Cellen en celbiologie; DNA bouw, functies en replicatie

Het DNA (DesoxyriboNucleic Acid) is de basis voor het leven. Op basis van het DNA maakt de cel eiwitten. Eiwitten zorgen er voor dat de cel kan functioneren. Verder ligt in het DNA opgeslagen hoe de cel eruit moet zien, wat noodzakelijk is als cellen delen. DNA ligt opgeslagen in de celkern (nucleus). DNA is in 1953 ontdekt door de wetenschappers James Watson en Francis Crick. Zij hebben de structuur van DNA ontrafelt en zijn achter de functie van DNA gekomen. DNA-replicatie is het vormen van DNA. DNA-replicatie is nodig bij DNA-schade en bij de celdeling.

Bouw en functie van DNA
DNA ligt in de celkern
DNA ligt opgeslagen in de celkern van cellen. Chromosomen bestaan uit genen en genen bestaan uit DNA. De chromosomen liggen om histonen gewonden. Histonen zijn eiwitten die bolvormig zijn. Chromosomen zijn meestal niet zichtbaar. Alleen wanneer een cel gaat delen, zijn de chromosomen zichtbaar met behulp van een lichtmicroscoop, omdat de chromosomen dan condenseren.

Structuur van DNA
Het DNA is een dubbele helix van twee complementaire ketens die middels waterstofbruggen aan elkaar gebonden zijn. DNA is een polymeer (macromolecuul) wat bestaat uit verschillende monomeren. DNA bestaat uit een fosfaatgroep, een monosacharide (desoxyribose) en een base.

Er zijn in totaal vier basen; adenine (A), thymine (T), cytosine (C) en guanine (G). De complementaire ketens zijn middels waterstofbruggen tussen de basen aan elkaar gebonden. De base guanine van de ene DNA-keten is altijd middels drie waterstofbruggen aan cytosine van de complementaire DNA-keten gebonden. De base adenine van de ene DNA-keten is altijd middels twee waterstofbruggen aan thymine van de complementaire DNA-keten gebonden.

Functies van DNA
Op basis van het DNA kunnen eiwitten gemaakt worden en worden de erfelijke eigenschappen tot uiting gebracht. De eiwitten die de cel maakt, bepalen de structuur en functies van die cel. Eiwitten vormen de bouwstenen van organellen en enzymen. Eiwitten reguleren genexpressie en maken celbeweging en celcommunicatie mogelijk. Het DNA in de celkern verzorgt de bouwinstructies voor de eiwitten die gemaakt moeten worden. De volgorde van de verschillende basen in het DNA geven de bouwinstructies voor de eiwitten die gemaakt dienen te worden.

Cellen in weefsels die snel slijten, moeten snel vervangen kunnen worden. Doordat een cel in staat is zich te delen, ontstaan er uit een moedercel twee identieke dochtercellen. Door dit proces kunnen cellen vervangen worden, of DNA-schade gerepareerd worden.

DNA-replicatie; het maken van DNA
Waarom is DNA-replicatie nodig?
Het maken van nieuw DNA, of delen van DNA wordt DNA-replicatie genoemd. DNA-replicatie is nodig wanneer de cel gaat delen en wanneer er sprake is DNA-schade. Wanneer DNA-schade niet gerepareerd wordt, of er al bij de geboorte een DNA-afwijking aanwezig is, spreekt men van een mutatie.

Soms zijn mutaties gunstig, maar in de meeste gevallen zijn mutaties ongunstig. Zo leidt de vervanging van de base adenine door thymine in het gen wat codeert voor het maken van hemoglobine tot een afwijking van het hemoglobine waardoor sikkelcelanemie ontstaat. Ook alle kankersoorten zijn het gevolg van DNA-mutaties. In 30% van alle sterftegevallen is kanker de doodsoorzaak. Het is dus van levensbelang dat DNA-schade wordt gerepareerd.

Het proces van DNA-replicatie
Nu het duidelijk is hoe DNA is opgebouwd en de noodzaak van DNA-replicatie is toegelicht, wordt hieronder verder beschreven hoe het proces van DNA-replicatie verloopt.

Het is goed om te weten dat de twee complementaire DNA-strengen een mal (matrijs) vormen voor de DNA-keten die gevormd moeten worden. Ook is het goed om te weten dat elke dochtercel een DNA-keten krijgt van de moedercel. Hieronder wordt stapsgewijs beschreven hoe DNA-replicatie verloopt:

  • De dubbele DNA-helix wordt bij de A-T-verbinding opengebroken door initiatoreiwitten. De dubbele binding wordt bij de A-T-verbinding opengebroken, omdat daar de verbinding tussen de twee complementaire ketens uit twee waterstofbruggen bestaat en dus zwakker is dan de C-G-verbinding.
  • Er ontstaat een leading en lagging strand van complementaire DNA-ketens
  • Er wordt een primase A aan de leading strand en meerdere primase A’s aan de lagging strand gehecht. Het primase A bestaat uit een klein stukje RNA en dient als aanhechtingspunt voor DNA-polymerase. Het primase A is te vergelijken als het begin van een ritssluiting. Het zorgt ervoor dat er DNA gerepliceerd (verdubbeld) kan worden
  • Het DNA-polymerase hecht nucleotiden aan elkaar in exact de tegenovergestelde wijze aan elkaar in de wijze waarin de basen van de nucleotiden van de complementaire keten liggen. Er worden bijvoorbeeld de nucleotiden met de basen A aan C gehecht als in de complemetaire keten de nucleotiden met de basen T en G liggen
  • Het DNA-polymerase doet een proeflezing van het gerepliceerde DNA. Zo worden er fouten uit het gerepliceerde DNA gehaald. Van de nucleotiden die DNA-polymerase repliceert maakt het 1 op de 10 miljoen fouten.
  • Nucleases halen de foutieve nucleotiden uit de gerepliceerde DNA-keten en DNA-polymerase plaatst de goede nucleotiden terug.
  • Er volgt een volgende proeflezing. Er worden nu nog eens 99% van de gemaakte fouten uit het gerepliceerde DNA gehaald. De foutenmarge is nu 1 op de 1 miljard gerepliceerde nucleotiden. Dit proces wordt DNA-mismatch-repair genoemd
  • De nieuw gevormde DNA-keten wordt vastgehecht aan de moederketen. Nieuw DNA is ontstaan.

Lees ook:

Loop geen inkomsten mis, schrijf over hobby, werk of studie en verdien extra inkomsten!

Maak je eigen geldmachine in 8 stappen en wordt financieel onafhankelijk

Cellen en celbiologie; bouw en functie celkern (nucleus)

Cellen en celbiologie; opbouw van een cel

Cellen en celbiologie; celmembraan, plasmamembraan

De dierlijke cel

Celdeling: meiose (meiose I en meiose II), de vorming van geslachtscellen

Celdeling, mitose van cellen

Bouw, onderdelen (organellen) en functie van de cel

Bouw en functie van het centrosoom (centriolen)

Bouw en functie van ribosomen

Celkern: celdeling (mitose en meiose) en eiwitsynthese

Bronnen:

JE. Hall, 2013, Pocket Companion to Textbook of Medical Physiology, Elsevier Inc
GA Thibodeau, Patton KT 2012, Anatomy & Physiology, Mosby/Elsevier
EN Marieb, Hoehn K 2012, Human Anatomy & Physiology, Pearson/Benjamin Cummings