Molbio H16.pptx

# De structuur en samenstelling van DNA Hier is een gedetailleerde studiehandleiding over de structuur en samenstelling van DNA, opgesteld volgens de gevraagde specificaties. ## 1. De structuur en samenstelling van dna Dit onderwerp verkent de fundamentele chemische opbouw van DNA, inclusief de componenten van nucleotiden, de karakteristieke dubbele helixstructuur, de principes van basenparing, en de verschillende conformationele varianten van DNA, naast de rol van eiwitten bij DNA-compactering. ### 1.1 Chemische samenstelling van het genetisch materiaal Het genetisch materiaal van organismen is primair DNA. DNA, of desoxyribonucleïnezuur, is een polymeer opgebouwd uit nucleotiden. #### 1.1.1 Nucleotiden: de bouwstenen van DNA Een nucleotiden bestaat uit drie componenten: * **Een stikstofbase:** Dit kan een purine (Adenine - A, Guanine - G) of een pyrimidine (Cytosine - C, Thymine - T) zijn. * **Een suikermolecuul:** In DNA is dit 2'-deoxyribose, een vijf-koolstof suiker. * **Een fosfaatgroep:** Deze is gebonden aan de 5'-hydroxylgroep van de deoxyribose. De binding tussen de suiker en de stikstofbase (via de N1 van pyrimidines of N9 van purines) wordt een glycosidebinding genoemd. #### 1.1.2 Basensamenstelling van DNA: de regels van Chargaff De regels van Chargaff stellen dat in dubbelstrengs DNA, het percentage Adenine (A) altijd gelijk is aan het percentage Thymine (T), en het percentage Guanine (G) altijd gelijk is aan het percentage Cytosine (C). * $\%A = \%T$ * $\%G = \%C$ Dit suggereert een complementaire relatie tussen de basen. ### 1.2 DNA structuur De structuur van DNA is die van een dubbele helix. #### 1.2.1 De dubbele-helix structuur De dubbele helix van DNA, zoals ontdekt door Rosalind Franklin en verder uitgewerkt door Watson en Crick, kenmerkt zich door: * **Twee antiparallele complementaire strengen:** De twee DNA-strengen lopen in tegenovergestelde richtingen (5' naar 3' en 3' naar 5'). * **Rechtsdraaiende dubbele helix:** De structuur draait met de klok mee. * **Helixparameter:** Elke winding van de helix bevat ongeveer 10,5 nucleotidenparen, en de afstand tussen opeenvolgende nucleotidenparen is ongeveer $0,34$ nanometer. De ruggengraat van elke streng wordt gevormd door afwisselende fosfaatgroepen en 2'-deoxyribose suikermoleculen. De stikstofbasen wijzen naar binnen en vormen paren tussen de twee strengen. #### 1.2.2 Basenparing Complementaire basenparing vindt plaats via waterstofbruggen: * Adenine (A) paart altijd met Thymine (T) via twee waterstofbruggen. * Guanine (G) paart altijd met Cytosine (C) via drie waterstofbruggen. Een purinebase (A of G) paart altijd met een pyrimidinebase (T of C). Deze A-T en G-C paren vormen de 'sporten' van de DNA-ladder. #### 1.2.3 Structuurkenmerken en stabiliteit * **Planair vlak:** Basenparen liggen in een planair vlak, licht gekanteld ten opzichte van de helicale as. * **Base stacking:** De basen zijn gestapeld met een kleine draaiing en kanteling, wat leidt tot interacties (hydrofobe interacties en Van der Waals krachten) tussen naburige basen, die de dubbele helix stabiliseren. * **Groeven:** De ongelijke hoeken tussen de glycosidebindingen van een basenpaar leiden tot de vorming van een 'major' (brede) groef en een 'minor' (smalle) groef. Deze groeven zijn belangrijk voor eiwitbinding aan DNA. * **Drijvende krachten:** De vorming van de dubbele helix wordt gedreven door het hydrofobe effect (basen naar binnen, weg van water) en het maximaliseren van gunstige niet-covalente interacties zoals waterstofbruggen en Van der Waals interacties. #### 1.2.4 Eiwitbinding aan DNA zonder ontwrichting Eiwitten kunnen specifieke nucleotidensequenties herkennen en binden aan de DNA-dubbele helix zonder deze volledig te ontwrichten. Dit gebeurt via interacties in de major en minor groeven. #### 1.2.5 Structuurvarianten van DNA Naast de meest voorkomende B-DNA, bestaan er andere structurele varianten: * **B-DNA:** De meest voorkomende vorm in cellen; rechtsdraaiend, 10,5 basen per winding, met major en minor groeven. * **Z-DNA:** Linksdraaiend, met een zigzag-patroon in de suiker-fosfaat ruggengraat. Het is langer en dunner dan B-DNA en heeft 12 basen per winding. Tijdelijke omzetting van B-DNA naar Z-DNA kan genactivatie beïnvloeden, vaak bevorderd door GC-rijke sequenties (alternerende purines en pyrimidines). * **A-DNA:** Een rechtsdraaiende helix met 11 basen per winding. Het is korter en dikker dan B-DNA en komt voornamelijk voor in DNA-RNA en RNA-RNA dubbele helixen. #### 1.2.6 Denaturatie en renaturatie van DNA * **Denaturatie:** Door verhoging van de temperatuur of pH kunnen de twee DNA-strengen van elkaar scheiden. De temperatuur waarbij de helft van het dubbelstrengs DNA enkelstrengig wordt, wordt de smelt-temperatuur ($T_m$) genoemd. De $T_m$ wordt beïnvloed door het GC-gehalte (hoger GC-gehalte leidt tot hogere $T_m$ vanwege de drie waterstofbruggen) en de nabijheid van G en C nucleotiden (sterkere base stacking). * **Renaturatie (Hybridisatie):** Bij verlaging van de temperatuur kunnen enkelstrengs DNA-moleculen spontaan weer dubbelstrengs vormen. Dit principe wordt gebruikt in biotechnologie, bijvoorbeeld bij FISH (fluorescence in situ hybridization), waar een gemerkte 'snuffel' probe bindt aan complementaire DNA-sequenties. ### 1.3 Compactering van DNA DNA moet extreem compact verpakt worden om in de celkern te passen. #### 1.3.1 Supercoiling van