suikerfosfaat binding wordt verbroken door middel van endonuclease en phosphodiesterase. DNA polymerase voegt nieuwe nucleotide, C, toe en ligase sluit de helix weer.

Nucleotide excisie herstel: wordt gebruikt bij bulky DNA schade, zoals door UV-licht. De prymidines C en T zijn bijvoorbeeld aan elkaar gebonden en verstoren de helix. Deze worden door nuclease met een stuk eromheen weggeknipt uit het DNA, dan wordt dat weer aangevuld door polymerase aan de hand van de informatie op de andere streng. Zonder dit herstel accumuleert de schade en krijg je op den duur huidkanker. Bij veel varianten van Xeroderma Pigmentosum is dit het geval.

Een andere ernstige vorm van schade is een breuk in beide DNA strengen. Dit kan worden gerepareerd door Non-homologous End Joining (NHEJ): de twee uiteinden worden aan elkaar geplakt. Hierbij gaat er informatie verloren en krijg je een deletie en dus mutaties.

Een ingewikkeldere manier is: Homologous Recombination (HR). Hierbij wordt gebruikgemaakt van de zusterchromatiden of van homologe chromatiden. Dit is mogelijk omdat alle informatie dubbel in het DNA zit. De strengen worden dan verlengt aan de hand van deze chromatiden. Hierbij ontstaat er geen schade. Er wordt ook gebruik gemaakt van dit proces bij cross-over tijdens de meiose. Er wordt dan een breuk gemaakt en deze wordt dan aan de andere homologe chromatide vast gemaakt, hierdoor wordt informatie uitgewisseld. Als twee stukken echter erg op elkaar lijken kan het worden gerepareerd aan de hand van het verkeerde stuk. Als er dan recombinatie optreedt veroorzaakt dat een inversie en een deletie. Dit is bij grote stukken niet levensvatbaar en bij kleine stukken kan het ziekte veroorzaken.

PD: Familiaire tumoren

Bij mevrouw is op haar 21 darmkanker geconstateerd en zeer veel poliepen. Eerst is het stuk darm met de tumor verwijderd, later haar hele dikke darm. Er is hierbij een pouch gecreëerd. Nu moet ze nog regelmatig op controle en moet ze haar eetgedrag aanpassen, licht verteerbaar en overgevoelig voor bepaald voedsel, verder moet ze moeite doen om op gewicht te blijven. Ze heeft het MAP (MutYH Associated Polyposis), een recessief overerfbare aandoening. Haar ouders zijn beide drager.

Het MUTYH-gen is hierbij aangedaan en dit heeft tot gevolg dat het mismatch repair systeem niet meer werkt. Hierdoor komen er veel meer mutaties in de cellen en dat veroorzaakt kanker in sneldelende weefsels zoals de darmen, de baarmoeder en de eierstokken. Bij deze ziekte krijg je periodieke controles, vanaf je 18e eens in de 2 jaar een colonoscopie en vanaf je 25-30e elke 1 tot 5 jaar een gastroduodenoscopie (maag en twaalfvingerige darm). Als de dikke darm wordt verwijderd kan er een pouch worden gemaakt uit wat lussen van de dunne darm die de endeldarm vervangt. MUTYH-gen is een autosomaal recessieve overerving op chromosoom 1 en het is een fout in het base excision repair. De dragersschapsfrequentie is 2%.

Hoe meer accumulatie van mutaties in het DNA, hoe groter de kans op kanker. Dit is echter ook afhankelijk van waar de mutaties plaatsvindt. Bij het ontstaan van kanker worden drie fases onderscheiden: de breakthrough fase, de expansie fase en de invasieve fase.

Je hebt een betere overlevingskans als MAP patiënt bij kanker door aanpassingen dan bij normale kanker.

Lynch syndroom (HNPCC) kan naast darmkanker ook kanker in het endometrium, ovarium en de urinewegen geven. Darmkanker en kanker in het endometrum zijn het meest voorkomend. Hier is één van de vier mismatch repair eiwitten gemuteerd en werkt het systeem daardoor niet meer. Dit veroorzaakt microsatelliet instabiliteit (MSI), repeterende groepen worden dan niet goed overgeschreven en zo worden het minder of meer herhalingen. Bij deze ziekte krijg je vanaf 25 jaar elke 2 jaar een colonoscopie. Ook wordt op de baarmoeder gelet. Deze ziekte is dominant autosomaal.

Echter zijn de meeste vormen van darmkanker door spontane mutaties. Erfelijke darmkanker is maar zo'n 30% van het totaal. En de hierboven beschreven typen, Lynch en MAP, zijn daar 5% van. Omgevingsfactoren spelen dus ook een grote rol. Gezonde voeding, maar ook aspirines (omdat die dezelfde werkzame stof als groente bevatten) helpen bij een verlaagde kans.

Deel 2: Translatie en Structuur en Functie van Eiwitten

HC: Eiwitstructuur en functie

Eiwitten worden gesynthetiseerd van de amine-terminus naar de carboxyterminus. De aminozuurvolgorde wordt altijd van N-term (NH₂) naar C-term (COOH) weergegeven. De eiwitstructuur bepaalt de functie.

• Peptidebinding (polypeptide): De peptide binding is een relatief starre binding. Dit is de ‘ruggengraat van de keten’.

De primaire structuur in een eiwit is de aminozuurvolgorde. De restgroepen bepalen welk aminozuur het is. Je hoeft niet de structuur van elk aminozuur te weten. Wel moet je weten dat:

• Positief geladen: Arg(inine), Lys(ine) en His(tidine)

• Negatief geladen: Asp(artine zuur) en Glu(tamine zuur)

• Cys(teine) heeft een -SH groep, een zwavelbrug is dus mogelijk.

• Met(hionine) is het begin van ieder eiwit.

• Ser(ine), Thr(eonine) en Tyr(osine) hebben een hydroxylgroep en kunnen dus veel post translationele modificaties krijgen, zoals een fosforylering.

Ook moet je polair (hydrofiel) en niet-polair (hydrofoob) kunnen herkennen. 

De secundaire structuur is het geheel aan alfa-helices en beta-sheets. Echter heeft niet elk eiwit deze structuur en is ook de collageen helix een voorbeeld van secundaire structuur. De eerste twee zijn wel het meest voorkomend.

De alfa helices worden gevormd door waterstofbruggen tussen moleculen in de ruggengraat van de keten. Dit vormt een helix. Bèta-sheets zijn ook waterstofbruggen tussen deze moleculen maar dan van delen van het eiwit die veel verder van elkaar zitten en niet in de ruggengraat. Subtypen bèta-sheets: parallel en anti-parallel. Zijgroepen van de aminozuren kunnen deze structuren verbreken. Niet elk eiwit heeft een secundaire structuur,

De tertiaire structuur (kristal of 3D structuur) omvat de ruimtelijke structuur van een eiwitketen. Hierbij zit ook de heemgroep (de plaats waar zuurstof gebonden kan worden). Elk eiwit heeft een tertiaire structuur.

De quaternaire structuur omvat de ruimtelijke structuur van een gedefinieerd complex van meerdere eiwitketens samen. Myoglobine heeft geen quaternaire structuur omdat dit eiwit maar uit één aminozuurketen bestaat.

Hemoglobine is een voorbeeld van een eiwitcomplex, dit bestaat uit vier eiwitketens, en bevat ook vier heemgroepen en dus vier bindingsplekken voor zuurstof. Als één van de plekken gebonden is aan zuurstof vervormen de naastliggende plekken zodat ze eerder zuurstof willen opnemen. Dat heet coöperatieve zuurstof binding. Myoglobine heeft zo’n effect niet.

De meeste eiwitten nemen dezelfde vorm weer terug aan als je de bindingen zou verbreken en opnieuw zou laten vormen. Dit heet denatureren en gebeurt met ureum.

De onderstaande verbindingen zorgen ervoor dat een eiwit zijn structuur krijgt:

• H-bruggen (waterstofbruggen tussen O en H)

• Van der Waals bindingen (hydrofobe groepen CH3 trekken naar elkaar toe)

• Elektrostatische aantrekkingen (geladen groepen trekken naar elkaar toe)

• Zwavelbruggen (buiten de cel): stabiliseren eiwitstructuren

Keratine heeft alfa helices en bevat veel cysteine en daarmee veel zwavelbruggen.

Collageen zijn 3 eiwitketens om elkaar heen gewikkeld als een helix (alfa helices) en bevat veel glycine proline en hydroxyproline (gehydroxileerd proline). Daardoor is het erg stevig.

PD: Hemoglobinopathieën

De aanmaak van (rode) bloedcellen (erytrocyten) wordt erytropoïese genoemd. Erytropoïese vindt constant plaats in het beenmerg. Tijdens de rijping wordt hemoglobine gemaakt en verdwijnt de celkern.

Het hemoglobine-molecuul zorgt voor zuurstof (O2) transport in het lichaam. Hemoglobine bestaat uit twee alfa- en twee bèta-globine ketens. Ze kunnen door middel van vier heemgroepen vier zuurstof moleculen binden. Er zijn drie genen die coderen voor deze globine ketens. Twee die coderen voor alfa-globine (op 16p) en één die codeert voor bèta-globine (op 11p). De hoeveelheid die van alfa- en bèta-globine wordt gemaakt is wel gelijk. In het gencluster waarin ze liggen, liggen ook andere genen. Pseudogenen zijn door mutaties inactief. De andere genen worden in en uitgeschakeld om de verschillende soorten hemoglobine te reguleren, de hemoglobine switch (locus control region regelen dit).

Zeta-globine komt tot expressie in een vroeg embryonaal stadium. Het vormt hemoglobine Gower I en II en hemoglobine Portland. Zeta en epsilon expressie neemt af in de foetale periode. Hemoglobine F (HbF) wordt daarna gemaakt door expressie van gamma en de alfa-globines. In de volwassen levensfase is het hemoglobine molecuul HbA geworden. Dit wordt gevormd door de alfa en bèta-globine. Ook is er een klein beetje HbA2 wat gevormd wordt door alfa en delta-globine. Embryonaal (Hb Gower I,II, Hb Portland) > foetaal (HbF) > adult (HbA).

Na geboorte heeft het kind behoefte aan een lagere Hb affiniteit. HbF heeft een heel hoge affiniteit en de concentratie hiervan gaat afnemen en de concentratie van HbA gaat toenemen. Door middel van de HPLC (high pressure liquid chromatography) scheidingsmethode kun je de verhouding tussen de soorten hemoglobine weergeven. De verschillende soorten hechten namelijk niet even goed. De zwak gebonden verschijnen als eerste op de grafiek in de vorm van pieken. De goed gebonden als laatste. Hoe groter de piek hoe hoger de concentratie. Een volwassene behoort 97-98% HbA en 2-3% HbA2 te hebben. Een normale neonaat heeft 80% HbF en 20% HbA en nog geen detecteerbaar HbA2. Omdat de neonaten nog een andere hemoglobine samenstelling hebben, hebben ze dan ook nog geen last van de ziekte. De ziekteverschijnselen komen pas na zes maanden.

De meest voorkomende hemoglobinopathieën (HbP) zijn sikkelcelziekte en thalassemie. Het zijn beide autosomaal recessieve aandoeningen veroorzaakt door mutaties op de globine genen. 5% van de wereldbevolking is drager, dit is bijzonder hoog. Het komt omdat het dragerschap een bescherming geeft tegen malaria tropica. Door migraties komt het nu over heel de wereld voor.

Een HbP kan twee verschillende oorzaken hebben:

• structuurdefect: veroorzaakt een afwijkende vorm van Hb, bijvoorbeeld sikkelcelziekte

• expressiedefect: thalassemieën bijvoorbeeld bèta-Thalassemie Major

Bij een anemie (bloedarmoede) is er sprake van:

• een te laag hemoglobine gehalte

• een probleem bij de aanmaak van rode bloedcellen (erythropoiese) (door een tekort aan ijzer of een andere bouwsteen)

Bij thalassemie is er sprake van:

• een te laag hemoglobine gehalte

• versnelde afbraak van de rode bloedcellen door hemolyse

• probleem bij de aanmaak van rode bloedcellen (erythropoïese)

Hierdoor krijg je erythropoïetische stress. De behandeling (chronische hemolyse) veroorzaakt ijzerstapeling in de platte beenderen, gladspierweefsel, hartspieren en de lever, ook is er miltvergroting.

Bij ernstige hemolytische anemie krijg je bloedtransfusie of chelatie-therapie (om ijzerstapeling te verminderen). Hydroxy ureum kan hierbij ook helpen (zie sikkelcelziekte) maar werkt lang niet bij iedereen. Een permanente oplossing is een beenmerg transplantatie, maar daarvoor moet wel een geschikte match zijn. Drager hebben heel lichte anemie, maar ze zijn niet ziek.

Bij sikkelcelziekte is er sprake van:

• meestal een normaal hemoglobine gehalte (dus geen anemie!)

• versnelde afbraak van de rode bloedcellen alleen bij crisis (wordt veroorzaakt door te veel beweging)

• geen probleem bij de aanmaak van rode bloedcellen

Crisis veroorzaakt ernstige hemolytische anemie (snellere afbraak dan aanmaak). De pijn en schade komt door verstopping van de haarvaten wat necrose veroorzaakt. Dit veroorzaakt veel pijn die chronisch is en wordt bestreden met morfine. De hemoglobine zit normaal los in de rode bloedcel. Bij sikkelcelziekte vormt de hemoglobine bij een lage zuurstofspanning een vast vezel en verandert van vorm. Deze kunnen de vaten verstoppen. Dragers zijn niet ziek en hebben geen anemie. De behandeling is met hydroxy ureum dit verhoogd het HbF wat meer zuurstof kan opnemen. Een andere permanente oplossing is een beenmergtransplantatie dan is er alleen wel een match nodig.

Mutaties in het bèta-globine gen kunnen leiden tot:

• Structuurdefect: afwijkend Hb, vb. sikkelcelziekte Er zijn meer dan 600 verschillende soorten Hb.

• Expressiedefect: thalassemie, er wordt minder tot geen eiwit gevormd. Hiervan zijn meer dan 200 verschillende mutaties.

• Allel heterogeniteit: verschillende mutante allelen van hetzelfde locus kunnen een ander fenotype geven. Locus heterogeniteit: mutaties in 2 of meerdere verschillende loci kunnen identiek fenotype veroorzaken.

De overerving is recessief. Omdat er echter zoveel verschillende mogelijke mutaties zijn wordt het ingewikkelder. Als je van 1 van je ouders het HbS (hemoglobine met sikkelcelziekte) gen krijgt en van je andere ouder het gezonde gen ben je gezond.

Heb je van beide ouders het HbS gen, dan heb je sikkelcelziekte. Heb je van één van je ouders het HbS gen en van de andere ouder het bèta-thalassemiegen dan heb je ook sikkelcelziekte. Het gezonde gen wordt dan niet meer aangemaakt door de thalassemie. Heb je van één ouder het HbS gen en van een andere ouder een ander structuurdefect (bijvoorbeeld HbC of HbD) dan heb je ook sikkelcelziekte.

Met de HPLC techniek kan je dragerschap herkennen. Bij thalassemie is de HbA2 verhoogd omdat de alfa-globineketens dan aan delta-globineketens binden omdat er minder bèta-globineketens zijn. Bij afwijkende hemoglobine ontstaan er pieken op andere plekken.

Bij bèta-thalassemie kan het zijn dat de cap-site niet herkend wordt en dat daardoor het mRNA niet wordt afgelezen (initiatie transcriptie). Ook kan het zijn dat het begin codon gemuteerd is en daardoor niet herkend wordt (initiatie translatie). Er kan een fout zitten bij de transcriptie van het begin van het mRNA dan is er wel wat expressie maar niet alle. Bij de RNA processing kunnen fouten plaatsvinden met de splicing. Er kan minder uit worden gespliced, of juist meer wat het eiwit verkort of verlengt soms in combinatie met een frameshift. Meestal veroorzaakt een frameshift een vervroegd stopcodon (nonsense). Ook kan de poly-A-staart gemuteerd zijn waardoor er geen mRNA wordt gevormd wat uit de celkern kan. Als er een fout zit in de regulerende elementen van het gencluster, worden al deze genen niet afgelezen. Hierdoor ontstaat er een disbalans tussen de verschillende peptideketens. De gemuteerde genen die niet tot uiting komen worden afgebroken. Deze afwijkingen kunnen met de hielprikscreening worden ontdekt. Hierbij kan ook dragerschap worden ontdekt. Dan kunnen de ouders worden gescreend. Beter is het om bij risico groepen vooraf al te screenen zodat ze beter inzicht hebben in de situatie.

