Thema 2: moleculaire mechanismen van genexpressie PDF

Preview

Summary

thema 2: moleculaire mechanismen vangenexpressie1. identificatie van DNA als drager van de genetische informatie1. experimenten van Griffith met pneumokokken (LEZEN)1. experimenten van Avery mt pneumokokken (LEZEN)2. genexpressie en fenotype● gen = DNA-fragment dat codeert voor een polypeptide ● na ...

Description

Lisa Van Oppens

thema 2: moleculaire mechanismen van genexpressie 1.

identificatie van DNA als drager van de genetische informatie

1.1.

experimenten van Griffith met pneumokokken (LEZEN)

1.2.

experimenten van Avery mt pneumokokken (LEZEN)

Lisa Van Oppens

2.

genexpressie en fenotype ● ●

●

3.

gen = DNA-fragment dat codeert voor een polypeptide na ruimtelijke opvouwing van één of meerdere polypeptide(n) ontstaat een proteïne na synthese van een eiwit: gen is tot uitdrukking of expressie gekomen = genexpressie - door genexpressie wordt de erfelijke informatie in de basensequentie van het DNA omgezet in een fenotypisch kenmerk van een organisme ➔ uiterlijk waarneembaar kenmerk ➔ productie van een enzym

centrale hypothese van de moleculaire biologie ●

Bij de meeste organismen gebeurt genexpressie volgens hetzelfde mechanisme - Van een basensequenties in een DNA-fragment wordt een afdruk gemaakt in de vorm van een RNA-molecule - RNA-molecule geeft aan welke aminozuren elkaar zullen opvolgen in de te synthetiseren proteïne

Lisa Van Oppens

4.

proteïnesynthese als resultaat van genexpressie ●

4.1.

Uitleg aan de hand van voorbeeld: oxytocine - Hormoon: ➔ baarmoedercontracties bij ontsluitingsfase ➔ baarmoedercontractie na de bevalling ➔ contractie van de spiertjes rond de melkklieren/melkgangen bij de borstvoeding - Neurotransmitter in de hersenen: ➔ moeder-kindbinding ➔ vorming van vriendschappen en relaties - bestaat slechts uit 9 aminozuren - organisme nood aan oxytocine: ➔ gen geactiveerd ➔ enkel in bepaalde neuronen van de hypothalamus ➔ aangemaakte hormoon naar hypofyse ➔ afgegeven in bloedbaan ➔ transport naar doelwitorgaan

transcriptie: eerste stap in de proteïnesynthese

4.1.1.

● ● ●

● ●

4.1.2. ●

Wat is transcriptie? = overschrijving, informatie in een basensequentie van een DNA-fragment (gen) overschrijven in een basensequentie van een mRNA. in de celkern De code voor de aanmaak van het polypeptide zit in de kern Het aan elkaar koppelen van de aminozuren gebeurt in cytosol - oplossing transcriptie De aangemaakte RNA-molecule verhuist van celkern naar cytosol ⇒ boodschapper m-RNA Complex proces waarbij heel veel enzymen betrokken zijn

verloop van transcriptie RNA-polymerase als belangrijkste enzym - herkent een startsequentie (specifieke reeks van basen) op de DNA-dubbelstreng (promotorregio) - kan eraan binden met behulp van transcriptiefactoren (specifieke eiwitten) - DNA-strengen worden losgemaakt, door breken van H-bruggen - RNA-polymerase hecht nucleotiden aan de 3’ → 5’ DNA streng - RNA-polymerase werkt in de 5’ -> 3’ richting - RNA-streng wordt gemaakt via complementaire basenparing: ➔ U-A, A-T, C-G, G-C

Lisa Van Oppens ●

●

●

na het opschuiven van het RNA-polymerase sluit de DNA-dubbelstreng opnieuw - Aan het einde van een gen komt een stopsequentie (reeks van basen) voor daar stopt transcriptie - m-RNA komt los en ook RNA-polymerase - m-RNA streng blijft in kern voor nabewerking - Na de nabewerking verhuist het mRNA via de kernporiën naar het cytosol opmerking - DNA heeft 2 strengen: ➔ 5’ - 3’ streng = sense streng = coderende streng = non-template streng ➔ 3’ - 5’ streng = antisense streng = codogene streng = template streng = matrijs - RNA wordt gemaakt in 5’ → 3’ richting ⇒ de 3’-5’ streng (template) van het DNA wordt als basis gebruikt! ➔ RNA is complementair aan de 3’-5’ streng van het DNA (tegenover A komt U!) ➔ RNA is dus identiek aan de 5’-3’ streng van het DNA (T wordt U) foute basenparing - RNA-polymerase heeft geen herstelfunctie ⇒ Werkt minder secuur dan DNA-polymerase - compensatie ⇒ minder gevolgen dan DNA fout ➔ meerdere mRNA’s op één gen tegelijk aanmaken, deze bevatten niet allemaal fouten ➔ m-RNA moleculen hebben korte levensduur, worden heel regelmatig afgebroken en vervangen