DNA Circulaire DNA-moleculen (zoals bacteriële chromosomen en plasmiden) en lineair DNA in eukaryoten worden vaak 'supercoiled' (supergewonden). * **Positieve supercoiling:** Extra draaiing naar rechts veroorzaakt spanning. * **Negatieve supercoiling:** Ontwinding van de strengen veroorzaakt spanning. * In vivo is bacteriële en mitochondriaal DNA negatief supercoiled. Lineair humaan nucleair DNA wordt ook voornamelijk als negatieve supercoil opgeslagen. Supercoiling vindt plaats wanneer de DNA-strengen uit elkaar gaan, zoals tijdens transcriptie en replicatie. Enzymen zoals topoisomerasen verwijderen supercoils om de DNA-structuur te reguleren. #### 1.3.2 Compactering van bacterieel DNA Bacterieel DNA is dubbelstrengs en meestal circulair. Het ligt in een gebied genaamd de nucleoïde. Het chromosoom is negatief supercoiled en gevouwen in lussen, geassocieerd met eiwitten en RNA. Behandeling met RNAse leidt tot vrijstelling van de lussen, terwijl topoisomerase de supercoiling verwijdert. #### 1.3.3 Compactering van eukaryotisch DNA Het menselijk genoom is enorm; ongeveer 2 meter DNA in een celkern van slechts 5 micrometer. Dit wordt mogelijk gemaakt door de associatie van DNA met eiwitten, wat chromatine vormt. * **Chromatine:** DNA-eiwitcomplex. Gecondenseerd chromatine vormt chromosomen. * **Nucleosoom:** De basiseenheid van chromatine, bestaande uit ongeveer 146 basenparen DNA dat rond een octameer van histon-eiwitten (twee kopieën van H2A, H2B, H3 en H4) is gewikkeld. Histonen zijn kleine basische eiwitten met positieve ladingen, die sterk binden aan het negatief geladen DNA. * **Linker DNA:** Kortere stukken DNA (10-90 bp) tussen de nucleosomen. * **Histon H1:** Een linker histon dat helpt bij de verdere compactie van de nucleosomen tot de 30 nm chromatinevezel. #### 1.3.4 Hogere-orde structuur van chromatine De 30 nm chromatinevezel kan verder worden gecompacteerd: * **Pakkeringsgraad 7:** DNA rond histonen (nucleosoom). * **Pakkeringsgraad 42:** 30 nm chromatinevezel. * **Pakkeringsgraad 750:** Euchromatine (minder compacte vorm). * **Pakkeringsgraad ~20.000:** Volledig gecondenseerd chromosoom tijdens mitose, met een scaffold van eiwitten. #### 1.3.5 Euchromatine en heterochromatine * **Euchromatine:** Minder gecondenseerd, genetisch actief. * **Heterochromatine:** Sterk gecondenseerd. Kan **constitutief** (altijd gecondenseerd, bv. centromeren, telomeren) of **facultatief** (kan veranderen in compactheid) zijn. #### 1.3.6 Post-translationele modificaties van histonen en chromatine-remodellerende complexen De compactering van chromatine wordt gereguleerd door chemische modificaties van histonen ('histon-code'), voornamelijk op de staarten van de histonen: * **Acetylering:** Van lysines, vermindert de positieve lading van histonen, wat leidt tot een meer open chromatine structuur en genactivatie. Dit wordt gekatalyseerd door Histone Acetyltransferases (HATs). * **Deacetylering:** Verhoogt de positieve lading, wat leidt tot meer compact chromatine en geninactivatie. Gekatalyseerd door Histone Deacetylases (HDACs). * **Methylering:** Van lysines en arginines, kan zowel leiden tot activatie als repressie van genexpressie. Gekatalyseerd door Histone Methyltransferases (KMTs) en Histone Demethylases (KDMs). Deze modificaties kunnen direct de interactie tussen histonen en DNA beïnvloeden, of eiwitten rekruteren die de chromatine structuur verder aanpassen. Chromatine-remodelleer complexen kunnen nucleosomen verschuiven of verwijderen met behulp van ATP-hydrolyse. #### 1.3.7 Repetitief DNA in eukaryotisch DNA Een significant deel van het eukaryotische genoom bestaat uit repetitieve sequenties. * **Tandem repetitief DNA (ongeveer 15%):** * Regulier satelliet DNA (bv. in centromeren, telomeren). * 'Variable number of tandem repeats' (VNTRs): * Minisatelliet DNA (10-100 bp per repeat). * Microsatelliet DNA of Short Tandem Repeats (STRs) (1-10 bp per repeat). * **Verspreid repetitief DNA (ongeveer 44%):** Bestaat uit transposons. #### 1.3.8 Transposons (mobiele genetische elementen) Transposons zijn DNA-sequenties die hun positie in het genoom kunnen veranderen. * **Mechanismen:** * **Replicatieve transpositie ('copy & paste'):** Het transposon wordt gekopieerd en op een nieuwe plek ingevoegd. * **Conservatieve transpositie ('cut & paste'):** Het transposon wordt uitgeknipt en op een nieuwe plek ingevoegd. * **Intermediair:** * **DNA transposons:** Gebruiken een DNA-intermediair. Coderen voor een transposase. * **Retrotransposons:** Gebruiken een RNA-intermediair. Veelvoorkomend in eukaryoten. * **Autonomie:** * **Autonoom:** Coderen voor alle benodigde eiwitten (bv. LINEs). * **Niet-autonoom:** Coderen niet voor de benodigde eiwitten (bv. SINEs). Het humane genoom bestaat voor meer dan 60% uit repetitief DNA, waaronder veel retrotransposons zoals LINEs (bv. L1) en SINEs (bv. Alu-sequenties). #### 1.3.9 Mitochondriaal genoom Mitochondriën bevatten een klein, circulair, dubbelstrengs DNA-molecuul. Dit mitochondriale DNA bevat geen histonen en geen repetitief DNA, maar codeert voor een deel van de RNA's en eiwitten die in de mitochondriën nodig zijn. ### 1.4 De celkern De celkern is een membraanomsloten organel dat het DNA van eukaryote cellen bevat en organiseert. #### 1.4.1 Structurele organisatie van de celkern De celkern is omgeven door een dubbel membraan (kernmembraan) dat onderbroken wordt door kernporiën. De nucleaire