Moleculaire biologie
Paragraaf 16.1
Twee chemische componenten van chromosomen: DNA en eiwit -> belangrijkste
kandidaten voor het genetische materiaal.
- Eiwitten argument: geïdentificeerd als een klasse van macromoleculen
met een grote heterogeniteit en specificiteit van functie, essentiële
vereisen voor het erfelijke materiaal. Bovendien weinig bekend over
nucleïnezuren, waarvan de fysische en chemische eigenschappen veel te
uniform leken om de veelheid aan specifieke erfelijke eigenschappen te
verklaren die elk organisme vertoont.
Visie veranderde toen DNA werd geïntroduceerd bij erfelijkheid en werd
uitgewerkt in onderzoek naar bacteriën en de virussen die ze infecteerde.
Bewijs dat DNA bacteriën kan transformeren
1928, Griffith probeert vaccin tegen longontsteking te maken. Hij onderzocht een
bacterie die deze longontsteking veroorzaakt. Hij had twee stammen
(variëteiten): één pathogeen (ziekteverwekkend) en één niet-pathogene
(onschadelijk). De pathogene bacterie werd met hitte gedood maar de cel resten
mengde met levende bacteriën van de niet-pathogene stam, en sommige van de
levende cellen werden pathogeen. De nieuwe verworven eigenschap van
pathogeniteit werd geërfd door alle nakomelingen van de getransformeerde
bacteriën. Een chemisch component (van de dode pathogenen cellen)
veroorzaakte de verandering. Dit is transformatie = een verandering in genotype
en fenotype als gevolg van de assimilatie van extern DNA door een cel.
Toch sceptisch -> eiwitten als betere kandidaten voor het genetische materiaal.
Biologen niet overtuigd dat bacteriële genen qua samenstelling en functie
vergelijkbaar zouden zijn met die van complexere organismen. De grootste reden
voor de twijfel -> weinig bekend was over DNA.
Bewijs dat viraal DNA cellen kan programmeren
Bewijs dat DNA het genetische materiaal was door bacteriofagen (fagen) =
virussen die bacteriën infecteren. Virussen zijn veel eenvoudiger dan cellen, het
is weinig meer dan DNA (soms RNA), omhuld door een beschermende laag, die
vaak eenvoudigweg uit eiwit bestaat. Om meer virussen te produceren, moet
een virus een cel infecteren en de metabolische machinerie van de cel
overnemen.
Fagen, op grote schaal gebruikt als hulpmiddel door Hersey en Chase in de
moleculaire genetica. In 1952, aangetoond dat DNA het genetische materiaal
is van een faag die bekend als T2. De faag infecteert E.coli -> een bacterie
die zich normaal bevind in de darmen en een modelorganisme is voor
moleculair biologen. Het was bekend dat fagen volledig uit DNA en eiwitten
bestond, en ook dat de T2-faag een E. coli- cel snel kon veranderen in een
T2-producerende fabriek. Deze gaf veel kopieën van nieuwe fagen af als de
cel scheurde. Het zou de gastheercel kunnen her-programmeren om virussen te
maken Maar was DNA of Eiwit verantwoordelijk?
Hershey en Chase moesten aantonen dat slechts één van deze van T2 de
E.coli binnendringt tijdens infectie. Onderzoekers gebruikten een radioactieve
,Moleculaire biologie
isotoop van zwavel om eiwitten in één batch T2 te taggen en een radioactieve
isotoop van fosfor om DNA in een tweede batch te taggen. Alleen eiwit bevat
zwavel, dus de radioactieve zwavelatomen werden alleen in het eiwit van de
faag opgenomen. Het radioactieve fosfor labelden alleen het DNA. Afzonderlijke
monsters van niet-radioactieve E. coli- cellen werden apart geïnfecteerd met de
met eiwit gemerkte en met DNA gemerkte partijen T2. Onderzoekers testten
vervolgens de twee monsters kort na het begin van de infectie om te zien welk
type radioactief gelabeld molecuul – eiwit of DNA – de bacteriële cellen was
binnengedrongen en daarom in staat zou zijn deze te her-programmeren.
Hershey en Chase ontdekte dat het faag-DNA de gastheercellen binnendrong.