Lisa Van Oppens

4.1.3. ●

●

●

nabewerkingen van mRNA: splicing genen bij eukaryoten zijn gefragmenteerd: - bevatten coderende stukken: exons - bevatten niet-coderende stukken: introns gen wordt integraal overgeschreven, met introns en exons: precursor-mRNA - pre-mRNA enzymen - knippen introns eruit - plakken exons aan elkaar ⇒ functioneel en rijp mRNA dat naar cytosol zal verhuizen

4.2.

genetische code = het geheel van 64 codons waaruit mRNA kan worden opgebouwd

4.2.1. ●

●

code met drieletterwoorden hoe kunnen 4 basen in het DNA en RNA coderen voor 20 verschillende AZ? - Stel 1 base voor 1 AZ ⇒ 4 AZ - Stel 2 basen voor 1 AZ ⇒ 16 AZ - Stel 3 basen voor 1 AZ ⇒ 64 AZ codewoorden in DNA en RNA zijn 3-letterwoorden (3 basen) - 3 letters (basen) in DNA: triplet - 3 letters (basen) in RNA: codon - geheel van 64 codons: genetische code - 61 codons coderen voor AZ - 3 codons hebben functie als stopteken: ➔ UAA ➔ UGA ➔ UAG - 1 codon heeft dubbele functie: ➔ AUG is startcodon en methionine - leesraam: ➔ basensequentie tussen start- en stopcodon

Lisa Van Oppens

4.2.2. ●

● ●

4.3.

eigenschappen van de genetische code universeel: - bijna alle organismen gebruiken dezelfde code ⇒ gemeenschappelijke voorouder - basis voor gentechnologie: genen naar ander organisme overbrengen ruime code: - 64 codons voor 20 aminozuren ⇒ meer dan één codon voor één AZ specifiek: - elk codon codeert slechts voor één AZ

translatie: tweede stap in de proteïnesynthese

4.3.1.

●

●

4.3.2. ●

●

Wat is translatie? = vertaling, informatie in een basensequentie van mRNA vertalen naar een aminozuren sequentie van een polypeptide basensequentie in mRNA → AZ-sequentie van polypeptide - basentaal → aminozuurtaal - gebeurt door de ribosomen volgende zaken zijn nodig: - de 20 verschillende AZ - mRNA - ATP - specifieke enzymen:peptidyltransferase - tRNA: ➔ AZ kunnen niet binden met mRNA ➔ adaptormoleculen om mRNA om te zetten in AZ-sequentie

structuur en functie van transfer-RNA (tRNA) Structuur van t-RNA: - enkelstreng - basenparing op 4 plaatsen ⇒ lussen ➔ lus 2 bevat 3’-> 5’ stuk dat complementair kan zijn met codon op mRNA = anticodon - alle tRNA’s hebben = structuur, maar verschillen in anticodon - het vrije 3’-uiteinde: ➔ is altijd CCA ➔ bindingsplaats voor aminozuur Functie van t-RNA: - binden met mRNA - aminozuur aanbrengen voor polypeptide

Lisa Van Oppens

4.3.3. ●

●

4.3.4. ●

● ●

structuur en functie van een ribosoom Structuur van het ribosoom: - zeer kleine organellen - los in het cytosol of gebonden aan ER - Twee subeenheden: ➔ rRNA gemaakt in nucleolus ➔ ribosomale proteïnen: gemaakt in cytosol ➔ assemblage rRNA en ribosomale eiwitten in nucleolus ➔ in cytosol komen 2 eenheden samen ➔ na samenstelling ontstaat kanaaltje waarin mRNA kan binden: M-plaats ➔ aan grote subeenheid ➢ bindingsplaatsen voor tRNA: P en A ➢ ribosomaal eiwit/enzym: PT: peptide binding tussen AZ functie van het ribosoom: - Leesrobotjes: ➔ codons van het mRNA aflezen ➔ AZ in juiste volgorde in polypeptide plaatsen

verloop van translatie Verloop van translatie adhv. rijp mRNA van oxytocine - AUG is startcodon: AZ methionine - ribosoom scant mRNA van 5’ → 3’ - Laatste codon/stopcodon: UAG Voorbeeld niet kennen, algemeen principe studeren stap 1 ‘activatie van aminozuren’ - cruciaal is het aanhechten van het juiste AZ aan t-RNA door aminoacyl-tRNA-synthetase (specifiek) - tegelijkertijd gebeurt activatie - resultaat van activatie: ➔ AZ wordt gebonden aan 3’-acceptorplaats van tRNA ➔ tRNA met AZ genoteerd als bv. tRNAtyr