periferie is geassocieerd met constitutief heterochromatine. #### 1.4.2 Kernporiën Kernporiën zijn complexe structuren die de uitwisseling van moleculen tussen de kern en het cytoplasma reguleren. * **Passief transport:** Voor kleine moleculen (tot ca. 30 kDa) via diffusie. * **Actief transport:** Voor grotere moleculen (eiwitten, RNA) via transportreceptoren (importines, exportines) en met energieverbruik, vaak afhankelijk van Ran-eiwitten en de Ran-GTP gradiënt over de kernenvelop. #### 1.4.3 Nucleaire matrix en nucleaire lamina * **Nucleaire matrix:** Een vezelig netwerk binnen de kern dat structurele ondersteuning biedt. * **Nucleaire lamina:** Een netwerk van lamine-eiwitten aan de binnenzijde van het kernmembraan, essentieel voor de vorm en stabiliteit van de kern. Defecten in lamine-eiwitten kunnen leiden tot aandoeningen zoals Hutchinson-Gilford progeria syndrome. #### 1.4.4 De nucleolus De nucleolus is een membraanloos subnucleair gebied dat fungeert als de 'fabriek' voor ribosomen. Het is betrokken bij rRNA-synthese en de assemblage van ribosomale subeenheden. --- # De rol van DNA in erfelijkheid en moleculaire biologie DNA fungeert als genetisch materiaal, wat wordt onderbouwd door historische experimenten en vormt de basis van het centrale dogma van de moleculaire biologie en de overdracht van informatie binnen en tussen generaties, met belangrijke implicaties voor de geneeskunde. ### 2.1 Het genetisch materiaal: bewijs en chemische samenstelling #### 2.1.1 Experimenteel bewijs voor DNA als genetisch materiaal * **Griffith's transformatie-experiment (1928):** Frederick Griffith ontdekte een 'transformerend agens' in bacteriën dat de eigenschappen van niet-virulente bacteriën kon overdragen op virulente bacteriën. Dit suggereerde dat genetische informatie overdraagbaar was. * **Avery, MacLeod en McCarty's experiment (1944):** Dit experiment toonde aan dat het transformerende agens DNA was, waarmee werd bewezen dat DNA het erfelijk materiaal van bacteriën is. * **Hershey-Chase experiment (1952):** Alfred Hershey en Martha Chase gebruikten bacteriofagen (virussen die bacteriën infecteren) om definitief aan te tonen dat DNA het genetisch materiaal is. Ze labelden de DNA-component van de faag met radioactief fosfor ($^{32}$P) en de eiwitcomponent met radioactief zwavel ($^{35}$S). Ze observeerden dat alleen het radioactief gelabelde DNA in de bacteriële cel werd geïnjecteerd en de infectie veroorzaakte, terwijl het radioactieve eiwit buiten bleef. > **Tip:** Hershey en Chase gebruikten $^{32}$P om DNA te labelen omdat DNA fosfaatgroepen bevat, maar eiwitten niet (in hoge mate). Ze gebruikten $^{35}$S om eiwitten te labelen omdat eiwitten zwavelhoudende aminozuren (zoals methionine en cysteïne) bevatten, maar DNA geen zwavel bevat. #### 2.1.2 Genetisch materiaal in verschillende organismen * **Prokaryoten en eukaryoten:** Het genoom bestaat uit DNA. * **Virussen:** Het genetisch materiaal kan DNA of RNA zijn. * RNA virussen: * Enkelstrengig RNA (ssRNA): (+) ssRNA virussen (bv. tabaksmozaïekvirus, SARS-CoV-2) en (-) ssRNA virussen (bv. influenzavirus). * Dubbelstrengig RNA (dsRNA) virussen (bv. rotavirus). * Retrovirussen: Hebben twee identieke (+) ssRNA strengen (bv. HIV, RNA tumorvirussen). * DNA virussen: * Dubbelstrengig DNA (dsDNA) virussen (bv. Human papillomavirus, de meeste bacteriofagen). * Enkelstrengig DNA (ssDNA) virussen (bv. Parvovirus). #### 2.1.3 Chemische samenstelling van DNA DNA is een nucleïnezuur, opgebouwd uit nucleotiden. Elk nucleotide bestaat uit: * Een deoxyribosesuiker. * Een fosfaatgroep. * Een stikstofbase (adenine (A), guanine (G), cytosine (C) of thymine (T)). De basen zijn gebonden aan de suiker via een glycosidische binding: purines (A, G) aan N9 van de suiker en pyrimidines (C, T) aan N1 van de suiker. #### 2.1.4 Chargaff's regels Erwin Chargaff ontdekte dat in DNA van elke soort het percentage adenine ($A$) altijd gelijk is aan het percentage thymine ($T$), en het percentage guanine ($G$) altijd gelijk is aan het percentage cytosine ($C$). Dit werd later cruciaal voor het begrijpen van de complementaire basenparing in de DNA-dubbele helix. * $\%A = \%T$ * $\%G = \%C$ ### 2.2 DNA structuur: de dubbele helix #### 2.2.1 De dubbele helix structuur De structuur van DNA werd in 1953 beschreven door Watson, Crick, Franklin en Wilkins. Het is een rechtsdraaiende dubbele helix die bestaat uit twee antiparallele en complementaire strengen. * **Ruggengraat:** Gemaakt van afwisselende fosfaatgroepen en 2'-deoxyribosesuikers. Deze ruggengraat is hydrofiel en bevindt zich aan de buitenkant van de helix. * **Basen:** De stikstofbasen wijzen naar binnen en vormen basenparen via waterstofbruggen. De basenparing is specifiek: adenine (purine) paart met thymine (pyrimidine) via twee waterstofbruggen ($A-T$), en guanine (purine) paart met cytosine (pyrimidine) via drie waterstofbruggen ($G-C$). Dit wordt complementaire basenparing genoemd. * **Antiparallel:** De twee strengen lopen in tegengestelde richting (5' naar 3' en 3' naar 5'). * **Afmetingen:** De helix bevat ongeveer 10,5 nucleotiden per winding en de afstand tussen basenparen is ongeveer 0,34 nanometer ($nm$). * **Grovven:** Door de hoek van de glycosidische bindingen tussen de basen en de suiker-fosfaatruggengraat ontstaan twee verschillende groeven: de **major groove** (breder) en de **minor groove** (smal). Eiwitten kunnen specifiek binden aan