DNA

DNA-moleculen bevatten de informatie voor erfelijke eigenschappen van een organisme, zoals de vachtkleur van een dier, de bloemkleur van een plant, of tegen welke antibiotica een bacterie resistens is. Als DNA verandert, dan kunnen de erfelijke eigenschappen ook veranderen. Mensen kunnen het DNA van organismen aanpassen en zo bijvoorbeeld voorkomen dat muggen ziekten kunnen verspreiden. 

Snel navigeren door HOOFDSTUK 2 van HAVO 5

Paragrafen

1.
2.
3.
4.
5.
6.
Begrippen
Oefenen

Leerdoelen










Paragraaf 1:

  • J
 

Elk organisme bevat DNA (desoxyribonucleïnezuur) in zijn cellen. Dit molecuul bevat de erfelijke informatie die nodig is voor de opbouw en werking van het lichaam. DNA bepaalt onder andere de productie van eiwitten, die essentieel zijn voor verschillende functies in het lichaam.

Het genoom en de structuur van DNA

Het genoom is de complete set erfelijke informatie van een organisme en is opgeslagen in het DNA. Bij eukaryoten bevindt het DNA zich in de celkern, maar ook in mitochondriën (mtDNA) en bij planten in bladgroenkorrels. Prokaryoten hebben hun DNA los in het cytoplasma, vaak in de vorm van een circulair DNA-molecuul, en sommige bevatten plasmiden, kleine stukjes circulair DNA.

Bouw van DNA

Een DNA-molecuul is opgebouwd uit twee lange ketens van nucleotiden. Elke nucleotide bestaat uit:

  • Een monosacharide (desoxyribose)
  • Een fosfaatgroep
  • Een stikstofbase

Er zijn vier verschillende stikstofbasen:

  1. Adenine (A)
  2. Thymine (T)
  3. Cytosine (C)
  4. Guanine (G)

De nucleotiden vormen een enkelstrengs DNA-keten, waarin de desoxyribose en fosfaatgroepen een lange ruggengraat vormen. Twee enkelstrengs DNA-ketens kunnen zich met elkaar verbinden door middel van basenparing:

  • Adenine (A) bindt altijd met Thymine (T)
  • Cytosine (C) bindt altijd met Guanine (G)

Deze basenparen worden verbonden door waterstofbruggen, waardoor een dubbelstrengs DNA-molecuul ontstaat met een helixstructuur (spiraalvorm).

Chromosomen en compact DNA

Bij eukaryoten is het DNA verdeeld over meerdere chromosomen in de celkern. Elk chromosoom bevat een lang dubbelstrengs DNA-molecuul, dat compact wordt opgerold rond eiwitten om in de celkern te passen. Tijdens de celdeling wordt het DNA nog verder opgerold tot een chromosoom.

DNA-sequentie en genen

De volgorde van nucleotiden in een DNA-molecuul wordt een DNA-sequentie genoemd. Een gen is een specifiek stukje DNA dat de code bevat voor de productie van een eiwit. De DNA-sequentie bepaalt welke eiwitten worden gesynthetiseerd door ribosomen in de cel.

Niet-coderend DNA

Niet alle DNA-sequenties bevatten informatie voor eiwitten. Niet-coderend DNA beslaat een groot deel van het genoom en kan regulerende functies hebben. Sommige delen bestaan uit repetitief DNA, herhalingen van korte nucleotide-sequenties. Lange tijd werd gedacht dat niet-coderend DNA geen functie had, maar sommige stukken reguleren de eiwitsynthese. 

Paragraaf 2:

  • J

Voordat een cel zich deelt, moet het DNA worden gekopieerd. Dit proces heet DNA-replicatie en vindt plaats in de S-fase van de celcyclus. Dankzij DNA-replicatie krijgen beide dochtercellen exact dezelfde genetische informatie als de moedercel.