Daarnaast liet de E.coli na infectie fagen vrij die fosfor bevatten. DNA speelt in
de cel dus een rol tijdens het infectieproces. Conclusie: DNA is het molecuul dat
de genetische informatie draagt die ervoor zorgt dat de cellen nieuw viraal DNA
en eiwitten produceren. Het onderzoek leverde bewijs dat nucleïnezuren, het
erfelijke materiaal zijn.
Aanvullend bewijs dat DNA het genetische materiaal is
Verder bewijs komt uit het lab van Chargaff. Het was bekend dat
DNA een polymeer van nucleotiden is, elk met drie
componenten: een stikstofhoudende (stikstofhoudende) base,
een pentosesuiker genaamd deoxyribose, en een fosfaatgroep.
De base kunnen adenine (A), thymine (T), guanine (G) of
cytosine (C) zijn. Chargaff analyseerde de basissamenstelling
van DNA van een aantal verschillende organismen. Hij zag dat
de basissamenstelling van DNA van soort tot soort varieert. Dit
bewijs van moleculaire diversiteit tussen soorten maakte DNA
een geloofwaardiger kandidaat voor het genetische materiaal.
Chargaff zag ook dat een verhouding in nucleotidebasen.
Adenine zijn ongeveer gelijk aan thymines en guanines aan cytosines.
Deze twee bevindingen werden bekend als de regels van Chargaff :
1. De samenstelling van DNA-bases varieert tussen soorten, en
2. Voor elke soort zijn de percentages van A- en T-basen en G- en C-basen
ongeveer gelijk.
Een structureel DNA-model bouwen
Uitdaging; hoe bepaalt de structuur van DNA zijn rol bij de overerving? De
rangschikking van covalente bindingen in een nucleïnezuurpolymeer waren
bekend. Onderzoekers concentreerden zich op het ontdekken van de
driedimensionale structuur van DNA. Het begon bij röntgenkristallografie.
Onderzoeker Watson zag een röntgendiffractiebeeld van DNA. Het beeld geeft
vlekken aan die worden geproduceerd door röntgenstralen die werden
afgebogen (afgebogen) terwijl ze door uitgelijnde vezels van gezuiverd DNA
gingen. Hiermee werd geconcludeerd dat DNA spiraalvormig van vorm was,
en de breedte van de helix en de afstand van de stikstofbases werden
verkregen. Het patroon op deze foto impliceerde dat de helix uit twee strengen
bestond, de dubbele helix.
Watson en Crick bouwde modellen die voldoen aan de metingen en Chargaffs
regel van basis equivalenties. Uiteindelijk concludeerde ze dat de suiker-fosfaat-
,Moleculaire biologie
skeletten zich aan de buitenkant van het DNA-molecuul bevonden, in
tegenstelling tot hun werkmodel. Franklins opstelling had de negatief geladen
fosfaatgroepen naar de waterige omgeving gericht en de hydrofobe
stikstofhoudende basen verborgen in het binnenland. Watson creëerde een
model waarin twee suiker-fosfaat-hoofdketens antiparallel zijn = hun
subeenheden lopen in tegengestelde richtingen lopen. De röntgen gegevens
gaven aan dat de helix elke 3,5 nm over zijn lengte een volledige draai maakt.
Omdat de basen slechts 0,34 nm uit elkaar zijn gestapeld, zijn er tien lagen
basenparen, in elke volledige draaiing van de helix.
De stikstofhoudende basen van de dubbele helix zijn in
specifieke combinaties gepaard: adenine (A) met thymine (T)
en guanine (G) met cytosine (C). Dit is een sleutelkenmerk van
DNA. Waarom is dit? Adenine en guanine zijn purines,
stikstofbasen met twee organische ringen. Cytosine en thymine
stikstofbasen zijn pyrimidines, die een enkele ring hebben. Het
koppelen van een purine aan een pyrimidine is de enige
combinatie die resulteert in een uniforme diameter voor de dubbele helix
Watson en Crick redeneerden dat elke base heeft
chemische zijgroepen die waterstofbruggen kunnen vormen
met de juiste partner: Adenine kan twee waterstofbruggen
vormen met thymine en alleen met thymine; guanine vormt
drie waterstofbruggen met cytosine en alleen cytosine.