HC: Organellen: structuur en functie

De cel bestaat uit een kern en cytoplasma. De kern bevat genetische informatie en daarbinnen vindt replicatie, transcriptie, RNA processing (capping en splicing) en repair plaats. Translatie vindt buiten de kern plaats. Er is euchromatine (minder compact en actief) en heterochromatine (compact, dus donkerder; inactief). Het wordt omsloten door kernenveloppen met kernporiën (openingen omgeven door eiwitten). De kernenvelop is continu verbonden met het Endoplasmatisch Reticulum (ER) en heeft een lamine netwerk.

Tijdens de interfase bevat de kern een (grote) nucleolus of meerdere (kleine) nucleoli. Deze zorgen ervoor dat acrocentrische chromosomen (met satelliet) bij elkaar komen te liggen. Ze zijn goed zichtbaar door de transcriptie van rDNA genen. Hiervoor zijn veel ribosomen nodig, dus wordt de nucleolus groot en is er ook veel rER. Eiwitten van ribosomale subunits worden de kern in geïmporteerd en in de nucleolus samen met het rDNA in elkaar gezet. De subunits gaan vervolgens buiten de kern transleren. Het cytoplasma bestaat uit celorganellen en cytosol. Cytosol is cytoplasma zonder organellen en insluitsels.

Er wordt onderscheid gemaakt tussen membraan-omgeven en niet-membraan-omgeven organellen.

Membraan-omgeven organellen

Plasma (cel) membraan scheidt de buiten en de binnenwereld van de cel, transporteert ionen en voedselmoleculen en geeft informatie door.

Het endoplasmatisch reticulum bestaat uit twee soorten die langzaam in elkaar overlopen. Het gladde deel zorgt voor de lipide (vet) en steroïde synthese en de detoxificatie (ontgifting). In het ruwe deel vindt veel eiwitsynthese, eiwitmodificatie en eiwitvouwing plaats. Het is ruw omdat de ribosomen vaak aan het ER hechten.

Het Golgi apparaat zorgt voor eiwitmodificatie en sorteert en concentreert de verschillende soorten eiwitten. Het heeft een cis-kant waar ze vanuit het ER binnen komen en een trans-kant waar ze het apparaat verlaten. Er is één Golgi apparaat per cel.

Er zijn 100 tot 1000 mitochondriën per cel. Het mitochondrium heeft een dubbelmembraan en daarbinnen vinden de citroenzuurcyclus, vetzuuroxidatie en de oxidatieve fosforylering plaats. Het speelt ook een grote rol bij cellulaire zelfmoord (apoptose). Het heeft een eigen circulair mtDNA met 37 genen dat een eigen manier van transcriptie en translatie heeft. Hierdoor ontstaan er minder fouten bij de replicatie. De meeste eiwitten in de mitochondriën komen wel uit het nucleaire DNA. Het is waarschijnlijk ontstaan door een eukaryote cel die een aerobe prokaryotische cel opslokte.

Peroxisomen (honderden per cel) zorgen voor oxidatieve detoxificatie en de oxidatie van zeer lange vetzuurketens.

Endosomen sorteren stoffen die door endocytose zijn opgenomen. Membraaneiwitten worden hergebruikt, nuttige stoffen afgeleverd en afvalstoffen naar het lysosoom gebracht.

Lysosoom verteert het opgenomen materiaal. Het heeft een zuur milieu vol met hydrolytische enzymen. Het verteert ook de versleten organellen (autofagie).

Vesicles zijn blaasjes die transport leveren. Transport vesicles vervoeren van ER naar cis-Golgi, tussen de Golgi blazen onderling, van plasmamembraan naar endosoom (endocytose), van endosoom naar lysosoom en van endosoom naar plasmamembraan. Gereguleerde secretie en constitutieve secretie vindt plaats door middel van exocytotische vesicles.

Niet-membraan-omgeven organellen en insluitsels

• Ribosomen

• Cytoskelet

• Centrosoom (plek waar de chromosomen/chromatiden naartoe getrokken worden tijdens de mitose/meiose).

Cytoskelet bestaat uit:

• Actine filamenten (dynamisch): zorgen voor beweeglijkheid, verankering van membraaneiwitten, speciale celstructuren zoals microvilli, cytokinese en in spiercellen voor de actine-myosine structuur voor de contractie (sarcomeren).

• Microtubuli (dynamisch): zorgen voor organel transport en zijn de spoeldraden tijdens de mitose. Het centrum dat dit regelt is het centrosoom/Microtubuli Organizing Center. Microtubuli worden geassocieerd met zogenaamde motoreiwitten.

• Intermediaire filamenten (vast) geven veerkracht en steun. Verschillende varianten komen in verschillende typen cellen tot expressie.

  • keratine in epitheelcellen

  • vimentinen in bindweefsel, spiercellen en glia cellen

  • neurofilamenten in zenuwcellen

  • nuclear lamina in alle cellen

HC: Non-Invasieve Prenatale Test

Voor iedere willekeurige zwangere is er een kans van 3-5% dat het kind een aangeboren afwijking of verstandelijke beperking heeft. De kans hierop neemt aanzienlijk toe naarmate de maternale leeftijd stijgt.

Diagnostisch onderzoek

Om te testen op een afwijking kan gebruik worden gemaakt van een vruchtwaterpunctie via de buikwand. Hierbij is 0.3 tot 0.5% kans op miskraam door de ingreep. Deze doe je als de zwangerschap al wat verder is, zodat je voldoende vruchtwater hebt (15-16 weken). Eerder doen geeft meer kans op problemen. De cellen uit het vruchtwater worden in kweek gebracht en vervolgens wordt karyotypering gedaan. De uitslag volgt daarom pas twee tot drie weken na de ingreep. Als na de uitslag wordt besloten voor afbreking van de zwangerschap, zal de bevalling moeten worden ingeleid omdat die al zover is gevorderd. De foetus is dus heel klein.

Een andere manier is de vlokkentest. Die kan zowel transcervicaal als transabdominaal worden gedaan. Je neemt hierbij een hapje van de placenta. De syncytotrofoblastcellen (buitenkant placenta) worden gebruikt voor de korte termijn kweek. Deze zijn op dit moment al in deling en kunnen meteen worden bekeken. De mesenchymcellen worden gebruikt voor de lange termijn kweek. Deze ingreep wordt gedaan vanaf elf weken. Als je het eerder doet, haal je een te groot deel van de bloedtoevoer van het kindje weg. Er is 0,5-1% kans op miskraam bij deze procedure. De uitslag komt twee dagen tot twee weken erna, afhankelijk van of je de hele snelle of volledige bepaling doet. Bij besluit tot afbreking kan dat met curettage, wat een relatief snelle ingreep is vergeleken met het inleiden van een bevalling.

Een groot nadeel is dat de korte termijn kweek (syncytotrofoblastcellen) soms kan verschillen van de lange termijn kweek, doordat de korte termijn kweek meer cellen met fouten bevat. Er is sprake van mozaïek (de afwijkingen blijven beperkt tot de placenta). De cellen van de lange termijn lijken het meest op het kindje. Zo kan het wel eens een foute diagnose gesteld worden als er op basis van de korte termijn kweek beslissingen worden gemaakt.

Prenatale diangostiek wordt gedaan voor karyotypering, DNA-onderzoek en enzymonderzoek. Het voordeel is dat de cellen van het kind worden onderzocht. Het heeft ook hoge betrouwbaarheid.

Het bovenstaande onderzoek wordt vaak gedaan op basis van maternale leeftijd. Een nadeel van het onderzoek is dat de maternale leeftijd eigenlijk ook een slechte voorspeller is. Jongere zwangeren worden over het hoofd gezien, waardoor 15% van de afwijkingen gemist wordt. Een ander nadeel is dat het een ingreeprisico blijft met kans op verlies van het kindje. Om die redenen is er screening opgesteld voor de risicogroep. Een diagnostische test is voor individuen, de uitslag is definitief, het kan alleen op verzoek, het is bedoeld voor aangedane of bezorgde personen en het mag veel tijd/moeite/geld kosten. Screenend onderzoek richt zich daarentegen op (een deel van) de bevolking, de uitslag is voorlopig, het is een ongevraagd aanbod, voor personen zonder klachten of symptomen en snel/goedkoop.

Bij screening moet rekening worden gehouden met de volgende handelingsopties:

• Belangrijk gezondheidsprobleem

• Nut, zinvolle handelingsopties

• Betrouwbare, valide, aanvaardbare test/methode

• Respect voor autonomie

• Doelmatig gebruik van middelen

Alles wat getest wordt is vergunningsplichtig. Artsen streven gezondheidswinst na door vroege opsporing en daarmee een betere prognose voor het kindje (geldt niet voor Down Syndroom). Een ander doel is geïnformeerde reproductieve keuze (zoals afbreken van de zwangerschap, afzien van kinderen of embryoselectie).

Een van de screeningsmethoden die in de combinatie test zit is de nekplooimeting. Deze meting wordt uitgevoerd tussen de elf en veertien weken. Hoe hoger de nekplooi, hoe groter de kans op een chromosoomafwijking.

Een andere screeningsmethode is de serumscreening. Afname van bloed wordt gedaan bij de zwangeren tussen de negen en veertien weken en daarna wordt een bepaling van vrij bèta HCG of PAPP-A (pregnancy associated plasma protein A) uitgevoerd.

Kansbepaling is op basis van de maternale leeftijd, nekplooimeting en de serumscreening. Als de kans nog steeds groter is dan 1:200 op het syndroom van Down, wordt een vervolgonderzoek ingesteld.

Vervolgonderzoek bestond uit bepaling van foetale cellen in maternaal bloed. Dit bleek echter niet effectief, omdat er weinig van die cellen in het maternale bloed aanwezig zijn. Er werd dan met FISH gekeken naar deletie of duplicatie van bepaalde chromosomen.

Een betere, meer recentere, methode is het gebruiken van foetaal DNA in maternaal bloed (niet-invasieve prenatale test; NIPT). Er zit zo'n 3-10% foetaal vrij DNA in het plasma van de moeder. Die uitwisseling vindt plaats bij de placenta en wanneer deze wegvalt bij de geboorte is het DNA ook binnen een paar uur verdwenen. Het DNA wordt met NextGen Sequencing bekeken. Het wordt gebruikt voor detetectie van chromosoom 21, 18 en 13. Eventueel wordt op indicatie een DNA onderzoek gedaan. NIPT kan vanaf tien weken van de zwangerschap, heeft een hoge betrouwbaarhied en een sensitiviteit van 80-90% als combinatietest voor trisomie. Echter is NIPT momenteel een relatief duur onderzoek. Daarnaast toont het een verhoogd risico aan. Chromosoomafwijkingen moeten daarna altijd bevestigd worden door een vlokkentest of vruchtwaterpunctie.

Prenatale diagnostiek wordt alleen gebruikt bij indicatie. Indicaties zijn:

• Voorgaand kind chromosoomafwijking

• Dragerschap chromosoomafwijking

• Verhoogde kans op een kind met een aandoening waarvoor DNA-onderzoek mogelijk is (bijvoorbeeld cystic fibrosis)

• Verhoogde kans op een kind met een stofwisselingsziekte (DNA- of enzymonderzoek)

Het is niet meer mogelijk om een indicatie te krijgen op basis van maternale leeftijd.

HC: Kansberekeningen

Als arts heb je later vaak met kansrekeningen te maken: hoe groot is de kans dat een ex-kanker patiënt over vijf jaar nog steeds gezond is? Hoe waarschijnlijk is de kans dat iemand met een positieve testuitslag echt ziek is?

Een proportie in een populatie noemt men een kans (P=probability). Het begrip populatie kan heel divers zijn; de hele samenleving, kinderen van vijf tjaar, maar ook 65+-ers. De relevante populatie moet daarom duidelijk zijn in de context. Het is (meestal) onmogelijk om een hele populatie te bestuderen, daarom wordt er vaak gebruik gemaakt van een steekproef. Een steekproef is een willekeurige trekking uit de populatie. Bij een steekproef geldt de ‘Wet van grote aantallen’. Een grote steekproef geeft een meer reëel beeld van de werkelijke populatie dan een kleinere steekproef. Vervolgens wordt de uitslag van een steekproef met behulp van statistiek vergeleken met de populatie.

Een voorwaardelijke kans is de proportie in een deelpopulatie. Men kijkt hier bijvoorbeeld alleen naar tuberculose patiënten gegeven een positieve test uitslag (notatie: P(TB | positieve Mantoux). Je berekent de voorwaardelijke kans doormiddel van de formule:

P(A/B) = aantal (A & B) / aantal (B)

Een andere notatie voor deze formule is:

P(A/B) = P(AB) / P(B)

Je moet goed opletten met deze formule, wanneer je namelijk A en B omwisselt krijg je een hele andere uitkomst, bijvoorbeeld: P(messi | voetballers) is heel klein, de kans is namelijk heel klein dat je Messi bent. De kant P(voetballers | messi) is heel groot namelijk één, aangezien hij een voetballer is.

De regel van Bayes

Door middel van Bayes kan je uit P(A|B) P(B|A) berekenen. Volgens deze formule:

P(A|B) = P(B|A) P(A) / P(B|A) P(A) + P(B|niet A)P(niet A)

Wanneer je met een diagnostische test werkt, kunnen er twee soorten fouten voorkomen. De fout positieve en fout negatieve. Hierbij wordt gekeken naar de specificiteit en de sensitiviteit. Specificiteit kijkt naar de terecht negatieve fout en sensitiviteit naar de terecht positieve fout. Wanneer beide waarden hoog zijn, is de test betrouwbaar.

Daarnaast wordt er gekeken naar de positief voorspellende waarde (de kans dat je met een positieve uitslag echt ziek bent) en de negatief voorspellende waarde (de kans dat je met een negatieve uitslag niet ziek bent). De positief en negatief voorspellende waarden zijn niet test-gebonden, maar verschillen per populatie. Hierdoor kan een test met een hoge specificiteit en een hoge sensitiviteit toch zorgen voor een lage positief voorspellende waarde.

De volgende formule ontstaat:

Positief voorspellende waarde = sensitiviteit x prevalentie / (sensitiviteit x prevalentie + (1-specitifiteit) x (1-prevalentie)

Wanneer je moeite hebt met het rekenen aan de hand van formules kun je ook een tabel maken.

Bij een numerieke waarneming ga je uit van een normaal verdeling. Veel gegevens bevatten een gemiddelde waarde en maxima en minima. De gemiddelde waarde (μ) bepaalt het centrum van de grafiek en de standaarddeviatie (sd) (σ) de spreiding. De kans op een bepaalde waarde is dan de oppervlakte onder de grafiek. In een normaal verdeelde populatie ligt altijd 95% van de populatie tussen: μ-2σ en μ+2σ. Dit wordt de normaalwaarde/referentie waarde genoemd.

A en B zijn onafhankelijk van elkaar wanneer het voorkomen van A niet leidt tot een ander voorkomen van B. Wanneer A en B onafhankelijk zijn van elkaar mag je A en B met elkaar vermenigvuldigen. Dit zie je bijvoorbeeld terug in het Hardy-Weinberg equilibrium, waarbij de genen onafhankelijk zijn van elkaar en in families waarbij de allelen onafhankelijk zijn.

Sommige kansen gaan via tellingen. Een voorbeeld ka zijn: hoe groot is de kans op een blond kind in een gezien met 4 kinderen? Dit noem je dan een binomiale verdeling.

Notes (Thema: Metabolisme en enzymologie)

HC Glucosemetabolisme

Katabolisme is het afbreken van stoffen (dissimilatie) en anabolisme is het opbouwen van stoffen (assimilatie). Bij katabolisme komt energie vrij, terwijl voor anabolisme energie nodig is.