deze groeven om DNA-sequenties te herkennen zonder de dubbele helix te hoeven ontrollen. * **Drijvende krachten:** De stabiliteit van de dubbele helix wordt voornamelijk gedreven door: * **Hydrofobe interacties (hydrofoob effect):** De basen, die hydrofoob zijn, nestelen zich in het binnenste van de helix, weg van het waterige milieu. * **Base stacking:** Stapeling van de basenparen, waarbij hydrofobe en Van der Waals interacties tussen de aromatische ringen zorgen voor extra stabiliteit. Deze interacties zijn sterker tussen G en C paren. * **Waterstofbruggen:** Tussen de complementaire basen. * **Ionische interacties:** De negatief geladen fosfaatgroepen worden geneutraliseerd door kationen zoals $\text{Mg}^{2+}$ of $\text{Na}^+$. #### 2.2.2 DNA-structuurvarianten Hoewel B-DNA de meest voorkomende structuur is in cellen, zijn er ook andere vormen: * **B-DNA:** Rechtsdraaiend, 10,5 basen per winding, met duidelijke major en minor groeven. * **Z-DNA:** Linksdraaiend, 12 basen per winding, langer en dunner dan B-DNA. De suiker-fosfaatruggengraat heeft een zigzagpatroon. Een tijdelijke omzetting van B-DNA naar Z-DNA kan genactivatie bevorderen. * **A-DNA:** Rechtsdraaiend, 11 basen per winding, korter en dikker dan B-DNA. Dit is de structuur die wordt gevonden in DNA-RNA en RNA-RNA dubbele helices. #### 2.2.3 Supercoiling (superwinding) van DNA Circulair DNA (bv. bacteriële chromosomen, plasmiden, mitochondriaal DNA) en lineair DNA in eukaryoten komt voor als supercoiled DNA. Dit is een manier om het lange DNA-molecuul compacter te maken. * **Negatieve supercoiling:** Veroorzaakt door het ontrollen van de helix, wat spanning creëert. Dit is de meest voorkomende vorm in levende cellen en maakt het gemakkelijker om de DNA-strengen te scheiden tijdens replicatie en transcriptie. * **Positieve supercoiling:** Veroorzaakt door het extra in de rechterhandse richting draaien van de helix, wat ook spanning creëert. **Topoisomerasen** zijn enzymen die supercoils in DNA verwijderen of aanbrengen, essentieel voor DNA-replicatie, transcriptie en reparatie. #### 2.2.4 Denaturatie en renaturatie van DNA * **Denaturatie:** Het uiteengaan van de twee DNA-strengen, wat kan gebeuren door verhoging van temperatuur of pH. De smelttemperatuur ($T_m$) is de temperatuur waarbij de helft van het dubbelstrengs DNA enkelstrengs is. * Factoren die de $T_m$ beïnvloeden: 1. **GC-percentage:** Hoe hoger het percentage Guanine en Cytosine, hoe hoger de $T_m$, omdat G-C paren drie waterstofbruggen hebben (vs. twee bij A-T). 2. **Nabijheid van G-C paren:** Grotere concentraties van naburige G-C nucleotiden verhogen de $T_m$ door sterkere base stacking interacties. 3. **Mate van correcte baseparing:** Een hogere mate van complementaire basenparing tussen de twee strengen leidt tot een hogere $T_m$. * **Renaturatie (hybridisatie):** Het spontaan opnieuw vormen van dubbelstrengs DNA bij verlaging van de temperatuur. Deze techniek wordt gebruikt in biotechnologie, bijvoorbeeld bij FISH (fluorescence in situ hybridization) om specifieke DNA-sequenties te detecteren met behulp van een 'probe' (een complementaire, gelabelde DNA- of RNA-streng). ### 2.3 Compactering van DNA #### 2.3.1 Compactering van bacterieel DNA Bacterieel DNA, meestal een circulair dubbelstrengs chromosoom, ligt in een regio genaamd de nucleoïde. Het is: * **Negatief supercoiled:** Voor een betere compactheid en toegankelijkheid. * **Gevouwen in lussen:** Structureel georganiseerd door eiwitten en RNA, waardoor het DNA compacter wordt. Naast het chromosoom bezitten veel bacteriën ook **plasmiden**: kleine, circulaire, dubbelstrengs DNA-moleculen die autonoom kunnen repliceren en ook supercoiled zijn. #### 2.3.2 Compactering van eukaryotisch DNA Eukaryotisch DNA is extreem lang en moet zeer efficiënt worden verpakt om in de celkern te passen. * **DNA + eiwitten = chromatine:** Eukaryotisch DNA is geassocieerd met eiwitten, voornamelijk histonen, om chromatine te vormen. * **Nucleosoom:** De basiseenheid van chromatine. Het bestaat uit ongeveer 146 basenparen DNA gewikkeld rond een **histonen-octameer** (twee kopieën van elk van de vier histonen H2A, H2B, H3 en H4). Histonen zijn kleine, basische eiwitten met positief geladen lysines en arginines, die sterk binden aan het negatief geladen DNA. * **Linker DNA:** Stukken DNA tussen de nucleosomen. * **Histon H1:** Een linker histon dat helpt bij de verdere compacting van de nucleosomen tot een 30 nm chromatinevezel. * **Hogere orde structuren:** Het 30 nm chromatinevezel wordt verder opgerold en gevouwen tot chromatiden, die uiteindelijk de gecondenseerde chromosomen vormen tijdens mitose. * **Euchromatine:** Minder compact, transcriptie-actief. * **Heterochromatine:** Zeer compact. * **Constitutief heterochromatine:** Altijd compact, bevat o.a. centromeren en telomeren. * **Facultatief heterochromatine:** Kan worden omgezet in euchromatine. #### 2.3.3 Post-translationele modificaties van histonen en chromatine-compactering De modificatie van histonen beïnvloedt de chromatine-structuur en daarmee genexpressie. * **Histon-code:** Een combinatie van covalente modificaties op histon-staarten (bv. acetylering, methylering, fosforylering). * **Acetylering (bv. door HATs):** Verlaagt de positieve lading van histonen, waardoor de interactie met DNA verzwakt en chromatine opener wordt (euchromatine). Dit bevordert transcriptie. * **Deacetylering (bv. door