Lisa Van Oppens ●

●

stap 2 vorming van een startcomplex - cytosol bevat: ➔ mRNA ➔ tRNAmet ➔ grote en kleine subeenheden van de ribosomen - mRNA zet zich vast op de M plaats van de kleine subeenheid - tRNAmet bindt met anticodon UAC op het startcodon AUG van het mRNA - grote subeenheid hecht zich aan kleine ⇒ ➔ mRNA ertussen ➔ tRNAmet op de p-plaats

stap 3 vorming van een polypeptideketen - A-plaats: basenparing tussen het tweede codon en anticodon van het tweede tRNA (bv. tRNAcys) - enzymen uit PT-plaats zorgen voor peptidebiding tussen de twee aminozuren ⇒ ➔ dipeptide gebonden aan 2de tRNA ➔ eerste tRNA is leeg - Ribosoom verschuift naar rechts over mRNA ⇒ ➔ eerst tRNA komt los ➔ tweede tRNA komt op P-plaats ➔ A-plaats is vrij voor 3de tRNA - De laatste 3 stappen herhalen zich voor alle codons en aminozuren tot het volledige polypeptide gevormd is

Lisa Van Oppens

stap 4: einde van translatie en opvouwing - Laatste codon bv. UAG is stopcodon ➔ accepteert geen tRNA ➔ bindt releasing factor (RF) ➔ tRNA, mRNA, RF en polypeptide komen los van elkaar - opmaak polypeptideketen ➔ start AZ met gaat eraf ➔ zwavelbruggen (en/of H-bruggen) zorgen voor opvouwing ➔ eiwit is functioneel

●

4.3.5. ●

4.4.

vorming van polysomen polysomen - parelsnoer van ribosomen op het mRNA - verhoogde efficiëntie van de translatie van één mRNA: ➔ op éénzelfde RNA binden verschillende ribosomen ➔ simultane translatie van één mRNA ➔ meerdere moleculen van hetzelfde proteïne

overzicht van het verloop van de proteïnesynthese ●

pagina 77: eiwitsynthese toegepast op oxytocine ‘lezen’

Lisa Van Oppens

5.

één gen, meerdere polypeptiden 1 gen kan meerdere polypeptiden maken - alternatieve splicing - meerdere startplaatsen voor transcriptie in één gen - post-translationele modificatie ⇒ De hoeveelheid informatie (proteïnen) in DNA is groter dan het aantal genen ⇒ informatiedichtheid van DNA vergroot ⇒ één gen, meerdere polypeptiden ●

5.1.

alternatieven splicing van pre-mRNA ●

●

5.2.

voordeel - genexpressie van verandert door variatie in het splicing proces uit één pre-mRNA verschillende rijpe mRNA’s maken → verschillende polypeptiden - exonen niet allemaal aan elkaar koppelen - ef en toe exon weglaten ➔ mRNA andere lengte ➔ polypeptideketen andere lengte ➔ verschillende proteïne op basis van 1 gen

meerdere startplaatsen voor transcriptie van één gen ● ●

één gen meerdere startplaatsen voor transcriptie startplaats afhankelijk van celtype - op basis van één gen ontstaan mRNA’s van verschillende lengte - polypeptideketens met verschillende lengte, structuur en functie naargelang celtype

Lisa Van Oppens

5.3.

modificatie van proteïnen na translatie ●

na translatie enzymatische wijzigingen: - aanhechten sacharideketen in ER of golgi - aanhechten fosfaatgroep (door kinasen) - doorknippen van polypeptideketen ⇒ verschillende eindproducten

6.

definitie van een gen bijsturen ●

7.

gen = DNA fragment met de code voor 1 of meerdere polypeptideketens of RNA-molecule - eenheid van overerving ➔ doorgeven aan nakomelingen - heeft een chromosomale locus ➔ plaats op een chromosoom

regulatie van genexpressie

7.1.