De oxidatie van de monosacharide glucose levert energie: C6H12O6 + 6 O2 wordt 6 CO2 + 6 H2O + ATP

In deze reactie wordt glucose geoxideerd. De energie die vrijkomt bij de oxidatie van glucose kan voor verschillende processen in het lichaam worden gebruikt. Glucose wordt geoxideerd in kleine stapjes door middel van carrier moleculen om alle energie zo efficiënt mogelijk op te kunnen slaan in drager moleculen. Zou het in één stap gebeuren, dan zou heel veel energie verloren gaan in warmte en zou de cel stuk gaan. Ook is daar een grote activeringsenergie voor nodig. Voor de kleinere stapjes is een kleinere activeringsenergie nodig. Enzymen beïnvloeden de activeringsenergie. Ze verlagen deze, zodat de reactie sneller kan plaatsvinden en er is minder energie nodig om de reactie te laten starten.

Drie verschillende carrier moleculen:

• Hoog energetisch fosfaat in de vorm van ATP. De energie die van eten of van zonlicht komt, zorgt ervoor dat een derde fosfaatgroep bindt aan ADP. Zo krijg je ATP. Deze laatste fosforester binding bevat veel energie, die vrijgemaakt kan worden zodra deze derde fosfaat groep loslaat. De maximale vrije energie, die kan worden onttrokken aan zo’n reactie verschilt per soort fosfaatbinding.

• Elektronen dragers: NADH/NAD+ en FADH2/FAD. De energieoverdracht gaat hier via redoxreacties (reductie en oxidatie). Oxidatie is het verlies van elektronen en reductie is het opnemen van elektronen. NAD+ + H+ + 2e- wordt NADH. Dit geldt ook voor FAD, die twee positieve waterstofionen opneemt. De elektronen worden zo opgeslagen voor later gebruik.

• Acetyldrager: Co-enzym A. Deze bestaat uit een nucleotide (ribose en adenine), een lange koolstofstaart. Als acetyl heeft gebonden, dan zit deze aan het einde van de koolstofstaart. Dit is een energierijke binding (zwavel). Acetyl-CoA heeft een belangrijke rol in: vetzuursynthese, aminozuursynthese, bèta-oxidatie (hierin worden vetzuren afgebroken tot acetyl-CoA) en de citroenzuurcyclus.

Katabolisme van glucose

Het katabolisme van glucose bestaat uit vier onderdelen:

1. Glycolyse. Bij de glycolyse wordt glucose via verschillende stappen omgezet in 2 pyruvaat en water. Eerst wordt energie geïnvesteerd, maar netto komen hierbij 2 ATP en 2NADH moleculen vrij. Belangrijk is dat er geen zuurstof wordt gebruikt en de reactie dus anaeroob is. Het vindt plaats in het cytoplasma. Hierbij vindt lactaat productie plaats.

2. Pyruvaat dehydrogenase. Deze reactie vindt plaats tussen de glycolyse en de citroenzuurcyclus. Pyruvaat gaat via een transporteiwit van het cytoplasma naar de matrix van de mitochondriën en naar het binnenste membraan die oppervlaktevergroting bereikt door instulpingen. De acetylgroep van pyruvaat wordt gekoppeld aan Co-enzym A. CO2 komt vrij en NAD+ wordt omgezet in NADH. Dit wordt gedaan door een eiwit bestaande uit 3 verschillende soorten moleculen; iedere soort doet 1 stap.

3. Citroenzuurcyclus. Dit vindt ook plaats in de matrix. Eerst wordt acetyl-CoA (met 2 C-atomen) omgezet in citroenzuur (met 6 C-atomen) door toevoeging van oxaloacetaat. Vervolgens wordt er in kleine stapjes energie onttrokken. Acetyl-CoA + 3NAD + FAD + GDP + Pi -> 2 CO2 +CoA-SH + 3NADH + 3H + FADH2 + GTP. GTP kun je gelijktrekken aan ATP. Je begint dus met acetyl-CoA, dit wordt citroenzuur en je eindigt met oxaloacetaat. Oxaloacetaat wordt vervolgens weer opnieuw gebruikt in een nieuwe cyclus.

4. Oxidatieve fosforylering. Dit vindt plaats in het binnenste membraan van de mitochondriën. Het belangrijkste van deze reactie is het creëren van energierijke verbindingen in ATP. NADH en FADH2 zijn geladen met elektronen, nadat deze zijn gevormd gaan deze lopen langs de elektronentransport keten in het membraan. Hier staan ze de H+ ionen af. Op deze manier wordt ook weer NAD geregenereerd die weer gebruikt moet worden in een volgende cyclus. Deze H+ ionen gaan door het membraan heen door de energie die vrijkomt bij het afstaan van de ionen. Hierdoor ontstaat een hoog H+ gradiënt buiten het membraan. Dit kan worden gebruikt voor de fosforylering van ADP naar ATP. Het wordt gebruikt door het enzym ATP synthase. H+ gaat door het kanaal van ATP synthase en aan het einde van dit kanaal binden de ionen aan zuurstof om water te vormen. Hierbij wordt ADP omgevormd naar ATP. De oxidatie van NADH geeft 2,5 ATP en de die van FADH2 1,5 ATP.

Alle bovenstaande processen bij elkaar leveren per glucosemolecuul tussen de 30 en de 32 ATP.

• Anaerobe glycolyse. Dit vindt ook plaats in het cytoplasma. Hierbij wordt glucose omgezet in pyruvaat waarbij 2ATP en 2NADH wordt gevormd. Vervolgens wordt het pyruvaat omgezet in melkzuur (lactate), hierbij wordt de NADH weer gebruikt. Per glucose molecuul komen worden er dus 2ATP moleculen gevormd. Dit alles vindt plaats in de afwezigheid van zuurstof. De citroenzuurcyclus en de oxidatieve fosforylering vind niet plaats. De vorming van melkzuur zorgt voor regeneratie van NAD+. Hoge concentraties van melkzuur kunnen zorgen voor spierpijn en in hogere concentraties voor verlaging van de pH in het bloed (lactate acidosis).

Opslag van glucose

Glucose kan in de lever worden opgeslagen als de polysacharide glycogeen. Glycogeen bestaat uit grote polymeren glucose en is osmotisch minder actief. Als glucose zelf zou worden opgeslagen dan trekt dat teveel water aan en beïnvloedt het de osmose teveel. Hexokinase in de spieren en glucokinase in de lever kunnen glucose ombouwen tot glucose-6-fosfaat. Glucose-6-fosfatase kan in de lever ook weer omgezet worden in glucose. Glucose-6-fosfaat wordt via fosfoglucomutase omgezet in glucose-1-fosfaat, dit wordt uiteindelijk glycogeen. Het proces van glucose-6-fosfaat naar glycogeen wordt glycogenese genoemd. De vorming van glycogeen kost energie. Dit proces is niet volledig omkeerbaar en dus worden in afbraak van glycogeen bepaalde stappen overgeslagen via bypass reacties. Drie stappen verschillen in het proces en dit zorgt ervoor dat het gluconeogenese meer energie kost dan de glycolyse oplevert. Glycogeen ligt opgeslagen in het cytoplasma. Het omgekeerde proces van glycogeen naar glucose-6-fosfaat heet glycogenolyse.

De lever zorgt er te allen tijden voor dat de glycolyse en de gluconeogenese (vormen van glucose uit pyruvaat of lactaat) in balans zijn. Deze cyclus wordt de cori cyclus genoemd. Zo is melkzuur en glucose in balans. De lever is het enige orgaan wat ook weer glucose afgeeft aan het bloed, dit maakt hem altruïstisch.

Glycolyse

Glucose + 2 NAD+ 2 ADP + 2 Pi -> 2 Pyruvaat + 2 NADH + 4 H+ 2ATP + 2 H20

Gluconeogenese

2 Pyruvaat + 2 NADH + 4 H+ 4 ATP + 2 GTP + 6 H20 -> Glucose + 2 NAD+ 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi

Totaal: 2 ATP + 2 GTP + 4 H20 -> 2 GDP + 2 ADP + 4 Pi

HC: Vetmetabolisme

Neutraal vet wordt ook wel triacylglycerol genoemd. Dit ligt opgeslagen in adipocyten: witte adipocyten (voornamelijk in de buikregio, een groot vetreserve), beige adipocyten en bruine adipocyten (komt in kleine hoeveelheden voor in baby’s; tussen de schouders; kleinere vet druppeltjes). De bruine adipocyt is actief bij lage temperaturen en zorgt voor snelle vetverbranding.

Een vetmolecuul bestaat uit een triglycerol en daaraan met een esterbinding drie vetzuren. Het molecuul is apolair en deze moleculen trekken naar elkaar tot een druppel. Vetzuur synthese (anabolisme): vetzuren worden gevormd uit citraat (uit de citroenzuurcyclus) dat via acetyl CoA en malonyl CoA wordt omgezet in vetzuren, bijvoorbeeld palmitine dat de basis vormt voor zowel verzadigde als onverzadigde vetzuren.

Katabolisme van vet: triglycerol en 3 watermoleculen worden glycerol en 3 vetzuren. Het katabolisme proces bestaat uit twee stappen. Stap 1 is de activatie van vetzuren. ATP bindt aan een vetzuur en wordt AMP. Op de plek van AMP kan een HS-CoA groep binden en dit leidt tot een acyl CoA. De tweede stap is de bèta oxidatie cyclus. In de oxidatie cyclus vindt er oxidatie van FAD naar FADH2 plaats. Vervolgens hecht H2O aan het molecuul en wordt NAD+ omgezet naar NADH. Daarna hecht SH-CoA zich aan het molecuul en splits acetyl CoA af. Hierdoor wordt bij elke stap de vetzuur een stukje korter.

De Bèta oxidatie cyclus levert veel energie op (NADH en FADH2). De vetzuren worden omgezet in acetyl CoA en dit gaat de citroenzuurcyclus in. Dit levert meer energie dan glucose. Vetzuur oxidatie gaat als volgt: palmitine + 7 NAD+ + 7 FAD + 8 CoA + 7 H2O + ATP -> 8 acetyl-CoA + 7 NADH + 7 FADH2 + AMP + 2 Pi + 7 H+

Volledige oxidatie geeft:

Palmitine + 23 O2 + 106 ADP + 106 Pi -> 16 CO2 + 106 ATP + 122 H2O

Bij een teveel aan acetyl-CoA worden keton bodies gevormd. Twee acetyl-CoA vormen een acetoacetyl CoA die kan worden omgevormd tot acetoacetate. Op zijn beurt vormt dit aceton en bèta hydroxybutyrine zuur. Aceton adem je uit, bij een grote hoeveelheid kan je dit ruiken. De andere stoffen zijn zuur en verlagen bij hoge hoeveelheden de bloed pH, dit veroorzaakt ketoacidose. Dit kan coma en dood veroorzaken. De keton bodies zijn verder een energiebron voor het hart en de hersenen. Vorming hiervan ontstaat als men langdurig niet eet en bij diabetes.

Cholesterol metabolisme

Twee bronnen van cholesterol:

• Dieet
• De-novo synthese (voornamelijk in de lever)

Cholesterol kan zorgen voor dichtslibben van de aderen met een infarct als gevolg. Dit komt vaker voor bij ouderen, mensen die ongezond eten en mensen met afwijkingen in de cholesterol. Het HMG-CoA (hydroxy methylglutaryl-CoA) kan onder bepaalde condities leiden tot ketonlichaampjes, maar kan ook leiden tot mevalonate en isoprene (c-5 verbinding) in het cytosol. Deze isoprene vormen squalene en uiteindelijk cholesterol. Met statines kan de biosynthese geremd worden van HMG-CoA naar mevalonate. Hierdoor wordt minder cholesterol gevormd. Hiermee kan hypercholesterolemie behandeld worden.

Cholesterol afbraak

Cholesterol gaat naar galzouten (gaan vervolgens naar de darmen om vet op te nemen). 90-95% van de galzouten wordt teruggewonnen en omgezet in cholesterol. Er kunnen ook stoffen gegeven die aan de galzouten binden, zodat deze niet meer in het lichaam kunnen worden opgenomen, waardoor het cholesterol verlaagt. Cholesterol speelt ook een rol bij vitamine D. Daarnaast is het een precursor voor pregnenolone, wat precursors zijn voor glucocorticoïden, androgenen en estrogeen. Cholesterol is dus een belangrijk bestanddeel voor andere lichaamsstoffen.

HC: Glucose homeostase

Drie mogelijke bloedsuikerwaarden:

• Hyperglykemie; te hoge suikerwaarden. Dit kan leiden tot oogproblemen, infarct, hartaanval, nierschade en verminderde bloedtoegang naar de voeten.
• Normoglykemie: 5mM
• Hypoglykemie: te lage suikerwaarden. Dit zorgt voor trillen, zweten, angst, vermoeidheid enzovoort.

Glucose zorgt voor:

• Brandstof; energie in de vorm van ATP
• Bouwblokken van biomoleculen, zoals:
  • Carbon skelet van aminozuren
  • Ribose unit van nucleotiden
  • Vetzuren, vetten, cholesterol (lipiden) via acetyl CoA
  • Glycogeen (glucose wordt opgeslagen in de lever en spieren)
  • Glycolipiden (in membraan van fosfolipiden)
  • Proteoglycanen (onderdeel van het kraakbeen)
  • Glycoproteïnen: proteïnen met suikermoleculen (carbohydraten) die covalent verbonden zijn met zijgroepen van aminozuren (glycosylatie), bijvoorbeeld extracellulaire eiwitten (zoals collageen, antilichamen) en membraaneiwitten (zoals receptor eiwitten)

Glycosylering is een gereguleerde, post-translationele modificatie die gekatalyseerd wordt door bepaalde enzymen (glycosyl transferase). Glycosylering is belangrijk voor de functie van het eiwit. Een voorbeeld hiervan is immuun globuline.

Monomerische suikers zijn aldehyde (dubbele O binding) of keton. Aldehydes en ketonen zijn chemisch reactief. Deze kunnen spontaan reageren met aminozuren en leiden tot glycatie van eiwitten.

Glycosylering is enzymatisch en gebeurt in de normale biologische processen. Dit is relevant voor de functie van het eiwit. Glycatie is chemisch en onvermijdelijk. Glycatie kan schadelijk zijn voor de functie of fysiologie van het eiwit. Dit is afhankelijk van:

• Type eiwit en half-leven
• Glucose blootstelling
  • Concentratie
  • Tijd

Glycatie van collageen kan leiden tot:

• Verstijving en verzwakking van wand van aderen (arteriosclerose)
• Plakvorming (atherosclerose)
• Hoge bloeddruk met scheuring of aneurysma als gevolg
• Hartinfarct of hartaanval

Crystallins zijn eiwitten in de lens van het oog. Deze zorgen voor transparantie van de lens. Glycatie van crystallins leidt tot vertroebeling van de lens, namelijk staar. De kans hierop is groter bij oudere mensen en mensen met diabetes.

Hemoglobine (Hb) zorgt voor de transport van zuurstof en leeft ongeveer 120 dagen. Glycatie van Hb heeft een klein effect op het zuurstof transport. Het niveau van HbA glycatie is een maat voor de blootstelling aan glucose over de laatste paar maanden. Dit wordt aangeduid met HbA1C.

Het bloedsuikerniveau is in gezonde personen 5 mM. Dit is hoog genoeg zodat cellen genoeg energie hebben om te functioneren en laag genoeg om schade aan organen en weefsels door glycatie te voorkomen.

Organen die een rol spelen bij het behouden van de normoglykemie:

• Lever (hepatocyten): opname en afgifte van glucose
• Skeletspieren (myocyten): alleen opname van glucose
• Vet (adipocyten): alleen opname van glucose
• Endocriene deel van de alvleesklier (eilandjes van Langerhans, alfa en bèta cellen); zorgt voor hormonale regulatie

Bèta cellen zijn sensoren voor glucose in het lichaam. Deze zorgen voor het vrijlaten van insuline wanneer de glucose in het bloed hoger dan 5 mM is. Insuline is een essentieel hormoon in het reguleren van glucose opname en metabolisme in organen (zoals lever, spieren en vetweefsel).

Alfa cellen laten glucagon vrij in het bloed wanneer de glucose in het bloed laag is. In de lever zorgt glucagon (en adrenaline) voor afbraak van glycogeen (glycogenolyse) en glucose synthese (gluconeogenese).