Het Watson-Crick-model hield rekening met de ratio's van Chargaff en verklaarde
deze uiteindelijk. In een streng heeft A een partnerstreng met een T en G met de
C. Ze zijn complementair. Hoewel de regels voor baseparing de bouwstenen van
de dubbele helix bepalen, blijft de volgorde van nucleotiden in het DNA vrij. Elk
gen heeft een eigen unieke sequentie van basen, die op vele manieren kan
variëren. Het mooie van het dubbele helixmodel was dat de structuur van DNA
het basismechanisme van de replicatie ervan suggereerde.
Paragraaf 16.2
Erfelijke informatie in DNA stuurt de ontwikkeling van jezelf. De gelijkenis met
ouders komt voor door replicatie van DNA voorafgaand aan de meiose. Replicatie
voorafgaand aan mitose zorgt voor een getrouwe overdracht van genetische
informatie van een oudercel naar twee dochtercellen.
Nucleïnezuren kunnen hun eigen replicatie uit monomeren dicteren.
De relatie tussen structuur en functie is duidelijk zichtbaar in de dubbele helix:
de specifieke complementaire koppeling van stikstofbasen in DNA heeft een
functionele betekenis.
Het basisprincipe: basenparen aan een sjabloonstreng
Als je een DNA-streng
bedekt, kan de lineaire
sequentie van nucleotide
worden bedacht door de
regels van baseparing toe
, Moleculaire biologie
te passen. De twee onderdelen zijn complementair; elk slaat de informatie op die
nodig is om de ander te reconstrueren. Wanneer een cel een DNA-molecuul
kopieert, dient elke streng als sjabloon voor het ordenen van nucleotiden in een
nieuwe, complementaire streng. Nucleotiden liggen langs de sjabloonstreng
volgens de regels voor baseparing en worden gekoppeld om de nieuwe strengen
te vormen. Eén dubbelstrengig DNA-molecuul wordt twee, elk een exacte replica
van het ‘ouderlijke’ molecuul.
Dit was jaren ongetest. Er zijn verschillende modellen bedacht:
- Watson en Crick: wanneer een dubbele helix repliceert, elk
van de twee dochtermoleculen zal één oude streng
hebben, van het oudermolecuul, en één nieuw gemaakte
streng.
- Conservatief replicatiemodel: de twee ouderlijke strengen
komen op de een of andere manier weer bij elkaar na het
proces (dat wil zeggen dat het oudermolecuul behouden
blijft).
- Dispersieve model: alle vier de DNA-strengen hebben na
replicatie een mengsel van oud en nieuw DNA.
Matthew Meselson en Franklin Stahl bedachten in de jaren 50 een
experiment om de drie modellen te onderscheiden. Het resultaat
ondersteunde het Watson en Crick model.
DNA-replicatie: van dichterbij bekeken
DNA kopiëren kost in de S-fase van de interfase kost slechts een paar uur.
Ondanks dat we 6 miljard nucleotideparen (46 somatische cellen 46 DNA-
moleculen in de kern, één lange dubbele helixmolecuul per chromosoom).
Replicatie wordt bereikt met weinig fouten: ong één per 10 miljard nucleotiden.
Het kopiëren van DNA is opmerkelijk qua snelheid en nauwkeurigheid.
Meer dan een dozijn enzymen en eiwitten nemen deel aan DNA-
replicatie. Er is veel bekend over de ‘replicatie’ in bacteriën (E.coli) maar het
proces is vergelijkbaar voor eukaryoten.
Replicatieoorsprong = plaatsen met
korte stukken DNA met een specifiek
sequentie van nucleotide waar de
replicatie van chromosomaal DNA
begint. E.coli chromosoom ->
cirkelvormig en één oorsprong. Eiwitten
die DNA-replicatie initiëren, herkennen
deze sequentie en hechten zich aan
het DNA, waardoor de twee strengen
worden gescheiden en een
replicatie-‘bubbel’ wordt geopend. De
replicatie verloopt in beide richtingen
tot het hele molecuul is gekopieerd. Er
vormen zich meerdere
replicatiebubbels die uiteindelijk
samensmelten, waardoor het kopiëren
van de zeer lange DNA-moleculen wordt versneld. Een eukaryotische
Paragraaf 16.1
Twee chemische componenten van chromosomen: DNA en eiwit -> belangrijkste
kandidaten voor het genetische materiaal.