HDACs):** Verhoogt de positieve lading, waardoor de interactie met DNA sterker wordt en chromatine compacter wordt (heterochromatine). Dit onderdrukt transcriptie. * **Methylering:** Kan transcriptie bevorderen of onderdrukken, afhankelijk van het specifieke lysine residu dat wordt gemethyleerd. * **Chromatine-remodelleercomplexen:** Deze complexen gebruiken ATP-hydrolyse om de positie of organisatie van nucleosomen te veranderen, waardoor DNA toegankelijker wordt voor transcriptiefactoren. Ze kunnen nucleosomen verschuiven, verwijderen of histone varianten introduceren. #### 2.3.4 Repetitief DNA in eukaryoten Een significant deel van het eukaryote genoom bestaat uit repetitieve DNA-sequenties. * **Tandem repetitief DNA:** * **Regulier satelliet DNA:** Grote sequenties in centromeren en telomeren. * **Variabel aantal tandem herhalingen (VNTRs) / Minisatelliet DNA:** Herhalingen van 10-100 bp. * **Korte tandem herhalingen (STRs) / Microsatelliet DNA:** Herhalingen van 1-10 bp. * **Verspreid repetitief DNA (interspersed repeats):** Bestaat voornamelijk uit **transposons** (mobiele genetische elementen). * **DNA transposons:** Verplaatsen zich via een "cut and paste" (conservatieve) mechanisme. Coderen voor een transposase. * **Retrotransposons:** Verplaatsen zich via een "copy and paste" (replicatieve) mechanisme, waarbij een RNA-intermediair wordt gevormd. Coderen voor reverse transcriptase. De meest voorkomende zijn LINEs (bv. LINE-1) en SINEs (bv. Alu-sequenties). Ongeveer 60% van het humaan genoom bestaat uit repetitief DNA. #### 2.3.5 Mitochondriaal DNA Mitochondriën bevatten hun eigen kleine, circulaire dubbelstrengs DNA-moleculen. Dit DNA codeert voor een klein percentage van de RNAs en eiwitten die nodig zijn voor de functie van de mitochondriën. Het bevat geen histonen en geen repetitief DNA. ### 2.4 Het centrale dogma van de moleculaire biologie en informatieoverdracht Het centrale dogma beschrijft de stroom van genetische informatie: DNA wordt getranscribeerd naar RNA, en RNA wordt getransleerd naar eiwit. $$ \text{DNA} \xrightarrow{\text{transcriptie}} \text{RNA} \xrightarrow{\text{translatie}} \text{Proteïne} $$ #### 2.4.1 Uitzonderingen op het centrale dogma * **Retrovirussen:** Gebruiken reverse transcriptase om viraal RNA te synthetiseren tot DNA. $$ \text{RNA} \xrightarrow{\text{reverse transcriptase}} \text{DNA} $$ #### 2.4.2 Vormen van RNA Naast messenger RNA (mRNA) dat codeert voor eiwitten, zijn er verschillende soorten non-coding RNA's die belangrijke functies hebben: * **tRNA (transfer RNA):** Essentieel voor de translatie, draagt aminozuren naar het ribosoom. * **rRNA (ribosomaal RNA):** Vormt de structurele en katalytische component van ribosomen. * **lncRNA (long non-coding RNA), snRNA (small nuclear RNA), snoRNA (small nucleolar RNA):** Hebben diverse regulerende en structurele functies. #### 2.4.3 Informatieoverdracht tussen generaties * **Replicatie:** DNA wordt gekopieerd zodat genetische informatie nauwkeurig kan worden doorgegeven aan dochtercellen tijdens celdeling (mitose en meiose). * **Mutaties:** Veranderingen in het DNA kunnen leiden tot veranderingen in het mRNA en vervolgens tot gemuteerde eiwitten, wat kan resulteren in ziekte. ### 2.5 De celkern en nucleair transport #### 2.5.1 Structuur van de celkern De celkern is een membraangebonden organel dat het genetisch materiaal van eukaryote cellen bevat. Het is omgeven door een dubbel membraan (nucleaire envelop) met **kernporiën** die de uitwisseling van moleculen tussen de kern en het cytoplasma reguleren. * **Nucleaire envelop:** Bestaat uit een buitenste en een binnenste membraan. * **Kernporiën:** Grote proteïnecomplexen die een selectief transportkanaal vormen. Kleine moleculen (tot ca. 30 kiloDalton, kDa) kunnen passief diffunderen, terwijl grotere moleculen actief transport vereisen. * **Nucleaire lamina:** Een vezelig netwerk van lamina-eiwitten aan de binnenkant van het binnenste kernmembraan, essentieel voor de structuur van de kern. Mutaties in lamines kunnen leiden tot aandoeningen zoals Hutchinson-Gilford progeria syndroom. * **Nucleolus:** Een dicht structuur binnen de kern waar rRNA wordt gesynthetiseerd en ribosomale subeenheden worden samengesteld. Het is de "fabriek" voor ribosomen. * **Nucleaire matrix (nucleoskelet):** Een onoplosbaar vezelig netwerk binnen de kern dat een rol speelt in de organisatie van het DNA en chromosoom territoria. #### 2.5.2 Nucleair transport Transport door de kernporiën is cruciaal voor de functie van de cel. * **Passief transport:** Diffusie van kleine moleculen (< ca. 30 kDa) zonder energieverbruik. * **Actief transport:** Vereist energie en transportreceptoren (bv. importines, exportines). * **Nucleaire import:** Eiwitten die naar de kern moeten, bezitten een **nucleair localisatie signaal (NLS)** dat door importines wordt herkend. Dit complex bindt aan FG-nucleoporines in de kernporie en wordt de kern ingevoerd, geholpen door de Ran-GTP gradiënt. * **Nucleaire export:** Moleculen die uit de kern moeten (bv. RNA, ribosomale subeenheden) worden herkend door exportreceptoren (bv. exportines) die een **nucleair export signaal (NES)** bevatten. Dit proces is ook afhankelijk van de Ran-GTP gradiënt. mRNA wordt vaak geëxporteerd als ribonucleoproteïne (mRNP) complexen. > **Tip:** Het aantonen dat een aminozuursequentie een NLS is, kan door een fusie-eiwit te creëren (een cytosolaire eiwit