De lever is een altruïstisch orgaan. Als de bloedwaarden stijgen dan wordt glucose opgenomen en gesynthetiseerd in glycogeen en vetzuren. Wanneer de bloedsuikers zakken, bijvoorbeeld bij vasten, dan wordt glucose vrijgemaakt uit glycogeen en losgelaten in het bloed of glucose kan gesynthetiseerd worden uit lactaatzuren en aminozuren.

De skeletspier is een egoïstisch weefsel. Als de bloedsuikers omhoog aan dan neemt het glucose op en synthetiseert glycogeen. Wanneer de bloedsuikers dalen doen de spieren niets om de normoglykemie te herstellen. Bij fysieke beweging produceert de spier lactaat wat in de lever weer omgezet kan worden in glucose.

Vetweefsel zet glucose om in triglyceriden bij hoge bloedsuikers en laat vetzuren en glycerol vrij bij lage bloedsuikers.

PD: Mono-genetische diabetes

Diabetes wordt ook wel suikerziekte genoemd. Bij gezonde personen hebben de bloedsuikers een waarde tussen de 3,5 en 5,5 mmol/l. Bij mensen met diabetes is dit nuchter meer dan 7,0 mmol/l en niet-nuchter meer dan 11,1 mmol/l. HbA1c is een maat voor de geglyceerde hemoglobine (versuikering van de alfa keten van het hemoglobinemolecuul) in de afgelopen drie maanden wat het gevolg is van langdurig te hoge glucosewaarden. Bij mensen met diabetes is de HbA1c meer dan 48 mmol/mol Hb (ofwel > 6,5%).

Er zijn verschillende typen diabetes:

• Diabetes type I: 8-10% van de gevallen; al op jonge leeftijd last, levenslang insuline spuiten (4x per dag), de eilandjes van Langerhans worden afgebroken waardoor geen insuline wordt aangemaakt.

• Diabetes type II: 90% van de gevallen; komt voor op latere leeftijd en wordt veroorzaakt door overgewicht en te weinig lichaamsbeweging. Hoge glucose waarden betekenen meer insuline aanmaak. Cellen worden ongevoelig voor insuline en glucose waarden blijven hoog. Op den duur gaan de cellen minder insuline aanmaken door overbelasting. Patiënten zijn niet insuline afhankelijk.

De pancreas geeft insuline af met de bètacellen in de eilandjes van Langerhans. Dit is 1-2% van de pancreas (ligt verspreid), de rest van de pancreas produceert spijsverteringsenzymen. Insuline stimuleert de opname van glucose in alle lichaamscellen en de glucose productie. Als de suikerspiegel is gedaald remt de lever de insuline, zo wordt het tussen nauwe grenzen gehouden. De eilandjes van Langerhans bestaan uit 2000 insuline producerende bèta cellen. Die hebben glucosetransporter eiwitten op het membraan. Een hoge glucose concentratie stimuleert de secretie van insuline. Bij diabetes type 1 wordt dit nagebootst (3-4 keer per dag) door de bloedsuiker te meten en insuline te spuiten maar dit is lang niet zo goed als wat het lichaam constant doet. De lever geeft bij een te lage concentratie glucose af. De nier kan bij een veel te hoge concentratie glucose kwijtraken aan de urine maar verliest hier veel vocht bij. Hyperglykemie (te hoge bloedsuiker) veroorzaakt dus veel plassen en dorst en moe zijn. Therapie (insuline spuiten) kan echter ook een hypoglykemie veroorzaken (lage bloedsuiker) doordat er te veel insuline wordt gespoten, te weinig wordt gegeten of wanneer wordt gesport.

De therapie heeft niet alleen effect op de korte termijn effecten van de hyperglykemie (zoals veel plassen, dorst en vermoeidheid) maar de lange termijn effecten (diabetische retinopathie (hoornvlies), diabetische nefropathie (nier), CVA, diabetische neuropathie en cardiovasculaire ziektes) worden ook voorkomen. Met name de micro en macro vasculaire complicaties kunnen orgaanschade veroorzaken. Door de verbeterde therapieën leven mensen ook steeds langer met deze ziekte. Mensen met diabetes mellitus hebben een verminderde levensverwachting.

Er zijn ook mutaties waarmee je diabetes kan krijgen, een voorbeeld hiervan is MODY (Maturity-Onset Diabetes of the Young). Dit erft mono-genetisch en dominant over, maar de penetrantie is heel laag. Vaak wel een iets verhoogde glucose waarde maar niet diabetes.

Wanneer men ontdekt heeft dat iemand diabetes heeft wordt ook de familie gecontroleerd en onderzocht welke soort diabetes het is. Dit geeft informatie over de progressie en het risico op complicaties. Voor de familieleden wordt het risico op diabetes of het hebben ervan duidelijk. Meestal wordt de diagnose voor MODY vroeg gesteld. 2-3% van de diabeten hebben dit. Zij hebben meestal een familielid met diabetes die dit voor het 25^e levensjaar kreeg. De vorm is vaak mild en er is dan ook vaak geen insuline nodig alleen een aanpassing op het dieet en soms orale medicijnen. Er zijn meer dan 8 genen die deze ziekte veroorzaken. Glucokinase wordt bijvoorbeeld niet gevormd door een fout in de transcriptie factoren. Glucokinase zorgt voor insuline secretie in de bèta cellen en werkt als een glucose sensor voor de pancreas. Dit kan grote bloedsuiker verhogingen snel terugbrengen. Wanneer dit niet werkt is de bloedsuikerspiegel constant verhoogd. Er is hierdoor ook minder glycogeensynthese en opslag en daardoor een verhoogde gluconeogenese. Met twee gemuteerde genen is men niet levensvatbaar. Er zijn veel verschillende mutaties die hetzelfde fenotype geven, maar het komt niet vaak voor.

Mensen met de mutatie MODY2 hebben verhoogde nuchtere waarden en een iets hogere glucose piek na de maaltijd. Kenmerken van MODY2 zijn: milde hyperglykemie, asymptomatisch, komt tot uiting vanaf de kinderleeftijd en sterk gereduceerd complicatie risico. Er zijn ongeveer 200 mutatie in het glucokinase gen beschreven maar zij hebben een identieke uiting (milde hyperglykemie). 20-40% van alle MODY patiënten heeft MODY2. Bij andere MODY typen zijn de bloedsuikerwaarden voor de maaltijd relatief normaal maar zijn er grote pieken na de maaltijd omdat de insuline secretie tekort schiet. Bij deze typen neemt de secretie verder af omdat er cellen door overbelasting doodgaan.

Notes (Thema: Monogenetische Ziekten en Overervingspatronen)

HC: Mono-genetische ziekten en overervingspatronen 1

Er zijn 3 soorten afwijkingen:

1. Single gene afwijking / mono-genetische ziekte: er is een mutatie in 1 gen, mendeliaanse overerving
2. Chromosomale afwijking: er is een kwalitatieve of een kwantitatieve afwijking van een chromosoom, zoals trisomie 21
3. Multifactoriële afwijkingen: hierbij zijn meerdere genen betrokken, een polygene overerving in families, zoals lichaamslengte, diabetes mellitus.

Mono-genetische ziekten worden onderzocht door stamboomonderzoek, de transmissiepatronen binnen families.

Een genetische eigenschap kan dominant (sterk/puur dominant, co-dominant en incompleet /semidominant) of recessief zijn. Dominant wordt met een hoofdletter aangegeven en recessief met een kleine letter. Homozygoot betekend dat je 2 dezelfde genen hebt bijvoorbeeld RR of rr en heterozygoot is dan Rr. Compound heterozygoot houdt in dat men twee verschillende mutanten allelen heeft. Hemizygoot is het hebben van een mutant allel op een X-chromosoom in een man. Daarnaast kan er sprake zijn van een mitochondriale afwijking.

Begrippen

De specifieke plek van een gen is een locus. Een locus ligt dus op een chromosoom.
Een allel is een gen variant. Wild type is het allel wat het meeste voorkomt. Een variant/mutant wijkt af van het wild type. Dit kan al oud zijn en met de evolutie zijn ontwikkeld; polymorfisme. Het kan ook nieuw zijn: een mutatie. Het fenotype is datgene wat je ziet, het uiterlijk. Het genotype zie je niet; het genoom. Een afwijking die je al vanaf je geboorte hebt noemt men een congenitale afwijking.

Penetrantie/All-or-none betekent dat je óf ziek bent óf gezond. Wat hierbij een probleem kan zijn is dat één gen op verschillende manieren tot expressie kan komen. Dit noemt men pleiotropie: 1 mutatie kan tot variabele expressies leiden. Hoe erg iets tot uiting komt het expressiviteit. Verminderde penetrantie houdt in dat een individu met een mutatie het fenotype niet heeft.

Wanneer mutaties op verschillende genen leiden tot hetzelfde fenotype is er sprake van genetische heterogeniteit. Allelische heterogeniteit: verschillende allelen op een bepaalde locus. Allelen hebben verschillende functionele consequenties: verschillende expressie van de ziekte. Locus heterogeniteit: verschillende loci (=genen) veroorzaken hetzelfde fenotype. Doofheid wordt door verschillende genen veroorzaakt. Wanneer verschillende mutaties in hetzelfde gen leiden tot een ander fenotype noemt men fenotypische heterogeniteit.

Sommige ziektes of aandoeningen kunnen overgeërfd zijn. Een ziekte of aandoening kan autosomaal overgeërfd worden of via de geslachtschromosomen (X-linked). Tevens kan er een mutatie plaatsvinden in de pseudo-autosomale regio: de regio boven op een geslachtschromosoom die zich autosomaal gedraagt.

Hoofdtypes van mendeliaanse erfelijkheid:

• Autosomaal dominant
• Autosomaal recessief
• X-gerelateerd dominant
• X-gerelateerd recessief

Autosomaal dominante aandoeningen erven meestal als heterozygoot x recessief homozygoot (Rr x rr) over. Hierbij is dus 50% kans dat het wordt doorgegeven. Wat minder vaak voorkomt is de kruising heterozygoot x heterozygoot (Rr x Rr) (achondroplasie). Bij deze vorm is in geval van autosomaal recessieve aandoeningen ook 50% kans op overerving. De kruising homozygoot dominant x heterozygoot (DD x Dd) komt het minst vaak voor. De meeste mutaties bevinden zich dus in dragers.

Karakteristieken van autosomaal dominante erfelijkheid:

• Eén geaffecteerde in elke generatie: verticale transmissie
• Een ouder is geaffecteerd (uitzondering: nieuwe mutaties, non-penetrantie)
• Elk kind van de geaffecteerde ouder heeft 50% kans op de ziekte
• Vrouwen en mannen worden evenveel aangedaan

Karakteristieken autosomaal recessieve erfelijkheid:

• Brusjes zijn geaffecteerd: horizontale transmissie
• Ouders zijn asymptomatisch (zijn dragers, maar niet aangedaan)
• Vrouwen en mannen worden even vaak aangedaan

Autosomale recessieve ziektes kunnen ontstaan door:

• Nauwe verwantschap: inbreeding vanwege culturele, geografische of religieuze redenen
• Populaties met hoge frequentie van de mutante allelen in heterozygoten.

Genen op een X chromosoom

Vrouwen hebben twee x chromosomen en mannen maar 1. Mannen zijn hemizygoot (mutant of wild-type X-allel). Vrouwen hebben drie mogelijke genotypes. In vrouwen is 1 x chromosoom inactief (vormt barr lichaampje). Inactivatie vindt plaats tijdens de vroege ontwikkeling. Er vindt mozaïek plaats, dus verschillende cel populaties.

Kenmerken van x-chromosomale recessieve overerving:

• Alleen mannen zijn aangedaan
• Geen man-tot-man transmissie (zonen van zieke vaders zijn gezond) - diagonale transmissie
• Meer mannen zijn geaffecteerd
• Zieke mannen geven het mutante allel door aan al hun dochters, die zijn dragers
• Heterozygote vrouwen zijn over het algemeen asymptotische (scheve x-inactivatie)
• Geïsoleerde gevallen komen door nieuwe mutatie

Kenmerken x-chromosomale dominante overerving:

• Geen man-tot-man transmissie
• Alle dochters van geaffecteerde vaders zijn ook geaffecteerd
• Het nageslacht van aangedane vrouwen heeft 50% kans op de ziekte
• Meer vrouwelijke patiënten (over het algemeen een milder fenotype)

Bij een horizontale transmissie komt een ziekte/aandoening tot uiting in 1 generatie. Bij een verticale transmissie komt een ziekte/aandoening tot uiting bij meer dan 1 generatie. Bij een diagonale transmissie is er een ongelijke verdeling in de verhouding van de ziekte/aandoening tussen mannen en vrouwen.

HC Mono-genetische ziekten en overervingspatronen 2

Ongebruikelijke segregatie kan worden veroorzaakt door:

• Somatische mozaïek: Patch uiterlijk van huidpigmentatie (bijvoorbeeld neurofibromatosis type 1).
• Gonadale mozaïek: Ouders hebben een normaal fenotype en zijn ook geen drager, maar kinderen hebben wel de ziekte, bijvoorbeeld de ziekte van Duchenne en hemofilie A en B.
• Mutatie in de geslachtcellen
  • Uniparentale isodisomy: fout in meiose II; zelfde allelen van één ouder
  • Uniparentale hetereodisomy: ; fout in meiose I; twee verschillende allelen van een ouder

Onstabiele repeat expansies houdt in dat de mutatie niet stabiel is van generatie naar generatie, maar verandert. Er zitten herhalende units van drie of meer nucleotiden op een locus in het genoom. Bij mensen met een repeat expansie ziekte is er veel meer herhaling dan normaal. Deze herhaling verschilt per generatie. Dit komt door fouten in de DNA replicatie. Dit is het geval bij Huntington disease. Anticipatie houdt in dat het aantal herhalingen toeneemt bij elke volgende generatie. Dit zorgt voor ergere symptomen die eerder opspelen. Dit is afhankelijk van het soort herhaling, locatie van de herhaling en het aantal herhalingen. Voorbeelden van ziektes zijn: myotonische dystrofie type 2 en spinbulbare musculaire atrofie.

Kenmerken van mitochondriale overerving:

• Alle kinderen van aangedane vrouwen met (heterplasmisch) mtDNA mutatie zijn aangedaan, maar de expressie is verschillend.
• Mitochondriën liggen op het X-chromosoom, dus wordt door mannen nooit doorgegeven aan hun zonen.
• Mitochondriale ziekte komt alleen tot expressie wanneer heterplasmie (percentage mutant mtDNA) boven een bepaalde drempelwaarde uitkomt.
• Heteroplasmie: verschillende soorten mitochondriën (mutanten en niet-mutanten)
• Homoplasmisch: dezelfde soorten mitochondriën (allemaal mutant of allemaal niet)

Populatie en mathematische genetica

Onder bepaalde voorwaarde blijft de genfrequentie binnen een bepaalde generatie constant. Wanneer er in een populatie willekeurige paring plaatsvindt, geen mutaties optreden en de populatie groot genoeg is kan het Hardy Weinberg evenwicht optreden.

Allelfrequentie: p + q = 1

Genotypen: AA + Aa + aa

Genotype frequentie: p2 + 2pq + q2 = 1

Aan de hand van deze formules kan men berekenen hoe groot de kans is dat je een ziekte wel/niet hebt en of je drager bent van deze ziekte.

Bayes theorie

Deze theorie gaat uit van 2 regels:

1. Addition law – wanneer het de ene niet is, dan is het de ander. Wanneer je bijvoorbeeld zwanger bent en het geen jongetje is, dan is het een meisje. 1 + 1 = 2
2. Muliplication law is een vermenigvuldiging. De kans op bijvoorbeeld een recessieve ziekte tot uiting komt bij een kind met 2 heterozygote ouders (Rr x Rr) is dan ½ x ½ = ¼

Hierbij spelen de vooraf kans en de achteraf kans ook een belangrijke rol.

Situaties waarbij Bayesian statistiek nodig is:

• De kans op drager of geen drager
• Kans vooraf en kans achteraf
• Gereduceerde penetrantie
• Latere leeftijd waarop een ziekte zich openbaart.

Bij een mono-genetische ziekte kan men dus informatie over de diagnose en de wijze van overerving bekijken aan de hand van stambomen. Aan de hand van deze stambomen kan men dus de risico’s op een ziekte berekenen. Ook kun je berekenen hoe groot de kans is dat je drager bent. Toch kun je niet altijd aan de hand van deze stambomen een beslissing maken, aangezien er altijd spontane mutaties of uniparentale disomie kan ontstaan en je dit niet aan de stambomen kunt aflezen.