Proces van DNA-replicatie

De DNA-replicatie begint met het verbreken van de verbindingen tussen de basenparen in het DNA-molecuul. Hierdoor verdwijnt de helixstructuur, en gaan de twee DNA-strengen uit elkaar. Dit proces wordt uitgevoerd door het enzym DNA-helicase.

Vervolgens schuift het enzym DNA-polymerase langs een enkelvoudige DNA-keten en voegt vrije nucleotiden toe die in het kernplasma aanwezig zijn. Dit gebeurt volgens de complementaire basenparing:

  • Adenine (A) bindt met Thymine (T)
  • Cytosine (C) bindt met Guanine (G)

Zo ontstaan twee identieke DNA-moleculen, waarbij elke nieuwe DNA-streng een kopie is van de oorspronkelijke DNA-sequentie. Dit wordt een semi-conservatieve replicatie genoemd, omdat elke nieuwe DNA-helix bestaat uit één oude en één nieuwe streng.

Chromosomen en replicatie

De DNA-replicatie vindt plaats over het gehele DNA-molecuul, met uitzondering van het centromeer. Hierdoor blijft het chromosoom tijdelijk bestaan uit twee chromatiden, die met elkaar verbonden zijn via het centromeer. Tijdens de mitose worden deze chromatiden gescheiden, zodat elke dochtercel een volledig en identiek chromosoom krijgt.

Telomeren en veroudering

Een bijzonder aspect van DNA-replicatie is dat de uiteinden van de DNA-strengen, de telomeren, niet volledig worden gekopieerd. Dit komt doordat DNA-polymerase het uiteinde van een enkelstrengs DNA-keten niet kan repliceren. De niet-gekopieerde DNA-sequentie wordt na de DNA-replicatie verwijderd, waardoor de telomeren bij elke celdeling korter worden.

Telomeren bestaan uit niet-coderend DNA, ingekapseld in beschermende eiwitten. Bij mensen bevatten telomeren herhalingen van de nucleotidesequentie TTAGGG. Als telomeren te kort worden, kan een cel zich niet langer delen en sterft deze af (celdood). Dit proces is mede verantwoordelijk voor veroudering.

Controlemechanismen en fouten tijdens DNA-replicatie

Hoewel DNA-polymerase zeer nauwkeurig werkt, kunnen er fouten ontstaan tijdens de DNA-replicatie. Gelukkig beschikt de cel over reparatie-enzymen, die verkeerde nucleotiden detecteren en corrigeren. Als een fout niet wordt gerepareerd, kan dit leiden tot een mutatie.

Paragraaf 3:

  • J

De synthese van eiwitten is een essentieel proces in de cel. Eiwitten bepalen de structuur en functie van cellen en zijn betrokken bij vrijwel alle levensprocessen. De instructies voor de aanmaak van eiwitten liggen vast in het DNA. De vorming van eiwitten verloopt via twee belangrijke stappen: transcriptie en translatie.

Transcriptie: Vorming van RNA

Om een eiwit te maken, wordt eerst een kopie gemaakt van de nucleotidevolgorde van een gen in het DNA. Dit proces heet transcriptie en vindt plaats in de celkern. Hierbij wordt een RNA-molecuul gevormd op basis van de DNA-sequentie van een gen.

  • RNA (ribonucleïnezuur) verschilt van DNA doordat het een enkele streng heeft en de stikstofbase uracil (U) bevat in plaats van thymine (T).
  • Het enzym RNA-polymerase bindt aan het DNA en opent de dubbelstrengs helix.
  • Langs een van de DNA-strengen wordt een RNA-streng gevormd door middel van complementaire basenparing:
    • Adenine (A) → Uracil (U)
    • Cytosine (C) → Guanine (G)
  • Wanneer de transcriptie voltooid is, laat het RNA-molecuul los van het DNA en verlaat via de kernporiën de celkern.

Dit RNA-molecuul wordt messenger-RNA (mRNA) genoemd en bevat de instructies voor de opbouw van een eiwit.