gecombineerd met de onderzochte sequentie) en vervolgens te observeren of dit fusie-eiwit naar de nucleus wordt getransporteerd na expressie. ### 2.6 Relevantie voor de geneeskunde Biochemie en moleculaire biologie vormen de basis voor het begrijpen van gezondheid en ziekte op moleculair niveau. Kennis van DNA, genexpressie en eiwitfunctie is essentieel voor: * **Diagnostiek:** Identificeren van genetische afwijkingen die ziekten veroorzaken. * **Preventie:** Begrijpen hoe genetische aanleg bijdraagt aan ziekterisico. * **Behandeling:** Ontwikkelen van gerichte therapieën, zoals: * **Gentherapie:** Corrigeren van defecte genen. * **CRISPR-Cas technologie:** Precisiegenbewerking. * **mRNA vaccins:** Gebruiken mRNA om immuunreacties op te wekken. * **Immuuntherapie:** Stimuleren van het immuunsysteem om ziekte te bestrijden. * **Geneesmiddelen:** Ontwikkelen van medicijnen die specifieke moleculaire doelen aangrijpen (bv. remmers van virale reverse transcriptase). * **Gepersonaliseerde geneeskunde:** Behandelingen afstemmen op het individuele genotype van een patiënt. Door de wisselwerking tussen fundamenteel onderzoek en geneeskunde worden innovatieve diagnostische en therapeutische benaderingen ontwikkeld. --- # Structuur en functie van de celkern en nucleair transport Dit gedeelte behandelt de organisatie van de celkern, inclusief het kernmembraan, kernporiën en de nucleaire matrix, en beschrijft het transport van moleculen van en naar de celkern via passieve en actieve mechanismen. ### 3.1 De celkern: organisatie en structurele componenten De celkern is een centraal organel dat het genetisch materiaal van eukaryotische cellen bevat en beschermt. Het speelt een cruciale rol in de regulatie van genexpressie en de replicatie van DNA. #### 3.1.1 Het kernmembraan Het kernmembraan, ook wel nucleaire envelop genoemd, scheidt de inhoud van de kern (nucleoplasma) van het cytoplasma. Het bestaat uit een dubbele membraan, gescheiden door een perinucleaire ruimte. Aan de binnenzijde van het kernmembraan bevindt zich de nucleaire lamina, een netwerk van intermediaire filamenten, voornamelijk bestaande uit lamine-eiwitten. Deze lamina is essentieel voor het handhaven van de vorm van de celkern en speelt een rol bij de organisatie van chromatine. #### 3.1.2 Kernporiën: de poorten van de celkern De kernporiën zijn complexe proteïne structuren die door de dubbele kernmembraan lopen. Ze fungeren als selectieve kanalen die moleculair verkeer tussen de kern en het cytoplasma reguleren. Een typische zoogdierencel bevat 3000 tot 4000 kernporiën, elk met een diameter van ongeveer 120 nanometer. * **Passief transport:** Kleine moleculen, zoals ionen, ATP en kleine eiwitten (tot ongeveer 30 kilodalton), kunnen via diffusie de kernporiën passeren zonder energieverbruik. Dit transport is beperkt tot moleculen met een diameter tot ongeveer 9 nanometer. * **Actief transport:** Grotere moleculen, zoals eiwitten en RNA, vereisen actief transport via transportreceptoren. Dit proces is energieafhankelijk en maakt transport mogelijk voor moleculen tot een diameter van ongeveer 26 nanometer. #### 3.1.3 De nucleaire matrix De nucleaire matrix, of het nucleoskelet, is een onoplosbaar vezelig netwerk binnen de kern dat overblijft na behandeling met detergenten en nucleasen. Het vormt een ondersteunende structuur en is betrokken bij de organisatie van chromosomen en de regulatie van genexpressie. In situ hybridisatie kan aantonen dat chromosomen zich in specifieke 'chromosoomterritoria' bevinden binnen de kern, die kunnen variëren afhankelijk van celtype en omstandigheden. #### 3.1.4 De nucleolus De nucleolus is een subnucleaire structuur zonder membraan die fungeert als de "fabriek" voor ribosomen. Het kan tot 25% van het volume van de kern innemen, afhankelijk van de cellulaire activiteit. De nucleolus bestaat uit fibrillen, waar rRNA-synthese en pre-rRNA-processing plaatsvinden, en granulen, waar de assemblage van ribosomale subeenheden plaatsvindt. ### 3.2 Nucleair transport: mechanismen en regulatie Het transport van moleculen tussen de celkern en het cytoplasma is een essentieel proces dat nauwkeurig gereguleerd wordt. Dit transport vindt plaats via de kernporiën en kan zowel passief als actief zijn. #### 3.2.1 Actieve nucleaire import Eiwitten die naar de celkern moeten worden getransporteerd, bezitten meestal een nucleair localisatie signaal (NLS). Dit signaal is een specifieke aminozuursequentie die herkenning door transportreceptoren mogelijk maakt. * **Importine/Ran-systeem:** Importine is een transportreceptor die bindt aan het NLS van het te importeren eiwit. Het complex van importine en het eiwit (de cargo) wordt vervolgens door de kernporie getransporteerd. Binnen de kern faciliteert Ran-GTP (een GTP-bindend eiwit) de dissociatie van het eiwit van importine. * **Ran-GTP gradiënt:** Een gradiënt van Ran-GTP tussen de celkern en het cytoplasma drijft het nucleaire transport aan. In de celkern bevordert een guanine-nucleotide exchange factor (GEF) de vorming van Ran-GTP, terwijl in het cytoplasma een GTPase-activating protein (GAP) de hydrolyse van GTP bevordert, wat leidt tot Ran-GDP. Dit concentratieverschil zorgt voor de directionele beweging van moleculen. #### 3.2.2 Actieve nucleaire export RNA-moleculen en eiwitten die uit de celkern moeten worden geëxporteerd, bezitten doorgaans een nucleair export signaal (NES). * **Exportine/Ran-systeem:** Exportine