PD Triplet repeat expansie ziekte

Het Huntington gen zit op chromosoom 4p. Bij de ziekte van Huntington is er een expansie opgetreden van de repeterende sequentie (CAG) glutamine. Normaal gesproken komt deze sequentie 26 keer voor. Een lengte van 27 tot 35 heet de intermediaire lengte, deze mensen hebben niet de ziekte van Huntington. Bij een lengte van 36 tot 39 is de persoon drager van het Huntington gen, maar deze heeft zelf de ziekte niet. Bij een sequentie die 40 keer voorkomt spreekt men van de ziekte van Huntington, hoe vaker de sequentie voorkomt, hoe erger de ziekte is. Wanneer het wordt doorgegeven door de vader is er meer expansie. Het erger worden van de ziekte omdat het wordt doorgegeven bij verschillende generaties heet anticipatie.

De uitrekking van glutamine zorgt voor een afwijkend eiwit, deze gaat in de kern aggregeren. De andere eiwitten in de cel vallen weg en dit zorgt voor sterfte van zenuwcellen. Dit leidt dan tot de symptomen van de ziekte van Huntington; het niet onder controle hebben van de spieren. De ziekte van Huntington komt pas op latere leeftijd tot uiting, gemiddeld tussen het 40^ste en 60^ste levensjaar.

Notes (Thema: Communicatie tussen cellen en signaaloverdracht)

HC (verdieping): Therapieën in de maak

Dystrofine

Dystrofine is een schokbreker tijdens de spiercontractie. Het verbindt het cytoskelet aan de extracellulaire matrix. Zonder dystrofine zijn de spieren kwetsbaar voor schade en ontstekingen. Er is tevens minder bloed toevoer naar de spieren en te veel calcium. Dit resulteert in verlies van spierfunctie. Mensen met Duchenne missen één of meerdere exonen. Hierdoor is het leesframe verstoort van het eiwit dystrofine. Dit zorgt ervoor dat de proteïne translatie vroegtijdig wordt afgebroken en ontstaat er een niet functioneel dystrofine eiwit. Bij de ziekte van Becker missen er ook exonen, maar is het leesframe intact waardoor de translatie van het eiwit door kan gaan. Hierdoor is dystrofine gedeeltelijk functioneel. De therapie voor Duchenne richt zich op het verbeteren van de spierkwaliteit of spiermassa. Daarnaast focussen andere therapieën zich op het aanpakken van het gen defect door: exon skippen, stop codon readthrough of gentherapie.

Exon skipping

Er wordt een extra exon verwijderd waardoor het leesframe weer leesbaar wordt. Dit wordt gedaan door een stukje AON op het exon bevestigd dat er voor zorgt dat het exon niet afgelezen wordt. Dit verbeterde RNA kan zorgen voor functioneel dystrofine in gekweekte cellen. Om het in de spieren te krijgen van mensen wordt het via het bloed ingespoten. Het effect van deze techniek is onderzocht bij mensen. Er is sprake van de aanmaak van dystrofine in de patiënten na 24 weken toediening. Als de dystrofine wordt herstelt, komt de spiermassa echter niet terug. Wel wordt de progressie van de ziekte vermindert. De looptest laat zien dat mensen met toediening van AON minder snel achteruit gaan.

Bijwerkingen zijn:

• Reacties op de injectie site: roodheid, opgezwollenheid.

• Proteïnurie: te veel aan serum in de urine

• Trombocytopenie: afname van bloedplaatjes in sommige patiënten

Onderzoek laat geen effect zien bij 3 mg/kg toediening, maar wel bij 6 mg/kg. Een onderzoek onder 186 patiënten tussen de 5 en 16 jaar oud liet geen effect zien van de toediening. Dit kwam doordat de groep patiënten te divers was en de ziekte in sommige patiënten te ver gevorderd was om te verbeteren. De jongere subgroep liet wel een effect zien. Daarnaast werd er meer effect gezien na 96 weken van toediening.

Voordelen van exon skipping:

• Het toedienen van AON is makkelijker dan genen/cellen

• Klinische studie resultaten zijn bemoedigend

Nadelen van exon skipping:

• Het is een mutatie specifieke aanpak

• Er moeten meerdere AON’s ontwikkeld worden om andere Duchenne patiënten te behandelen, omdat deze medicijnen zich slechts op een soort mutatie richten

• Continue behandeling is nodig

Stop codon readthrough

Door een mutatie kan er een andere codon volgorde ontstaan waardoor dit codeert voor een stopcodon. PTC is een stukje dat dit stopcodon kan onderdrukken waardoor het eiwit verder wordt afgelezen en er een functioneel eiwit ontstaat. Een studie heeft laten zien dat het veilig is om toe te dienen, zorgt voor een toename in dystrofine expressie en voor stabiliteit bij de looptest. Dit medicijn blijkt het best te werken bij een gemiddelde dosis (u-curve). Bij een te lage of te hoge dosis werkt het niet optimaal.

Voordelen stop codon readthrough:

• Orale toediening

• Werkt bij meerdere ziektes

• Eerste medicijn voor Duchenne dat goedgekeurd is in Europa

Nadeel stop codon readthrough:

• Maar 13% van de Duchenne patiënten heeft een stopmutatie en heeft dus iets aan het medicijn

Gentherapie

Bij gen therapie wordt een functioneel gen toegevoegd aan spiercellen van patiënten. Hiervan kan dystrofine gemaakt worden. De vraag is hoe deze genen in de celkernen van spiervezels terecht kunnen komen. Er is een microdystrofine ontwikkelt waarbij alleen de cruciale delen zijn behouden. Hierdoor was het klein genoeg om in het adeno-associated virus (AAV) te passen. Dit is een virus dat voorkomt in een groot gedeelte van de bevolking en de spier niet infecteert. Het virus heeft de voorkeur voor een spier en is niet pathogeen in de mens. Doordat het zo klein is kan het doordringen tot in de cel. AAV microdystrofine is getest in muismodellen. Er wordt microdystrofine geproduceerd bij toediening. De spierfunctie en kwaliteit wordt verbeterd. Echter worden de muizen immuun voor het virus. Hetzelfde geldt voor mensen. Apen en mensen zijn groter dan muizen. Hierdoor is er meer virus nodig. Er kan genoeg virus gemaakt worden om een arm of een been te behandelen. Het hele lichaam behandelen van mensen is nog niet mogelijk. Het wordt beperkt door de hoeveelheid virus die geproduceerd en geïnjecteerd kan worden. Daarnaast is de behandeling van ledematen in ontwikkeling, namelijk hydrodynamic limb perfusion. Je kunt 20% extra volume toevoegen aan een been. Dit is echter nog niet gebruikt voor het toedienen van een gen.

Genoom editing

Genoom editing is een mutatie specifieke manier om kleine mutaties te herstellen door middel van Zinc Fingers, TALENS of RNA guided nucleases. Er wordt een stukje weggeknipt van het gen en de delen worden aan elkaar geplakt. Het gemuteerde exon wordt hierdoor verwijderd maar de genetische code is hersteld.
Het lijkt te werken in gekweekte cellen in muizen. Echter moet er een gen ingespoten worden die coderen voor de knippers. Er wordt hierbij een combinatie gemaakt tussen cel en gentherapie.

Mogelijkheden:

• Toepasbaar voor alle patiënten (behalve genoom editing)

• Vroeg stadium van ontwikkeling

Problemen:

• Microdystrofine is maar deels functioneel

• Toediening is lastig

• Er ontstaat immuniteit tegen het virus

HC: Communicatie en signaaloverdracht, deel 1

Wanneer er wordt gekeken naar communicatie en signaaloverdracht krijgt men te maken met zenders en ontvangers. Zenders zenden signalen uit en ontvangers ontvangen en verwerken signalen. Deze elektrische of chemische signalen verschillen in snelheid en de effecten kunnen dus heel direct of indirect zijn.  

Signalen kunnen op verschillende manieren verspreid worden:

• Endocriene signalen: deze signalen worden aan de bloedbaan afgegeven en worden hormonen genoemd.

• Paracriene signalen: deze signalen worden aan extracellulaire vloeistof afgegeven en deze signalen komen dus terecht bij buurtcellen.

• Neuronale signalen: deze signalen worden afgegeven door middel van neurotransmitters en binden aan een receptor in targetcellen.

• Contact-afhankelijke signalen: deze signalen worden van cel naar cel overgedragen door membraan gebonden signaalmoleculen.

Ook is autocriene stimulatie mogelijk, waarbij de cel zichzelf stimuleert.

De ‘cellulaire context’ bepaalt het effect van een extracellulair signaalmolecuul, namelijk:

• Aan- of afwezigheid van de specifieke receptor van dat molecuul in/op een cel

• De aanwezige intercellulaire signaal- en effector moleculen

Cellen kunnen zich op verschillende manieren gedragen. Een cel kan: overleven, groeien, delen, differentiëren in een andere cel of dood gaan (apoptose is celdood). Deze processen kunnen alleen goed uitgevoerd worden door goede cel communicatie.

Effect in de ontvangende cel:

• Snel: invloed op bestaande eiwitten in de cel

• Langzaam: invloed op het transcriptieproces

Wanneer een extracellulair signaal hecht op een receptor, ontstaat er een intracellulaire reactie. Deze reactie kan snel of traag plaatsvinden. Deze receptoren kunnen zich aan de buitenkant van het plasmamembraan bevinden: de cel oppervlakte receptoren, of ze bevinden zich intracellulair: de intracellulaire receptoren. Hydrofiele signaalmoleculen hechten zich aan de cel oppervlakte receptoren en hydrofobe kleine signaalmoleculen hechten zich aan de intracellulaire receptoren (bijvoorbeeld steroïde hormonen, waaronder cortisol, oestradiol, testosteron en thyroxine).

Bij cortisol signalering bindt cortisol aan een intracellulaire nuclear receptor-eiwit. Dit geactiveerde receptor-cortisol complex kan dan de nucleus binnentreden en binden aan een target gen, die de transcriptie activeert.

Bij het ontspannen van glad spierweefsel bindt acetylcholine aan een intracellulaire receptor. Dit activeert het proces waarbij arginine NO synthetiseert. NO diffuseert door de membraan en bindt aan gyanylyl cyclase, waardoor cyclisch GMP (cGMP) wordt aangemaakt. Door dit proces ontspannen de gladde spiercellen. Maar de meeste extracellulaire signaalmoleculen zijn te groot om door de membraan te diffunderen en binden daarom aan oppervlakte receptoren. Door deze hechting worden verschillende intracellulaire signaalmoleculen actief. Deze intracellulaire signaalmoleculen activeren vervolgens effector eiwitten die voor verschillende cel reacties kunnen coderen. Hierbij kan amplificatie van het signaal optreden.

Er zijn 3 hoofdtypen van membraan-gebonden receptoren:

1. Ion-kanaal gekoppelde receptoren

2. G-protein gekoppelde receptoren  (GPCRs)

3. Enzym gekoppelde receptoren (rector thyrosine kinases, RTKs)

Er zijn twee belangrijke moleculaire schakel mechanismes:

1. Het defosforyleren (fosfaatgroep eraf) en fosforyleren (fosfaatgroep eraan) van eiwitten. Het aanbrengen van een fosfaatgroep gebeurt door kinases. Het verwijderen van een fosfaatgroep gebeurt door fosfatases. Sommige eiwitten zijn actief met een fosfaatgroep, sommige eiwitten zijn actief wanneer een fosfaatgroep verwijdert is.

2. G-eiwitten: deze eiwitten spelen een rol bij GTP binding en hydrolyse. In GTP vorm is het eiwit actief en in GDP vorm inactief.

Klassieken voorbeelden van regulering door fosforyleren en defosforyleren zijn:

• Glycogeen synthase kinase

• Glycogeen fosforylase kinase

• De anabole werking van insuline

• De katabole werking van adrenaline en glucagon

HC: Communicatie en signaaloverdracht, het vervolg

Er zijn twee hoofdtypen receptoren:

• Membraangebonden receptoren:
  • Ion-kanaal gekoppelde receptoren: post-synaptische acetylcholine-receptor
  • G-eiwit gekoppelde receptoren (GPCRs): Een receptor met signaalmolecuul kan een binding aan gaan met een G proteïne waardoor het G eiwit geactiveerd wordt. Dit G eiwit laat vervolgens los van de receptor en bindt aan een enzym. Dit gebeurt allemaal op het membraan.
  • Enzym-gekoppelde receptoren: Receptor Tyrosine Kinases, zoals insuline receptoren op spier- en vetcellen en FGF receptoren.

Een ligand in de vorm van een dimeer bindt aan twee receptoren waardoor deze receptoren binden en geactiveerd worden. Het is ook mogelijk dat de gebonden receptoren een verbonden enzym activeren.

• Intracellulaire receptoren:

Er worden via twee belangrijke moleculaire schakelmechanisme gecommuniceerd:

• Fosforyleren van eiwitten: tyrosine kinases, serine / threonine kinases
• Desfosforyleren van eiwitten: tyrosine fosfatases, serine / threonine fosfatases

Fosforylering kan zowel inactivatie als activatie zijn.
G-eiwitten kunnen GTP binden (d.m.v. GPCRs) en hydrolyseren. Een G-eiwit is actief als er een GTP gebonden is en door hydrolyse wordt het G-eiwit geïnactiveerd. Deze G-eiwitten kunnen heteromeer of monomeer zijn. Twee belangrijke target enzymen van G-eiwitten zijn adenylyl cyclase (maakt van ATP cyclisch AMP) en phospholipase C.

Een G-eiwit bestaat uit 3 subunits: een α, β en γ-subunit. De α-subunit bevat GDP in inactieve staat en kan activeren door GTP te binden. Dan laat het geactiveerde βγ complex los. Het G-eiwit kan nu een target proteïne of een enzym activeren. De α-subunit bezit zelf ook GTP-ase activiteit en kan GTP hydrolyseren tot GDP, wat leidt tot inactivatie van het G-eiwit.

Een belangrijk monomeer G-eiwit is het eiwit Ras. Deze wordt beïnvloed door twee regulator eiwitten, namelijk GEF (guanine nucleotide exchanger factors) en GAP (GTPase activating proteins). GEF stimuleert Ras en GAP inactiveert Ras.

Twee belangrijke enzymen die gestimuleerd worden door GPCR-geactiveerde G-eiwitten:

• Adenylyl cyclase: zet ATP om in cyclisch AMP (cAMP). cAMP is een 2nd messenger, net als cGMP. Proteine kinase A (PKA) is een serine-threonine kinase en wordt geactiveerd door cyclisch AMP(cAMP). PKA activeert onder andere enzymen en transcriptiefactoren. Verschillende cellen reageren zeer verschillend op cAMP/PKA activatie.

Bij een spiercel kan een verhoogde adrenalinewaarde zorgen voor de glycogeen afbraak. Adrenaline activeert GPCR. GPCR kan het G eiwit weer activeren, waardoor er meer cAMP wordt aangemaakt. cAMP activeert PKA, waardoor phosphorylase kinase weer wordt geactiveerd. Daardoor wordt glycogeen phosphorylase geactiveerd en dit leidt tot de glycogeen afbraak.
In een neurale cel activeert PKA via verschillende processen de transcriptie van een doel gen.

• Fosfolipase C: conversie van PIP3 naar IP3 en DAG. IP3 en DAG zijn 2nd messengers en openen calcium kanalen in het ER. Hierdoor komt calcium het cytosol in en gaat naar doel eiwitten in de cel. Dit zorgt voor amplificatie van het signaal. Calcium activeert bijvoorbeeld PKA in het membraan.

Bij oogmelanoom is er in 90% een mutatie in Gαq of Gα11 subunit. Dit voorkomt hydrolyse van GTP naar GDP. Hierdoor staat het signaal altijd aan. Er wordt constant PKC geactiveerd. Dit zorgt voor tumor groei en proliferatie.

HC: Communicatie en signaaloverdracht 2

De insuline receptor is een zogenaamde receptor thyrosine kinase (RTK). Insuline bindt met insulinereceptoren. Er vindt dimerisatie plaats van de receptoren. Het intracellulaire deel van de receptor ondergaat autofosforylering. Insuline receptor substraat (IRS) bindt aan de eiwitten. Er vormt zich een intracellulair signaal complex. Door fosforylering wordt IRS actief.