Translatie: Van RNA naar eiwit

Na de transcriptie wordt de mRNA-streng in het cytoplasma gekoppeld aan een ribosoom, waar de volgende stap, translatie, plaatsvindt. Tijdens de translatie wordt de nucleotidevolgorde van het mRNA vertaald naar een aminozuurvolgorde.

  • mRNA bevat instructies in de vorm van codons: groepen van drie nucleotiden die coderen voor een specifiek aminozuur.
  • De genetische code bepaalt welk aminozuur bij welk codon hoort.
  • Het startcodon AUG codeert altijd voor methionine, het eerste aminozuur van elk eiwit.
  • Transfer-RNA (tRNA) transporteert de juiste aminozuren naar het ribosoom. Elk tRNA-molecuul heeft een anticodon dat complementair is aan het codon op het mRNA.
  • Het ribosoom koppelt de aminozuren aan elkaar tot een polypeptideketen.
  • Wanneer een stopcodon wordt bereikt (UAA, UAG of UGA), stopt de translatie, en laat de gevormde polypeptideketen los van het ribosoom.

Vorming en bewerking van eiwitten

Na de translatie is een polypeptideketen nog geen functioneel eiwit. De functie van een eiwit wordt bepaald door:

  1. De aminozuurvolgorde: Dit is vastgelegd in de genetische code.
  2. De ruimtelijke structuur: De polypeptideketen vouwt zich op tot een specifieke 3D-structuur. Dit proces wordt beïnvloed door:
    • Waterstofbruggen
    • Zwavelbruggen
    • Hydrofobe interacties

Veel eiwitten worden verder bewerkt in het endoplasmatisch reticulum en het golgisysteem, waar ze hun uiteindelijke functie krijgen.

  • Secretie-eiwitten worden via blaasjes uit de cel getransporteerd.
  • Enzymen en receptoreiwitten worden geïntegreerd in het celmembraan.
  • Foutief gevouwen eiwitten worden door de cel afgebroken, omdat ze hun functie niet goed kunnen uitvoeren.

Belang van eiwitsynthese

  • Eiwitten bepalen het fenotype van een organisme.
  • Eiwitsynthese zorgt ervoor dat cellen kunnen groeien, delen en hun functie behouden.
  • Verstoringen in dit proces kunnen leiden tot ziekten, zoals taaislijmziekte of de ziekte van Alzheimer, die worden veroorzaakt door verkeerd gevouwen eiwitten.

Paragraaf 4:

  • J

Elk organisme bevat duizenden genen, maar niet alle genen worden op elk moment geactiveerd. Het proces waarbij een gen wordt afgelezen en leidt tot de productie van een eiwit, heet genexpressie. De regulatie hiervan is essentieel om ervoor te zorgen dat cellen alleen die eiwitten maken die ze op dat moment nodig hebben.

Genregulatie en celdifferentiatie

Hoewel alle cellen van een organisme hetzelfde DNA bevatten, verschilt de functie van cellen doordat sommige genen worden geactiveerd en andere worden onderdrukt. Dit proces heet genregulatie en zorgt ervoor dat cellen zich kunnen differentiëren in gespecialiseerde celtypen, zoals spiercellen, zenuwcellen en huidcellen.

Tijdens de embryonale ontwikkeling bepaalt de plaats van een cel in het embryo welke regulatorgenen actief worden. Deze regulatorgenen coderen voor eiwitten die andere genen aan- of uitzetten, wat leidt tot de vorming van specifieke weefsels en organen.

Genregulatie bij prokaryoten

Bij prokaryoten worden genen vaak in groepen georganiseerd in een operon. Een bekend voorbeeld is het lactose-operon bij E. coli. Dit operon bevat structuurgenen die coderen voor enzymen die lactose kunnen afbreken.