werkt vergelijkbaar met importine, maar transporteert NES-bevattende moleculen uit de kern. Exportine bindt aan het NES-eiwit, Ran-GTP en de FG-nucleoporines om het complex door de kernporie te transporteren. * **mRNA export:** mRNA-moleculen worden als ribonucleoproteïnecomplexen (mRNP's) geëxporteerd, vaak onafhankelijk van het Ran-systeem. #### 3.2.3 Nucleaire localisatie signalen (NLS) Een NLS is een specifieke aminozuursequentie, vaak rijk aan basische aminozuren (zoals lysine en arginine), die op het oppervlak van een eiwit voorkomt en essentieel is voor zijn import in de celkern. De ontdekking en identificatie van NLS-sequenties is cruciaal voor het begrijpen van het cellulaire compartimentalisatie. > **Tip:** Om aan te tonen dat een bepaalde aminozuursequentie een NLS is, kan men een recombinant fusie-eiwit creëren door deze sequentie te koppelen aan een cytosolisch eiwit. Als dit fusie-eiwit vervolgens naar de celkern wordt getransporteerd, bewijst dit de NLS-activiteit van de sequentie. #### 3.2.4 Nucleaire transportfactor 2 (NTF2) NTF2 is een transportreceptor die Ran-GDP van het cytoplasma terug naar de celkern transporteert, waar Ran-GDP wordt omgezet in Ran-GTP door de GEF. Dit is een cruciale stap in het handhaven van de Ran-GTP gradiënt. > **Voorbeeld:** Tijdens de replicatie van DNA worden er grote hoeveelheden histonen naar de celkern getransporteerd. Dit illustreert de omvang en efficiëntie van het actieve nucleaire importmechanisme. --- ## Veelgemaakte fouten om te vermijden - Bestudeer alle onderwerpen grondig voor examens - Let op formules en belangrijke definities - Oefen met de voorbeelden in elke sectie - Memoriseer niet zonder de onderliggende concepten te begrijpen

| Term | Definition | |------|------------| | Nucleotiden | De bouwstenen van nucleïnezuren zoals DNA en RNA. Een nucleotide bestaat uit een fosfaatgroep, een suiker (deoxyribose in DNA, ribose in RNA) en een stikstofbase (adenine, guanine, cytosine, thymine of uracil). | | Dubbele helix | De karakteristieke spiraalvormige structuur van DNA, bestaande uit twee complementaire strengen die om elkaar heen wikkelen, met de basen naar binnen gericht en de suiker-fosfaatruggengraat aan de buitenkant. | | Basenparing | Het specifieke koppelen van stikstofbasen in de twee DNA-strengen: adenine (A) paart altijd met thymine (T) via twee waterstofbruggen, en guanine (G) paart altijd met cytosine (C) via drie waterstofbruggen. | | Waterstofbruggen | Zwakke chemische bindingen die ontstaan tussen een waterstofatoom dat gebonden is aan een elektronegatief atoom (zoals zuurstof of stikstof) en een ander elektronegatief atoom. Deze zijn cruciaal voor de stabiliteit van de DNA-dubbele helix. | | Purine | Een type stikstofbase met een dubbele ringstructuur, waaronder adenine (A) en guanine (G). In DNA en RNA vormen purines paren met pyrimidines. | | Pyrimidine | Een type stikstofbase met een enkele ringstructuur, waaronder cytosine (C), thymine (T) en uracil (U). In DNA en RNA paren pyrimidines met purines. | | Hydrofoob effect | Het verschijnsel waarbij niet-polaire moleculen, zoals de stikstofbasen in DNA, zich aggregeren in een waterige omgeving om de interactie met water te minimaliseren. Dit is een belangrijke drijvende kracht achter de vorming van de dubbele helix. | | Base stacking | De interactie tussen naburige vlakke aromatische ringen van stikstofbasen in de DNA-dubbele helix, voornamelijk door Van der Waals-krachten en hydrofobe interacties. Deze interacties stabiliseren de helixstructuur. | | Major groeve | Een van de twee groeven die ontstaan op het oppervlak van de DNA-dubbele helix. De major groeve is breder en biedt specifieke bindingsplaatsen voor eiwitten die DNA herkennen. | | Minor groeve | De smallere van de twee groeven op het oppervlak van de DNA-dubbele helix. De interacties in de minor groeve zijn minder specifiek dan in de major groeve. | | Supercoiling (superwinding) | Het opwinden van DNA-moleculen om hun eigen as, wat resulteert in een compactere structuur. Dit proces is essentieel voor het passen van het lange DNA in de celkern en wordt gereguleerd door enzymen zoals topoisomerases. | | Topoisomerasen | Enzymen die de topologische staat van DNA kunnen veranderen door strengen te breken, te ontwarren en weer te verbinden. Ze zijn cruciaal voor processen als DNA-replicatie en transcriptie door het beheren van supercoiling. | | Denaturatie | Het proces waarbij de twee strengen van de DNA-dubbele helix scheiden, meestal veroorzaakt door verhoogde temperatuur of veranderingen in pH. Dit maakt de individuele strengen toegankelijk voor andere moleculen. | | Renaturatie (hybridisatie) | Het omgekeerde proces van denaturatie, waarbij de gescheiden DNA-strengen zich weer kunnen herenigen onder de juiste omstandigheden (bijvoorbeeld verlaagde temperatuur). Dit principe wordt gebruikt in technieken als FISH. | | FISH (fluorescence in situ hybridization) | Een moleculaire cytogenetische techniek die fluorescerende probes gebruikt om specifieke DNA-sequenties te detecteren en te visualiseren binnen cellen of weefsels, vaak op chromosomen. | | Karyotype (chromosomenkaart) | Een geordende weergave van de chromosomen van een cel of organisme, gerangschikt naar grootte, vorm en patroon. Dit helpt bij het identificeren van chromosomale afwijkingen. | | Bacterieel chromosoom | Het primaire genetisch materiaal van een bacterie, meestal