De meeste receptor tyrosine kinases activeren het monomerisch G-eiwit Ras. Geactiveerd Ras stimuleert de MAP-kinase pathway, wat over het algemeen de celdeling bevordert. MAP-kinase: Mitogen Activated Protein Kinase (mitogeen: celdeling stimulerend). MAP-kinase stimuleert de celdeling door een aantal ‘target’ eiwitten te fosforyleren. Een geactiveerd Ras bindt met een MAP kinase die fosforyleert en dit wordt een MAP kinase kinase kinase genoemd. Dit fosforyleert de MAP kinase kinase. Dit fosforyleert de MAP kinase. 

Geactiveerde RTK’s binden stimuleren ook PI-3 kinase. PI3 kinase zet PIP2 om in PI3. Aan PIP3 kunnen weer andere eiwitten worden verbonden, bijvoorbeeld PDK1. Dit bindt aan en activeert AKT. AKT activeert Tor en stimuleert celgroei. Geactiveerd AKT remt celdood (apoptose) door fosforylering/remming van pro-apoptose eiwit: Bad. Dit zorgt voor het vrijgeven van Bcl2. Bcl2 promoot de overleving van de cel. Het effect van PI-3 kinase is omkeerbaar. PIP3 kan tevens worden omgezet in PIP2 door PTEN. Er is dus een balans tussen PI3 en PIP2. Verschillende eiwitten kunnen dezelfde pathway activeren. PKC kan ook de MAP kinase kinase kinase pathways activeren. Zie de dia’s voor een overzicht van de pathways.

Een cel heeft verschillende receptoren die de binnenkomende signalen integreren. De balans tussen de signalen en de hoeveelheid signalen bepaalt het effect.
De meeste kankercellen hebben activerende mutaties in RTK en/of GPCR signaling pathways wat leidt tot celgroei, proliferatie, beweeglijkheid, invasie en overleving. BRAF is een MAP kinase kinase kinase. Hier zit in 40% van de huidmelanomen een mutatie. Er is een BRAF remmer ontwikkelt om het mutant DNA aan te pakken. Deze zorgt binnen enkele dagen voor een afname van het aantal melanomen. Er is een echter een terugval na 4-8 maanden waarbij er sprake is van een agressievere vorm. De methode tegenwoordig is om meerdere remmers te geven.

Insuline signaling pathway
In spiercellen en adipocyten wordt het aantal glucose transporters (GLUT4) verhoogd na insuline stimulatie. Insuline bindt aan een receptor en er vindt dimerisatie van de receptoren plaats. Het intracellulaire deel wordt geautofosforyleerd. Een insulin receptor substrate (IRS) eiwit bindt en wordt geactiveerd (fosforylering) waardoor PI3-kinase wordt geactiveerd waardoor via een aantal tussenstappen (activatie AKT > remming AS160 (=Rab-GAP) > verhoging Rab-GTP) glucose transporter zich gaan verplaatsen naar het membraan en er meer glucose wordt opgenomen. Levercellen kunnen altijd glucose opnemen door dat er constitutief glucose transport (insuline onafhankelijk) door GLUT2 transporters plaatsvindt. Insuline receptoren in het brein bepalen het eetgedrag. Meer glucose = minder honger. Insuline heeft niet alleen te maken met de glucose opnamen maar beïnvloed ook processen van andere cellen.

PD: Achondroplasie

Achondroplasie is een lengtegroeistoornis. Achondroplasie komt bij 1:15.000-1:40.000 mensen in Nederland voor. 5 kinderen worden in Nederland per jaar geboren met achondroplasie. De uiterlijke kenmerken zijn: kleine lengte t.o.v. groot hoofd, korte ledematen, huidplooien, diepe lumbale lordose, diepe neusbrug, frontal bossing en korte handen met trident (vingers staan verder uit elkaar). Typische afwijkingen als vierkante iliumvleugels, een scherpe sciatic notch en korte phalangen (vingerkootjes) zijn te herkennen op een röntgenbeeld. Daarnaast is er lumbaal een afname van de interpedunculaire afstand van de wervels. Veel mensen met achondroplasie hebben ook last van obesitas, slaapapneu en middenoorproblemen. De behandeling is symptomatisch gebaseerd, waaronder groeibevordering (zoals groeihormonen of ledemaatverlenging), decompressie ruggenmerg en psychosociale behandeling. Gentherapie wordt nog heel weinig gebruikt.

Bij achondroplasie is er sprake van een gain of function mutatie bij aminozuur 380 op het FGFR3-gen, waarbij glycine verandert in arginine. Het FGF is een groeihormoon. Deze bindt aan een receptor waardoor kinase kan binden. Dit geeft een signaal af wat naar de groeischijf gaat. Bij een mutatie in het FGFR3-gen zijn alleen de lange pijpbeenderen aangedaan. De overerving is autosomaal dominant. Als één ouder de aandoening heeft, heeft het kind 50% kans om de aandoening te krijgen. Bij twee aangedane ouders is er 50% kans op een kind met achondroplasie, 25% kans op een lethale vorm van achondroplasie en 25% kans op een gezond kind. Een nieuwe mutatie (80-90% van de gevallen) komt heel vaak van de vader af.

Achondroplasie wordt vaak verward met hypochondroplasie, doordat ze vergelijkende symptomen hebben. Thanatophore dysplasie (TD) is een veel erger ziektebeeld en is ook meestal niet levensvatbaar. Bij type 1 TD is sprake van een gebogen femora en bij type 2 een klaverbladschedel. Bij SADDAN is er sprake van een ernstige vorm van achondroplasie met ontwikkelingsproblemen.

PD: Behandeling achondroplasie

Er is een Gain of function mutatie in FGFR3. Hierdoor staat de MAPK pathway continu aan. Mogelijke therapie bestaat uit het remmen van de FGFR3 signalling. Tyrosine kinase bindt aan de receptor en zorgt voor fosforylering en activatie van eiwitten. Dit signaal zorgt in de cel voor minder proliferatie en differentiatie.
C-type natriuretisch peptide (CNP) en NPR-B zijn belangrijke regulatoren van lengtegroei. NP kan binden aan de NPR-B receptor. Er vindt dimerisatie plaats (enzym gekoppelde receptor). Dit zorgt voor omzetting van GMP naar cGMP. Deze is van invloed op de MAPK pathway. Het zorgt dus voor negatieve regulatie van de MAPK pathway. Dit kan gebruikt worden om de groei te bevorderen. NPR-B is een membraangebonden guanyly cyclase gekoppelde receptor.

Verschillende mutaties in het natriuretisch peptide systeem:

• Loss of function van het NPR2 gen:
• Bi-allelisch: Acromesomelische dysplasie type Maroteux; skeletdysplasie met extreem kleine lengte, 5SD lengte onder het gemiddelde en kromme botten
• Heterozygoot: kleine lengte
•  Gain of function van het NPR2 gen
  • Heterozygoot: grote lengte, 5SD boven het gemiddelde lengte van een man

Een loss-of-function mutatie kan homozygoot (geen productie van NPR2) en heterzygoot (verminderde productie NPR2) zijn. Door deze mutatie wordt het MAPK pathway minder geremd wat resulteert in minder proliferatie en groei.

Een gain-of-function mutatie, homozygoot of heterozygoot, zorgt beide voor meer productie dan normaal. Hierdoor is een hele sterke remming, dus hele sterke groei. CNP zorgt voor negatieve regulatie van de MAPK pathway, maar wordt snel afgebroken in de circulatie. Een alternatief hiervoor is analoge CNP. Dit wordt minder snel afgebroken. Een kenmerk voor achondroplasie is dat de hypertrofe zone van de groeischijf kleiner is, zowel bij mensen als bij muizen. Het toedienen van CNP analoog verbetert de grootte en opbouw van de groeischijf in ex vivo muisbotten met achondroplasie. Ook tien dagen tot 20 dagen behandeling met subcutane injecties laten effect zien. Mensenstudies naar analoog CNP (BMN111) laten zien dat het veilig is om te gebruiken en zorgt voor een toename in de groeisnelheid. Er zijn geen veranderingen in lichaamsverhoudingen te zien. De uitdaging is het brengen van de BMN111 naar de groeischijf. Eventueel is dit mogelijk door gentherapie met behulp van recombinant adeno-associated virus (rAAV). Dit virus komt voor bij het grootste gedeelte van de bevolking en is onschadelijk.

Notes (Thema: Cytoskelet en extracellulaire matrix)

HC: Cytoskelet

Het cytoskelet is een ingewikkeld netwerk van draadvormige moleculen in het cytoplasma. Het zorgt voor de lokalisatie van organellen, transport in de cel, segregatie van chromosomen en het splitsen van een cel in twee dochtercellen (cytokinese). Er zijn drie soorten filamenten: intermediaire filamenten, microtubuli en actine filamenten.

Intermediaire filamenten
Intermediaire filamenten bevinden zich cytoplasmisch (zoals keratines, vimentine en neurofilamenten) en nucleair (nucleair lamina). Ze zijn flexibel, hebben een grote trekkracht, zorgen voor een verdeling van de mechanisme stress en voorkomen het kapotscheuren van weefsels. Intermediaire filamenten bestaan uit α-helix monomeren die dimeren vormen. Twee dimeren vormen een tetrameer. Deze hebben geen polariteit. Twee tetrameren komen naast elkaar te liggen. Acht tetrameren vormen een filament.

Epidermolysis bullosa simplex is een zeldzaam syndroom (1 op 30.000). Kenmerkend is de blaarvorming door wrijven of krabben. Het erft autosomaal dominant over en wordt veroorzaakt door een mutatie in keratinegen KRT5 of KRT14. Intermediaire filamenten zijn losse draden in het cytoplasma die bij stretchen worden strak getrokken waarmee ze de huid  beschermen. Bij een mutatie waarbij deze draden niet bestaan worden de cellen uit elkaar en kapot getrokken.

Hutchinson-Gilford progeria wordt gekenmerkt door versnelde veroudering. Er is sprake van groeiachterstand, prominente oren, smalle neus, kaalheid, verouderde huid, weinig subcutaan vet en gewrichtsafwijkingen. Het komt 1 op de 4 miljoen voor. Het is autosomaal dominant en komt door een mutatie in LMNA gen, het Lamina A eiwit. De nucleaire lamina vormt een netwerk aan de binnenkant van de kernwand waaraan de chromatine kan bevestigen.

Het type intermediaire filament in een tumor geeft de oorsprong van de tumorcel weer (bijvoorbeeld epitheliaal (keratine) of mesenchymaal (vimentine)). Er zijn eiwitten die onderscheid kunnen maken tussen filamenten en keratines. De oorzaak van de tumor geeft meer inzicht in hoe de tumor het best bestreden kan worden.

Plectine vormt een koppeling tussen intermediaire filamenten en microtubuli/actine filamenten. Bij een mutatie in plectine ontstaat er een zeer ernstig fenotype. Er vindt bijvoorbeeld blaarvorming, neurale afwijkingen of spierdystrofie plaats.

Microtubuli
Microtubuli zijn buisvormige eiwitmoleculen. Zij zijn belangrijk voor de positionering van organellen in de cellen, transport van moleculen en vesicles, de mitotische spoelfiguur en het bewegen van cilia/flagellen.

Een kenmerk is dat zij dynamisch instabiel zijn. Een microtubulus wordt opgebouwd uit heterodimeren van α en β tubuline. Zij vormen protofilamenten. 13 protofilamenten vormen een holle cilindrische buis. Deze heeft een structurele polariteit. De diameter van een microtubuli (25 nm) is groter dan de intermediaire filamenten.

De aanmaak van microtubuli vindt plaats vanuit een organisatie centrum, zoals een centrosoom. Een centrosoom bestaat uit een matrix van eiwitten, waaronder ringvormige γ-tubuline (van waaruit de microtubuli groeien) en twee centriolen waarvan de functie niet duidelijk is. Centriolen zijn hetzelfde als de basale bodies in microvilli.

Tubuline bindt met GTP en bindt met de microtubuli waardoor de microtubuli groeit. Als de binding sneller plaats vindt dan GTP hydrolyse groeit de microtubuli. GTP hydrolyse zorgt ervoor dat protofilamenten met GDP van elkaar scheiden en tubuline moleculen met GDP zich afscheiden. Dit zorgt voor verkleining van de microtubuli. Er is sprake van dynamische instabiliteit van microtubuli: de groei (polymerisatie) en krimp (de-polymerisatie) vindt plaats in verschillende richtingen. Als microtubuli die celwand bereiken vormt zich een kap die zorgt voor stabilisatie. 

Tijdens de mitose zorgen microtubuli voor de stabilisering van de mitotische spoelfiguur. Er vindt duplicatie van centrosomen plaats. Spoeldraden gaan zich uitstrekken wat zorgt voor dynamische instabiliteit. Stabilisatie vindt plaats door interactie, tussen microtubuli: interpolaire microtubuli. Microtubuli zonder interactie heten aster microtubuli. Microtubuli binden tijdens de prometafase aan de kinetochoor van de chromosomen (kinetochoor microtubuli). Tijdens de anafase worden de kinetochoor van de zusterchromatiden uit elkaar getrokken.

Er zijn stoffen die microtubuli beïnvloeden. Taxol bindt en stabiliseert microtubuli. Colchicine/colemide bindt subunits en voorkomt polymerisatie, net als vinblastine/vincristine. Dit kan gebruikt worden bij tumoren. De mitose waar deze cellen zich in bevinden kan niet worden afgemaakt waardoor de cellen in apoptose gaan.

Actine filamenten
Actine filamenten bestaan uit polymeren van actine monomeren. 5% van alle eiwitten is actine. Het is in vergelijking met microtubuli relatief stabiel en is van belang bij celbeweging. Actine filamenten bevinden zich in spierweefsel. Actine filamenten zijn bepalend voor de vorm, plasticiteit en diverse functies. Zij zitten in microvilli, contractiele bundels, spelen ene rol bij celverplaatsing en vormen een ringstructuur tijdens de celdeling.

Twee actine monomeren vormen een actine filament met een structurele polariteit met een plus en een min eind. ATP hydrolyse aan de min kant destabiliseert het actine polymeer waardoor de lengte afneemt, terwijl binding met ATP aan de plus kant zorgt voor groei. Er vindt tegelijkertijd groei en krimp plaats waardoor de groei stabieler is dan bij microtubuli maar ook minder dynamisch. Vrije actine filamenten in het cytosol zijn gebonden aan actine-bindende eiwitten.

Tijdens de mitose vormen actine en myosine filamenten een contractiele ring tussen de twee centrosomen waar de uiteen getrokken zusterchromatiden liggen. Deze ring wordt steeds kleiner waardoor de cellen van elkaar worden afgesplitst en dochter cellen vormen.

Er zijn verschillende stoffen die actine filamenten beïnvloeden:

• Phalloidine: bindt en stabiliseert filamenten

• Cytochalasine: vormt een kap om het filament aan de plus kant

• Latrunculine: bindt aan subunits en voorkomt polymerisatie

HC Extracellulaire matrix

De extracellulaire matrix (ECM) is een verzameling van extracellulaire moleculen die door cellen worden uitgescheiden. Het heeft als functies: structurele en biochemische ondersteuning, cel adhesie, communicatie en differentiatie. De ECM bestaat uit integrines, collageen vezels en complex moleculen/proteoglycanen.

Fibronectine en integrine verbinden de cel met ECM. Integrine dimeren bevinden zich in het plasma membraan en zijn in de cel verbonden met adaptor eiwitten die binden aan actine filamenten en buiten de cel verbonden met firbronectine die bindt aan collageen fibrillen. Integrines kunnen op twee manier geactiveerd worden: intracellulair of extracellulair. Een actief integrine  kan over de oppervlakte van de cel bewegen.

Proteoglycanen zijn polymeren van twee suikers: glycosaminoglycanen. Glycosaminoglycanen gaan de interactie aan met eiwitten in de extracellulaire matrix en vormen proteoglycanen. Proteoglycanen zijn extreem divers in grootte, vorm en samenstelling. Zij zijn hydrofiel (trekken water aan) en vormen gels met verschillende poriegrootte waardoor zij een filterfunctie hebben voor moleculen.