  • Wanneer er geen lactose aanwezig is, bindt een repressor aan het DNA, waardoor RNA-polymerase geen mRNA kan maken.
  • Wanneer lactose aanwezig is, bindt het aan de repressor, waardoor deze loslaat. Hierdoor kan transcriptie plaatsvinden en worden enzymen geproduceerd om lactose af te breken.

Dit proces zorgt ervoor dat energie alleen wordt besteed aan de productie van enzymen wanneer ze daadwerkelijk nodig zijn.

Genregulatie bij eukaryoten

Bij eukaryoten is genexpressie complexer en vindt op meerdere niveaus regulatie plaats:

  1. Chromatine-structuur:

    • DNA is opgerold rond histonen.
    • Wanneer DNA strak opgerold is, kan transcriptie niet plaatsvinden.
    • Bij ontvouwing kan RNA-polymerase binden en begint de transcriptie.

  2. Regulatie door transcriptiefactoren:

    • Transcriptiefactoren zijn eiwitten die binden aan specifieke DNA-sequenties om transcriptie te stimuleren of te remmen.
    • Enhancers en silencers beïnvloeden de snelheid van RNA-synthese.

  3. RNA-verwerking:

    • Het pre-mRNA dat ontstaat bij transcriptie moet eerst bewerkt worden voordat het mRNA functioneel is.
    • Tijdens splicing worden introns (niet-coderende stukken) verwijderd en exons (coderende stukken) samengevoegd.

  4. Regulatie na translatie:

    • Sommige eiwitten worden pas actief na chemische modificaties.
    • Afbraak van eiwitten voorkomt overproductie en helpt bij celregulatie.

Epigenetica en genexpressie

Epigenetica bestudeert erfelijke veranderingen in genexpressie die niet het gevolg zijn van veranderingen in de DNA-sequentie. Voorbeelden van epigenetische regulatie zijn:

  • DNA-methylering:

    • Methylgroepen binden aan cytosine, waardoor transcriptie wordt geblokkeerd.
    • Dit proces kan genexpressie permanent uitschakelen.

  • Histonmodificatie:

    • Acetylering maakt het DNA toegankelijker voor transcriptie.
    • Deacetylering zorgt ervoor dat DNA strakker oprolt, waardoor transcriptie wordt geremd.

  • Omgevingsinvloeden:

    • Factoren zoals stress, voeding en toxines kunnen epigenetische veranderingen veroorzaken en de genexpressie beïnvloeden.

Epigenetische modificaties kunnen bij celdeling worden doorgegeven en in sommige gevallen zelfs via voortplanting naar het nageslacht.

Belang van genexpressie

  • Genexpressie bepaalt het fenotype van een organisme.
  • Door genregulatie kunnen cellen zich aanpassen aan veranderende omstandigheden.
  • Verstoring van genexpressie kan leiden tot ziekten, zoals kanker, waarbij tumorsuppressorgenen worden uitgeschakeld of oncogenen juist overactief worden.

Paragraaf 5:

  • J

Een mutatie is een verandering in de nucleotidevolgorde van het DNA. Mutaties ontstaan spontaan tijdens de DNA-replicatie, maar kunnen ook worden veroorzaakt door mutagene invloeden zoals straling, chemicaliën of virussen. De meeste mutaties worden door reparatie-enzymen hersteld, maar als dit niet gebeurt, kan de mutatie gevolgen hebben voor het organisme.

Typen mutaties

Er zijn verschillende soorten mutaties, afhankelijk van de mate van verandering in het DNA:

Puntmutatie

Een puntmutatie is een verandering in één nucleotidepaar. Dit kan zijn:

  • Substitutie: Een nucleotide wordt vervangen door een andere.
  • Deletie: Een nucleotide wordt verwijderd.
  • Insertie: Een extra nucleotide wordt ingevoegd.

Door deletie of insertie kan een frameshift-mutatie optreden, waarbij de codons anders worden afgelezen, wat meestal leidt tot een niet-functioneel eiwit.