- Eiwitten argument: geïdentificeerd als een klasse van macromoleculen
met een grote heterogeniteit en specificiteit van functie, essentiële
vereisen voor het erfelijke materiaal. Bovendien weinig bekend over
nucleïnezuren, waarvan de fysische en chemische eigenschappen veel te
uniform leken om de veelheid aan specifieke erfelijke eigenschappen te
verklaren die elk organisme vertoont.
Visie veranderde toen DNA werd geïntroduceerd bij erfelijkheid en werd
uitgewerkt in onderzoek naar bacteriën en de virussen die ze infecteerde.
Bewijs dat DNA bacteriën kan transformeren
1928, Griffith probeert vaccin tegen longontsteking te maken. Hij onderzocht een
bacterie die deze longontsteking veroorzaakt. Hij had twee stammen
(variëteiten): één pathogeen (ziekteverwekkend) en één niet-pathogene
(onschadelijk). De pathogene bacterie werd met hitte gedood maar de cel resten
mengde met levende bacteriën van de niet-pathogene stam, en sommige van de
levende cellen werden pathogeen. De nieuwe verworven eigenschap van
pathogeniteit werd geërfd door alle nakomelingen van de getransformeerde
bacteriën. Een chemisch component (van de dode pathogenen cellen)
veroorzaakte de verandering. Dit is transformatie = een verandering in genotype
en fenotype als gevolg van de assimilatie van extern DNA door een cel.
Toch sceptisch -> eiwitten als betere kandidaten voor het genetische materiaal.
Biologen niet overtuigd dat bacteriële genen qua samenstelling en functie
vergelijkbaar zouden zijn met die van complexere organismen. De grootste reden
voor de twijfel -> weinig bekend was over DNA.
Bewijs dat viraal DNA cellen kan programmeren
Bewijs dat DNA het genetische materiaal was door bacteriofagen (fagen) =
virussen die bacteriën infecteren. Virussen zijn veel eenvoudiger dan cellen, het
is weinig meer dan DNA (soms RNA), omhuld door een beschermende laag, die
vaak eenvoudigweg uit eiwit bestaat. Om meer virussen te produceren, moet
een virus een cel infecteren en de metabolische machinerie van de cel
overnemen.
Fagen, op grote schaal gebruikt als hulpmiddel door Hersey en Chase in de
moleculaire genetica. In 1952, aangetoond dat DNA het genetische materiaal
is van een faag die bekend als T2. De faag infecteert E.coli -> een bacterie
die zich normaal bevind in de darmen en een modelorganisme is voor
moleculair biologen. Het was bekend dat fagen volledig uit DNA en eiwitten
bestond, en ook dat de T2-faag een E. coli- cel snel kon veranderen in een
T2-producerende fabriek. Deze gaf veel kopieën van nieuwe fagen af als de
cel scheurde. Het zou de gastheercel kunnen her-programmeren om virussen te
maken Maar was DNA of Eiwit verantwoordelijk?
Hershey en Chase moesten aantonen dat slechts één van deze van T2 de
E.coli binnendringt tijdens infectie. Onderzoekers gebruikten een radioactieve
,Moleculaire biologie
isotoop van zwavel om eiwitten in één batch T2 te taggen en een radioactieve
isotoop van fosfor om DNA in een tweede batch te taggen. Alleen eiwit bevat
zwavel, dus de radioactieve zwavelatomen werden alleen in het eiwit van de
faag opgenomen. Het radioactieve fosfor labelden alleen het DNA. Afzonderlijke
monsters van niet-radioactieve E. coli- cellen werden apart geïnfecteerd met de
met eiwit gemerkte en met DNA gemerkte partijen T2. Onderzoekers testten
vervolgens de twee monsters kort na het begin van de infectie om te zien welk
type radioactief gelabeld molecuul – eiwit of DNA – de bacteriële cellen was
binnengedrongen en daarom in staat zou zijn deze te her-programmeren.
Hershey en Chase ontdekte dat het faag-DNA de gastheercellen binnendrong.