Collageen is bindweefsel. Het is het meeste voorkomende eiwit in de ECM. 1/3 van het menselijk eiwit bestaat uit collageen. Er zijn 28 verschillende types collageen die gevormd worden uit 46 verschillende polypeptide ketens. Collageen type 1 is het meest voorkomend en is net zo sterk als staal. Collageen geeft stevigheid, elasticiteit, ondersteuning en vorm aan weefsels. Het verleent ondersteuning en flexibiliteit aan kraakbeen. Collageen beschermt delicate organen zoals de nier en de milt. Collageen is ook onderdeel van de sclera van het oog en het speelt een rol bij de vorming van tanden. Ook is collageen belangrijk voor cel proliferatie en differentiatie. Collageen stimuleert trombus vorming in beschadigde bloedvaten. Als laatste speelt het een rol bij wondgenezing.

De verschillende typen collageen bestaan uit fibril vormende, netwerk vormende, FACIT’s, transmembranen en multiplexine collageen. Mutaties in de verschillende typen collageen veroorzaken verschillende ziekten. Osteogenesis imperfecta komt voor bij 1:15.000. Er zijn acht subtypes. Het is autosomaal dominant en wordt veroorzaakt door een mutatie van Col1A1 of Col1A2. Er zijn meer dan 200 verschillende mutaties.

Collageen
Collagene vezels zijn opgebouwd uit fibrillen. Deze fibrillen bestaan uit triple helix moleculen die gevormd worden door alfa ketens. De primaire structuur is de specifieke aminozuur volgorde. Op elke derde positie zit een glycine. Naast glycine bevat collageen ook veel proline. hydroxyproline en hydroxylysine.

Een tropocollageen monomeer is niet hetzelfde als een alfa keten. Er vindt stabilisatie plaats tussen tropocollageen door restgroepen van prolinse en hydroxyprolines in plaats van door waterstofbruggen. Daarnaast is het linksdraaiend in plaats van rechtsdraaiend. De tropocollageen monomeren vormen door middel van H-bruggen tussen de ketens een tropocollageen triple helix. Het is een compact molecuul door de kleine restgroep van glycine.

Biosynthese van collageen vindt zowel intracellulair als extracellulair plaats DNA wordt in de nucleus getransripteerd en vormt mRNA. Dit gaat de celkern uit en wordt in het cytosol door een ribosoom gebonden waarna de eiwitsynthese plaats vindt. Aan het uiteinde zit een signaal peptide dat bindt met het endoplasmatisch reticulum. Hier vindt verdere eiwitsynthese plaats. Het eiwit bevindt zich in het lumen van het ER. De signaal peptide wordt verwijderd waarna de procollageen synthese begint. Er vindt hydroxylering van prolines en lysines plaats. Vitamine C is een cofactor bij de prolinehydroxylering. Tussen twee α1 en één α2 ketens vormen zwavelbruggen. Zwavelbruggen kunnen alleen in het lumen van het ER gevormd worden en anders buiten de cel. Hierna vindt glycosylering plaats van hydroxylysines. De ketens vormen en triple helix van de C naar de N terminus. De triple helix wordt vervolgens getransporteerd naar de kernmembraan en uitgescheiden. Buiten de cel worden de propeptides verwijdert door proteases. Dit gebeurt extracellulair omdat de helix zich anders gaat binden in de cel en daardoor te groot is om de cel uit te kunnen. De ontstane tropocollageen vormt fibrillen door tropocollageen crosslinking tussen lysines en tussen hydroxylysines. De fibrillen vormen een collageenvezel.

Scheurbuik, vitamine C en collageen
Zoals als eerder werd gesteld is vitamine C is een cofactor voor de hydroxylering van proline naar hydroxyproline. Met hydroxyproline kan intact collageen gevormd wordt.

Osteogenesis imperfecta
Bij osteogenesis imperfecta is sprake van een collageen type 1 mutatie. Collageen vezels bevatten normaal gesproken twee α1 ketens en één α2 keten. Mutatie in een van de genen die coderen voor deze ketens veroorzaken een incomplete triple helix. Hierdoor vindt overhydroxylering/overglycosylering plaats. Daardoor wordt veel minder collageen type 1 gevormd bij osteogenesis imperfecta. 

PD Bindweefselziekte

Bindweefsel heeft als functie:

• Stevigheid: door collagene vezels

• Vorm(amorfe grondsubstantie): door proteoglycanen, hyaluronzuur en glycoproteïnen

• Elasticiteit: door fibrilline en elastine

Een (tropo)collageen molecuul bestaat uit drie polypeptides die samen een triple helix vormen. Bij een homotrimeer wordt de collageen gevormd door één type polypeptide. Bij een heterotrimeer is deze gevormd door verschillende typen polypeptiden. Deze polypeptiden wordt gecodeerd door verschillende genen.

Verschillende typen collageen worden door verschillende genen gevormd, dus mutaties in verschillende genen kunnen tot dezelfde afwijkingen leiden.

Verschillende typen collageen:

• Collageen type 1: botten. Mutatie kan leiden tot osteogenesis imperfecta (broze bottenziekte). Dit zorgt voor zwakke botten en snel breuken bij vallen. Het kenmerkt zich door blauw oogwit, slechthorendheid en afwijkend tandglazuur (grote kans op cariës).

• Collageen type 5: huid. Bij het Ehlers-Danlos syndroom klassieke type zit hier een mutatie.

• Collageen type 3: bloedvaten. Mutatie leidt tot Ehlers-Danlos syndroom vaattype.

De mate van ernst van osteogenesis imperfecta verschilt. Er kan minder collageen type 1 worden aangemaakt of er kan een afwijkende triple helix gevormd worden. Collageen type 1 is heterotrimeer en bestaat uit twee α1 ketens en één α2 ketens. In de beide genen die voor deze ketens coderen kunnen mutaties voorkomen. Echter is het fenotype hetzelfde.

Er zijn verschillende typen van het Ehlers-Danlos syndroom:

• Type I en 2 / klassiek type: gendefect COL5A1 en COL5A2

• Type 3 / hypermobiele type: gendefect onbekend

• Type 4 / vasculaire type: gendefect COL3A1

• Type 5 / kyfoscoliose type: gendefect PLOD

• Type 7a en 7b / arthrochalasia type: gendefect COL1A1 en COL1A2

• Type 7c / dermatosparaxis type: gendefect ADAMTS-2

Het klassieke type wordt gekenmerkt door: elastische huid, sigarettenpapier littekens, hypermobiele gewrichten, blauwe plekken en molluscoïde pseudotumoren (soort wratjes op drukpunten/verbindweefselde hematomen). De Beighton score geeft inzicht in de hypermobiliteit van een patiënt met Ehlers-Danlos syndroom.

Het klassieke type erft autosomaal dominant over. In 50% van de patiënten wordt een mutatie in COL5A1 of COL5A2 gevonden. De meeste mutaties leiden tot verminderde productie van het eiwit. Echter kan er ook sprake zijn van een stopmutatie die zorgt voor afbraak van het verkort eiwit waardoor minder collageen type 5 geproduceerd wordt. Type 5 collageen komt in kleine hoeveelheden voor (5% van totale collageen). Echter wordt het ingebouwd in onder andere collageen type 1. Na uitscheiding uit de cel wordt de staart van het collageen afgeknipt, maar de kop niet (dit gebeurt normaal gesproken wel). De kop heeft regulator functie in het collageen die daardoor niet werkend is.

De kenmerken voor het Ehlers-Danlos syndroom vaattype zijn rupturen van arteriën en holle organen, pneumothorax, acrogeria (verouderde) en dunne huid en opvallende gelaatskenmerken. Hypermobiliteit is minder van belang. Dit wordt veroorzaakt door een mutatie in COL3A1. Deze is belangrijk voor het produceren van collageen type 3. Collageen type 3 is homotrimeer, dus bestaat uit drie dezelfde polypetides. Bij een heterozygote mutatie in het COL3A1gen is 87,5% (7/8) van de collageenmoleculen afwijkend. Dit zorgt voor veel afwijkingen. De mutatie wordt veroorzaakt door skipping van exon 38, waardoor er 54 basen worden gedeletet en het eiwit 18 aminozuren te kort is. Dit zorgt voor een verstoring van de helixformatie en een vertraagde processing en overmodificatie van het eiwit.
Collageen type 3 bevindt zich in de wand van arteriën, wand van holle organen en de huid. Een mutatie zorgt voor bloedingen. Een mutatie waarbij minder collageen type 3 gemaakt wordt, heeft vergelijkbare kenmerken, maar heeft veelal een milder fenotype.

Het vaattype is autosomaal dominant. Er wordt afwijkend of minder collageen type 3 aangemaakt. De mediane overleving is 48 jaar.

Kenmerken van het EDS kyfocoliose type (type 6) zijn:

• Hypotonie en kyfoscoliose (extreme bolling in de rug) bij geboorte

• Elastische en fragiele huid

• Soms arteriële rupturen

• Soms cornea ruptuur

Er is sprake van recessieve overerving. Er is een mutatie in het gen dat zorgt voor procollageen lysyl hydroxylase. Er vindt onderhydroxylatie plaats van collageen lysyl residuen. Hydroxylatie is belangrijk voor het vormen van de triple helix. Het afwijkend patroon van crosslinks tussen collageen is terug te vinden in de urine.

Mutaties in de genen die de structuur of de hoeveelheid collageen verstoren zijn bijna altijd dominant, zoals EDS klassiek type of EDS vaattype. Mutaties die de enzymfunctie verstoren zijn vrijwel altijd recessief, zoals EDS kyfoscoliose type.

Notes (Thema: Membranen en Transportprocessen)

HC: Ligand-eiwitbinding en enzymologie

Een Ligand is een substantie die samen met een biomolecuul een complex vormt en voor een reactie zorgt.

Een receptor kan in het membraam zitten of in de kern van een cel. De receptor bindt een extracellulair molecuul, zoals een hormoon. Deze receptor geeft een signaal door in de cel, waardoor eiwitten in de cel van functie veranderen. Hierdoor vindt transcriptie en translatie plaats, waardoor de eiwitten van functie veranderen en dit zorgt voor een verandering in het functioneren van de cel.

Een membraaneiwit heeft een secundaire helixstructuur van alfa-ketens en een extracellulaire bindingsplaats. Adenosine receptor 2A is zo’n membraaneiwit. Adenosine bindt aan deze receptor en veroorzaakt slaap in de hersenen bij vermoeidheid. Cafeïne zorgt ervoor dat adenosine niet kan binden. Een agonist is een activerende stof (in dit geval adenosine). Een antagonist is een inhiberende stof (zoals caffeïne).

Een ligand bindt aan een membraanreceptor en zorgt voor een intracellulaire respons. 

Het Lock-key principe houdt in dat elke bindingsplaats bij een specifieke stof hoort. Hierna worden zwakke non-covalente bindingen gevormt.

Een ligand eiwit en een vrije receptor binden met een bepaalde snelheid (k₁) tot een complex (AR). AR deelt zich weer in delen met een bepaalde snelheid (k_-1). In evenwicht is er een evenwichtsconstante (K_L = k_-1/ k₁= [L] x [Rfree] / [AR]). Er is sprake van een maximaal aan ligand bindingen. B = B_max [L] / ([L]+ KL).

De snelheid en de maximale aantal ligand bindingen bepalen hoe snel er sprake is van receptor saturatie.

• Hoge affiniteit: er is weinig ligand nodig voor de binding.

• Lage affiniteit: er is veel ligand nodig voor de binding.

Enzymologie

Een enzym is een biologische katalysator. Hexokinase (enzym) zorgt voor een omzetting van glucose en ATP naar Glucose-6-p + ADP. Dit vindt plaats in de glycolyse.

Enzymen worden actief met behulp van activatie energie. De reactant heeft meer energie dan het product. Er is een potentiële energiebarrière die voorkomt dat een reactie plaatsvindt. Het enzym verlaagt de energiebarrière, zodat er wel een reactie kan plaatsvinden.

Er is sprake van een sleutel-slot principe bij enzymen. Dit betekent dat het substraat zeer specifiek is voor elk enzym. Een enzym bindt aan een substraat en vormt een enzym-substraat complex. Hierna vindt de katalyse plaats en ontstaat een enzym-product complex. Vervolgens laat het product los van het enzym.

Er zijn verschillende belangrijke soorten enzymen:

• Hydrolase: enzymen die een hydrolytische brekingsreactie katalyseren.

• Protease: enzymen die eiwitten uit elkaar halen door peptide bindingen tussen aminozuren te hydrolyseren.

• Polymerase: enzymen die polymerisatie reacties katalyseren, zoals de synthese van DNA en RNA.

• Kinase: enzymen die de toevoeging van fosfaatgroepen aan moleculen katalyseren.

• Fosfatase: katalyseert de hydrolytische verwijdring van fosfaat groepen van een molecuul.

• Lipase: breekt lipiden af met hydrolyse.

Twee eigenschappen van enzymen:

• pH afhankelijkheid: de activiteit van een enzym is afhankelijk van de pH. Activiteit is de hoeveelheid substraat die wordt omgezet. De pH-waarde geeft ook aan waar het enzym zich bevindt. Verschillende enzymen hebben een hogere activiteit bij andere pH-waardes. Pepsine doet het goed in een zuur pH, amylase in een neutraal pH en arginase in een basisch pH.

• Effect van temperatuur: een enzym doet het slecht bij een lage temperatuur, omdat de activiteit van de moleculen laag is, waardoor er minder chemische reactiviteit is. Bij een te hoge temperatuur denatureren de eiwitten: zij gaan kapot. Daarom is een hyperthermie (koorts) lethaal.

Enzym kinetiek wordt beschreven met: E + S <> ES > E + P. De omzetting van E + S naar ES vindt plaats met k₁ en de omzetting van ES naar E + S met k_-1. De omzetting van ES naar E + P met k_p.

• K_m = Michaelis constante = [S[ bij halve V_max. Km = (k−1 + kp) / k1.

• V (snelheid) = V_max * ([S] / K_m + [S])

De snelheid, of activiteit van het enzym is gerelateerd aan de maximale snelheid van het enzym.

Enzym kinetiek lijkt op de receptor ligand kinetiek, maar bij een enzym mag eigenlijk niet gesproken worden van een hoge affiniteit en een lage affiniteit.

V_max hangt af van:

• Hoeveelheid enzym: hoe meer enzymen, hoe meer activiteit

• Turnover nummer: aantal keren per seconde dat een enzym-molecuul een reactie kan katalyseren. Dit verschilt per enzym.

Een competitieve remmer heeft eenzelfde bindingsstructuur als een substraat. Deze bindt aan de receptor, waardoor het substraat niet meer kan binden en de reactie wordt geremd. Een competitieve remmer verhoogt de Km. Het berekenen van de constante snelheid van dit proces kan teruggevonden worden in de dia's.

Non-competitieve inhibitie vindt plaats bij een receptor met twee bindingsplaatsen; één voor een substraat en één voor de inhibitor. Zie de dia’s voor de snelheid van dit proces. Een niet-competitieve remmer verlaagt de V_max.

HC: Membranen en transport

Een fosfolipide is een amfipatisch molecuul. Het heeft een hydrofobe staart en een hydrofiele kop (choline en fosfaatgroep). De staart bestaat uit twee delen (glycerol met 2 vetzuren). Vaak heeft een van de twee staarten dubbele bindingen, waardoor een knik ontstaat. Een knikje in de staart betekent dat het onverzadigd is. Het amfifatische karakter zorgt voor een fosfolipidedubbellaag, met het hydrofobe (staart) deel naar binnen. Deze dubbele laag van fosfolipiden kan een cirkel vormen, een liposoom. Dit is een blaasje gevuld met water.

De dubbele bindingen zorgen ervoor dat de fosfolipiden niet meer helemaal goed aansluiten. Het membraan wordt vloeibaarder en lipiden mobieler. De mobiliteit hangt ook af van de lengte van de staarten. In dierlijke cellen kunnen de gaten die ontstaan door de knik in de staart worden opgevuld door een ander amfifatisch molecuul: cholesterol. Dit geldt als een regulator van de vloeibaarheid, het verstijft het dus iets. Temperatuur is ook een belangrijke factor.