Genmutatie

Bij een genmutatie wordt een groter stuk DNA aangetast, waardoor een deel van een gen verandert. Dit kan invloed hebben op de productie en functie van een eiwit.

Chromosoommutatie

Bij een chromosoommutatie verandert de structuur van een chromosoom. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren door:

  • Deletie (verlies van een stuk DNA)
  • Duplicatie (verdubbeling van een stuk DNA)
  • Inversie (een stuk DNA wordt omgekeerd)
  • Translocatie (een stuk DNA wordt verplaatst naar een ander chromosoom)

Genoommutatie

Bij een genoommutatie verandert het aantal chromosomen in een cel. Dit gebeurt vaak door fouten tijdens de meiose, waardoor een cel te veel of te weinig chromosomen heeft. Een bekend voorbeeld is het syndroom van Down, waarbij er drie kopieën van chromosoom 21 aanwezig zijn (trisomie 21).

Oorzaken van mutaties

Hoewel mutaties spontaan kunnen optreden, zijn er factoren die de kans hierop verhogen. Deze worden mutagene invloeden genoemd en omvatten:

  • Mutagene straling, zoals radioactieve straling, röntgenstraling en ultraviolette straling.
  • Mutagene stoffen, zoals chemicaliën in sigarettenrook en asbest.
  • Virussen, die DNA van een cel kunnen veranderen.

Om DNA-schade te beperken, wordt het aantal mutaties in een cel laag gehouden door reparatie-enzymen, die fouten in het DNA opsporen en corrigeren.

Effecten van mutaties

Het effect van een mutatie hangt af van de locatie en het type mutatie:

  • Neutrale mutatie: Heeft geen effect op het organisme.
  • Negatieve mutatie: Kan leiden tot genetische ziekten of afwijkingen.
  • Positieve mutatie: Kan een voordeel bieden, bijvoorbeeld een betere weerstand tegen ziektes.

Wanneer een mutatie in een lichaamscel optreedt, heeft dit meestal weinig gevolgen voor het organisme. Maar als een mutatie plaatsvindt in een geslachtscel, kan dit worden doorgegeven aan de nakomelingen.

Mutaties en kanker

Sommige mutaties kunnen leiden tot kanker als ze optreden in genen die de celcyclus reguleren. Er zijn twee belangrijke typen genen die hierbij een rol spelen:

  • Proto-oncogenen: Coderen voor eiwitten die de celgroei en celdifferentiatie stimuleren. Een mutatie kan een proto-oncogen omvormen tot een oncogen, waardoor de cel ongeremd gaat delen.
  • Tumorsuppressorgenen: Produceren eiwitten die de celcyclus stilleggen of ervoor zorgen dat een cel met onherstelbare DNA-schade overgaat tot celdood. Als een mutatie dit gen uitschakelt, kan een tumor ontstaan.

Wanneer een primaire tumor kwaadaardig wordt, kunnen kankercellen zich via het bloed of de lymfe verspreiden naar andere delen van het lichaam. Dit proces heet metastase (uitzaaiing).

Belang van mutaties voor evolutie

Hoewel mutaties vaak als schadelijk worden gezien, spelen ze een belangrijke rol in de evolutie. Ze zorgen voor genetische variatie, wat essentieel is voor natuurlijke selectie. Mutaties kunnen een populatie beter laten aanpassen aan veranderende omstandigheden, waardoor de overlevingskansen toenemen.

Paragraaf 6:

  • J

Biotechnologie is een verzamelnaam voor technieken waarbij organismen worden gebruikt om producten te maken of processen te verbeteren voor de mens. Dit kan variëren van traditionele methoden zoals het gebruik van gist bij de productie van brood, bier en wijn, tot moderne technieken zoals genetische modificatie.

Genetische modificatie

Dankzij de vooruitgang in DNA-technologie kunnen wetenschappers specifieke genen veranderen of toevoegen aan een organisme. Dit proces heet genetische modificatie. Wanneer een organisme genetisch is aangepast door toevoeging van een gen van een andere soort, spreken we van een transgeen organisme of een ggo (genetisch gemodificeerd organisme).