Daarnaast liet de E.coli na infectie fagen vrij die fosfor bevatten. DNA speelt in
de cel dus een rol tijdens het infectieproces. Conclusie: DNA is het molecuul dat
de genetische informatie draagt die ervoor zorgt dat de cellen nieuw viraal DNA
en eiwitten produceren. Het onderzoek leverde bewijs dat nucleïnezuren, het
erfelijke materiaal zijn.
Aanvullend bewijs dat DNA het genetische materiaal is
Verder bewijs komt uit het lab van Chargaff. Het was bekend dat
DNA een polymeer van nucleotiden is, elk met drie
componenten: een stikstofhoudende (stikstofhoudende) base,
een pentosesuiker genaamd deoxyribose, en een fosfaatgroep.
De base kunnen adenine (A), thymine (T), guanine (G) of
cytosine (C) zijn. Chargaff analyseerde de basissamenstelling
van DNA van een aantal verschillende organismen. Hij zag dat
de basissamenstelling van DNA van soort tot soort varieert. Dit
bewijs van moleculaire diversiteit tussen soorten maakte DNA
een geloofwaardiger kandidaat voor het genetische materiaal.
Chargaff zag ook dat een verhouding in nucleotidebasen.
Adenine zijn ongeveer gelijk aan thymines en guanines aan cytosines.
Deze twee bevindingen werden bekend als de regels van Chargaff :
1. De samenstelling van DNA-bases varieert tussen soorten, en
2. Voor elke soort zijn de percentages van A- en T-basen en G- en C-basen
ongeveer gelijk.
Een structureel DNA-model bouwen
Uitdaging; hoe bepaalt de structuur van DNA zijn rol bij de overerving? De
rangschikking van covalente bindingen in een nucleïnezuurpolymeer waren
bekend. Onderzoekers concentreerden zich op het ontdekken van de
driedimensionale structuur van DNA. Het begon bij röntgenkristallografie.
Onderzoeker Watson zag een röntgendiffractiebeeld van DNA. Het beeld geeft
vlekken aan die worden geproduceerd door röntgenstralen die werden
afgebogen (afgebogen) terwijl ze door uitgelijnde vezels van gezuiverd DNA
gingen. Hiermee werd geconcludeerd dat DNA spiraalvormig van vorm was,
en de breedte van de helix en de afstand van de stikstofbases werden
verkregen. Het patroon op deze foto impliceerde dat de helix uit twee strengen
bestond, de dubbele helix.
Watson en Crick bouwde modellen die voldoen aan de metingen en Chargaffs
regel van basis equivalenties. Uiteindelijk concludeerde ze dat de suiker-fosfaat-
,Moleculaire biologie
skeletten zich aan de buitenkant van het DNA-molecuul bevonden, in
tegenstelling tot hun werkmodel. Franklins opstelling had de negatief geladen
fosfaatgroepen naar de waterige omgeving gericht en de hydrofobe
stikstofhoudende basen verborgen in het binnenland. Watson creëerde een
model waarin twee suiker-fosfaat-hoofdketens antiparallel zijn = hun
subeenheden lopen in tegengestelde richtingen lopen. De röntgen gegevens
gaven aan dat de helix elke 3,5 nm over zijn lengte een volledige draai maakt.
Omdat de basen slechts 0,34 nm uit elkaar zijn gestapeld, zijn er tien lagen
basenparen, in elke volledige draaiing van de helix.
De stikstofhoudende basen van de dubbele helix zijn in
specifieke combinaties gepaard: adenine (A) met thymine (T)
en guanine (G) met cytosine (C). Dit is een sleutelkenmerk van
DNA. Waarom is dit? Adenine en guanine zijn purines,
stikstofbasen met twee organische ringen. Cytosine en thymine
stikstofbasen zijn pyrimidines, die een enkele ring hebben. Het
koppelen van een purine aan een pyrimidine is de enige
combinatie die resulteert in een uniforme diameter voor de dubbele helix
Watson en Crick redeneerden dat elke base heeft
chemische zijgroepen die waterstofbruggen kunnen vormen
met de juiste partner: Adenine kan twee waterstofbruggen
vormen met thymine en alleen met thymine; guanine vormt
drie waterstofbruggen met cytosine en alleen cytosine.