noodzaak van regulatie van genexpressie ●

elke cel bevat het volledige DNA, niet alle genen zijn continu nodig: - voorbeeld 1: ➔ genen voor enzymen, nodig voor basisfuncties ⇒ continu expressie ➔ genen voor specifieke celfuncties ⇒ geen continue expressie ➔ insuline enkel nodig bij hoge bloedglucosespiegel ➔ niet onnodig grondstoffen en energie verspillen - voorbeeld 2: specifieke functies in gedifferentieerde cellen komen tot stand door slechts gebruik te maken van een beperkte selectie van het DNA - levercel gebruikt enkel genen voor synthese van bloed plasmaproteïnen - bindweefselcel enkel genen voor bindweefsel proteïnen - voorlopercel van RBC zal vooral de informatie voor de aanmaak van hemoglobine gebruiken voorbeeld 3: -

-

-

genen voor embryonale ontwikkeling worden slechts tijdelijk gebruikt

⇒ mechanismen nodig die de genexpressie reguleren

Lisa Van Oppens

7.2.

opbouw van een expressie-eenheid ● ●

●

gen is onderdeel van expressie-eenheid combinatie van verschillende DNA-segmenten: - transcriptie-eenheid: ➔ basensequentie van één of meerdere naast elkaar gelegen genen ➔ coderen voor specifieke eiwitten: structuurgenen - de promotor: ➔ kort stuk DNA ➔ startsignaal voor transcriptie ➔ ligt vlak voor transcriptie-eenheid ➔ bevat herkenningsplaatsen voor RNA-polymerase - regulatorgenen of regelgenen: ➔ genen die coderen voor eiwitten die de transcriptie van structuurgenen beïnvloeden de promotor en de genproducten van de regelgenen laten toe genen te activeren/blokkeren

Lisa Van Oppens

7.3.

regulatie van genexpressie bij prokaryoten ●

prokaryoten: - ééncellig - bijzonder snel aanpassen aan wijzigingen in milieu, bv. andere voedsel (glucose → lactose) - enzymen om lactose te metaboliseren worden pas gemaakt als er lactose in het milieu aanwezig is (bv. E. coli) ⇒ snelle regulatie nodig

7.3.1. ●

●

●

● ●

operon bij bacteriën liggen functioneel bij elkaar horende structuurgenen dikwijls vlak naast elkaar + transcriptie staat onder controle van 1 gemeenschappelijke promotor De onderzoekers Jacob en Monod gaven de volledige expressie-eenheid de naam ‘Operon’ (deden baanbrekend onderzoek naar genexpressie in bacteriën) Organisatie van een operon - transcriptie-eenheid met structuurgenen - promotor: startplaats voor transcriptie - operator: deel van de promotor waar genproducten van regulatorgenen op kunnen binden voor het operon liggen de regulatorgenen met hun eigen promotor verwarrend in boek: ○ expressie eenheid is hier alleen het operon, dus zonder het regulatorgen ○ algemeen is expressie-eenheid alles samen (zie p.81)

Lisa Van Oppens

7.3.2. ●

●

●

genregulatie door repressie en inductie mechanisme van genregulatie voor het lactose metabolisme bij E.coli - regeling door lac-operon: 1 promotor met operator + 3 structuurgenen) - regulatorgen is hier een repressorgen met eigen promotor - repressor-inductormoden geen lactose: lac-operon met repressor - geen lactose in het extracellulair milieu van E.coli bacterie ➔ genen voor lactose te metaboliseren zijn niet nodig - expressie van de transcriptie-eenheid van het lac-operon is onderdrukt door een repressor - repressor = proteïne gecodeerd door het regulatorgen = repressorgen - De repressor bindt op operator (deel van de promotor) - De binding veroorzaakt een hindernis voor het RNA-polymerase ⇒ kan transcriptie van de structuurgenen niet starten - de structuurgenen zijn vergrendeld of uitgeschakeld ⇒ geen mRNA ⇒ geen enzymen voor lactose metabolisme wel lactose: lac-operon met inductor - E.coli wordt blootgesteld aan lactose (in extracellulair milieu) - allolactose (isomeer lactose) zal binden aan repressor - repressorproteïne verandert van vorm ⇒ repressor bindt niet meer met operator - De repressie valt weg ⇒ RNA-polymerase kan transcriptie van de structuurgenen starten - allolactose = inductor, induceert transcriptie - structuurgenen zijn ontgrendeld/aangeschakeld - mRNA en proteïnen nodig voor verwerking lactose worden gevormd...