een enkel, circulair, dubbelstrengs DNA-molecuul dat zich bevindt in de nucleoïde regio van de cel. | | Plasmiden | Kleine, circulaire, dubbelstrengs DNA-moleculen die autonoom kunnen repliceren binnen bacteriële cellen, naast het hoofdgenoom. Ze kunnen genetische informatie dragen die gunstig is voor de bacterie, zoals resistentie tegen antibiotica. | | Nucleoïde | Het gebied in het cytoplasma van een prokaryote cel waar het genetisch materiaal (het chromosoom) zich bevindt. Het is geen membraangebonden organel zoals de celkern van eukaryoten. | | Chromatine | Het complex van DNA en eiwitten (voornamelijk histonen) dat de bouwsteen vormt van chromosomen in eukaryote cellen. Chromatine zorgt voor de compacte verpakking van DNA en reguleert genexpressie. | | Histonen | Kleine, basische eiwitten die een essentiële rol spelen bij de verpakking van DNA in eukaryoten. Ze vormen de kern van nucleosomen, de basiseenheid van chromatine. | | Nucleosoom | De basiseenheid van chromatine, bestaande uit ongeveer 146 basenparen DNA dat rond een octameer van histonen is gewikkeld. | | Euchromatine | De minder compacte vorm van chromatine die actief is voor transcriptie. Genen in euchromatine zijn toegankelijker voor de transcriptiemachinerie. | | Heterochromatine | De sterk gecondenseerde vorm van chromatine die over het algemeen transcriptioneel inactief is. Het is onderverdeeld in constitutief heterochromatine (altijd compact) en facultatief heterochromatine (compact onder specifieke omstandigheden). | | Post-translationele modificaties van histonen | Chemische veranderingen (zoals acetylering, methylering, fosforylering) die aan histon-eiwitten worden aangebracht na hun synthese. Deze modificaties reguleren de chromatine-structuur en genexpressie. | | Acetylering van histonen | Een post-translationele modificatie waarbij een acetylgroep wordt toegevoegd aan lysineresiduen op histon-staarten. Dit verzwakt de interactie tussen histonen en DNA, wat leidt tot een opener chromatine-structuur en verhoogde genexpressie. | | Methylering van histonen | Een post-translationele modificatie waarbij een methylgroep wordt toegevoegd aan lysineresiduen of arginine-residuën op histon-staarten. Methylering kan zowel genactivatie als genonderdrukking bevorderen, afhankelijk van de locatie en het aantal methylgroepen. | | Chromatine-remodelleer complexen | Grote eiwitcomplexen die de organisatie en/of positie van nucleosomen binnen het chromatine kunnen veranderen. Ze spelen een cruciale rol bij het reguleren van DNA-toegankelijkheid voor genexpressie. | | Repetitief DNA | DNA-sequenties die meerdere keren in het genoom voorkomen. Dit omvat tandem repetitief DNA (zoals satelliet-DNA, VNTRs, microsatellieten) en verspreid repetitief DNA (zoals transposons). | | Transposons | Mobiele genetische elementen die zich binnen het genoom kunnen verplaatsen via replicatieve ('copy & paste') of conservatieve ('cut & paste') transpositie. Ze kunnen de genexpressie beïnvloeden en dragen bij aan de evolutie van het genoom. | | Retrotransposons | Een type transposon dat een RNA-intermediair gebruikt voor transpositie. Ze kopiëren zichzelf naar een nieuwe locatie in het genoom, wat resulteert in een toename van hun aantal. LINEs en SINEs zijn voorbeelden in het humane genoom. | | LINEs (Long Interspersed Nuclear Elements) | Een klasse van retrotransposons in eukaryote genomen die relatief lang zijn en coderen voor enzymen die nodig zijn voor hun eigen replicatie en insertie. LINE-1 (L1) is een prominent voorbeeld. | | SINEs (Short Interspersed Nuclear Elements) | Een klasse van retrotransposons in eukaryote genomen die korter zijn dan LINEs en meestal niet coderen voor eigen transpositie-enzymen, maar afhankelijk zijn van de machinery van andere retrotransposons. Alu-sequenties zijn een bekend voorbeeld. | | Mitochondriaal genoom | Het DNA dat zich bevindt in de mitochondriën van eukaryote cellen. Dit is meestal een klein, circulair, dubbelstrengs DNA-molecuul dat eigen ribosomen en een beperkt aantal genen bevat. | | Celkern (nucleus) | Het membraangebonden organel in eukaryote cellen dat het genetisch materiaal (DNA) bevat, georganiseerd in chromosomen. De celkern reguleert veel cellulaire processen, waaronder genexpressie en DNA-replicatie. | | Kernporiën | Complexe eiwitstructuren die de nucleaire envelop doordringen en fungeren als selectieve poorten voor het transport van moleculen tussen de celkern en het cytoplasma. | | Nucleaire matrix (nucleoskelet) | Een onoplosbaar vezelig netwerk binnen de celkern dat de organisatie van het chromatine en de structuur van de celkern helpt handhaven. | | Nucleaire lamina | Een vezelachtige eiwitstructuur aan de binnenzijde van het binnenste kernmembraan, opgebouwd uit lamine-eiwitten. Het ondersteunt de structuur van de celkern en speelt een rol bij chromatine-organisatie. | | Nucleolus | Een niet-membraangebonden subnucleair structuur in de celkern, die voornamelijk betrokken is bij de synthese van ribosomaal RNA (rRNA) en de assemblage van ribosomale subeenheden. | | Nucleair lokalisatiesignaal (NLS) | Een specifiek aminozuursequentie op een eiwit dat fungeert als een "adreslabel" dat ervoor zorgt dat het eiwit naar de celkern wordt getransporteerd. | | Nucleaire export signaal (NES) | Een specifiek aminozuursequentie op een eiwit dat ervoor zorgt dat het eiwit uit de celkern naar het cytoplasma wordt getransporteerd. |