Genetisch gemodificeerde organismen kunnen voordelen bieden zoals:

  • Bacteriën die worden aangepast om medicijnen zoals insuline te produceren.
  • Gewassen die resistent zijn tegen ziekten of insecten.
  • Dieren die sneller groeien of beter bestand zijn tegen bepaalde omstandigheden.

Recombinant-DNA-techniek

Een van de belangrijkste methoden voor genetische modificatie is de recombinant-DNA-techniek. Hierbij wordt de nucleotidevolgorde van een DNA-molecuul gewijzigd door DNA van een ander organisme in te brengen. Dit is mogelijk doordat:

  • Speciale enzymen een stuk DNA kunnen knippen en een ander stuk DNA in het genoom kunnen inbouwen.
  • Bacteriën een recombinant-DNA-plasmide kunnen opnemen en vervolgens eiwitten produceren voor specifieke toepassingen.

Deze techniek wordt bijvoorbeeld gebruikt bij de productie van:

  • Medicijnen zoals insuline en groeihormonen.
  • Enzymen voor gebruik in de voedingsindustrie en wasmiddelen.
  • Bacteriën die giftige stoffen in het milieu afbreken.

Gebruik van virussen in genetische modificatie

Virussen kunnen ook worden ingezet voor genetische modificatie. Ze worden gebruikt als vectoren om genetisch materiaal een cel binnen te brengen. Dit werkt als volgt:

  1. Een virus injecteert zijn DNA of RNA in een gastheercel.
  2. Dit viraal DNA wordt ingebouwd in het genoom van de gastheercel.
  3. Hierdoor kan de cel nieuwe eiwitten produceren volgens de instructies van het ingebrachte gen.

Dit principe wordt toegepast in gentherapie, waarbij een werkend gen wordt ingebracht in de cellen van patiënten met een genetische ziekte.

Toepassingen van biotechnologie

Biotechnologie wordt in verschillende sectoren gebruikt:

  1. Geneeskunde

    • Productie van medicijnen en vaccins met behulp van genetisch gemodificeerde bacteriën.
    • Gentherapie, waarbij defecte genen in patiënten worden vervangen of gerepareerd.

  2. Landbouw

    • Gewassen met hogere opbrengst en resistentie tegen insecten en ziekten.
    • Cisgenese, een methode waarbij alleen genen van dezelfde soort worden gebruikt, om maatschappelijke weerstand tegen ggo’s te verminderen.

  3. Industrie

    • Micro-organismen die worden aangepast om biobrandstoffen zoals bio-ethanol te produceren.
    • Enzymen die worden gebruikt in wasmiddelen en de voedingsmiddelenindustrie.

  4. Milieu

    • Bacteriën die giftige stoffen in de bodem en het water afbreken.
    • Planten die zware metalen uit vervuilde grond kunnen opnemen.

Ethiek en biotechnologie

Hoewel biotechnologie veel voordelen biedt, zijn er ook ethische en maatschappelijke discussies over:

  • Genetisch gemodificeerde gewassen en hun mogelijke risico’s voor de natuur.
  • Dierenwelzijn, vooral bij transgene dieren die worden aangepast voor onderzoek of productie.
  • Designerbaby’s, waarbij technieken zoals CRISPR-Cas gebruikt kunnen worden om genetische eigenschappen bij mensen te veranderen.

Toekomst van biotechnologie

Nieuwe ontwikkelingen zoals CRISPR-Cas maken genetische modificatie nauwkeuriger en goedkoper. Dit opent mogelijkheden voor de behandeling van genetische aandoeningen, duurzame voedselproductie, en de bestrijding van milieuvervuiling. Tegelijkertijd blijft het belangrijk om ethische en veiligheidsaspecten zorgvuldig te overwegen.