De fosfolipiden zijn continu in beweging. Ze draaien om hun eigen as (rotatie), buigen (flexie) en wisselen van positie binnen dezelfde laag (laterale diffusie). Wisseling tussen twee lagen (flip-flop) gebeurt zelden. Naast fosfolipiden bevat het membraan ook eiwitten, die dus ook over het membraan bewegen. Dit is essentieel voor het functioneren van een cel.

Membraaneiwitten

• Transporteiwitten

• Ankers (Anchors), koppelen membraaneiwitten bepalen zo de vorm

• Receptoren binden buiten de cel aan een stof en geven binnen signaal af in de cel

• Enzymen katalyseren reacties

Soorten membraan geassocieerde eiwitten

• Transmembraaneiwitten: vaak gevormd door alfa-helices met de hydrofobe (apolaire) zijketens naar buiten. Meerdere transmembraaneiwitten samen kunnen een porie vormen; een kanaaltje om stoffen door te laten. Dit kanaal heeft een polaire binnenkant.

• Monolaag: zit in een laag van de dubbele lipide laag. Dit is vaak een alfa-helix.

• Lipide-linked eiwit: zit vast aan een lipide.

• Proteïne-attached: zit vast aan een andere eiwit.

Apolaire, ongeladen moleculen (geen ionen!) kunnen door middel van passieve diffusie door het membraan heen. Dit zijn dus apolaire moleculen, zoals O2, CO2 en N2. Kleine polaire moleculen kunnen er ook doorheen (water, glycerol, ethanol). Hier geldt hoe groter hoe minder makkelijk het gaat. Grote en geladen moleculen gaan door het membraan heen via actief transport. Er zijn verschillende manieren van transport:

• Transportkanalen: vooral transport van ionen. Dit is een vorm van passief transport en wordt gekenmerkt doordat het met de  concentratiegradiënt meegaat (van een hoge naar een lage concentratie).

• Actief transport: tegen de concentratiegradiënt in. Het maakt gebruik van ATP of liht (primair actief transport) of een co-transporter (secundair actief transport).

• Gefaciliteerde diffussie/passief transport: met de concentratiegradiënt mee. Door het binden met een molecuul is het transport heel selectief. De kinetiek grafiek is hetzelfde als die van de enzym katalysatie.

In darmepitheelcellen wordt er gebruik gemaakt van een co-transporter (zowel symport als antiport). Glucosemoleculen gaan samen met een natrium molecuul de cel in. Dit co-transport zorgt ervoor dat glucose tegen de concentratiegradient de cel in kan gaan.

Signaaltransmissie in cellen

Er zijn verschillende ionkanalen. Ze gaan open op verschillende manieren: door verschil in lading, als reactie op een ligand (binnen of buiten de cel) en reagerend op stress. Ladingsverschillen in de zenuwcellen worden voornamelijk veroorzaakt door verschil in de concentratie van natrium. De natriumconcentratie is buiten de cel heel hoog en binnen de cel laag, net als de calciumconcentratie. De kaliumconcentratie is binnen de cel veel hoger. Er zijn lekkanalen voor kalium, maar door de ladinggradiënt kan het niet allemaal naar buiten. De lading is normaal binnen de cel negatief. Bij een actiepotentiaal schiet dit omhoog. Door het binden van neurotransmitters worden de natrium kanalen geopend. Er vindt propagatie van het actiepotentiaal plaats. De gradiënt stijgt tot de grenswaarde, de natriumkanalen worden geïnactiveerd en kalium stroomt naar buiten om de lading te herstellen. Hierna worden de natriumkanalen weer geactiveerd (maar zijn dan gesloten). Het natrium in de cel wordt later naar buiten gepompt door een actieve natrium-kaliumpomp. Eenmaal bij de synaps aangekomen, stroomt calcium de presynaptische cel binnen, die ervoor zorgt dat de vesicles met neurotransmitter erin versmelten met het membraan. De neurotransmitter bindt aan de membraaneiwitten in de postsynaptische cel. De membraaneiwitten zorgen ervoor dat depolarisatie plaatsvindt en het signaal wordt voortgeleid.

PD: Ionkanaalziekte

Cystic fibrosis, cysteuze fibrose, mucoviscoïdose of taaislijmziekte wordt veroorzaakt door een deletie op de lange arm van chromosoom zeven. De ziekte erft recessief over. De ziekte wordt veroorzaakt door deletie van een aminozuur in het CFTR eiwit. Het eiwit zorgt normaal gesproken voor een chloorkanaal. Als chloor de cel kan verlaten, vermindert hiermee de osmotische waarde en stroomt er dus meer water uit de cel. Als dit niet kan, komt er ook meer natrium in de cel waardoor er nog meer water de cel in stroomt. Bij delta F508 wordt het eiwit in het ER vastgehouden en afgebroken omdat deze fout er is (deletie). Het celmembraan heeft dan dus helemaal geen chloorkanalen.

Verschillende soorten defecten:

• defect in eiwitproductie (klasse 1): geen CFTR aanwezig

• defect in eiwitverwerking (klasse 2): CFTR komt niet op de juiste plek (deltaF508)

• defect in regulatie (klasse 3): kanaal werkt onvoldoende

• defect in kanaaldoorgankelijkheid (klasse 4)

• kleinere hoeveelheid CFTR (klasse 5): minder stabiel

De problemen bevinden zich in de luchtwegen, spijsvertering (darmen en pancreas) en bij het genitaal secreet.

In de luchtwegen veroorzaakt het taai slijm. Hierdoor krijg je herhaaldelijk infecties en daardoor ontstaat luchtwegschade en als het vaak herhaald bronchiëctasieën. Als gevolg hiervan treden vaker luchtweginfecties op. Daarbij gaat het weefsel stuk en er ontstaan verwijdingen met minder oppervlak en een andere structuur door littekenweefsel. Hierdoor ontstaat uiteindelijk een verstoorde longfysiologie en dus een verminderde longfunctie.

Voor de diagnose van CF wordt lichamelijk onderzoek gedaan (de laatste vingerkootjes zijn dikker dan normaal) en een thoraxfoto en CT-scan gemaakt. Ook wordt er een longfunctie en een sputumkweek afgenomen.

De spijsvertering krijgt een stoornis in resorptie als gevolg van te dik pancreassecreet. Vet en in vet oplosbare vitaminen en calorieën worden onvoldoende opgenomen. Ook is men veel energie kwijt met adem en hoestarbeid. Er ontstaat een groot energietekort. De hoeveelheid vet en vitaminen wordt gemeten in de feces.

Het cervixslijm, spermavocht en de zaadleiders (vas deferens) worden aangetast, waardoor patiënten met CF minder vruchtbaar of onvruchtbaar zijn.

Ook kan er diabetes ontstaan door de ontstekingen in de pancreas en de cellen van Langerhans die kapot gaan. Er wordt veel energie gebruikt, waardoor je makkelijk in katabole toestand terecht kunt komen. Je moet dus meer eten (ongeveer twee keer zoveel) en er is vaak sprake van een groeiachterstand. Dit kan tot overgewicht leiden, daarom is sporten belangrijk, ook voor de longfunctie.

De ziekte kan met een zweettest aangetoond worden, het chloorgehalte wordt dan gemeten. Ook wordt in het DNA gekeken naar de mutatie. Verder kan het Cl-transport worden gemeten in darm of neusslijmvlies.

Behandeling

De behandelingen bestaat uit vernevelen om het slijm minder taai te maken, antibiotica om de infecties tegen te gaan, sporten om de longen goed te trainen en de voeding moet worden aangepast. Andere therapievormen zijn longtransplantatie, gentherapie en CFTR modulatoren. De levensverwachting is gemiddeld 40 jaar.

De ziekte kan bij prenatale diagnostiek worden opgespoord. De andere klachten zijn heel algemeen, dus het is moeilijk om vroeg op te sporen. De groeicurve wijkt wel af en er zijn vaak dysmorfe kenmerken of afwijkende lichaamsproporties.

HC: Eiwittransport in de cel

De eiwitten van een ribosoom worden gevormd in het cytosol en geïmporteerd in de kern. De units bestaan uit rRNA en eiwitten. De genen hiervoor liggen op de korte arm van de vijf acrocentrische chromosomen. In de kern wordt een nucleolus gevormd bij transcriptie. In de nucleoli worden de subunits geassembleerd en ze verlaten de kern via kernporiën. In het cytosol wordt het functionele ribosoom samengesteld.

Op het N-terminale deel van een eiwit zit een signaalsequentie die aangeeft waar het product heen moet. Alleen de producten die in het cytosol (cytoplasma zonder organellen) horen hebben geen signaal.

In de mitochondriën zitten speciale receptor- en translocator eiwitten in het buitenmembraan. Het dubbele membraan komt nog voort uit de evolutie. In het binnenmembraan zit ook een translocatoreiwit. Er zijn verschillende signalen voor beide membranen TIM en TOM. Het eiwit wordt ontvouwen en gaat door deze translocator eiwitten. Binnenin het binnenste membraan wordt het opnieuw opgevouwen. Hier gaat ook het signaal eraf. Andere signalen:

• Peroxisomaal; er zitten speciale receptor en translocator eiwitten in het membraan.

• Nucleair; dit gebeurt door de kernporiën. Deze lokaliseren het signaal op het eiwit en laten het naar binnen als het klopt.

• ER-signaal; deze gaat via het ER en het golgi apparaat.

Tijdens de synthese herkent een Signal Recognition Particle (SRP) de ER-signaal sequentie. Vervolgens valt de eiwitsynthese heel even stil. Het SRP bindt aan een SRP receptor die naar een translocatie kanaal doorgestuurd wordt. Het geheel bindt aan het translocator kanaal op het ER. Vervolgens komt de eiwitsynthese weer op gang. Het N-terminale deel van het eiwit verschijnt met een lus in lumen van het ER door het kanaal. De synthese gaat ondertussen nog steeds door. Nieuwe ribosomen starten op het ER-gebonden 5’ einde van het mRNA. De signaalsequentie wordt eraf geknipt door het enzym signaal peptidase. Ondertussen gaat de eiwitsynthese door totdat ook het C-terminale deel in het lumen zit. De lus wordt geglycolyseerd tijdens de synthese. Een suikergroep wordt vanaf het membraan op het eiwit toegevoegd. Het eiwit gaat volledig de cel in, of zoals bij plasmamembraaneiwitten blijft een deel steken. Om het deel te laten stoppen is een hydrofobe stoptransfersequentie nodig.

Als het eiwit buiten de cel moet komen, gebeurt dit door middel van exocytose. Dit kan op geregelde wijze, zoals gebeurt bij hormonen, of op constitutieve wijze. Er vindt eerste kwaliteitscontrole plaats in het ER. Er moet goede vouwing plaatsvinden, chaperonne moleculen helpen hierbij. Vervolgens knoppen er blaasjes af die diffunderen naar het Golgi apparaat. Deze fuseren daar aan de cis-zijde. Dit is de zijde die het dichtst bij de kern zit. Vervolgens verplaatst het eiwit zich via cisterne naar cisterne (delen van het Golgi-apparaat) naar de trans-zijde. Terwijl dit gebeurt worden de eiwitten verder geconcentreerd en vinden de laatste bewerkingen plaats. Eenmaal aangekomen aan de trans-zijde worden hier secretieblaasjes afgeknopt die zich naar het plasmamembraan bewegen. Deze blaasjes fuseren met het plasmamembraan waardoor het eiwit de cel uit gaat. Dit kan ook worden beïnvloedt door neurotransmitters. Een belangrijk voorbeeld hiervan is calcium. De concentratie van calcium wordt in een cel laag gehouden en als het naar binnen stroomt, triggert het de sacromeercontractie en exocytose. Eiwitten kunnen ook naar een endosoom worden vervoert en zo in een lysosoom terecht komen.

Als er te veel foute eiwitten in het ER terechtkomen, zal het ER eerst in grootte toenemen. Als dit niet voldoende is, zal de maximum capaciteit overschreden worden. Er vindt apoptose plaats. Als de vouwing niet lukt door een mutatie in het DNA of RNA kunnen de eiwitten ook worden afgebroken door proteolytische enzymen. Er moeten dus ook eiwitten worden opgenomen. Dit kan door middel van endocytose. Vormen van endocytose zijn fagocytose (dit doen macrofagen bij bacteriën en neutrofiele granulocyten), pinocytose (de opname van vloeistoffen) en receptor-mediated endocytose. Een stof bindt aan de receptor en zorgt dat dit geheel een vesicle in de cel wordt. Eerst zit er een coating op van clathrine. Deze wordt eraf gehaald en het komt in het endosoom. Het endosoom sorteert de herbruikbare receptor en stuurt deze terug naar het membraan en de stof die moet worden afgebroken naar het lysosoom. Daar wordt het verteerd tot bouwstenen. Een voorbeeld hiervan is cholesterol transport met de LDL-receptor. Ook versleten organellen kunnen in dat lysosoom worden afgebroken (autofagie). In die lysosoom is een zuur milieu wat de afbraak versnelt.

HC: Van zeldzaam naar veel voorkomend

Een multifactoriële ziekte is een ziekte die samenhangt met zowel genen als de omgeving. Diabetes type 2 is hiervan een voorbeeld. Zo zijn er risico allelen die invloed kunnen uitoefenen op het BMI, maar ook sociale status, voeding en fysieke activiteit (dus omgeving) hebben invloed.

Dat genetica invloed heeft op ziekte en daarmee leeftijd zien we terug als we kijken naar mensen die 100 jaar zijn geworden. Broers en zussen van deze personen hebben een grotere kans om die leeftijd te bereiken. Lang leven wordt ongeveer voor 30% door genen bepaald.

Om de invloed van genetica, tussen alle andere factoren die invloed uitoefenen te bepalen, in een populatie wordt er gebruik gemaakt van heritabiliteit (h2). Deze maat geeft het relatieve aandeel van genetische factoren bij het ontstaan van fenotypische verschillen tussen personen in een populatie. Dit wordt onderzocht door tweelingstudies. Het verschil in erfelijkheid van een aandoening/eigenschap tussen monozygote (MZ) en dizygote (DZ) tweeling kan als volgt worden berekend:

H2=2(r(MZ)-r(DZ))

Binnen een familie kan het recurrence risk voor een broer of zus (sibling) van een persoon met een aandoening worden berekend in vergelijking met het risico in de rest van de populatie:

λs= risk for a sibling of an affected proband/risk in the general population

De mate van erfelijkheid verschilt per aandoening. Aandoeningen die veel door genetica worden beïnvloed zijn Huntington en de ziekte van Crohn. Voor diabetes mellitus type twee en longkanker is dat veel minder tot bijna niet.

Van genetische variatie met mild effect wordt gedacht dat de mutaties niet in exonen liggen maar juist in regulatoren voor genexpressie zoals enhancers en silencers. Dit kun je opsporen door te kijken naar Single Nucleotide Polymorphisms. Dat zijn kleine variaties van één nucleotide in het DNA tussen mensen en deze vinden bij één op de 300 basen plaats.

Om te onderzoeken heb je controle groepen nodig om te vergelijken met cases. Hiervoor zijn markers voor het hele genoom nodig. Met robots kunnen zo een heleboel SNP's worden vergeleken tussen cases en controlegroepen om uiteindelijk te kijken of bepaalde SNP's statistisch vaker voorkomen bij bepaalde patiënten.

Genome wide association analysis (GWAS) heeft vooral betrekking op etiologie. Door GWAS zijn er heel veel loci op het genoom in kaart gebracht die causaal verbonden zijn met een bepaalde uitkomst (aandoening / afwijkend fenotype). Dit wordt etiologie genoemd. Dit proces kan minder goed gebruikt worden voor predictie/classificatie, want de SNP's hebben zo'n mild effect dat je er heel lang mee kunt rondlopen zonder de aandoening te krijgen waarmee die gerelateerd is. Er is ook veel aandacht voor het kijken naar SNP's en respons op therapie en ook interactie met omgeving.

Een belangrijke locus is het APOE locus. Op exon 4 daarvan ligt een SNP. 16% zit in de E2 groep, T-T, en heeft kans op een langer leven. De E3 groep bevat T-C. En E4 groep (15% is drager) hebben C-C wat geassocieerd wordt met dementie. Als je deze groep volgt gaan die altijd eerder dood. Er is een 10-15 maal verhoogde kans voor LOAD (Late onset Alzheimer Disease) Alzheimer, maar ook cardiovasculaire problemen treden eerder op.