Het Watson-Crick-model hield rekening met de ratio's van Chargaff en verklaarde
deze uiteindelijk. In een streng heeft A een partnerstreng met een T en G met de
C. Ze zijn complementair. Hoewel de regels voor baseparing de bouwstenen van
de dubbele helix bepalen, blijft de volgorde van nucleotiden in het DNA vrij. Elk
gen heeft een eigen unieke sequentie van basen, die op vele manieren kan
variëren. Het mooie van het dubbele helixmodel was dat de structuur van DNA
het basismechanisme van de replicatie ervan suggereerde.
Paragraaf 16.2
Erfelijke informatie in DNA stuurt de ontwikkeling van jezelf. De gelijkenis met
ouders komt voor door replicatie van DNA voorafgaand aan de meiose. Replicatie
voorafgaand aan mitose zorgt voor een getrouwe overdracht van genetische
informatie van een oudercel naar twee dochtercellen.
Nucleïnezuren kunnen hun eigen replicatie uit monomeren dicteren.
De relatie tussen structuur en functie is duidelijk zichtbaar in de dubbele helix:
de specifieke complementaire koppeling van stikstofbasen in DNA heeft een
functionele betekenis.
Het basisprincipe: basenparen aan een sjabloonstreng
Als je een DNA-streng
bedekt, kan de lineaire
sequentie van nucleotide
worden bedacht door de
regels van baseparing toe
, Moleculaire biologie
te passen. De twee onderdelen zijn complementair; elk slaat de informatie op die
nodig is om de ander te reconstrueren. Wanneer een cel een DNA-molecuul
kopieert, dient elke streng als sjabloon voor het ordenen van nucleotiden in een
nieuwe, complementaire streng. Nucleotiden liggen langs de sjabloonstreng
volgens de regels voor baseparing en worden gekoppeld om de nieuwe strengen
te vormen. Eén dubbelstrengig DNA-molecuul wordt twee, elk een exacte replica
van het ‘ouderlijke’ molecuul.
Dit was jaren ongetest. Er zijn verschillende modellen bedacht:
- Watson en Crick: wanneer een dubbele helix repliceert, elk
van de twee dochtermoleculen zal één oude streng
hebben, van het oudermolecuul, en één nieuw gemaakte
streng.
- Conservatief replicatiemodel: de twee ouderlijke strengen
komen op de een of andere manier weer bij elkaar na het
proces (dat wil zeggen dat het oudermolecuul behouden
blijft).
- Dispersieve model: alle vier de DNA-strengen hebben na
replicatie een mengsel van oud en nieuw DNA.
Matthew Meselson en Franklin Stahl bedachten in de jaren 50 een
experiment om de drie modellen te onderscheiden. Het resultaat
ondersteunde het Watson en Crick model.
DNA-replicatie: van dichterbij bekeken
DNA kopiëren kost in de S-fase van de interfase kost slechts een paar uur.
Ondanks dat we 6 miljard nucleotideparen (46 somatische cellen 46 DNA-
moleculen in de kern, één lange dubbele helixmolecuul per chromosoom).
Replicatie wordt bereikt met weinig fouten: ong één per 10 miljard nucleotiden.
Het kopiëren van DNA is opmerkelijk qua snelheid en nauwkeurigheid.
Meer dan een dozijn enzymen en eiwitten nemen deel aan DNA-
replicatie. Er is veel bekend over de ‘replicatie’ in bacteriën (E.coli) maar het
proces is vergelijkbaar voor eukaryoten.
Replicatieoorsprong = plaatsen met
korte stukken DNA met een specifiek
sequentie van nucleotide waar de
replicatie van chromosomaal DNA
begint. E.coli chromosoom ->
cirkelvormig en één oorsprong. Eiwitten
die DNA-replicatie initiëren, herkennen
deze sequentie en hechten zich aan
het DNA, waardoor de twee strengen
worden gescheiden en een
replicatie-‘bubbel’ wordt geopend. De
replicatie verloopt in beide richtingen
tot het hele molecuul is gekopieerd. Er
vormen zich meerdere
replicatiebubbels die uiteindelijk
samensmelten, waardoor het kopiëren
van de zeer lange DNA-moleculen wordt versneld. Een eukaryotische
